Nowa magnetyczna proteza dłoni Instytutu BioRobotics pozwala na naturalną, precyzyjną kontrolę palców robota, co zostało pomyślnie zademonstrowane w badaniu na pacjentach.
Naukowcy opracowali pierwszą sterowaną magnetycznie protezę ręki, która pozwala osobom po amputacji odtwarzać wszystkie ruchy dłoni po prostu myśląc. Rewolucyjny system nie wymaga żadnych przewodów ani połączeń elektrycznych, opiera się wyłącznie na magnesach i mięśniach, które kontrolują ruchy palców podczas codziennych zadań, takich jak otwieranie słoików, podawanie dłoni czy trzymanie szklanki.
Przełom w rozwoju interfejsów protetycznych
Zespół naukowców z Instytutu BioRobotyki Scuola Superiore Sant’Anna w Pizie opracował radykalnie nowy interfejs między resztkowym ramieniem osoby po amputacji a ręką robota w celu dekodowania intencji motorycznych. System polega na wszczepianiu małych magnesów w mięśnie przedramienia. Implant zintegrowany z Mia-Hand Robotyczna dłoń opracowana przez spin-off Prensilia została pomyślnie przetestowana na pierwszym pacjencie, 34-letnim Włochu imieniem Daniel, który używał protezy przez sześć tygodni. Wyniki badania zaprezentowano w czasopiśmie naukowym Nauka Robotyka i stanowią znaczący krok naprzód w kierunku przyszłości protez.
„Ten wynik nagradza dziesięcioletnią ścieżkę badawczą. W końcu opracowaliśmy funkcjonalną protezę, która spełnia potrzeby osoby, która straciła rękę” – mówi profesor Christian Cipriani z Instytutu BioRobotyki Scuola Superiore Sant’Anna, który kierował zespołem.
Dokument na temat badania opublikowany w Science Robotics. Wywiad z Christianem Ciprianim, kierownikiem naukowym projektu, dr Lorenzo Andreanim z Oddziału Operacyjnego Ortopedii i Traumatologii 2 oraz pacjentem. Źródło: © 2024 Scuola Superiore Sant’Anna
Zbadana kontrola miokinetyczna
Kontrola miokinetyczna polega na dekodowaniu intencji motorycznych za pomocą wszczepianych w mięśnie magnesów. Tę granicę zbadał zespół badawczy Scuola Superiore Sant’Anna, aby zrewolucjonizować przyszłość protez. Ideą nowego interfejsu, opracowanego w ramach projektu MYKI, finansowanego przez Komisję Europejską w ramach grantu ERC dla początkujących, jest wykorzystanie małych magnesów o wielkości kilku milimetrów, które należy wszczepić w resztkowe mięśnie amputowanego ramienia i wykorzystuj ruch wynikający ze skurczu do otwierania i zamykania palców.
„W przedramieniu znajduje się 20 mięśni, a wiele z nich kontroluje ruchy dłoni. Wiele osób, które straciły rękę, nadal czuje ją tak, jakby nadal była na swoim miejscu, a pozostałe mięśnie poruszają się w odpowiedzi na polecenia płynące z mózgu” – wyjaśnia Cipriani.
Zespół badawczy zmapował ruchy i przetłumaczył je na sygnały sterujące palcami robotycznej ręki. Magnesy posiadają naturalne pole magnetyczne, które można łatwo zlokalizować w przestrzeni. Kiedy mięsień kurczy się, magnes się porusza, a specjalny algorytm przekłada tę zmianę na konkretne polecenie dla robotycznej ręki.
Sukces pierwszej próby na ludziach
Daniel stracił lewą rękę we wrześniu 2022 r. „Nagle znalazłem się bez ręki: w jednej chwili ją miałem, a w następnej już jej nie było”. Został wybrany na ochotnika do badania, ponieważ nadal czuł obecność swojej dłoni, a resztkowe mięśnie ramienia reagowały na jego zamiary ruchowe.
W kwietniu 2023 roku Daniel przeszedł operację wszczepienia magnesów w ramię. Operację przeprowadzono w Azienda Ospedaliero-Universitaria Pisana (AOUP) dzięki współpracy zespołu koordynowanego przez dr Lorenzo Andreaniego z Oddziału Operacyjnego Ortopedii i Traumatologii 2 oraz dr Manuelę Nicastro z Oddziału Anestezjologii i Reanimacji Ortopedii i Oparzeń Jednostka centralna i dr Carmelo Chisari z oddziału neurorehabilitacji.
