Een levensechte prothetische arm

Mensen die een arm hebben verloren, hebben traditioneel niet veel hoop gehad om ooit een zinvolle functie terug te krijgen. Prothetische armen zijn op een rudimentaire manier aangestuurd door resterende schouderbewegingen of spiersignalen om te zetten in de eenvoudigste bewegingscommando's. Deze kunstmatige armen kunnen niet twee dingen tegelijk doen, laat staan ​​drie of vier. Geamputeerden gooien ze vaak in de kast uit pure frustratie, enigszins gestoken door het feit dat beengeamputeerden veel betere producten tot hun beschikking hebben.

Een bionische arm: Na een nieuwe chirurgische ingreep te hebben ondergaan, kan Claudia Mitchell een prothetische arm besturen op dezelfde manier als ze ooit haar echte arm bestuurde, door complexe bewegingen uit te voeren, zoals het oppakken van kleine voorwerpen en ze in een beker laten vallen.

Maar de situatie begint te veranderen, dankzij een team onder leiding van Todd Kuiken, directeur van het Rehabilitation Institute of Chicago's Center for Bionic Medicine. Kuiken heeft een nieuwe chirurgische techniek ontwikkeld die, in combinatie met zowel gemotoriseerde prothetische armen die al op de markt zijn als experimentele bionische armen die zijn ontwikkeld via een Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)-programma, geamputeerden een opmerkelijke mate van behendigheid biedt. Claudia Mitchell, die in 2004 haar arm verloor bij een motorongeluk, herinnert zich dat ze een prothese aantrok nadat ze de procedure van Kuiken had ondergaan en het voor het eerst zag werken: je kon die grijns niet van mijn gezicht vegen. Ik kan nu weer een overhemd strijken alsof het niemand iets aangaat. Mitchell is een hit geworden op feestjes. Mensen kunnen niet geloven hoe dit ding werkt, zegt ze. Ze willen me er dingen mee zien doen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2009

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Het apparaat wordt geactiveerd door commando's van overlevende armzenuwen die zijn getransplanteerd en opnieuw zijn aangesloten op spieren elders - meestal, zoals in het geval van Mitchell, in de borst. De zenuwen sturen elektrische signalen om de prothetische arm te besturen, met resultaten die zo natuurlijk zijn dat waarnemers zich vaak niet realiseren dat de arm bionisch is totdat ze goed luisteren naar het geluid van zoemende motoren. Deze procedure, die gerichte spierreïnnervatie wordt genoemd, is uniek omdat het intuïtieve controle over het robotledemaat mogelijk maakt. Na ongeveer zes maanden genezing kunnen patiënten de arm bewegen door alleen maar na te denken over wat ze willen dat hij doet, net zoals ze dat ooit deden met hun echte armen. Zeg tegen Mitchell: Buig je arm en de spieren in haar borst krimpen ogenblikkelijk ineen - een hoogst eigenaardig gezicht. Maar ze denkt er niet aan om haar borstspieren te bewegen. In plaats daarvan denkt ze erover om haar arm te buigen, en die gedachte beweegt de borstspieren om de robotarm haar werk te laten doen.

Kuiken publiceerde onlangs veelbelovende testresultaten in het Tijdschrift van de American Medical Association , waaruit blijkt dat vijf patiënten die 10 verschillende armbewegingen moesten maken met een virtuele prothese, dit bijna net zo gemakkelijk konden doen als niet-geamputeerden in een controlegroep: hun responstijd was minder dan een kwart seconde langer. (Met de virtuele prothese kunnen wetenschappers gemakkelijker de snelheid en mate van controle bepalen die uit spiersignalen kan worden afgeleid. Onderzoekers voerden soortgelijke experimenten uit met mechanische armen.) In een begeleidend hoofdartikel schreef de baanbrekende biomedische ingenieur Gerald Loeb: De snelheid als evenals de nauwkeurigheid van de bewegingen vertegenwoordigen aanzienlijke verbeteringen ten opzichte van eerdere systemen. Nog belangrijker is echter het gemak waarmee patiënten leerden taken uit te voeren waarvoor gecoördineerde beweging in meer dan één gewricht nodig was. Hij concludeerde: Met toenemende functionele mogelijkheden kunnen patiënten met amputaties van de bovenste ledematen uitzonderlijk veel baat hebben bij prothetische armen, net zoals legioenen patiënten met amputaties van de onderste ledematen nu een opmerkelijk normaal en zelfs atletisch leven leiden. (Beenprothesen zijn verder in ontwikkeling omdat er een grotere markt voor is: 90 procent van de geamputeerden heeft onderste ledematen verloren. Ook hebben benen niet zoveel behendigheid nodig als armen.)

