Nöroteknoloji

Protez Uzuv, Nöral Kontrol Yoluyla Doğal Yürüyüş Sağlıyor

Özet: Yeni bir nöroprotez arayüzü, protez uzuvların vücudun sinir sistemi tarafından kontrol edilmesini sağlayarak doğal bir yürüyüşe olanak tanır. Ameliyat, kasları yeniden bağlayarak proprioseptif geri bildirim sağlar ve kullanıcıların daha hızlı yürümesini ve engelleri daha etkili bir şekilde aşmasını sağlar.

Çalışma, bu arayüze sahip hastaları geleneksel protezlere sahip hastalarla karşılaştırdı ve hareket ve koordinasyonda önemli gelişmeler buldu. Bu çığır açan buluş, protez teknolojisi ve hasta bakımında umut verici gelişmeler sunuyor.

Ana unsurlar:

  1. Yeni nöroprotez arayüzü kasları yeniden birbirine bağlayarak doğal kontrolü artırıyor.
  2. Bu arayüze sahip hastalar, geleneksel protez kullanan hastalara göre daha hızlı ve daha doğal yürüyorlar.
  3. Çalışmanın bulgularının protez teknolojilerinde ve hasta sonuçlarında iyileşmeye yol açabileceği düşünülüyor.

Kaynak: İLE

Son teknoloji protez uzuvlar, ampütasyonlu kişilerin doğal bir yürüyüşe kavuşmalarına yardımcı olabilir, ancak kullanıcıya uzuv üzerinde tam bir sinirsel kontrol sağlamaz. Bunun yerine, önceden tanımlanmış yürüyüş algoritmalarını kullanarak uzvu hareket ettiren robotik sensörlere ve kontrolörlere güvenirler.

MIT araştırmacıları, Brigham ve Kadın Hastanesi’ndeki meslektaşlarıyla işbirliği yaparak yeni bir cerrahi müdahale ve nöroprotez arayüzü kullanarak, vücudun kendi sinir sistemi tarafından tamamen kontrol edilen bir protez bacak kullanılarak doğal bir yürüyüşün elde edilebileceğini gösterdi.

Cerrahi amputasyon prosedürü, kalan uzuvdaki kasları yeniden bağlar ve bu da hastaların protez uzuvlarının uzayda nerede olduğuna dair “proprioseptif” geri bildirim almalarını sağlar.

MIT ekibi, bu ameliyatı geçiren yedi hasta üzerinde yaptıkları çalışmada, bu hastaların geleneksel ampütasyonu olan kişilere göre çok daha hızlı yürüyebildiklerini, engellerden kaçınabildiklerini ve merdivenleri çok daha doğal bir şekilde çıkabildiklerini buldu.

Bu, bir adamın yürümek için bacağını kullandığını gösteriyor.
“Bu, tam sinirsel modülasyon altında bir bacak protezini gösteren tarihteki ilk protez çalışmasıdır,” diyor Hugh Herr. Kaynak: Hugh Herr ve Hyungeun Song

“Bu, biyomimetik bir yürüyüşün ortaya çıktığı tam sinirsel modülasyon altında bir bacak protezini gösteren tarihteki ilk protez çalışmasıdır. Hiç kimse, insanın sinir sisteminin hareketi kontrol ettiği, robotik bir kontrol algoritmasının değil, doğal bir yürüyüşü üreten bu düzeyde beyin kontrolünü gösteremedi,” diyor MIT’deki K. Lisa Yang Biyonik Merkezi’nin eş direktörü, MIT’nin McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü’nün yardımcı üyesi ve yeni çalışmanın kıdemli yazarı olan Hugh Herr.

Hastalar ayrıca agonist-antagonist miyonöral arayüz (AMI) olarak bilinen bu ameliyattan sonra daha az ağrı ve daha az kas atrofisi yaşadılar. Şimdiye kadar dünya çapında yaklaşık 60 hasta, kol ampütasyonu olan kişiler için de yapılabilen bu tür ameliyatı geçirdi.

MIT Medya Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırmacı olan Hyungeun Song, bugün yayınlanan makalenin baş yazarıdır. Doğa Tıbbı.

Duyusal geribildirim

Uzuv hareketlerinin çoğu, sırayla gerilen ve kasılan kas çiftleri tarafından kontrol edilir. Geleneksel diz altı ampütasyonu sırasında, bu çift kasların etkileşimleri bozulur. Bu, sinir sisteminin bir kasın pozisyonunu ve ne kadar hızlı kasıldığını algılamasını çok zorlaştırır – beynin uzvu nasıl hareket ettireceğine karar vermesi için kritik olan duyusal bilgi.