„To znaczący postęp w dziedzinie zaawansowanej medycyny protetycznej — mówi dr Lorenzo Andreani. — Operacja zakończyła się sukcesem dzięki starannemu procesowi selekcji pacjentów opartemu na rygorystycznych kryteriach. Jednym z najbardziej złożonych wyzwań była identyfikacja pozostałych mięśni w obszarze amputacji, które zostały precyzyjnie wybrane za pomocą przedoperacyjnego obrazowania MRI i elektromiografii. Jednak faktyczny stan tkanki, ze względu na bliznowacenie i zwłóknienie, wymagał śródoperacyjnej adaptacji.”
„Pomimo tych trudności – kontynuuje Andreani – udało nam się ukończyć implant i nawiązać połączenia – sukces, który nie byłby możliwy bez współpracy wyjątkowego zespołu, któremu chciałbym podziękować. Począwszy od dr Manueli Nicastro, szefowej anestezjologii, po pielęgniarki, które pracowały z zaangażowaniem i profesjonalizmem, w decydujący sposób przyczyniając się do pozytywnego wyniku operacji, co stanowi ważny krok naprzód w badaniach medycznych”.
W ramię Daniela wszczepiono sześć magnesów. W przypadku każdego z nich zespół chirurgów i lekarzy zlokalizował i wyizolował mięsień, umieścił magnes i sprawdził, czy pole magnetyczne jest zorientowane w ten sam sposób.
„Aby ułatwić połączenie kikuta ramienia, w którym wszczepiono magnesy, z robotyczną ręką, wykonaliśmy gniazdo protetyczne z włókna węglowego zawierające system elektroniczny zdolny do lokalizowania ruchu magnesów” – wyjaśnia Cipriani.
Wyniki eksperymentu przekroczyły najbardziej optymistyczne oczekiwania. Daniel potrafił kontrolować ruchy palców, podnosić i przesuwać przedmioty o różnych kształtach oraz wykonywać klasyczne czynności dnia codziennego, takie jak otwieranie słoika, używanie śrubokręta, przecinanie nożem i zapinanie zamka błyskawicznego; był w stanie kontrolować siłę, gdy musiał chwytać delikatne przedmioty.
„Ten system pozwolił mi odzyskać utracone wrażenia i emocje: czułem się, jakbym poruszał własną ręką” – mówi Daniel.
„Widzenie wyników wieloletnich badań zrealizowanych w tym badaniu było dla mnie wielkim przeżyciem. Współpraca z Danielem dała nam świadomość, że możemy zrobić wiele, aby poprawić jego życie i życie wielu innych osób. To największa motywacja, która motywuje nas do kontynuowania naszej pracy i ciągłego doskonalenia” – wyjaśnia Marta Gherardini, adiunkt w Scuola Superiore Sant’Anna i pierwsza autorka badania.
Perspektywy na przyszłość i wpływ
„Jesteśmy gotowi rozszerzyć te wyniki na szerszy zakres amputacji” – podsumowuje Cipriani. „W rzeczywistości nasze prace nad tym nowym implantem postępują dzięki funduszom europejskim i krajowym. Wśród nich chciałbym wymienić projekt MYTI, finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, którego celem jest kliniczne tłumaczenie opracowanego przez nas interfejsu; projekt Fit For Medical Robotics, finansowany przez Ministerstwo Nauki i Nauki oraz cała wieloletnia współpraca z INAIL Centro Protesi.”
Referencje: „Przywrócenie chwytu u osób po amputacji kończyny górnej za pomocą protezy miokinetycznej z wszczepionymi magnesami” autorstwa: Marta Gherardini, Valerio Ianniciello, Federico Masiero, Flavia Paggetti, Daniele D’Accolti, Eliana La Frazia, Olimpia Mani, Stefania Dalise, Katarina Dejanovic, Noemi Fragapane, Luca Maggiani, Edoardo Ipponi, Marco Controzzi, Manuela Nicastro, Carmelo Chisari, Lorenzo Andreani i Christian Cipriani, 11 września 2024 r., Nauka Robotyka.
DOI: 10.1126/scirobotics.adp3260
