زانوی بیونیکی می‌تواند حرکت طبیعی را بازیابی کند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه MIT یک زانوی بیونیک جدید توسعه داده‌اند که می‌تواند به افراد دارای قطع عضو از بالای زانو کمک کند تا سریع‌تر راه بروند، از پله‌ها بالا بروند و راحت‌تر از پروتز‌های سنتی از موانع اجتناب کنند.
برخلاف پروتز‌هایی که در آنها اندام باقیمانده درون یک سوکت قرار می‌گیرد، سیستم جدید مستقیماً با بافت عضله و استخوان کاربر ادغام می‌شود. این امر باعث پایداری بیشتر و کنترل بسیار بیشتر کاربر بر حرکت پروتز می‌شود.
شرکت‌کنندگان در یک مطالعه بالینی کوچک همچنین گزارش دادند که در مقایسه با افرادی که قطع عضو سنتی‌تر از بالای زانو داشتند، اندام مورد نظر بیشتر شبیه بخشی از بدن خودشان احساس می‌شد.
هیو هر، استاد هنر و علوم رسانه‌ای، مدیر مشترک مرکز بیونیک کی. لیزا یانگ در MIT، عضو وابسته موسسه تحقیقات مغز مک‌گاورن MIT و نویسنده ارشد این مطالعه جدید، می‌گوید: «یک پروتز که با بافت ادغام شده است - به استخوان متصل شده و مستقیماً توسط سیستم عصبی کنترل می‌شود - صرفاً یک دستگاه بی‌جان و جداگانه نیست، بلکه سیستمی است که با دقت در فیزیولوژی انسان ادغام شده و سطح بالاتری از تجسم پروتزی را ارائه می‌دهد. این صرفاً ابزاری نیست که انسان از آن استفاده می‌کند، بلکه بخش جدایی‌ناپذیری از خود است.
تونی شو، دارای مدرک دکترا در سال ۲۰۲۴، نویسنده اصلی این مقاله است که امروز در مجله ساینس منتشر شده است.
در طول چند سال گذشته، آزمایشگاه هر روی پروتز‌های جدیدی کار کرده است که می‌توانند اطلاعات عصبی را از عضلات باقی مانده پس از قطع عضو استخراج کرده و از آن اطلاعات برای هدایت اندام مصنوعی استفاده کنند.
در طول قطع عضو سنتی، جفت عضلاتی که به نوبت کشیده و منقبض می‌شوند، معمولاً قطع می‌شوند و رابطه طبیعی آگونیست-آنتاگونیست عضلات مختل می‌شود. این اختلال، حس کردن موقعیت عضله و سرعت انقباض آن را برای سیستم عصبی بسیار دشوار می‌کند.
با استفاده از رویکرد جراحی جدید توسعه‌یافته توسط هر و همکارانش، که به عنوان رابط میونورونال آگونیست-آنتاگونیست (AMI) شناخته می‌شود، جفت‌های عضلانی در طول جراحی دوباره به هم متصل می‌شوند تا همچنان به صورت پویا در اندام باقیمانده با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این بازخورد حسی به فرد استفاده‌کننده از پروتز کمک می‌کند تا تصمیم بگیرد که چگونه اندام را حرکت دهد و همچنین سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌کند که می‌توانند برای کنترل اندام مصنوعی استفاده شوند.
در یک مطالعه در سال ۲۰۲۴، محققان نشان دادند افرادی که قطع عضو آنها از زیر زانو بود و تحت عمل جراحی AMI قرار گرفتند، نسبت به افرادی که قطع عضو آنها از زیر زانو بود، توانستند سریع‌تر راه بروند و بسیار طبیعی‌تر از موانع عبور کنند.
در مطالعه جدید، محققان این رویکرد را برای خدمت‌رسانی بهتر به افراد قطع عضو بالای زانو گسترش دادند. آنها می‌خواستند سیستمی ایجاد کنند که نه تنها بتواند سیگنال‌های عضلات را با استفاده از AMI بخواند، بلکه در استخوان نیز ادغام شود و ثبات بیشتر و بازخورد حسی بهتری ارائه دهد.
برای دستیابی به این هدف، محققان روشی را برای قرار دادن یک میله تیتانیومی در استخوان ران باقی مانده در محل قطع عضو ابداع کردند. این ایمپلنت امکان کنترل مکانیکی و تحمل بار بهتری نسبت به پروتز سنتی فراهم می‌کند. علاوه بر این، این ایمپلنت حاوی ۱۶ سیم است که اطلاعات را از الکترود‌های واقع در عضلات AMI در داخل بدن جمع‌آوری می‌کنند و این امر انتقال دقیق‌تر سیگنال‌های دریافتی از عضلات را امکان‌پذیر می‌سازد.
این سیستم یکپارچه با استخوان، که با نام e-OPRA شناخته می‌شود، سیگنال‌های AMI را به یک کنترل‌کننده رباتیک جدید که به‌طور خاص برای این مطالعه توسعه داده شده است، منتقل می‌کند. کنترل‌کننده از این اطلاعات برای محاسبه گشتاور لازم برای حرکت پروتز به روشی که کاربر می‌خواهد، استفاده می‌کند.
شو می‌گوید: تمام قسمت‌ها با هم کار می‌کنند تا اطلاعات بهتر به بدن وارد و از آن خارج شوند و از نظر مکانیکی با دستگاه ارتباط بهتری برقرار شود. ما مستقیماً اسکلت را بارگذاری می‌کنیم، که بخشی از بدن است که قرار است بارگذاری شود، برخلاف استفاده از سوکت‌ها که ناراحت‌کننده است و می‌تواند منجر به عفونت‌های مکرر پوستی شود.
در این مطالعه، دو نفر سیستم ترکیبی AMI و e-OPRA، که به عنوان پروتز مکانیکی عصبی ادغام‌شده با استخوان (OMP) شناخته می‌شود، را دریافت کردند. این کاربران با هشت نفر که جراحی AMI داشتند، اما ایمپلنت e-OPRA نداشتند و هفت نفر که نه AMI داشتند و نه e-OPRA، مقایسه شدند. همه افراد به نوبت از یک پروتز زانوی برقی آزمایشی که توسط آزمایشگاه ساخته شده بود، استفاده کردند.
محققان توانایی شرکت‌کنندگان را در انجام چندین نوع کار، از جمله خم کردن زانو تا زاویه مشخص، بالا رفتن از پله‌ها و عبور از موانع، اندازه‌گیری کردند. در بیشتر این کارها، کاربرانی که از سیستم OMP استفاده می‌کردند، عملکرد بهتری نسبت به افرادی که جراحی AMI داشتند، اما ایمپلنت e-OPRA نداشتند، و بسیار بهتر از کاربران پروتز‌های سنتی داشتند.
مایکل گلدفارب، استاد مهندسی مکانیک و مدیر مرکز مکاترونیک هوشمند در دانشگاه وندربیلت، که در این تحقیق مشارکتی نداشته است، می‌گوید: این مقاله نشان‌دهنده تحقق رؤیایی است که جامعه علمی مدت‌هاست در سر دارد - پیاده‌سازی و نمایش یک پای رباتیک کاملاً یکپارچه از نظر فیزیولوژیکی و کنترل‌شده با اراده. این کار واقعاً دشوار است و نویسندگان به خاطر تلاش‌هایشان در تحقق چنین هدف چالش‌برانگیزی شایسته تقدیر فراوان هستند.
علاوه بر آزمایش راه رفتن و سایر حرکات، محققان همچنین سوالاتی را مطرح کردند که برای ارزیابی حس تجسم شرکت‌کنندگان طراحی شده بود - یعنی اینکه اندام مصنوعی آنها تا چه حد مانند بخشی از بدن خودشان احساس می‌شود.
سوالات شامل این بود که آیا بیماران احساس می‌کنند دو پا دارند، آیا احساس می‌کنند پروتز بخشی از بدن آنهاست و آیا احساس می‌کنند پروتز را تحت کنترل دارند. هر سوال برای ارزیابی احساسات شرکت‌کنندگان در مورد عاملیت، مالکیت دستگاه و نمایش بدن طراحی شده بود.
محققان دریافتند که با ادامه مطالعه، دو شرکت‌کننده‌ای که OMP داشتند، افزایش بسیار بیشتری در احساس عاملیت و مالکیت خود نسبت به سایر آزمودنی‌ها نشان دادند.
هر می‌گوید: دلیل دیگری که این مقاله اهمیت دارد این است که به این سوالات مربوط به تجسم می‌پردازد و پیشرفت‌های بزرگی را در حس تجسم نشان می‌دهد. مهم نیست که سیستم‌های هوش مصنوعی یک پروتز رباتیک را چقدر پیچیده بسازید، همچنان برای کاربر مانند یک ابزار، مانند یک دستگاه خارجی، احساس خواهد شد. اما با این رویکرد یکپارچه با بافت، وقتی از کاربر انسانی می‌پرسید بدنش چیست، هر چه بیشتر یکپارچه شود، بیشتر می‌گوید که پروتز در واقع بخشی از خود اوست.
روش AMI اکنون به طور معمول بر روی بیماران قطع عضو زیر زانو در بیمارستان بریگهام و زنان انجام می‌شود و هر انتظار دارد که به زودی به استانداردی برای قطع عضو بالای زانو نیز تبدیل شود. سیستم ترکیبی OMP برای دریافت تأییدیه FDA برای استفاده تجاری به آزمایش‌های بالینی بزرگتری نیاز دارد که هر انتظار دارد حدود پنج سال طول بکشد.
این تحقیق توسط Yang Tan Collective و DARPA تأمین مالی شده است.