Sztuczna ręka, która czuje dotyk

Inteligentną protezę, która naśladuje ruchy prawdziwej dłoni ludzkiej i pozwala pacjentowi odbierać wrażenia dotykowe, opracowali naukowcy z międzynarodowego konsorcjum finansowanego w ramach 7. Programu Ramowego UE.

Ostatnie wyniki ich pracy zostały zaprezentowane w dniach 20-21 maja w Brukseli, w ramach konferencji dotyczącej innowacji w opiece zdrowotnej "Innovation in Healthcare, from research to market, SMEs in focus", zorganizowanej przez Komisję Europejską. Koncentrowała się ona szczególnie na udziale małych i średnich przedsiębiorstw (SMEs - Small and Medium Enterprises) w unijnych programach badawczych dotyczących zdrowia.

Proteza zaprezentowana przez koordynatora projektu dr. Fredrika Sebeliusa z Uniwersytetu w Lund, ma poprawić jakość życia ludzi, którzy z powodu amputacji dłoni zmagają się z niepełnosprawnością.

Jak przypomniał dr Sebelius, obecnie stosuje się najczęściej dwa rodzaje protez dłoni. Proteza tzw. bioelektryczna jest sterowana poprzez impuls mięśniowy wzmocniony przez elektrody stykające się w odpowiednich miejscach ze skórą pacjenta. Ma ona jeden zakres ruchów - może się otwierać i zamykać. Drugi rodzaj stanowi proteza mechaniczna w postaci haka sterowanego przez linki, który można rozchylać wysuwając ramię.

"Obecne protezy te nie pozwalają pacjentowi odbierać różnych bodźców z otoczenia. I jest to jedna z przyczyn, dla której nie są one dziś zbyt często używane. Chcieliśmy poprawić tę sytuację" - wyjaśnił dr Sebelius.

Jak zaznaczył specjalista, jednym z dwóch najważniejszych zadań, jakie stało przed jego zespołem, było opracowanie wszczepialnego neuronalnego interfejsu, czyli systemu pozwalającego skomunikować protezę z mózgiem.

Ma on zdolność rejestrowania bodźców i stymulacji mózgu, przez co może zapewnić pacjentowi kontrolę motoryczną nad protezą oraz odbiór wrażeń dotykowych.

Jego podstawę stanowią elektrody mające zdolność owijania się wokół nerwów. Wszczepia się je do obwodowego układu nerwowego, który odbiera z mózgu sygnały o tym, że pacjent chce wykonać jakiś ruch. Sygnały przekazane do mięśni są następnie rejestrowane przez elektrody na powierzchni skóry pozostałego odcinka ręki i stymulują silniczki protezy do wykonywania ruchów. Proteza jest więc kontrolowana naturalnie myślami pacjenta.

"Krytyczne znaczenie ma w tym przypadku biokompatybilność tego systemu, bo gdyby między nim a tkanką zachodziły jakieś reakcje to elektrody nie mogłyby wystarczająco dobrze odbierać i przekazywać sygnałów" - wyjaśnił dr Sebelius.

Badania na zwierzętach dowiodły, że ten interfejs jest w stanie rozróżniać poszczególne rodzaje ruchu i może kontrolować protezę.

Drugim bardzo ważnym etapem projektu było opracowanie protezy dłoni o zwiększonej motoryce oraz sztucznego systemu odbioru wrażeń zmysłowych. W tym celu w protezie umieszczona 40 czujników, z których najważniejsze są czujniki napięcia biorące pozwalające pacjentowi czuć m.in. jak mocny jest jego chwyt.

Naukowcy przeprowadzili równocześnie badania nad fantomowymi doznaniami zmysłowymi, które występują u osób po amputacji dłoni. "Gdy u pacjentów tych stymulujemy dotykiem różne obszary skóry w miejscu amputacji to maja oni wrażenie jakby ktoś dotykał ich nieistniejącej dłoni" - tłumaczył dr Sebelius.

W badaniach na 18 pacjentach po amputacji naukowcom udało się zmapować na skórze przedramienia punkty odpowiadające wszystkim palcom dłoni - od małego palca po kciuk. Obrazowanie mózgu z użyciem funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) potwierdziło, że stymulacja zmapowanych miejsc aktywuje rejony mózgu odpowiadające poszczególnym palcom dłoni (taka mapa dla ludzkiej dłoni jest dobrze poznana.)

W ten sposób udało się opracować system sensorycznego sprzężenia zwrotnego. "Jego założenie jest takie, że jeżeli będziemy stymulować kciuk protezy to poprzez ucisk odpowiedniego miejsca na skórze amputowanej kończyny tę informację można będzie przekazać do mózgu" - wyjaśnił dr Sebelius.

W listopadzie 2009 r. proteza SmartHand była testowana i oceniana u osób po amputacji oraz u osób zdrowych. Wyniki tych badań oceniono jako bardzo dobre.

Na filmie pokazanym na konferencji przez dr. Sebeliusa młody chłopak po amputacji przy pomocy protezy nalewa z butelki wodę do kubka i wypija ją. Jak wyjaśnił specjalista, dzięki czujnikom a następnie aktywatorom, które naciskają na odpowiednie miejsca skóry ten młody pacjent mógł poczuć swój chwyt, gdy łapał butelkę.

Według specjalisty, zanim proteza znajdzie się na rynku musi być jeszcze dopracowana tak, aby nie trzeba jej było co miesiąc oddawać do serwisu naprawczego.

W projekcie SmartHand (Smart Bio-adaptve Hand Prosthesis) biorą udział naukowcy z Uniwersytetu Lund w Szwecji, z Instytutu Tyndalla w Cork w Irlandii, z Uniwersytetu w Tel Avivie, Uniwersytetu Aalborg w Danii, Szkoła Wyższa im. św. Anny w Pizie, z islandzkiej firmy Oessur specjalizująca się w protezach nóg oraz szwedzkiej firmy SciTech Link HB w Lund.

Projekt rozpoczął się w listopadzie 2006 r. i został dofinansowany z UE kwotą 1,8 mln euro.