Современные протезы конечностей могут помочь людям с ампутациями добиться естественной походки, но они не предоставляют пользователю полного нейронного контроля над конечностью. Вместо этого они полагаются на роботизированные датчики и контроллеры, которые перемещают конечность с использованием заранее заданных алгоритмов походки.
Используя новый тип хирургического вмешательства и нейропротезный интерфейс, исследователи MIT в сотрудничестве с коллегами из Бригамской женской больницы показали, что естественная походка может быть достигнута с помощью протеза ноги, полностью управляемого нервной системой тела. Хирургическая процедура ампутации воссоединяет мышцы в остаточной конечности, что позволяет пациентам получать «проприоцептивную» обратную связь о положении их протезной конечности в пространстве.
В исследовании семи пациентов, перенесших эту операцию, команда MIT обнаружила, что они могли ходить быстрее, избегать препятствий и подниматься по лестнице намного естественнее, чем люди с традиционной ампутацией.
«Это первое в истории исследование протеза, показывающее ногу под полным нейронным управлением, где возникает биомиметическая походка. Никто не смог показать такой уровень контроля мозга, который создает естественную походку, где нервная система человека управляет движением, а не роботизированный алгоритм управления», — отметил Хью Херр, сопредседатель Центра бионики им. К. Лизы Янг при MIT и старший автор нового исследования.
Пациенты также испытывали меньше боли и меньше атрофии мышц после операции, известной как мионейронный интерфейс антагониста-агониста (AMI). На сегодняшний день около 60 пациентов по всему миру перенесли этот тип операции, который также может быть выполнен у людей с ампутацией рук.
Сенсорная обратная связь
Большинство движений конечностей контролируется парами мышц, которые поочередно растягиваются и сокращаются. Во время традиционной ампутации ниже колена взаимодействия этих пар мышц нарушаются. Это делает очень трудным для нервной системы ощущение положения мышцы и скорости ее сокращения — сенсорная информация, которая имеет решающее значение для мозга при принятии решения о движении конечности.
Люди с такой ампутацией могут испытывать трудности с контролем своей протезной конечности, потому что они не могут точно ощущать, где находится конечность в пространстве. Вместо этого они полагаются на роботизированные контроллеры, встроенные в протез. Такие протезы также включают датчики, которые могут обнаруживать и адаптироваться к склонам и препятствиям.
Чтобы помочь людям добиться естественной походки под полным контролем нервной системы, Херр и его коллеги начали разрабатывать операцию AMI несколько лет назад. Вместо разрыва естественных взаимодействий мышц-антагонистов и агонистов, они соединяют два конца мышц так, чтобы они все еще динамически взаимодействовали друг с другом в остаточной конечности. Эта операция может быть выполнена во время первичной ампутации, или мышцы могут быть вновь соединены после первоначальной ампутации в рамках процедуры ревизии.
«С операцией ампутации AMI, насколько это возможно, мы стараемся соединить родные агонисты с родными антагонистами физиологическим образом, чтобы после ампутации человек мог двигать своей полной фантомной конечностью с физиологическими уровнями проприоцепции и диапазона движения», — говорит Херр.
В исследовании 2021 года лаборатория Херра обнаружила, что пациенты, перенесшие эту операцию, могли более точно контролировать мышцы своей ампутированной конечности, и эти мышцы производили электрические сигналы, аналогичные сигналам их неповрежденной конечности.
После этих обнадеживающих результатов исследователи решили исследовать, могут ли эти электрические сигналы генерировать команды для протезной конечности и одновременно давать пользователю обратную связь о положении конечности в пространстве. Человек, носящий протез, мог бы использовать эту проприоцептивную обратную связь для регулирования своей походки по мере необходимости.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Medicine, команда MIT обнаружила, что эта сенсорная обратная связь действительно переводится в плавную, почти естественную способность ходить и преодолевать препятствия.
Естественная походка
В этом исследовании исследователи сравнили семь человек, перенесших операцию AMI, с семью людьми, у которых были традиционные ампутации ниже колена. Все испытуемые использовали один и тот же тип бионической конечности: протез с приводным голеностопом, а также электроды, которые могут считывать электромиографические (EMG) сигналы от передней большеберцовой мышцы и икроножной мышцы. Эти сигналы поступают в роботизированный контроллер, который помогает протезу рассчитывать, насколько сгибать голеностоп, сколько прикладывать крутящего момента или сколько подавать энергии.
Исследователи тестировали испытуемых в нескольких различных ситуациях: ходьба по ровной поверхности по 10-метровому пути, подъем по склону, спуск по рампе, подъем и спуск по лестнице и ходьба по ровной поверхности, избегая препятствий.
Во всех этих задачах люди с нейропротезным интерфейсом AMI могли ходить быстрее — примерно с той же скоростью, что и люди без ампутаций — и легче обходить препятствия. Они также демонстрировали более естественные движения, такие как поднятие носка протеза при подъеме по лестнице или преодолении препятствия, и они лучше координировали движения своей протезной конечности и своей неповрежденной конечности. Они также могли отталкиваться от земли с той же силой, что и люди без ампутации.
«С группой AMI мы наблюдали появление естественных биомиметических поведений», — говорит Херр. «Группа, у которой не было AMI, могла ходить, но движения протеза не были естественными, и их движения в целом были медленнее.»
«Один из основных выводов здесь состоит в том, что небольшое увеличение нейронной обратной связи от ампутированной конечности может восстановить значительную бионическую нейронную управляемость, до такой степени, что вы позволяете людям непосредственно нейронально контролировать скорость ходьбы, адаптироваться к различным типам местности и избегать препятствий», — рассказал доктор Хюнгеун Сонг, Media Lab MIT.
