211service.com
Een kunstmatige hand met echte gevoelens
Er zijn de afgelopen jaren opmerkelijke mechanische vorderingen gemaakt in prothetische ledematen, waaronder het opnieuw bedraden van zenuwvezels om geavanceerde mechanische armen te besturen (zie Een levensechte prothetische arm), en herseninterfaces die gecompliceerde gedachtecontrole mogelijk maken (zie Brain helpt quadriplegie met het verplaatsen van robotarmen met hun gedachten ). Maar ondanks al deze vooruitgang kunnen prothetische ledematen geen sensorische informatie terugsturen naar de drager, waardoor het moeilijker voor hen wordt om taken uit te voeren zoals het oppakken van voorwerpen zonder ze te verpletteren of hun grip te verliezen.
Aanraakinterface : Een nieuw soort zenuwinterface geeft de drager, Igor Spetic, een tastgevoel op 20 plekken op zijn prothetische hand.
Nu hebben onderzoekers van het Cleveland Veterans Affairs Medical Center en de Case Western Reserve University een nieuw soort interface ontwikkeld die een gevoel van aanraking kan overbrengen vanaf 20 plekken op een prothetische hand. Het doet dit door direct zenuwbundels - bekend als perifere zenuwen - in de armen van patiënten te stimuleren; twee mensen zijn tot nu toe uitgerust met de interface. Bovendien blijven de implantaten na 18 maanden werken, een opmerkelijke mijlpaal gezien het feit dat elektrische interfaces met zenuwweefsel geleidelijk slechter kunnen presteren.
NAAR video- die enkele weken geleden is gemaakt, toont een 48-jarige man uit Ohio die drie jaar geleden zijn rechterhand verloor bij een ongeval en zijn handprothese gebruikte om stengels van kersen op te rapen en te verwijderen zonder ze te pletten door overmatig knijpen. Dit was te danken aan de nieuwe technologie, waarmee krachtdetectoren op de vingers van zijn handprothese de aanrakingsinformatie rechtstreeks konden overbrengen naar drie zenuwinterfaces ter grootte van een erwt die operatief in zijn rechteronderarm waren geïmplanteerd. Hij bestuurt de hand via een standaardtechnologie, een myo-elektrische interface genaamd, die signalen van de spieren in zijn onderarm gebruikt om prothetische handbewegingen te regelen.
Het werk opent de mogelijkheid dat prothetische ledematen op een dag duurzame en genuanceerde feedback kunnen geven aan mensen, zegt Dustin Tyler , de Case Western-hoogleraar achter het project.
Lee Miller , een professor in de neurowetenschappen aan de Northwestern University die niet betrokken was bij het onderzoek, zegt dat de prestatie opmerkelijk lijkt. Dit is het grootste aantal verschillende aanraaksensaties die worden gegenereerd door perifere zenuwstimulatie die ik ken, en de 18 maanden durende stabiliteit is ook onovertroffen, zegt Miller. Een paper over het werk wordt voorbereid, zegt Tyler.
Zenuwcentrum : Dit zeven millimeter lange apparaat, een manchetelektrode genoemd, kan gevoelens van sensoren op een prothetische hand of vingers overbrengen wanneer het is bevestigd aan een perifere zenuw in de armstomp.
De kern van de technologie is een aangepaste versie van een interface die bekend staat als een manchetelektrode. Drie zenuwbundels in de arm - radiaal, mediaan en ulnair - worden vastgehouden in de manchetten van zeven millimeter, die ze voorzichtig plat maken, waardoor de normaal ronde bundels in een meer rechthoekige configuratie worden geplaatst om het oppervlak te maximaliseren.
Vervolgens leveren in totaal 20 elektroden op de drie manchetten elektrische signalen aan zenuwvezels, axonen genaamd, van buiten een beschermende omhulling van levende cellen die die zenuwvezels omringen. Deze benadering verschilt van andere experimentele technologieën, die de schede binnendringen om de axonen direct aan te raken. Aangenomen wordt dat deze omhulsel-penetrerende interfaces een hogere resolutie bieden, althans in het begin, maar met een potentieel hoger risico op signaaldegradatie of zenuwbeschadiging op de lange termijn. En dus zijn ze al langer dan een paar weken niet getest.
