Spiertransplantaten zorgen voor een meer natuurlijk gevoel voor de prosthetische ledematen
Een computer vertaling van een artikel in Science Robotics
Moderne prothesen zijn ver weg van hun handhaak en pegleg voorgangers. Hoewel ze veel meer lijken op het echte ding, ontbreken ze nog steeds in het natuurlijk gevoel departement. Om dit aan te pakken, werken onderzoekers bij MIT aan een nieuwe chirurgische techniek die bestaande zenuwen en spiertransplantaten gebruikt om de drager beter inzicht te geven in waar het prosthetische ledemaat in de ruimte ligt en hoeveel kracht er op wordt uitgeoefend.
Wanneer een ledemaat geamputeerd is, is de eerste prioriteit van de chirurg de gewonde sectie te verwijderen en de overgebleven spieren, botten, bloedvaten en zenuwen in een stabiel pakket van een stomp te configureren die goed zal genezen. Het is aan deze stomp dat een prothet is vastgelegd en hoewel er sprake is van aanzienlijke vooruitgang in dingen zoals myo-elektrisch, machine- / hersengrondvlakken en robotica als een manier om kunstmatige ledematen te beheersen en zelfs om ze iets aan te geven die een gevoel van aanraking lijken, zijn ze nog steeds niet Ik voel me niet als een natuurlijk ledemaat.
Volgens het MIT-team is het ontbreken van proprioceptie. Dat wil zeggen de mogelijkheid om de relatieve positie van een ledemaat in de ruimte te voelen en hoeveel kracht er op wordt toegepast. In een levend ledemaat zijn er spierspinnen in de spieren en pezen die een beetje als strainmeters optreden, waardoor de hersenen kunnen voelen hoe spieren tegen elkaar werken. Maar amputeer het ledemaat en die spierspieren gaan er mee.
Echter, de meeste ledematen werken niet individueel, maar in paren. Bijvoorbeeld, met behulp van de flexor spieren om je been te buigen, zullen ook extensor spieren leiden die ze uitrekken om uit te strekken. Het evenwicht tussen deze laat ledematen vlot en nauwkeurig bewegen, terwijl de spindels signalen naar de hersenen sturen, dus het is mogelijk om te weten welke positie een ledemaat is en om dingen te balanceren zonder te kijken. Dit heet de agonist-antagonistische spierrelatie.
Maar in een amputant worden de stompspieren afgesneden van deze mogelijkheid en de drager van een prothese moet hun ogen gebruiken om te zien waar het ledemaat is en wat het doet. Wat het evenwicht betreft, is er geen manier om krachten te meten en te compenseren zonder een soort robotsysteem.
De MIT-benadering is om de spierverhouding van de agonist-antagonist te herstellen door intacte bestaande zenuwen te gebruiken en ze te verbinden met spierweefsel dat 4 x 1,5 cm meet (1,6 x 0,6 inch). Dit spierweefsel is van andere delen van het lichaam verwijderd en op de stomp opgesteld om agonist-antagonistparen te creëren.
De hersenen kunnen signalen naar het paar sturen en wanneer er een spier trekt, de andere strekt. Dit zorgt voor feedback, waardoor de patiënt kan voelen hoe het ledemaat beweegt en hoe moeilijk. Als verfijning ontwikkelde het team ook een controlesysteem om zenuwsignalen te vertalen met behulp van een microprocessor om betere controle van het kunstmatige ledemaat te waarborgen tot het moment dat het zelfs het wringkrag in een kunstmatige pols kan herkennen.
“Door dit kader te gebruiken, hoeft de patiënt niet te denken over hoe ze hun kunstmatige ledemaat kunnen beheersen,” zegt Hugh Herr, hoofd auteur van de studie. “Wanneer een patiënt zich verbeeldt dat ze het fantoomlid verplaatst, worden signalen door de zenuwen naar de spierparen gestuurd. De geïmplanteerde spierelektroden zullen deze signalen voor de controle van synthetische motoren in de externe prothese herkennen. We denken dat omdat de hersenen zo zijn Goed om te remapping en het is zo plastic, het zal snel aanpassen aan het weten hoeveel het elke spiertransplantatie moet trekken voor natuurlijke prothese controle. ”
Tot nu toe is het concept getest op ratten, waar zintuiglijke informatie naar de hersenen is verzonden. Het team ziet de technologie als aan bijna elke geamputeerde – zowel degenen die hun ledematen onlangs en jaren geleden hebben verloren.
“Bij bijna elk amputatiescenario, zolang we een beetje van de gezonde zenuw hebben, kunnen we dat nemen en in regeneratieve spiertransplantaten zetten”, zegt de afgestudeerde student Shriya Srinivasan. “We kunnen deze spiertransplantaten bijna overal opvangen In het lichaam, waardoor dit van toepassing is op een groot aantal gevallen, variërend van trauma tot chronische pijn. ”
De studie werd gepubliceerd in Science Robotics.
Bron: MIT
Modern prostheses have come a long way from their hand hook and pegleg predecessors. Although they look a lot more like the real thing, they are still lacking in the natural feel department. To address this, researchers at MIT are working on a new surgical technique that uses existing nerves and muscle grafts to provide the wearer with a better sense of where the prosthetic limb is in space and how much force is put on it.
When a limb is amputated, the surgeon’s first priority is to remove the injured section and configure the remaining muscles, bones, blood vessels, and nerves into a stable package of a stump that will heal properly. It’s to this stump that a prosthetic is attached and, though there’s been significant progress in things like myoelectrics, machine/brain interfaces, and robotics as a way to control artificial limbs and even to give them something resembling a sense of touch, they still don’t feel like a natural limb.
According to the MIT team, what’s lacking is proprioception. That is, the ability to sense the relative position of a limb in space and how much force is being applied to it. In a living limb, there are muscle spindles in the muscles and tendons that act a bit like strain gauges that allow the brain to sense how muscles work against one another. But amputate the limb and those muscle spindles go with it.
However, most limb muscles don’t work individually, but in pairs. For example, using the flexor muscles to bend your leg will also cause extensor muscles that straighten them out to stretch. The balance between these allow limbs to move smoothly and precisely, while the spindles send signals to the brain, so it’s possible to know what position a limb is in and to balance things without looking. This is called the agonist-antagonist muscle relationship.
But in an amputee, the stump muscles are cut off from this ability and the wearer of a prosthetic must use their eyes to see where the limb is and what it is doing. As to balancing, there is no way to gauge forces and compensate without some sort of robotic system.
The MIT approach is to recreate the agonist-antagonist muscle relationship by using intact existing nerves and connecting them to muscle tissue measuring 4 x 1.5 cm (1.6 x 0.6 in). This muscle tissue has been removed from other parts of the body and grafted into place on the stump to create agonist-antagonist pairs.
The brain is able to send signals to the pair and when one muscle contracts, the other stretches. This produces feedback, which allows the patient to sense how the limb moves and how hard. As a refinement, the team also developed a control system to translate nerve signals using a microprocessor to provide better control of the artificial limb to the point where it’s even possible to sense the torque in an artificial wrist.
“Using this framework, the patient will not have to think about how to control their artificial limb,” says Hugh Herr, lead author of the study. “When a patient imagines moving their phantom limb, signals will be sent through nerves to the surgically constructed muscle pairs. Implanted muscle electrodes will then sense these signals for the control of synthetic motors in the external prosthesis. We think that because the brain is so good at remapping and it’s so plastic, it will quickly adapt to knowing how much it has to contract each muscle graft for natural prosthetic control.”
So far, the concept has been tested on rats, where sensory information was transmitted to the brain. The team sees the technology as working on nearly any amputee – both those who lost their limbs recently and years ago.
“For almost any amputation scenario, as long as we have a little bit of the healthy nerve left, we can take that and put it into regenerative muscle grafts,” says graduate student Shriya Srinivasan, “We can harvest these muscle grafts from almost anywhere in the body, making this applicable to a large number of cases ranging from trauma to chronic pain.”
The study was published in Science Robotics.
Source: MIT