Bu tür bir ampütasyona sahip kişiler protez uzuvlarını kontrol etmekte zorluk çekebilirler çünkü uzuvlarının uzayda nerede olduğunu doğru bir şekilde algılayamazlar. Bunun yerine, protez uzuvlarına yerleştirilmiş robotik kontrolörlere güvenirler. Bu uzuvlar ayrıca eğimleri ve engelleri algılayıp bunlara uyum sağlayabilen sensörler içerir.

İnsanların tam sinir sistemi kontrolü altında doğal bir yürüyüşe kavuşmalarına yardımcı olmak için Herr ve meslektaşları birkaç yıl önce AMI ameliyatını geliştirmeye başladılar. Doğal agonist-antagonist kas etkileşimlerini kesmek yerine, kasların iki ucunu birbirine bağlayarak kalıntı uzuv içinde birbirleriyle dinamik olarak iletişim kurmaya devam etmelerini sağladılar.

Bu ameliyat birincil amputasyon sırasında yapılabilir veya revizyon prosedürünün bir parçası olarak ilk amputasyondan sonra kaslar yeniden bağlanabilir.

Kredi bilgileri: MIT

Herr, “AMI amputasyon prosedüründe, mümkün olan en büyük ölçüde, doğal agonistleri doğal antagonistlere fizyolojik bir şekilde bağlamaya çalışıyoruz, böylece amputasyondan sonra kişi, fizyolojik propriosepsiyon seviyeleri ve hareket aralığı ile tam fantom uzvunu hareket ettirebiliyor” diyor.

Herr’in laboratuvarı 2021 yılında yaptığı bir çalışmada, bu ameliyatı geçiren hastaların kesilen uzuvlarının kaslarını daha hassas bir şekilde kontrol edebildiklerini ve bu kasların sağlam uzuvlarındakine benzer elektrik sinyalleri ürettiğini buldu.

Bu cesaret verici sonuçlardan sonra, araştırmacılar bu elektrik sinyallerinin bir protez uzuv için komutlar üretip üretemeyeceğini ve aynı zamanda kullanıcıya uzvun uzaydaki konumu hakkında geri bildirim verip veremeyeceğini araştırmaya koyuldular. Protez uzvu takan kişi daha sonra bu proprioseptif geri bildirimi kullanarak yürüyüşünü gerektiği gibi istemli olarak ayarlayabilirdi.

Yeni Doğa Tıbbı MIT ekibi, yaptıkları çalışmada bu duyusal geri bildirimin gerçekten de yürüme ve engelleri aşma konusunda neredeyse doğal bir yeteneğe dönüştüğünü buldu.

Song, “AMI nöroprotez arayüzü sayesinde, bu sinirsel sinyallemeyi güçlendirebildik ve elimizden geldiğince koruyabildik. Bu, bir kişinin farklı yürüme hızlarında, merdivenlerde, yokuşlarda ve hatta engellerin üzerinden geçerken tüm yürüyüşü sürekli ve doğrudan kontrol etme sinirsel yeteneğini geri kazandırabildi” diyor.

Doğal bir yürüyüş

Bu çalışma için araştırmacılar, AMI ameliyatı geçiren yedi kişiyi, geleneksel diz altı ampütasyonu geçiren yedi kişiyle karşılaştırdı. Tüm denekler aynı tipte biyonik uzuv kullandı: güçlendirilmiş bir ayak bileği ve tibialis anterior gastroknemius kaslarından gelen elektromiyografi (EMG) sinyallerini algılayabilen elektrotlara sahip bir protez. Bu sinyaller, protezin ayak bileğini ne kadar bükeceğini, ne kadar tork uygulayacağını veya ne kadar güç vereceğini hesaplamasına yardımcı olan bir robotik kontrol cihazına iletilir.

Araştırmacılar denekleri birkaç farklı durumda test ettiler: 10 metrelik bir patikada düz bir zeminde yürüme, yokuş yukarı yürüme, rampa aşağı yürüme, merdiven inip çıkma ve engellerden kaçınarak düz bir yüzeyde yürüme.

Tüm bu görevlerde, AMI nöroprotez arayüzüne sahip olan kişiler, ampütasyona uğramamış kişilerle hemen hemen aynı hızda, daha hızlı yürüyebildiler ve engellerin etrafından daha kolay bir şekilde geçebildiler.

Ayrıca, merdiven çıkarken veya bir engelin üzerinden atlarken protezin ayak parmaklarını yukarı doğru çevirmek gibi daha doğal hareketler gösterdiler ve protez uzuvlarının ve sağlam uzuvlarının hareketlerini daha iyi koordine edebildiler. Ayrıca, ampütasyonu olmayan biriyle aynı miktarda kuvvetle yerden itebildiler.

Herr, “AMI kohortuyla doğal biyomimetik davranışların ortaya çıktığını gördük” diyor. “AMI’si olmayan kohort yürüyebiliyordu ancak protez hareketleri doğal değildi ve hareketleri genellikle daha yavaştı.”

Bu doğal davranışlar, AMI’nin sağladığı duyusal geri bildirim miktarının, normalde ampütasyon olmayan kişilerde alınabilecek miktarın yüzde 20’sinden az olmasına rağmen ortaya çıktı.

Song, “Buradaki temel bulgulardan biri, kesilmiş uzvunuzdan gelen sinirsel geri bildirimde küçük bir artışın, insanların yürüme hızını doğrudan sinirsel olarak kontrol etmelerine, farklı arazilere uyum sağlamalarına ve engellerden kaçınmalarına olanak tanıyan önemli bir biyonik sinirsel kontrol edilebilirliği geri kazandırabilmesidir” diyor.

“Bu çalışma, ciddi uzuv yaralanması geçiren hastalarda işlevi geri kazanma açısından nelerin mümkün olduğunu göstermemizde bir başka adımı temsil ediyor. Hasta bakımında dönüşümsel ilerleme kaydedebilmemizi sağlayan şey bu tür işbirlikçi çabalardır” diyor Brigham and Women’s Hastanesi’nde cerrah ve Harvard Tıp Fakültesi’nde doçent ve aynı zamanda makalenin yazarlarından biri olan Matthew Carty.

Uzuv kullanan kişi tarafından sinirsel kontrolün sağlanması, Herr’in laboratuvarının, insanların giderek daha gelişmiş robotik kontrol cihazlarına ve sensörlere (güçlü ancak kullanıcının vücudunun bir parçası gibi hissettirmeyen araçlar) bağımlı hale gelmesi yerine “insan bedenlerini yeniden inşa etme” hedefine doğru atılmış bir adımdır.

“Bu uzun vadeli yaklaşımın sorunu, kullanıcının proteziyle asla bedenlenmiş hissetmemesidir. Protezi asla vücudunun bir parçası, benliğinin bir parçası olarak görmez,” diyor Herr. “Benimsediğimiz yaklaşım, insanın beynini elektromekaniğe kapsamlı bir şekilde bağlamaya çalışmaktır.”

Finansman: Araştırma, MIT K. Lisa Yang Biyonik Merkezi ve Eunice Kennedy Shriver Ulusal Çocuk Sağlığı ve İnsan Gelişimi Enstitüsü tarafından finanse edildi.

Bu nöroteknoloji araştırma haberi hakkında

Soyut

Biyonik bir uzvun sürekli nöral kontrolü, ampütasyondan sonra biyomimetik yürüyüşü geri kazandırır

Yüzyıllardır bilim insanları ve teknoloji uzmanları, sağlam biyolojik karşılıklarının çok yönlülüğünü tam olarak yakalayan yapay bacak protezleri aradılar. Ancak biyolojik yürüyüş, karmaşık afferent ve efferent nöral etkileşim tarafından koordineli istemli ve refleksif motor kontrolü gerektirir ve bu da uzuv kesilmesinden sonra nöroprotez emülasyonunu zorlaştırır.

Burada, diz altı ampütasyonundan sonra kalan kas afferentleri güçlendirildiğinde biyonik bir uzvun sürekli sinirsel kontrolünün biyomimetik yürüyüşü geri kazandırabileceği hipotezini öne sürüyoruz.

Bu hipotezi test etmek için, kas algılayan elektrotlar içeren cerrahi olarak bağlanmış, agonist-antagonist kaslardan oluşan bir nöroprotez arayüzü sunuyoruz. Yedi bacak amputesinden oluşan bir kohortta, arayüzün biyolojik olarak sağlam değerlerin %18’i kadar kalan kas afferentlerini artırdığı gösterilmiştir.

Afferent güçlendirme olmayan eşleştirilmiş bir ampute kohortuyla karşılaştırıldığında, maksimum nöroprotez yürüme hızı %41 oranında artmakta ve bacak ampütasyonu olmayan kişilerle eşdeğer pik hızlara ulaşılmasını sağlamaktadır.

Ayrıca, bu düzeydeki afferent artış, eğimler, merdivenler ve tıkalı yollar gibi çeşitli yürüme hızlarına ve gerçek dünya ortamlarına biyomimetik adaptasyonu mümkün kılar.

Bulgularımız, bacak ampütasyonu olan bireylerde, sürekli nöromodülasyon altında, kalan kas afferentlerinde küçük bir artışın bile biyomimetik yürüyüşü geri kazandırdığını göstermektedir.

Kaynak ve İleri Okuma: https://neurosciencenews.com/prosthetic-gait-neurotech-23694/

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu