Тод Куикън: Протеза за ръка която "чувства"

Днес бих желал да си говорим за бионика, което е научното название за науката, която се занимава със замяната на част от жив организъм с механично устройство, или робот. Всъщност това е срещата между жив организъм и машина. И по точно бих желал да си говорим за това как биониката се развива за хората с ампутирани ръце.

Това е което ни мотивира. Загубата на ръка е крайно обезсилващо състояние. Имам предвид, че намаляването на функционалността е очевидно. Нашите ръце са изумителни инструменти. А когато загубите една от тях, още повече двете, става доста по-трудно да вършите нещата, които ни се налага да вършим. Въздействието върху емоционалното ви състояние също е огромно. Всъщност, в клиниката отделям толкова време за справяне с емоционалната нагласа на пациентите, колкото за самия физически недъг. И накрая, има и дълбоко социално въздействие. Ние говорим чрез ръцете си. Поздравяваме се чрез тях. И взаимодействаме с физическия свят с ръцете си. А когато тях ги няма, сме изправени пред бариера. Обикновено травми са причината за ампутиране на ръце, резултат от индустриални злополуки, автомобилни катастрофи или най-вече война. Някои деца се раждат без ръце, състояние наречено вродена липса на крайници.

За съжаление не се справяме добре с протезите за горните крайници. Има два основни вида. Наричани се задвижвани от тялото протези, били са изобретени непосредствено след Гражданската война, и до усъвършенствани през Първата и Втората световна война. Тук виждате патент за ръка през 1912. Не е много по-различна от тази която виждате на моя пациент. Функционират използвайки движенията на рамото. Когато си свиете рамената, те опъват жило от колело. А то отваря или затваря ръка или кука или сгъва лакът. И ние все още ги използваме често, защото са много издръжливи и относително прости устройства.

Най-модерни са миоелектричните протези. Това са моторизирани устройства които се контролират от електрически сигнали от вашите мускули. При всяко свиване на мускул, протича малко електричество, което може да бъде уловено с антени или електроди и да се използва за управление на моторизираната протеза. Те са подходящи за хора загубили само долната част на ръката си, защото мускулите на ръката все още са си на мястото. Ако стиснете ръката си, те се свиват. Ако я отворите се разтягат. Така че целият процес е интуитивен и работи доста добре.

Ами при по-лоши случаи? Загубили сте ръката си над лакътя. Тогава ви липсват не само мускулите, но и ръката и лакътя. Как ще постъпите? На нашите пациенти им се налага да се справят с много сложни системи, използващи само горните мускули на ръката за да работят с роботизирани крайници. Имаме роботизирани крайници. На пазара могат да се намерят няколко вида и тук можете да видите някои от тях. Те са изградени от ръка, която може да се отваря и затваря, въртяща се китка и лакът. Нямат други функции. Ако имаха, как бихме ги управлявали?

Ние конструирахме такава ръка в Института по възстановяване в Чикаго, като добавихме гъвкавост на китката и движение на рамото за да достигнем шест мотора или шест градуса на движения. А и имахме възможността да работим с някои доста напреднали разработки на ръце, които бяха финансирани от Американската армия, използвайки тези прототипи, които достигаха до десет различни градуса на движения включително подвижна долна част на ръката. Но в крайна на сметка, как да управляваме тези роботизирани ръце? Как да ги контролираме? Ами имаме нужда от неврален интерфейс, начин да се свържем с нашата нервна система или нашите мисловни процеси за да може всичко да е интуитивно, естествено, както за вас и мен.

Тялото функционира като задава команда за движение в мозъка, която преминава през гръбначния стълб и през нервите достига периферията. А усетът е точно противоположното. Когато се докоснете, сигналът преминава през същата нервна система за да достигне обратно до мозъка. Когато загубите ръката си, тази нервна система продължава да функционира. Тези нерви могат да задават команди. И ако докосна нервно окончание на ветеран от Втората световна война, той пак би почуствал липсващата му ръка. Може би си казвате, да се обърнем към мозъка и да поставим нещо в него, което да записва тези сигнали, или на периферните нерви и да ги записваме там. Тези проучвание са много вълнуващи, но и много, много трудни. Трябва да поставите стотици микроскопични жици за да записвате от малки, миниатюрни индивидуални неврони -- обикновени фибри които издават слаби сигнали от порядъка на микроволтове. А и това е твърде трудно приложимо за пациентите ми днес.

За това подходихме по различен начин. Използваме биологичен усилвател за да усилим нервните сигнали -- мускули. Те могат да увеличат нервните сигнали 1000 пъти, за да можем да ги уловим на повърхността на кожата, както видяхте по-рано. Нашият подход се нарича целева реинервация. Представете си, че имаме човек загубил цялата си ръка, той все още има четирите главни нерва които се движат по ръката му. Ние отделяме нерва от гръдния мускул и позволяваме на тези нерви да се срастнат с него. Когато си помислите, "Затвори ръка" малка част от гърдите ви реагира. Мислите си, "Свий лакът," друга част се свива. А ние можем да използваме електроди или антени с които да уловим тези реакции и да накараме ръката да се движи. Това е идеята.

Това е първият човек с когото опитахме това. Той се казва Джеси Съливан. Той е просто светец -- 54 годишен кантонер, докоснал грешната жица и изгорил ръцете си толкова лошо, че се наложило да ги ампутират от рамото. Джеси дойде при нас, в ЧИР за да му сложим тези най-съвременни устройства, а ето ги и тях. Все още използвам онази стара технология, с жилата на неговата дясна страна. А той избира кой възел да движи като натиска копчета с брадичката си. В ляво, той има модерна моторизирана протеза с тези три стави, и той я движи като докосва малки подложки с рамото си. А Джеси е добър кранист и се справи добре по нашите стандарти.

Той също така се нуждаеше от коригираща операция на гръдния кош. И това ни даде възможност да приложим целевата реинервация Моят колега, Д-р Грег Дюмейниън, извърши операцията. Първо премахнахме нерва от неговия мускул, след което пренасочихме нервите на ръката надолу към неговия гръден кош и го затворихме. И след около 3 месеца, нервите бяха се врасли малко и можехме да видим потрепване. А след 6 месеца се бяха врасли добре, и можеха да свиват мускула. А ето как изглежда това. Това се случва когато Джеси иска да отвори или затвори ръката си, или да свие или изправи лакътя си. Можете да видите движенията на гръдните му мускули, а тези отметки отбелязват местата, където поставяме антените или електродите. А аз ви предизвиквам да повторите тези гръдни движения. Мозъкът му си мисли за неговата ръка. Той не се е научил да прави това с гърдите си. Тук няма процес на учене. Точно за това е интуитивно.

А ето го и Джеси по време на един от първите тестове. От ляво можете да видите първата му протеза, и той използва тези копчета, за да мести малки кубчета от едната кутия в другата. Той е използвал тази ръка 20 месеца, за това е доста добър с нея. От дясно, два месеца след като сме му сложили реинервационната протеза -- която, между другото, физически си е същата, просто е програмирана по различен начин -- може да видите, че той е доста по-бърз и плавен, докато мести кубчетата. А по това време можехме да използваме само 3 от сигналите.

И тогава бяхме изненадани. Всички бяхме мотивирани да използваме команди, за да задвижваме роботизирани ръце. А след няколко месеца, ако докоснехме Джеси по гърдите, той чувстваше липсващата му ръка. Усетът на ръката му се беше прехвърлил на гърдите му вероятно защото бяхме премахнали доста мазнина, така че кожата му да е директно върху мускула и бяхме деинервирали кожата му, така да се каже. Така че ако докоснете Джеси тук, той чувства палеца си; ако го докоснете тук, чувства кутрето си. Той чувства лек допир, от порядъка на натиск с 1 грам. Чувства горещо, студено, остро, тъпо, всичко в липсващата му ръка, или едновременно в ръката и гърдите си, но може да го прави и с двете. Това е много вълнуващо за нас, защото това ни дава възможност, възможност, или начин да възвърнем усета му, за да може той отново да чувства това което докосва с неговата протеза. Представете си сензори, поставени в протезата, които допират тази нова кожа на ръката За това бяхме много развълнувани.

Също така продължихме най-вече с хора с ръце, ампутирани над лакътя. А тук деинервираме, или изрязваме нерва, само от малка част от мускула и оставяме другите части незасегнати, която ни дава сигнали за нагоре и надолу и две други които ще ни дават сигнали за отваряне и затваряне на ръката. Това е един от първите ни пациенти, Крис. Виждате го с първата му протеза в ляво, след 8 месечна употреба, а в дясно, след два месеца. Той изпълнява тази проста задача четири или пет пъти по-бързо.

Добре. Един от най-хубавите аспекти на работата ми е че работя със страхотни пациенти, които също така ни съдействат в проучванията. За нас днес е удоволствие Аманда Китс да ни е на гости. Моля посрещнете Аманда Китс.

(Аплодисменти)

Аманда, би ли ни разказала как загуби ръката си, моля те?

Аманда Китс: Разбира се. През 2006, претърпях автомобилна катастрофа. Докато шофирах към къщи, камион движещ се в противоположна посока, навлезе в моето платно, прегази колата ми, а оста му ми откъсна ръката.

Тод Куикън: Добре, след ампутацията, си се възстановила. И са ти дали една от тези конвенционални протези. Можеш ли да ни кажеш как работеше тя?

АК: Ами, беше малко трудно, защото всичко което можех да използвам бяха бицепса и трицепса. За това дори за най-простите неща, като например да вдигна нещо, ми се налагаше да свия лакътя си, да свия двата мускула едновременно, за да сменя режима. И когато направех това, трябваше да използвам бицепса си, за да накарам ръката ми да се затвори и трицепса за да я накарам да се отвори, да свия двата мускула отново, за да накарам лакътя да работи отново.

ТК: Значи е работила малко бавно?

АК: Малко бавно и беше просто трудно за управление. Налагаше ми се да се концентрирам доста повече.

ТК: Добре, мисля че бяха минали 9 месеца, когато си се подложила на целевата реинервация, завършването на която отне още 6 месеца. След което й сложихме протеза. А как се развиха нещата за теб?

АК: Ами добре. Можех да изпозлвам лакътя и ръката си едновременно. Можех да ги командвам само с мисълта си. Така че не ми се налагаше да сменям режима и други подобни.

ТК: Малко по-бързо?

АК: Малко по-бързо. И много, много по-лесно, много по-естествено.

ТК: Добре, това беше моята цел. От 20 години, моята цел бе да направя възможно човек да използва лакътя и ръката си интуитивно и едновременно. И сега над 50 от нашите пациенти са се подложили на тази операция, включително над дузина ранени войници от въоръжените сили на САЩ. Процентът успешни нервни трансфери е много висок. Около 96. Защото поставяме голям нерв върху малко парче мускул. А това осигурява интуитивен контрол. Нашият функционален тест, онези малки тестове, всички показват, че те са много по-бързи и по-лесни. А най-важното е, че нашите пациенти го оценяват.

Така че всичко това беше много вълнуващо. Но ние искаме да станем още по-добри. В тези нервни сигнали има много информация, а ние искахме да използваме повече от нея. Можете да движите всеки пръст. Можете да движите палецът, китката. Можем ли да постигнем повече? За това проведохме експерименти, при които обсипахме горките ни пациенти с милиарди електроди, след което ги накарахме да се опитат да извършат две дузини различни задачи -- от това да си въртят пръста, през това да движат цялата си ръка до това да се пресегнат за нещо -- и записахме данните. След което използвахме алгоритми, подобни на тези за разпознаване на реч, за разпознаване на модели. Вижте.

(Смях)

А тук можете да видите, на гръдния кош на Джеси, когато се опита да направи само три различни неща, можете да видите три различни модела. Но не мога да поставя електрод и да кажа, "Отиди там". За това си сътрудничихме с колегите от Ню Брунсуикския университет и създадохме този алгоритмичен контрол, който Аманда може да ни демонстрира.

АК: Така, имам лакът, който се движи нагоре и надолу. Имам ротационна китка, която -- да може да се завърти напълно. Също така мога да движа китката нагоре надолу. А мога и да отварям и затварям ръка.

ТК: Благодаря ти, Аманда. Сега, тази протеза е за проучвания, но е изработена от достъпни компоненти от тук надолу и няколко, които съм взел назаем от целия свят. Тежи около 3 килограма, което е долу горе колкото би тежала моята ръка, ако я бях изгубил от тук. Очевидно, това е тежко за Аманда. Всъщност, тя го усеща още по-тежко, защото не е залепена на място. Тя носи цялата тежест чрез опасани колани.

Така че вълнуващата част е не толкова механичната, а управлението. Така че ние разработихме малък микрокомпютър, който мига някъде зад гърба й и управлява това по начина по който тя му казва да използва нейните мускулни сигнали. Така Аманда, когато за първи път започна да използваш тази ръка, колко ти отне да се научиш?

АК: Отне само около 3, 4 часа, за да я тренирам. Налагаше се да я включвам към компютър, така че не можех да я програмирам където и да е. Така че ако спреше да функционира, трябваше просто да я сваля. Но сега може да се програмира с тази малка машина на гърба ми. Мога да я нося навсякъде. Ако поради някаква причина спре да работи, мога да я препрограмирам. Отнема около минута.

ТК: Затова сме много развълнувани, защото сме достигнали до клинически практично устройство. А такава е и нашата цел -- да направим нещо, което е прагматично за употреба. Аманда също така може да използва някои от нашите по-усъвършенствани ръце, които ви показах по-рано. Тук Аманда използва ръка разработена от Изследователска корпорация ДЕКА. А и мисля, че Дийн Камен я представи в ТЕД преди няколко години. Така че, Аманда, както виждате, упражнява наистина добър контрол. Всичко е в разпознаването на модели. И сега имаме ръка, която може да захваща по различни начини. Това което правим е, караме пациентът да отвори ръката напълно и да реши, "Какъв модел на захващане искам?" Тя влиза в този режим и тогава можете да направите до 5 или 6 различни хващания с тази ръка. Аманда, колко успя да направиш с ДЕКА ръката?

АК: Успях да направя 4. Ключово хващане, здраво ръкостискане, юмручно хващане и щипка. Но любима ми е отворената ръка, защотот работя с деца, така че през цялото време ми се налага да ръкопляскам и пея, и можех отново да правя това, което беше хубаво.

ТК: Тази ръка не става за пляскане.

АК: Не мога да пляскам с тази.

ТК: Добре. Вълнуващо е да си помислим какво можем да постигнем с по-добра механика, ако я направим достатъчно добра за да се предлага на пазара и да се тества в полеви условия. Искам да гледате внимателно.

(Видео) Клаудия: Уууу!

ТК: Това е Клаудия, и това е първия път, когато тя почуства какво докосва с протезата си. На края на протезата и има малък сензор, който тя прокарва по различни повърхности и усеща различната структура на шкурка, песъчинки, лента, докато те въздействат на реинервираната кожа на ръката й. Тя каза, че дори когато само я прокарва по масата, усеща, че пръстът й се люлее. Така че това е един вълнуващ лабораторен експеримент, който ни показва как бихме могли да върнем поне част от усета на кожата.

Но ето и още едно видео, което показва някои от предизвикателствата пред които сме изправени. Това е Джеси, той стиска бутилка с пяна. И колкото по-силно стиска -- виждате едно малко, черно нещо в средата, което натиска кожата му със сила, пропорционална на тази с която стиска той. Но обърнете внимание на всички електроди около него. Имаме проблем с мястото. Трябва да поставим доста от тези неща там, но нашият малък мотор е доста шумен и то точно до електродите ми. Така че наистина сме изправени пред предизвикателство.

Бъдещето е светло. Развълнувани сме от това което сме постигнали и от нещата които искаме да направим. Например, едно от нещата е да решим проблема с мястото и да подобрим качеството на сигнала. Искаме да разработим тези миниатюрни капсули с размер на зрънце ризото които можем да поставим в мускулите и да измерваме ЕМГ сигналите, за да не се тревожим за електродите. Така можем да освободим място, където да се опитаме да възстановим усета в по-голяма степен. Искаме да направим по-добра ръка. Тази ръка -- те винаги са направени за мъж от половината група -- което означава, че са твърде големи за 5/8 от населението. Така че вместо супер силна и бърза ръка, ние правим ръка, която е -- започваме с, за жена от първите 25% -- която ще има ръка, която ще може да обхваща, да се отваря напълно, да има две степени на движения на китката и лакътя. Така че, тя ще бъде най-малката и най-леката и най-умната ръка правена някога. След като я направим толкова малка, ще ни бъде много по-лесно да я направим по-голяма.

Така че, това са само част от целите ни. Ние наистина се радваме че всички вие сте тук днес. Бих желал да ви разкажа малко и за тъмната страна, в духа на вчерашната тема. Аманада беше уморена от полета, тя използва ръката и всичко се обърка. Имахме проблем с компютъра, скъсана жица, окъсил трансформатор. Извадихме цяла верига в хотела и за малко да включим пожарната аларма. Нямаше да се справя с нито един от тези проблеми, ако нямах толкова добър екип. За щастие Д-р Ани Саймън беше с нас и работи наистина усърдно вчера за да я поправи. Това е науката. И за щастие, днес всичко се получи.

За това ви благодаря много.

(Аплодисменти)