Как сделать бионические конечности (буквально) очень крутыми
Хочу сегодня поговорить об одном важном составляющим реабилитации больного после удаления по различным причинами у него конечностей или частей их - о качественных протезах.
Температура - один из самых сложных аспектов осязания для пользователей протезов. Этот крошечный пластырь может помочь людям с ампутированными конечностями почувствовать холод.
Чуть более 15 лет назад у Джонни Матени была диагностирована фибросаркома, редкая форма рака, поразившая соединительную ткань вокруг костей его левой руки.
Врачи поставили его перед выбором: ампутировать руку или умереть. Он выбрал ампутацию. Он все еще мог чувствовать свою руку после того, как она исчезла, так называемая фантомная конечность, вызванная сигналами, проходящим через нервы, которые когда-то соединяли его руку с его мозгом.
Теперь, полностью избавившись от рака, Матени провел годы, добровольно участвуя в экспериментах, тестируя самые причудливые и самые современные протезы. Но хотя эти устройства предлагали высокотехнологичное управление двигателем и вибрационную обратную связь, некоторые вещи по-прежнему отсутствовали, в том числе способность чувствовать температуру.
Три года назад исследователи из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (APL) начали испытания нового стимулятора, который восстанавливал бы ощущение холода у людей, переживших потерю конечностей, и Матени стал одним из четырех добровольцев. Устройство представляет собой тонкий квадрат размером с монету размером с бинт, который можно разместить на коже или встроить в пригодную для носки ткань, перекачивая тепло с одной стороны на другую, создавая ощущение охлаждения. В рамках лабораторных экспериментов Матени носил бионическую руку, оснащенную датчиком температуры и новым стимулятором, а затем его попросили взять несколько банок с газировкой. Он помнит, как взял один и усмехнулся, широко раскрыв глаза и сияя: было холодно. «Я не чувствовал ничего подобного с тех пор, как мне оторвали руку», - говорит он. «Это было просто нереально».
Хотя современные протезы конечностей уже могут обеспечить контроль над мелкой моторикой и базовую сенсорную обратную связь , нюансы прикосновения, которые заставляют людей чувствовать, что их конечности действительно принадлежат им, например, температура, остаются недоступными. Теперь, в исследовании , опубликованном в июле в Nature Biomedical Engineering, исследователи APL показали, что их охлаждающий пластырь может вернуть людям их восприятие температуры. Это дает надежду на то, что вскоре искусственные руки позволят пользователям наслаждаться холодным пивом или теплыми прикосновениями любимого человека.
Усовершенствованные бионические руки все лучше двигаются, но «мы уже давно осознали необходимость обеспечения сенсорной обратной связи», - говорит Дуг Вебер, профессор машиностроения и неврологии в Университете Карнеги-Меллона, не участвовавший в этом исследовании. «Важно не только уметь заставить вещи двигаться, но и чувствовать последствия этих действий». Без сенсорной обратной связи невозможно определить, где находится ваша рука, не глядя на нее, и не собираетесь ли вы что-то раздавить.
Но прикосновение сложно. «Это больше, чем просто давление или сила на кончике пальца», - говорит Люк Осборн, исследователь нейроинженерии в APL и ведущий автор статьи. «Оно включает в себя все эти другие сложные ощущения, такие как температура».
Восприятие температуры, по-видимому, имеет особое значение в нашей социальной жизни, говорит Эмили Грачик, профессор биомедицинской инженерии из Университета Кейс Вестерн Резерв, не участвовавшая в этом исследовании. В своем исследовании Грачик обнаружила, что сенсорная обратная связь помогает владельцам протезов чувствовать себя более уверенно и комфортно при взаимодействии с другими людьми, а также заставляет их искусственные конечности чувствовать себя частью самих себя. «Ничто не сделает ваш протез более человечным, чем если бы он действительно чувствовал тепло чьей-то хватки», - добавляет Вебер.
При ампутации перерезаются нервы, которые когда-то передавали информацию между мозгом и конечностью. Но концы этих нервов могут регенерировать. По мере отрастания они иннервируют любую ткань, за которую могут зацепиться, например, кожу на культе. Для человека с ампутацией верхней конечности это может быть область чуть выше запястья или локтя. Поражение этой кожи электричеством может на самом деле ощущаться как удар по руке. Этот путь от остатка руки к мозгу служит «окном для ввода данных», говорит Вебер.
«Наш традиционный подход к восстановлению чувствительности у людей с ампутированными конечностями - это электрическая активация», - говорит Осборн, стимулируя участок кожи небольшим электродом. Нервные волокна, которые реагируют на механические аспекты прикосновения, такие как давление и вибрация, толстые и изолированы миелиновой оболочкой, которая предотвращает утечку тока, что облегчает их активацию. Но нервы, передающие информацию о температуре, крошечные и обычно не реагируют на электрическую стимуляцию. Грачик говорит, что лучший способ заставить кого-то почувствовать температуру - это старомодный способ: использовать горячую или холодную вещь, чтобы активировать весь спектр кожных рецепторов.
Чтобы носители протезов почувствовали озноб, что-то должно передать сверхбыстрый температурный сигнал (менее чем за полсекунды) с точностью до сантиметра от протеза к коже, чтобы активировать нервы, которые когда-то соответствовали пальцам человека. Рама Венкатасубраманян, главный технолог по термоэлектричеству в Лаборатории прикладной физики, был готов принять вызов. Последние 25 лет он разрабатывал термоэлектрические охлаждающие устройства для инфракрасных датчиков и спутников, но особенно ему хотелось создать что-то, что могло бы вызывать у людей ощущение охлаждения. «Ничто не сравнится с идеей использования человеческих возможностей», - говорит он.
