Ieškoti

Mokslas prie kavos puodelio


Jautrūs mintimis valdomi rankos protezai


Galūnių amputacija yra dažna ir nemažą dalį žmonių varginanti negalia. Vien Jungtinėse Amerikos Valstijose (JAV) 2 milijonai žmonių gyvena su amputuotomis galūnėmis. Pasaulyje per dieną galūnės amputuojamos daugiau nei 1 milijonui žmonių - tai yra po vieną amputaciją kas 30 sekundžių.

Daguma žmonių mano, kad dažniausia amputacijos priežastis tai atsitiktiniai susižalojimai darbe ar eismo įvykiuose. Tačiau tiesa yra kiek kitokia. Dažniausia amputacijos priežastimi yra užsikimšusios ar kritiškai susiaurėjusios kraujagyslės (aterosklerozė), kurios galūnes aprūpina krauju ir maisto medžiagomis. Norėdami sumažinti žmonių, kuriems reikia šių operacijų, visuomėnes sveikatos specialistai stengiasi šviestį visuomenę ir aiškinti, kaip išvengti aterosklerozės. Nepaisant šių pastangų, svarbiu prioritetu išieka sprendimų jau netekusiems galūnių žmonėms paieška.


Dabartinės alternatyvos vis dar yra labai ribotos. Šiuo metu naudojami rankų protezai po viršutinio rankos kaulo amputacijos yra dažniausiai prijungiami prie žastikaulio suspaudžiant amputuotos galūnės liekaną ir valdant protezus bicepso bei tricepso raumenų suspaudimais. Deja, tokio tipo protezai neturi somatosensorinio (paviršinio ir giliojo jutimo) grįžtamojo ryšio (angl. "somatosensory feedback") - pacientai nejaučia to, ką jaučia jų dirbtinė ranka. Pacientams reikia išmokti naudoti reikiamus raumenis norinti atlikti atitinkamą veiksmą naująja dirbtine galūne. Vienintelis būdas to išmokti yra pasikliauti klausa ir atidžiu galūnės stebėjimu. Toks mokymosi būdas yra neintuityvus ir ilgai užtrunka. Svarbu prabrėžti, kad su šiais protezais pacientams yra ypač sunku išmokti atsargių ir švelnių judesių, pavyzdžiui, paimti į ranką kiaušinį.



"New England Journal of Medicine" neseniai paviešino tyrimą su trimis švedų kilmės pacientais, kurie naudoja naujos kartos sąlytį jaučiančius protezus, pavadintus e-OPRA. Pagrindinė technologija, kuria jie yra pagrįsti, vadinasi osointegracija (angl. "osseointegration" - osseus lotyniškai reiškia “kaulas”).

Ši technologija buvo atrasta Švedijoje dar penktame praeito amžiaus dešimtmetyje ir šešiasdešimtaisiais pritaikyta dantų implantams. Jau šiame amžiuje mokslininkai sukūrė naujos kartos protezus, kuriuose protezas yra prijungiamas prie rankos liekanos kaulo. Patogiau kontroliuoti protezą, prijungus jį elektrodais prie skirtingų likusios galūnės raumenų grupių. Šie elektrodai matuoja ir siunčia elektrinius raumenų ir nervų impulsus į prijungtą protezą. Gauti signalai yra iššifruojami pažangių dirbtinio intelekto algoritmu ir taip padidina galimybę atlikti paciento norimą veiksmą.


Bet kaip pacientas gali jausti, ką jaučia jo dirbtinė galūnė? Tai labai protingo inžinerinio sprendimo rezultatas. e-OPRA protezų nykščiai turi įmontuotus spaudimą ir kontaktą jaučiančius sensorius. Šie sensoriai išmatuoja, kaip stipriai, kokį paviršiaus plotą ir kiek laiko paciento nykštys liečia kažkokį objektą. Sensorinė informacija yra paverčiama elektrinę energija, kuri yra nusiunčiama į amputuotos galūnės nervus. Įdomu tai, kad sensoriai siunčia nervinius signalus į tuos nervus, kurie anksčiau sujungė visą sveiką biologinę galūnę. Dėl šio sprendimo žmogus jaučiasi taip, tarytum jo dirbtinė ranka būtų jo biologinė ranka. Nerviniai signalai sėkmingai keliauja į "lytėjimo" centrą smegenyse, informacija apie suspaudimą yra priimama ir interpretuojama.


Labai įdomus ir pats technologijų kūrimo procesas. Pirmiausiai tyrėjai parengia ir suderina dirbtinio intelekto algoritmą, paverčiantį nervinius impulsus sveikos rankos liekanoje norimu veiksmų rankos proteze. Mokslininkai turi išsiaiškinti ir "ištreniruoti" algoritmą, kad jis suprastų paprastas, tokias kaip delno sugniaužimas, komandas. Po to reikia tobulinti algoritmą, kad jis galėtų atpažinti šiek tiek sudėtingesnius veiksmus: riešo pasukimą, atskirų pirštų judinimą, atitinkamą suspaudimo jėgą. Šioms užduotims atlikti reikia daugybės bandymų. Panašia eiga parengiamas ir “jaučiančiojo” protezo veikimo algoritmas. "Mokslininkai privalo išmokyti "jaučiantįjį" algoritmą atskirti, kokio stiprumo paspaudimo nori pacientas. Paspaudimo stiprumą kiekvienas pacientas suvokia subjektyviai, todėl ir algoritmas turi būti personalizuotas.


Tai nėra pirmas kartas, kai dirbtinė galūnė gali jausti sąlytį. Tačiau šio tyrimo metu pacientai, naudoję e-OPRA protezus savo kasdieninėje aplinkoje pastaruosius 3 ar net 7 metus, patvirtino, kad jų gyvenimo kokybė stipriai pakito, nes jie pagaliau jautėsi taip, lyg jų dirbtinė ranka būtų jų kūno dalis. Du iš trijų tyrimo dalyvių teigė, kad beveik nejaučia skirtumo tarp tikros ir dirbtinės galūnės. Optimizmą kelią ir tai, kad e-OPRA protezai yra saugūs ir ilgai išlieka patikimi ne tik kontroliuojamoje laboratorijoje, bet ir kasdienėje aplinkoje.


Vienas iš šio tyrimo vadovų dr. Maksas Ortizas Katalanas (Max Ortiz Catalan) šitaip vertina technologijos ateitį: "Mes manome, kad ši technologija per ateinančius keletą metų turėtų tapti prieinama ne tik Švedijoje, bet ir kitose šalyse. Mums taip pat puikiai sekasi kurti panašią technologiją kojų protezams, kurią jau šiais metais ketiname išbandyti su pirmuoju pacientu".



Straipsnį INA vardu parengė Matas Vitkauskas



Pamatykite ir išgirskite apie osointegracija Charlmers Technologijų Universiteto video.

Šaltiniai:

https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa1917537

https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa1917537

https://neurosciencenews.com/feeling-mind-controlled-prostheses-16292

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18295618

https://www.amputee-coalition.org/resources/limb-loss-statistics/