De reis van het eerste consult in Chicago naar volledige functionaliteit, bijvoorbeeld het vermogen om een ​​citroen te snijden met de prothetische hand terwijl je hem vasthoudt met een natuurlijke hand, duurt vaak een jaar of langer. Patiënten ondergaan eerst een operatie van twee uur, uitgevoerd door Greg Dumanian, een plastisch- en handchirurg uit Chicago die nauw heeft samengewerkt met Kuiken bij het ontwikkelen van de procedure. Dumanian identificeert het overgebleven deel van de zenuwen die voorheen elektrische signalen van het ruggenmerg naar het verloren ledemaat leidden; dan brengt hij ze over naar spieren in de borst of bovenarm. De zenuw die normaal gesproken de hand zou doen sluiten, kan bijvoorbeeld worden overgebracht naar een deel van de borstspier. (De exacte procedure hangt af van de verwondingen van de patiënt.) Wanneer de robotarm op zijn plaats zit, detecteert een elektrode op de borst contracties in deze spier en stuurt het signaal naar de prothese. De prothese is geprogrammeerd om dat signaal te interpreteren als een commando om de hand te sluiten, en de actie vindt doorgaans minder dan een halve seconde nadat de borstspier beweegt plaats.

De experimentele bionische armen zijn ook geprogrammeerd met patroonherkenningsalgoritmen om de snelle reeks zenuwsignalen te ontcijferen die hand- en polsbewegingen regelen. De meer dan 30 patiënten die de procedure hebben ondergaan, melden dat ze gemakkelijk hete pepers kunnen snijden, een zak meel kunnen openen, een riem kunnen omdoen, een meetlint kunnen bedienen of een nieuwe tennisbal uit een container kunnen halen.

Van verschillende experimentele benaderingen voor het verbeteren van prothetische armen, waaronder het rechtstreeks overbrengen van zenuwen naar een prothese en het decoderen van bewegingssignalen rechtstreeks uit de hersenen, is de techniek van Kuiken degene die de meeste vooruitgang heeft geboekt. De eerste moet nog op mensen worden getest en de laatste wordt momenteel als te gevaarlijk beschouwd voor de meeste patiënten, omdat er hersenchirurgie voor nodig is. Kuiken zegt gerichte reïnnervatie te zien als een snellere, meer praktische manier om cruciale functies te herstellen. (Zijn aanpak zal echter niet helpen bij quadriplegie, omdat de zenuwen intact moeten zijn om de procedure te laten werken.) Tot nu toe wordt de procedure alleen uitgevoerd in het revalidatiecentrum van Kuiken; in lopende onderzoeken biedt het centrum het aan aan elke patiënt voor wie het medisch geschikt wordt geacht.

Hoe geavanceerd ook, de experimentele prothese mist nog steeds een belangrijke functie: sensatie. Als Mitchell haar bionische hand op een hete pan zou leggen, zou ze de temperatuur niet weten. Het is ingewikkelder om de prothetische zintuiglijke vermogens te geven die vergelijkbaar zijn met die van een echt ledemaat dan het herstellen van beweging. Maar het is niet onmogelijk. Terwijl de procedure van Kuiken zich richt op het verplaatsen van motorische zenuwen, die zenuwsignalen van de hersenen naar de spieren geleiden, blijkt dat ook de sensorische zenuwen, die signalen van de huid naar de hersenen transporteren, worden aangetast. Patiënten, waaronder Mitchell, hebben gemeld dat wanneer bepaalde delen van hun opnieuw bedrade borstspieren worden aangeraakt, ze het gevoel hebben dat hun ontbrekende hand wordt aangeraakt. Leg een ijsblokje op de borst en een fantoomhand wordt koud.

Kuiken, Loeb en anderen onderzoeken manieren waarop de bionische arm gebruik kan maken van deze zintuiglijke informatie. Om te beginnen hebben ze sensoren nodig die goed bestand zijn tegen vocht, hitte en andere fysieke gebeurtenissen van het dagelijks leven. Ze moeten die zintuiglijke informatie dan aan de drager doorgeven.

Maar wat nu duidelijk is, is dat er voor het eerst een bruikbare armprothese in zicht is. We proberen geen bionisch persoon te maken die over hoge gebouwen kan springen en auto's kan oppakken, zegt Kuiken. We proberen iets te maken dat een fractie van de ongelooflijke functie, kracht en efficiëntie van een menselijk ledemaat herstelt. Voor armgeamputeerden zoals Claudia Mitchell betekent dat een kans krijgen die geamputeerden al jaren hebben.

Michael Rosenwald is een stafschrijver bij de Washington Post .

zich verstoppen