Европейский консорциум во главе со Швейцарской высшей технической школой Цюриха (ETH Zürich) и компанией SensArs Neuroprosthetics разработал уникальный нейропротез ноги, благодаря которому люди, лишившиеся конечности, могут вновь наслаждаться движением, не отвлекаясь на управление протезом.
Детали работы большой междисциплинарного группы исследователей опубликованы в издании Science Translational Medicine.
Для большинства инвалидов ношение протеза, каким бы высокотехнологичным он ни был, – это серьезный ежедневный вызов. Причина — протез, не будучи способным давать обратную связь, не ощущается как часть собственного тела, из-за чего люди с ампутированной конечностью зачастую ему не доверяют. Это приводит к тому, что пациенты при ходьбе полагаются больше на здоровую ногу, что затрудняет естественное движение и утомляет. Кроме того, неспособность чувствовать движение протеза, его положение в пространстве и то, на какой поверхности он стоит, нередко приводит к потере равновесия и падениям, которых человек с биологической конечностью с легкостью бы избежал.
«Мы разработали первую чувствительную искусственную ногу для людей с серьезными физическими отклонениями, перенесшими ампутацию ноги выше колена.
Благодаря новому протезу пользователю становится в разы легче преодолевать препятствия на пути и подниматься по лестнице — именно эти две задачи исключительно сложны, если вообще выполнимы, для людей, пользующихся коммерческими протезами», – отмечает один из исследователей Станиса Распопович.
Чтобы добиться такого потрясающего результата, специалисты поместили под стопу коммерчески доступного высокотехнологичного протеза ноги RHEO XC сенсорную стельку, оснащенную датчиками касания. На основе получаемых с нее данных, а также информации, предоставляемой датчиками движения протеза, расположенными в районе искусственного колена, система генерирует электрические сигналы, идентичные тем, что порождаются настоящими нервами.
По крошечным электродам, вживленным в остаток бедренного периферического нерва, эти сигналы отправляются затем прямиком в мозг, который воспринимает и анализирует их так же, как естественные. Как результат, пациент вновь может ощущать почву под ногами, а также чувствовать движение протеза, что позволяет ему эффективнее контролировать ходьбу и избегать падений и травм.
«Будучи соединенным с оставшимся нервом, бионический протез, по сути, начинает восприниматься центральной нервной системой как часть ноги. В результате пациент становится значительно увереннее при использовании устройства», — указывает Распопович.
«Когда я впервые почувствовал протез, то пришел в замешательство — казалось, что я вновь обрел собственную ногу, — делится впечатлениями Джурица Ресанович, один из двух добровольцев, принявших участие в исследовании, переживший несколько лет назад ампутацию ноги до бедра. — Я ощутил большой палец, пятку, ступни…».
В ходе первых экспериментов, призванных проверить эффективность разработки, исследователи поочередно прикасались к различным частям стопы, а также сгибали искусственное колено. Звучит удивительно, но добровольцы даже с закрытыми глазами и без контроля со стороны слуха (для этого им вставили в уши беруши) без труда определяли и место, до которого дотрагивались ученые, и степень изгиба колена.
Во время последующих экспериментов пациентам предстояло пройтись по ровной дороге, по каменистому пляжу и подняться по ступенькам. Измерения активности мозга и психофизиологические тесты подтвердили, что испытуемые стали в разы меньше фокусироваться на протезе, а кроме того, уменьшились их энергетические затраты (измеряемые по уровню потребления кислорода) и существенно возросла скорость преодоления ими препятствий.
«Мне больше не нужно концентрироваться на ходьбе, теперь я могу просто смотреть вперед и шагать, не глядя, куда ступает нога. Это здорово», — рассказывает Ресанович.
Вдобавок к вышеперечисленному оба добровольца сообщили о практически полном исчезновении фантомных болей.
Теперь биоинженеры планируют провести более длительные испытания новинки (более трех месяцев), включающие тестирование протеза в повседневных условиях, а также привлечь к ним как можно большее количество добровольцев. Это необходимо, чтобы ученые могли сделать клинически значимые выводы об улучшении качества жизни пациентов.
Помимо этого, исследователи намерены сделать систему беспроводной — дело в том, что сейчас провода электродов протеза подключены к бедренному нерву непосредственно сквозь кожу, из-за чего испытуемые во избежания заражения вынуждены регулярно проходить медосмотр. Электроды, получающие команды и питание беспроводным способом, сделают разработку куда более безопасной и простой в использовании, указывают инженеры.
Протез RHEO XC, по сути, работает автономно, ориентируясь на смещения центра масс тела хозяина. Например, если пользователь резко опирается на ногу, протез блокируется. Кроме того, специальные датчики протеза способны распознавать различные типы передвижения (к примеру, подъем по лестнице и бег, а также езду на велосипеде) и соответствующим образом автоматически регулировать движение протеза.