De kersengrijpende proefpersoon is Igor Spetic uit Madison, Ohio. Hij verloor zijn hand bij zijn werk toen hij werd verpletterd in een smeedhamer terwijl hij een aluminium fitting voor een straalmotor aan het maken was. Nu heeft hij twee kleine kabelbomen die uit een poort in zijn rechterbovenarm steken. In het lab verbindt Tyler die harnassen met een apparaat dat de elektrische signalen genereert die naar de manchet worden gestuurd. Dit apparaat ontvangt op zijn beurt activerende informatie van sensoren op zijn prothetische hand.
Zijn sensorische feedback is tot nu toe alleen in het laboratorium gevoeld, maar Spetic is verbaasd over zijn unieke proces. Het is heel spannend om te zien wat ze doen, en ik hoop dat het andere mensen kan helpen, zegt Spetic. Ik weet dat wetenschap lang duurt. Als ik iets niet mee naar huis krijg, maar de volgende persoon wel, is het allemaal beter.
Onderzoekers plaatsen de implantaten zorgvuldig om te bepalen waar Spetic krachten op zijn ontbrekende ledemaat waarneemt. Eenmaal geïnstalleerd, kan Spetic sensaties op verschillende vingers en op de achterkant en zijkant van zijn ontbrekende hand detecteren, overeenkomend met invoer van de prothese. Als het implantaat eenmaal op zijn plaats zit, lijken de sensaties altijd op dezelfde plekken op te komen en verschuiven ze niet, zegt Spetic.
Tyler kan de elektrische signalen die naar de manchet worden gestuurd afstemmen om verschillende sensaties te produceren. Spetic zegt dat het soms voelt alsof hij een kogellager aanraakt, soms alsof hij tegen wattenbolletjes, schuurpapier of haar poetst.
Tyler zegt dat de sensaties die Spetic-rapporten natuurlijker en nuttiger zijn dan het vage zoemende gevoel dat eerdere experimentele technologieën vaak hadden veroorzaakt. Dit betekent dat het mogelijk kan zijn om een sensatie zo aan te passen dat de patiënt het gevoel heeft dat hij bijvoorbeeld een punt van een pen aanraakt. Andere groepen en bedrijven werken aan betere krachtdetectoren om aan een prothesehand te hechten en dergelijke genuanceerde signalen te genereren.
[Het] onderzoek is echt baanbrekend en toonaangevend op het gebied van directe sensorische feedback aan geamputeerden, zegt Jack Judy, directeur van de Nanowetenschappelijk Instituut voor Medische en Technische Technologie aan de Universiteit van Florida in Gainesville. Judy was onlangs programmamanager voor het Defense Advanced Research Projects Agency, waar hij een programma die tot doel had de prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren van neurale interfaces die worden gebruikt om prothetische ledematen voor geamputeerde soldaten te besturen. Minstens 1.715 soldaten werden geamputeerd tijdens de oorlogen in Irak en Afghanistan.
Andere bestaande technologieën bieden sensorische input rechtstreeks naar zenuwen. Cochleaire implantaten stimuleren bijvoorbeeld de gehoorzenuw om het gehoor te herstellen, en technologieën voor het stimuleren van de nervus vagus - die van de hersenstam naar de borstkas en de buik loopt - kunnen worden gebruikt om epilepsie en zelfs depressie te behandelen. Maar als het gaat om het stimuleren van zenuwen om mensen een effectief tastgevoel te geven, is er veel minder vooruitgang geboekt, zegt Judy.
Er zijn andere benaderingen van sensorische feedback, waaronder pogingen om dit rechtstreeks te doen door middel van hersenimplantaten (zie Protheses een gevoel van aanraking geven). Maar hersenimplantaten worden als verder weg beschouwd vanwege de verhoogde veiligheidsrisico's bij het openen van de schedel. Het werk van Case Western bevindt zich in een pilot-haalbaarheidsonderzoek en Tyler zegt dat als alles goed gaat, een apparaat binnen vijf tot tien jaar op de markt kan zijn.