Aaron Fleming, NC State University
Μια ρομποτική προσθετική ποδοκνημική άρθρωση που ελέγχεται από σήματα των νεύρων επιτρέπει στα άτομα με ακρωτηριασμό κάτω άκρου να κινούνται πιο φυσιολογικά, βελτιώνοντας τη σταθερότητά τους, σύμφωνα με μια νέα μελέτη από τα Πανεπιστήμια Βόρειας Καρολίνας και Νότιας Καρολίνας.
“Η μελέτη επικεντρώθηκε στον ‘έλεγχο της στάσης’, κάτι που είναι εκπληκτικά περίπλοκο,” λέει η Έλεν Χουάνγκ, συν-συγγραφέας της μελέτης και καθηγήτρια Βιοϊατρικής Μηχανικής στα Πανεπιστήμια NC State και UNC.
“Βασικά, όταν στεκόμαστε όρθιοι ακίνητοι, το σώμα μας κάνει συνεχώς προσαρμογές για να μας κρατήσει σταθερούς. Για παράδειγμα, αν κάποιος πέσει πάνω μας ενώ είμαστε όρθιοι σε μια ουρά, τα πόδια μας κάνουν πολλές κινήσεις τις οποίες δεν συνειδητοποιούμε καν, για να μας κρατήσουν όρθιους. Συνεργαζόμαστε με ανθρώπους που έχουν χάσει ένα κάτω άκρο, και μας λένε ότι η επίτευξη αυτής της σταθερότητας με τεχνητό μέλος αποτελεί σημαντική πρόκληση. Και αυτή η μελέτη δείχνει ότι τα ρομποτικά προσθετικά αστραγάλου που ελέγχονται με τη χρήση ηλεκτρομυογραφικών (ΗΜΓ) σημάτων είναι εξαιρετικά καλά στο να επιτρέπουν στους χρήστες να επιτύχουν αυτή τη φυσική σταθερότητα.”
Η νέα μελέτη βασίζεται σε προηγούμενες εργασίες, οι οποίες έδειξαν ότι ο νευρικός έλεγχος ενός ηλεκτρικού προσθετικού αστραγάλου μπορεί να αποκαταστήσει μια σειρά από δυνατότητες, που συμπεριλαμβάνουν τη στάση σε δύσκολες επιφάνειες και το βαθύ κάθισμα.
Για αυτήν τη μελέτη, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με πέντε άτομα με ακρωτηριασμό κάτω από το γόνατο σε ένα από τα δύο κάτω άκρα. Οι συμμετέχοντες εφοδιάστηκαν με έναν πρωτότυπο ρομποτικό προσθετικό αστράγαλο που ανταποκρίνεται σε σήματα ΗΜΓ που ανιχνεύονται από αισθητήρες στο πόδι. Οι ερευνητές εκπαίδευσαν τους συμμετέχοντες στη χρήση της συσκευής, ώστε να είναι κάπως εξοικειωμένοι με την τεχνολογία.
“Βασικά, οι αισθητήρες τοποθετούνται πάνω στους μύες του κολοβώματος,” λέει ο Άαρον Φλέμινγκ, συ-συγγραφέας της μελέτης και διδάκτορας του NC State. “Όταν ο συμμετέχων σκέφτεται να κινήσει το άκρο, στέλνει ηλεκτρικά σήματα στους μύες του κολοβώματος. Οι αισθητήρες ανιχνεύουν αυτά τα σήματα μέσω του δέρματος και τα μετατρέπουν σε εντολές για την προσθετική συσκευή.”
Στο πλαίσιο της πειραματικής έρευνας, ζητήθηκε από τους συμμετέχοντες να ανταποκριθούν σε μια “αναμενόμενη διαταραχή της ισορροπίας τους”. Στην καθημερινή ζωή, αυτό θα μπορούσε να είναι να πιάσουν στον αέρα μια μπάλα ή να σηκώσουν μια σακούλα με ψώνια. Ωστόσο, προκειμένου να αναπαράγουν ακριβώς τις συνθήκες κατά τη διάρκεια της μελέτης, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μηχανικό σύστημα που έβαζε σε δοκιμασία τη σταθερότητα των συμμετεχόντων.