Вы можете купить термоэлектрическое охлаждающее устройство онлайн прямо сейчас, если хотите. Они отлично подходят для предотвращения перегрева игровых компьютеров, но слишком громоздки и слишком медленны, чтобы имитировать быстрые биологические процессы или носить их в течение всего дня. Венкатасубраманян хотел разработать что-то быстрое, неинвазивное и легкое. Поэтому он построил крошечное устройство из сверхтонких пленок (толщиной от 20 до 25 микрон, менее половины толщины человеческого волоса), которые используют электроны для перекачки тепла от одного слоя к другому, оставляя позади прохладу. Это похоже на крошечный холодильник с удивительной мощностью и скоростью нейрона. (Представьте себе полупроводник с уровнем теплового потока ракетного сопла, а другой конец остается холодным, говорит Венкатасубраманян.) Подтвердив это с помощью множества лабораторных экспериментов, он говорит: комнатная температура."
Затем команда наняла четырех человек с ампутациями верхних конечностей, чтобы протестировать новое устройство Венкатасубраманяна и сравнить его с существующей альтернативой. Во-первых, они использовали более крупное коммерчески доступное охлаждающее устройство, чтобы наметить места на остаточной конечности каждого человека, где холодное прикосновение к коже вызывало озноб где-то на их фантомной руке. Затем каждый участник помещал коммерческое охлаждающее устройство на одно из этих мест, пока экспериментатор охлаждал его с комнатной температуры до 16 градусов по Цельсию (около 61 по Фаренгейту). Каждый доброволец нажал кнопку, как только почувствовал изменение температуры, а затем использовал скользящую шкалу, чтобы сообщить, насколько сильным было ощущение изменения.
Затем они повторили эту часть теста с более новым и миниатюрным устройством Венкатасубраманяна. Он создавал ощущение охлаждения примерно в четыре раза быстрее, чем стандартное термоэлектрическое устройство, и ощущалось примерно в два раза сильнее. Два человека без ампутаций повторили эксперимент, поднеся новое устройство к кончику пальца, и почувствовали то же самое: более быстрое, более сильное охлаждение.
Матени помог исследователям продвинуть эксперимент еще дальше. На этот раз вместо того, чтобы тестировать стимулятор на голой коже, они хотели испытать ощущение охлаждения от кончика пальца протеза до собственной нервной системы Матени. Они использовали усовершенствованный протез, разработанный исследователями из APL, который Матени взял на годовой тест-драйв в реальных условиях в 2018 году, и встроили датчик температуры в мизинец. Это подавало сигнал на стимулятор, который Матени носил на участке кожи на руке, который получал ощущения от его фантомного мизинца.
В ходе 19 испытаний Матени ощупал три одинаковые банки с газировкой: две при комнатной температуре и одну прямо из холодильника. Каждый раз ему удавалось идентифицировать холодную газировку. «Мне казалось, что это чувствуют мои собственные пальцы, - вспоминает он. В конце одного экспериментального испытания, заснятого на пленку, Матени тихо посмеивается, правильно указывая на холодную, открывает ее и поджаривает камеру. «Мне это просто нравилось, - вспоминает он.
По крайней мере, теоретически такое крошечное неинвазивное устройство будет достаточно легко встроить в тканевый вкладыш, который носят под протезом, при условии, что оно прилегает достаточно плотно, чтобы каждый раз касаться нужных участков кожи. А поскольку хирургического вмешательства не требуется, процесс получения разрешения Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США в качестве дополнения к протезу, вероятно, будет менее сложным, чем для других, более инвазивных медицинских устройств.
Наряду с вибрационной обратной связью и контролем мелкой моторики датчики температуры могут помочь искусственным рукам приблизиться к полному воссозданию прикосновений. Протез Матени мечты соответствовал бы его оставшейся руке во всех смыслах, кроме одного: «Я знаю, что единственное, что я не хочу чувствовать, - это боль», - говорит он. Хотя команда Осборна заставила бионические руки чувствовать боль раньше по этическим соображениям исследователи обычно избегали его причинения, если только это не изучаемая тема. Но Грачик подозревает, что боль может быть в какой-то степени необходимой частью прикосновения. «Мы знаем, где заканчивается наше тело, благодаря чувству боли», - говорит она. И чтобы чувствовать, что протез на самом деле является частью его владельца, а не неодушевленным предметом, который он таскает с собой, ему, возможно, нужно почувствовать границы, которые создает боль. Это чувство воплощения, по словам Грачика, «может быть желанным для людей. Это помогает им снова почувствовать себя целыми».
Измерение температуры может не только помочь людям почувствовать себя как дома в собственном теле, но и создать более глубокое чувство социальной связи. Когда вы получаете нежное пожатие руки или похлопывание по спине, «возможность на самом деле почувствовать чью-то температуру тела на самом деле является большой частью этого», - говорит Грачик. «Мы чувствуем вещи более приятными и комфортными, когда они имеют температуру тела».
По словам Осборна, добавление датчиков температуры к существующим устройствам - это шаг в правильном направлении. «Теперь мы можем начать раздвигать границы того, что, как мы думали, мы можем делать с протезами рук», - говорит он. «Мы можем дать кому-то возможность сделать то, что они не могли сделать раньше».