Создать роботизированный протез проще, чем научить пациента им управлять. Особенно если это протез руки, ампутированной выше локтя. В новом исследовании для этого впервые в мире были использованы беспроводные имплантаты. Результаты получились впечатляющими.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science Robotics группой во главе с Оскаром Асцманом (Oskar Aszmann) из Медицинского университета Вены.
Как люди вообще управляют электронными протезами? Можно вживить электроды, которые будут считывать нужные сигналы, прямо в мозг. Но это опасная операция. К тому же провод, ведущий под свод черепа, может стать проводником для различных инфекций, а это уже смертельная угроза.
Многие системы используют электроэнцефалограмму (ЭЭГ) пациента. Но ЭЭГ фиксирует совокупный электрический сигнал от всего мозга, а не только от центров управления конечностями. К тому же электрический сигнал ЭЭГ довольно слаб. То и другое мешает человеку подавать команды для выполнения тонких и дифференцированных движений.
Поэтому часто инженеры и медики предпочитают использовать миоэлектрические датчики. Для управления протезом пациент в этом случае напрягает те или иные уцелевшие мышцы. Сенсоры фиксируют электрическую активность последних и отдают протезу команды.
При этом пациенту приходится учиться управлять определёнными движениями с помощью мышц, предназначенных природой совсем для других движений. Например, чтобы согнуть протез в локте, нужно определённым образом напрячь мускулы плеча. Далеко не все справляются с подобной задачей.
Результаты были бы гораздо лучше, если бы протез подключался прямо к нервам, которые когда-то управляли ампутированной конечностью. Тогда, чтобы согнуть протез в локте, мозг пациента давал бы привычную, естественную команду "согнуть руку в локте".
Подобные технологии пока не разработаны в достаточной степени. Но есть промежуточный вариант: целевая реиннервация (targeted reinnervation) мышц.
Этот метод заключается в следующем. Медики выбирают какую-нибудь второстепенную мышцу (так называемую мишень), которой можно пожертвовать. Хирурги перерезают нервы, управляющие её движением. Вместо них врачи вживляют нервы, некогда подававшие команды на ампутированную конечность.
Теперь мышца превращается в передаточное звено между нервной системой человека и протезом. Пытаясь согнуть локоть, взять предмет или выполнить ещё какое-нибудь действие ампутированной рукой, пациент посылает нервный сигнал на мыщцу-мишень. Её реакция считывается миоэлектрическим датчиком протеза, и пациент постепенно учится управлять искусственной рукой через мышцу-мишень.
Целевая реиннервация мышц улучшает управление протезом, но и эта технология далека от совершенства. Обычно сигнал от мышц фиксируется электродами, прикреплёнными к коже. Поэтому он получается слабым и ненадёжным. На качество соединения влияет пот и другие внешние факторы. Зачастую пациенты просто не могут научиться управлять всеми возможностями продвинутого протеза. Многие, отчаявшись, и вовсе отказываются от протезирования.
Эту проблему могут решить имплантаты, считывающие информацию не с кожи, а прямо с мышцы-мишени. Такой сигнал получается гораздо более сильным и позволяет пациенту отдавать точные и дифференцированные команды протезу.
Разумеется, желательно, чтобы при этом от посаженного на мышцу имплантата к электронной руке не тянулись провода: чем меньше в организме инородных тел, тем меньше рисков. Кроме того, такого рода датчики нуждаются в электрической энергии, и заряжать их тоже лучше бы не через шнур.
Подобные технологии – самый передний край медицины. Команда Асцмана обнаружила в научной литературе только одно упоминание о беспроводных миоэлектрических имплантатах для управления протезом руки. Но в этой работе речь шла об ампутации ниже локтя. В этом случае управлять протезом гораздо проще. Возможно, поэтому в тот раз медики смогли обойтись без целевой реиннервации мышц.
В новой работе Асцман и коллеги вживили имплантаты трём пациентам, у которых рука была ампутирована выше локтя (руки были потеряны из-за несчастных случаев).
Пересаженные устройства представляют собой цилиндры с керамическим корпусом длиной 16 миллиметров и диаметром 2,5 миллиметра. Торцы их изготовлены из металла и представляют собой электроды, записывающие электрическую активность мышц.
Имплантаты передают команды протезу с помощью беспроводной связи. Заряжаются они также без проводов. Подключённый к электросети протез генерирует переменное магнитное поле, от которого и подпитываются устройства.
Учёные воспользовались целевой реиннервацией, срастив мышцы-мишени в плече с нервами, управлявшими движением предплечья и кисти.
В зависимости от количества мышц-мишеней каждому пациенту было пересажено 5–6 имплантатов.
Результаты оказались гораздо лучше, чем при применении миоэлектрических датчиков на коже. В последнем случае мышца-мишень начинает генерировать полезные для управления протезом сигналы лишь через полгода реабилитации и тренировок. В новом исследовании эффект появился вдвое раньше.
Медики использовали стандартные тесты на качество управления протезами. Среди них была процедура оценки [ловкости] рук Саутгемптона (Southampton hand assessment procedure), тест на захват и перемещение предметов (Clothespin Relocation Test), тест "Коробка и блоки" (Box and Blocks Test) и другие испытания. По результатам большинства экспериментов пациенты управляли протезами намного лучше, чем это возможно с помощью стандартных подходов.
"Результаты более чем двухлетнего наблюдения демонстрируют чрезвычайно надёжную передачу данных и гораздо более быстрое и безопасное использование [протеза] по сравнению со стандартными системами", – заключает Асцман.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как нейропротез впервые вернул парализованному пациенту способность к движениям, и о восстанавливающей двигательные функции роботизированной руке.