Ζητήθηκε από τους συμμετέχοντες της μελέτης να αντιδράσουν στην αναμενόμενη διαταραχή υπό δύο συνθήκες: χρησιμοποιώντας τις προσθετικές συσκευές που χρησιμοποιούσαν κανονικά και χρησιμοποιώντας το πρωτότυπο ρομποτικό προσθετικό.
“Διαπιστώσαμε ότι οι συμμετέχοντες στη μελέτη ήταν σημαντικά πιο σταθεροί όταν χρησιμοποιούσαν το ρομποτικό πρωτότυπο,” λέει ο Φλέμινγκ. “Ήταν λιγότερο πιθανό να σκοντάψουν ή να πέσουν.”
“Ειδικότερα, το ρομποτικό πρωτότυπο επέτρεψε στους συμμετέχοντες να αλλάξουν τη στρατηγική ελέγχου της στάσης τους,” λέει η Χουάνγκ. “Για τους ανθρώπους που έχουν το άκρο τους ανέπαφο, η σταθερότητα της στάσης ξεκινά από τον αστράγαλο. Για τους ανθρώπους που έχουν χάσει το κάτω άκρο τους, συνήθως πρέπει να αντισταθμίσουν την έλλειψη ελέγχου του αστραγάλου με άλλου είδους κινήσεις. Διαπιστώσαμε ότι η χρήση του ρομποτικού αστραγάλου που ανταποκρίνεται σε σήματα ΗΜΓ επιτρέπει στους χρήστες να επιστρέψουν στην ενστικτώδη αντίδρασή τους για τη διατήρηση της σταθερότητας.”
Σε ένα διακριτό τμήμα της μελέτης, οι ερευνητές ζήτησαν από τους συμμετέχοντες να ταλαντεύονται προς τα εμπρός και προς τα πίσω ενώ χρησιμοποιούσαν πρώτα το κανονικό τους προσθετικό και ενώ χρησιμοποιούσαν το πρωτότυπο ρομποτικό προσθετικό. Οι συμμετέχοντες της μελέτης εφοδιάστηκαν με αισθητήρες που σχεδιάστηκαν για να μετρήσουν τη δραστηριότητα των μυών σε ολόκληρο το κάτω μέρος του σώματος.
“Διαπιστώσαμε ότι τα πρότυπα δραστηριότητας των μυών στο κάτω μέρος του σώματος ήταν πολύ διαφορετικά όταν οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν τις δύο διαφορετικές προσθετικές συσκευές,” λέει η Χουάνγκ. “Βασικά, τα πρότυπα ενεργοποίησης των μυών όταν χρησιμοποιούσαν το πρωτότυπο προσθετικό ήταν πολύ παρόμοια με τα πρότυπα που βλέπουμε σε ανθρώπους που έχουν πλήρη χρήση δύο ανέπαφων κάτω άκρων. Αυτό μας λέει ότι το πρωτότυπο που αναπτύξαμε μιμείται τη συμπεριφορά του σώματος αρκετά ώστε να επιτρέπει την επιστροφή των ‘φυσιολογικών’ νευρικών αντιδράσεων των ανθρώπων. Αυτό είναι σημαντικό γιατί υποδεικνύει πως η τεχνολογία χρησιμοποιείται κατά κάποιον τρόπο ενστικτωδώς από τους χρήστες”.
“Πιστεύουμε πως αυτό το εύρημα είναι κλινικά σημαντικό, γιατί η ισορροπία θέσης είναι σημαντικό πρόβλημα για όλους όσους χρησιμοποιούν τεχνητά κάτω άκρα. Τώρα βρισκόμαστε στη φάση μιας διευρυμένης δοκιμής με περισσότερους συμμετέχοντες, τόσο για να αποδείξουμε τα αποτελέσματα της τεχνολογίας που αναπτύξαμε, όσο και για να προσδιορίσουμε ποιοι χρήστες μπορούν να επωφεληθούν περισσότερο από αυτήν.”
Ένα επιστημονικό άρθρο για την πειραματική αυτή έρευνα, με τίτλο “Neural Prosthesis Control Restores Near-Normative Neuromechanics in Standing Postural Control,” δημοσιεύθηκε στις 18 Οκτωβρίου στο επιστημονικό περιοδικό Science Robotics.
