Разработанный в Швейцарии нейропротез ноги (для пациентов, у которых нижняя конечность ампутирована выше колена)

воспринимается центральной нервной системой в качестве продолжения конечности.

Это совместное технологическое достижение нейробиологов, инженеров и хирургов-ортопедов Швейцарии, Сербии и др. стран.

Два добровольца стали первыми в мире людьми с ампутированными конечностями выше колена, которые почувствовали свои искусственные стопы и колени в режиме реального времени. Их бионический протез оснащен датчиками, которые подключаются к нервам бедра (культи ампутированной конечности).

Возникающая в результате этого и реализуемая через нервную систему обратная связь снижает физическую и умственную нагрузку на пользователей протеза.

При ходьбе люди с неповрежденными ногами чувствуют, когда они двигают коленом или когда ступни касаются земли. Нервная система постоянно использует сенсорную обратную связь такого рода для точного управления мышцами. Однако люди, пользующиеся протезом ноги, не знают точно, где находится протез, как он перемещается или на каком типе поверхности он стоит. Они часто не могут полностью доверять своему протезу при ходьбе, из-за чего слишком часто полагаются на свою неповрежденную ногу, что, в свою очередь, снижает их мобильность и приводит к быстрому утомлению. Например, простая прогулка по гальке или песку может оказаться очень утомительной для людей, пользующихся протезами. Кроме того, люди с ампутациями могут испытывать фантомные боли в конечностях - состояние, которое часто не поддается лечению существующими лекарствами. Доброволец Саво Паник, который страдает от этого явления, говорит, что просыпается по ночам из-за фантомной боли: “У меня болит палец на ноге, которого у меня нет. Большой палец на ноге, ступня, пятка, лодыжка, икра – все они болят, а у меня их даже нет”.

Международная команда исследователей, возглавляемая ETH Zurich и стартап-компанией SensArs из Лозанны (Швейцария), разработала интерфейс для соединения протеза ноги с нервами, имеющимися в бедре пользователя, обеспечивая таким образом сенсорную обратную связь. В исследовании, проведенном в сотрудничестве с Белградским университетом, ученые протестировали эту систему нейрофидбэка на двух добровольцах, у которых ампутирована нога выше колена и которые пользуются протезом (один из них - Саво Паник).

Это решение принесло пользу пациентам с ампутированными конечностями.

“Это экспериментальное исследование показывает, насколько полезно для здоровья людей с ампутированными ногами иметь протез, который работает с нейроимплантами для восстановления сенсорной обратной связи”, - говорит Станиса Распопович, профессор Института робототехники и интеллектуальных систем ETH Zurich.

Чтобы обеспечить нервную систему сенсорной информацией, ученые

использовали доступный для покупки [любым покупателем]

высокотехнологичнsq протеза: они прикрепили тактильные датчики к подошве протеза стопы и получили данные о движении колена, передаваемые электронным коленным суставом протеза.

[Примечание: то есть протез не был экспериментальным, исследователи купили обычный протез и сами "апгрейдили" его].

В течение трех месяцев, пока длился эксперимент, хирурги помещали крошечные электроды в бедро каждого добровольца и подсоединяли их к нервам оставшейся части ноги.

“Цель операции состояла в том, чтобы ввести электроды в нужные места внутри нерва, чтобы восстановить сенсорную обратную связь, подобную реальной, и обеспечить стабильность электродов”, - сказал Марко Бумбасиревич, профессор и микрохирург-ортопед из Клинического центра Сербии в Белграде, который был клиницистом, ответственным за проведение операции имплантации электродов. Электроды были разработаны учеными из Фрайбургского университета, а протез - ортопедической компанией ?ssur; обе компании принимали активное участие в проекте.

Исследовательская группа разработала алгоритмы для преобразования информации от тактильных датчиков и датчиков движения в импульсы тока – язык нервной системы, – которые доставлялись к оставшемуся нерву. Затем организм делает все остальное: сигналы от оставшихся нервов передаются в мозг человека, который, таким образом, становится способен чувствовать протез и помогает пользователю соответствующим образом регулировать свою походку. Таким образом, техническое устройство и организм становятся соединены.

В рамках исследования добровольцы прошли серию тестов – чередующихся испытаний с подключенной обратной связью и без неё. Результаты показали, насколько полезной была обратная связь: ходьба с обратной связью требовала гораздо меньших физических усилий, о чем свидетельствует значительное снижение потребления кислорода добровольцами во время ходьбы.

Кроме того, ходьба с нейрофидбэком была менее напряженной, как показали результаты измерений мозговой активности в ходе испытаний. Добровольцам не нужно было так сильно концентрироваться на своей походке, что означало, что они могли уделять больше внимания другим задачам.

В ходе одного сложного теста добровольцам пришлось идти по песку, и обратная связь снова позволила им ходить значительно быстрее. В ходе опросов добровольцы заявили, что нейрофидбэк значительно повысил их уверенность в протезе.

Кроме того, уменьшились фантомные боли в конечностях

Данный нейроинтерфейс также можно использовать для стимуляции нервов независимо от протеза. Перед началом эксперимента оба добровольца жаловались на фантомные боли в конечностях. В ходе месячной программы терапии с применением нейростимуляции ученым удалось значительно уменьшить эту боль у одного из добровольцев; у другого участника испытаний боль полностью исчезла. “С тех пор как я начал эту программу лечения, после прохождения электростимуляции я не чувствую никаких фантомных болей”, - говорит он.

Ученые оптимистично оценивают эти результаты. Однако они указывают на необходимость более длительного наблюдения с оценками результатов на дому и привлечением большего числа добровольцев, чтобы получить более надежные данные, которые они могли бы использовать для получения более значимых выводов. В ходе ограниченного по времени клинического исследования сигналы от протеза передавались по проводам через кожу к электродам в бедре. Это означает, что добровольцы должны были проходить регулярные медицинские осмотры. Чтобы устранить эту необходимость, ученые намерены разработать полностью имплантируемую систему.

“В SensArs мы планируем разработать беспроводное устройство для нейростимуляции, которое можно будет полностью имплантировать пациенту подобно кардиостимулятору и вывести на рынок”, - говорит Франческо Петрини, генеральный директор SensArs.

Помимо ETH Zurich, университетов Белграда и Фрайбурга, SensArs и ?ssur, в проекте приняли участие ученые из EPFL, Школы перспективных исследований Сант'Анна в Пизе, Университета Монпелье и компании mBrainTrain.

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/09/feeling-legs-again-improves-amputees-health.html

Результаты описаны в научной статье:

Petrini FM, Bumbasirevic M, Valle G, Ilic V, Mijovi? P, ?van?ara P, Barberi F, Katic N, Bortolotti D, Andreu D, Lechler K, Lesic A, Mazic S, Mijovi? B, Guiraud D, Stieglitz T, Alexandersson ?, Micera S, Raspopovic S: Sensory feedback restoration in leg amputees improves walking speed, metabolic cost and phantom pain. Nature Medicine, 9 September 2019,

doi: 10.1038/s41591-?019-0567-3

https://www.nature.com/articles/s41591-019-0567-3

Полный текст научной статьи доступен по ссылке:

https://sci-hub.ru/10.1038/s41591-019-0567-3

Ранее было опубликовано:

Нейроинженерия (англ. neural engineering) — это основанное на достижениях нейробиологии научное направление в рамках биомедицинской инженерии, использующее различные инженерные методы для изучения и восстановления нервной системы и для улучшения её деятельности.

Источник: vk.com

Комментарии: