Todd Kuiken: Eine Armprothese die fühlt

Heute möchte ich mit Ihnen über Bionik reden. Das ist die allgemeine Bezeichnung für die Wissenschaft die Teile eines lebenden Organismus durch ein mechatronisches Gerät ersetzt, oder einen Roboter. Im wesentlichen trifft Leben auf Maschine. Speziell möchte ich mit Ihnen darüber reden wie sich Bionik entwickelt für Menschen mit Armamputationen.

Das ist unsere Motivation. Eine Armamputation ist eine starke Behinderung. Ich meine, die funktionelle Beeinträchtigung ist klar. Unsere Hände sind beeindruckende Werkzeuge. Und wenn man eine verliert, geschweige denn beide, ist es viel schwerer Dinge zu tun, die wir physisch tun müssen. Es gibt auch eine große emotionale Auswirkung. Tatsächlich verbinge ich genausoviel Zeit in der Klinik wegen der emotionalen Bewältigung der Patienten, wie der physischen Behinderung. Letztendlich gibt es eine umfassende soziale Auswirkung. Wir artikulieren mit unseren Händen. Wir grüßen mit unseren Händen. Wir interagieren mit der Welt durch unsere Hände. Wenn sie fehlen, gibt es eine Beschränkung. Armamputation ist normalerweise die Folge von Gewalteinwirkung, wie zum Beispiel Industrieunfälle, Motorradunfälle, oder, sehr bewegend, Krieg. Es gibt auch Kinder die ohne Arme geboren werden, genannt "angeborenes Gliedmaßenfehlen".

Unglücklichweise sind wir nicht sehr gut mit Prothesen für obere Extremitäten. Es gibt zwei allgemeine Arten. Sie werden körpergetriebene Prothesen genannt, welche im amerikanischen Bürgerkrieg erfunden, und im ersten und zweiten Weltkrieg verbessert wurden. Hier sehen Sie ein Patent für einen Arm von 1912. Es gibt keine großen Unterschied zu dem den Sie an meinem Patienten sehen. Sie arbeiten mit Schulterkraft. Wenn Sie ihre Schulter bewegen, zieht es an einem Bowdenzug. Der Bowdenzug kann dann eine Hand oder einen Haken öffnen oder schließen oder einen Ellbogen biegen. Wir verwenden sie noch häufig, denn es sind sehr robuste und relativ einfache Geräte.

Der Stand der Technik sind was wir myoelektrische Prothesen nennen. Es sind motorisierte Geräte, die durch schwache elektrische Signale von Ihrem Muskel kontrolliert werden. Jedesmal wenn Sie einen Muskel anspannen, sendet er etwas Elektrizität aus die Sie mit Antennen oder Elektroden messen können und für den Betrieb der motorisierten Prothese verwenden können. Sie funktionieren ziemlich gut für Menschen, die nur ihre Hand verloren haben, denn ihre Handmuskeln sind noch da. Sie drücken ihre Hand und diese Muskeln spannen sich an. Sie öffnen, diese Muskeln spannen sich an. Es ist intuitiv und funktioniert ziemlich gut.

Aber was ist mit höheren Amputationen? Sie haben ihren Arm oberhalb des Ellenbogens verloren. Ihnen fehlen nicht nur diese Muskeln, sondern auch Ihre Hand und Ihr Ellenbogen. Was tut man? Unsere Pateien müssen codierte Systeme verwenden indem sie ihre Arm Muskeln benutzen um Robotergliedmaße zu verwenden. Wir haben Robotergliedmaße. Es sind verschiedene auf dem Markt, hier sehen Sie ein paar. Sie beinhalten eine Hand die sich öffnet und schließt, einen Gelenkrotierer und einen Ellenbogen. Es gibt keine weiteren Funktionen. Wenn sie hätten, wie würden wir ihnen sagen was zu tun ist?

Wir stellen unseren eigenen Arm am "Rehab Institute of Chicago" her, wo wir zusätzliche Gelenkbeugen und Schultergelenke eingebaut haben um bis zu sechs Motoren oder sechs Freiheitsgrade zu haben. Wir hatten die Möglichkeit mit einigen sehr modernen Armen zu arbeiten, welche vom US Militär bezahlt wurden, diese Prototypen hatten bis zu 10 Freiheitsgrade inklusive beweglicher Hände. Aber letztendlich wie sagen wir diesen Roboterarmen was zu tun ist? Wie bedienen wir sie? Nun wir brauchen ein neurales Interface, einen Weg unser Nervensystem oder unsere Gedanken zu verbinden, so dass es intuitiv, natürlich wird, wie für Sie und mich.

Der Körper funktioniert, indem ein Bewegungssignal in Ihrem Gehirn startet, entlang dem Rückenmark, aus den Nerven und dann in die Peripherie. Sinneseindrücke sind das exakte Gegenteil. Sie berühren sich, es gibt einen Reiz, der genau die gleichen Nerven entlang zum Gehirn geht. Wenn Sie ihren Arm verlieren, funktioniert das Nervensystem immer noch. Diese Nerven können Bewegungssignale aussenden. Wenn ich das Nervenende eines Veteranen des zweiten Weltkriegs berühre, wird er immer noch seine fehlende Hand spüren. Nun sagen Sie vielleicht, auf zum Gehirn und stecken wir etwas hinein das die Signale empfängt, oder in das Ende der peripheren Nerven und dort die Signale aufzeichnet. Das sind sehr spannende Forschungsbereiche, aber es ist sehr,sehr schwer. Man muss hunderte mikroskopisch dünne Kabel hinein tun um von kleinen winzigen individuellen Neuronen zu empfangen - gewöhnliche Fasern die winzige Mikrovolt- Signale aussenden. Es ist einfach zu schwer, das jetzt und für meine Patienten zu verwenden.

Also entwickelten wir einen anderen Ansatz. Wir verwenden biologische Verstärker um diese Nervensignale zu verstärken - Muskeln. Muskeln verstärken das Nervensignal um das Tausendfache, sodass wir sie von der Haut aus messen können, wie Sie vorher gesehen haben. Unser Ansatz ist etwas was wir "gezielte Reinnervation" nennen. Stellen Sie sich vor, jemand hat seinen ganzen Arm verloren, wir haben noch vier große Nerven die den Arm entlang gehen. Wir nehmen den Nerv vom Brustmuskel und lassen diese Nerven hinein wachsen. Jetzt denken Sie, "Hand schließen", und ein kleiner der Teil Brust kontrahiert. Sie denken, "Ellenbogen beugen", und ein anderer Teil kontrahiert. Wir können Elektroden oder Antennen verwenden um das aufzunehmen und die Armbewegung zu steuern. Das ist die Idee.

Das ist der erste Mensch an dem wir es versuchten. Sein Name ist Jesse Sullivan. Er ist einfach ein Heiliger von einem Mann - 54jähriger Leitungsmonteur der das falsche Kabel berührte und beide Arme so schwer verbrannte, dass sie bis zur Schulter amputiert werden mussten. Jesse kam zu uns an das RIC um mit den neuesten Geräten ausgestattet zu werden, hier sehen Sie ihn. Ich verwende noch immer die alte Technologie mit dem Bowdenzug auf der rechten Seite. Er wählt mit den Kinnschaltern aus welches Gelenk er bewegen möchte. Auf der linken Seite hat er eine moderne motorisierte Prothese mit diesen drei Gelenken, er arbeitet mit kleinen Auflagen in seiner Schulter die er berührt um den Arm zu bewegen. Jesse ist ein guter Kranführer, er kam verhältnismäßig gut zurecht.

Er brauchte auch eine Korrekturoperation an seiner Brust. Das gab uns die Möglichkeit für eine gezielte Reinnervation. Mein Kollege, Dr. Greg Dumanian, machte die Operation. Zuerscht schnitten wir den Nerv zu seinem eigenen Muskel weg, dann nahmen wir die Armnerven und verlegten sie sozusagen auf seine Brust und nähten ihn zu. Nach circa drei Monaten, wuchsen die Nerven etwas und wir bekamen ein Zucken. Nach sechs Monaten, wuchsen die Nerven gut ein, man konnte starke Kontraktionen sehen. So sieht das nun aus. Das passiert wenn Jesse daran denkt seine Hand zu öffen und zu schließen, oder Ellbogen beugen oder strecken. Sie können die Bewegungen an der Brust sehen, diese kleinen Kreuze markieren, wo wir unsere Antennen oder Elektroden befestigen. Ich fordere jeden im Raum auf seine Brust so zu bewegen. Sein Gehirn denkt an seinen Arm. Er hat nicht gelernt, wie er das mit seiner Brust macht. Es gibt keinen Lernprozess. Darum ist es intuitiv.

Hier ist Jesse in unserem ersten kleinen Test. Auf der linken Seite sehen Sie seine Original-Prothese, er verwendet diese Schalter, um kleine Blöcke von einer Box in in die andere zu bewegen. Er hat den Arm seit etwa 20 Monaten, er kommt also ziemlich gut klar. Auf der rechten Seite, zwei Monate nachdem wir ihn mit der gezielten Reinnvervationsprothese ausgestattet haben - welcher, nebenbei gesagt, der gleiche physische Arm ist, nur etwas anders programmiert - Sie können sehen, dass er viel schneller ist und viel geschmeidiger, wenn er die kleinen Blöcke bewegt. Und wir sind gerade nur fähig drei der Signale zu verwenden.

Dann hatten wir eine der kleinen Überraschungen der Wissenschaft. Nun wir hätten alle gern motorische Befehle, um Roboterarme zu bewegen. Nach ein paar Monaten, wenn man Jesses Brust berührt, so spührt er seine fehlende Hand. Sein Handgefühl wuchs wieder in seine Brust, wahrscheinlich weil wir auch eine Menge Fett weg genommen haben, damit die Haut gleich über dem Muskel war, wenn man so will, deinnervierten wir seine Haut. Wenn man Jesse hier berührt, spürt er seinen Daumen; man berührt hier, spürt er seinen kleinen Finger. Er spürt leichte Berührungen bis zu einem Gramm Last. Er fühlt heiß, kalt, scharf, stumpf, alles in seiner fehlenden Hand, oder beides seiner Hand und seiner Brust, aber er kann beides bedienen. Das ist nun wirklich spannend für uns, denn jetzt haben wir ein Portal, ein Portal, oder ein Weg potenziell Reize zurückzugeben, so dass er vielleicht spürt, was er mit seiner Handprothese berührt. Stellen Sie sich Sensoren in der Hand vor die herauskommen und auf die neue Haut der Hand drücken. Es war sehr spannend.

Wir haben weiter gemacht, mit dem was zu Beginn unsere Primärbestand war: Menschen mit "über Ellenbogen Amputationen". Hier deinnervierten wir, oder schnitten den Nerv frei, von kleinen Teilen des Muskels und ließen andere unberührt das gab uns unser hoch-runter–Signal. Zwei Andere, die uns unser Hand auf-zu–Signal gaben. Das war einer unserer ersten Patienten, Chris. Sie sehen ihn mit dem Originalgerät auf der linken Seite nach 8 Monaten Gebrauch. Auf der rechten Seite zwei Monate. Er ist ungefähr viermal so schnell mit dieser simplen kleinen Leistungsmetrik.

Nun gut. Eine der besten Sachen in meinen Job ist es, mit richtig guten Patienten zu arbeiten, die auch unsere Forschungsmitarbeiter sind. Wir haben heute das Glück dass Amanda Kitts da ist. Heißen Sie Amanda Kitts willkommen.

(Applaus)

Amanda, würdest du uns bitte erzählen wie du deinen Arm verloren hast?

Amanda Kitts: Sicher. 2006 hatte ich einen Autounfall. Ich war auf dem Weg nach Hause von der Arbeit, ein LKW kam aus der Gegenrichtung, er kam auf meine Spur, fuhr über das Verdeck meines Autos und seine Achse riss meinen Arm ab.

Todd Kuiken: Okay, nach der Amputation verheilte alles. Du bekamst einen der konventionellen Arme. Kannst du uns sagen wie das funktioniert?

AK: Nun, es war etwas schwer, denn ich konnte nur Bizeps und Trizeps benutzen. Für die einfachen Dinge wie etwas aufheben, würde ich meinen Ellenbogen biegen müssen, dann würde ich kontrahieren müssen, damit es den Modus ändert. Wenn ich das tat, musste ich den Bizeps benutzen, um die Hand zu schließen, und den Trizeps zum Öffnen verwenden, erneut kontrahieren um den Ellenbogen erneut zu verwenden.

TK: Es war also etwas langsam?

AK: Etwas langsam und es war einfach schwer zu benutzen. Man musste sich viel konzentrieren.

TK: Okay, ich denke an neun Monate später, als du eine gezielte Reinnvervationsoperation hattest, weitere sechs Monate für die ganze Reinnervation. Dann gaben wir ihr eine Prothese. Wie kommst Du damit zurecht?

AK: Es funktioniert gut. Ich konnte meinen Ellenbogen und meine Hand gleichzeitig verwenden. Ich konnte Sie allein durch Gedanken verwenden. Ich musste keine Kontraktion und das alles machen.

TK: Etwas schneller?

AK: Etwas schneller. Und viel einfacher, viel natürlicher.

TK: Okay, das war mein Ziel. 20 Jahre lang war mein Ziel, es jemanden zu ermöglichem, Ellenbogen und Hand auf intuitive Weise gleichzeitig zu bewegen. Wir haben jetzt über 50 Patienten weltweit, die diese Operation hatten, inklusive ein Duzend verletzte Soldaten bei den US Streitkräften. Die Erfolgsrate des Nerventransfers ist sehr hoch. Es sind 96 Prozent. Denn wir setzen einen großen fetten Nerv auf einen kleinen Muskel. Es bietet intuitive Kontrolle. Unsere funktionellen Tests, diese kleinen Tests, alle zeigen, das sie viel schneller und viel einfacher sind. Und das Wichtigste daran ist, dass unsere Patienten es zu schätzen wissen.

Das war alles sehr spannend. Aber wir wollen besser sein. Es gibt eine Menge Informationen in diesen Nervensignalen, und wir wollten mehr davon. Sie können jeden Finger bewegen. Sie können ihren Daumen, Ihr Gelenk bewegen. Können wir mehr daraus machen? Also machten wir ein paar Experimente, bei denen wir unsere armen Patienten mit zig Elektroden überhäuften und dann ließ man sie zwei Dutzend verschiedene Aufgaben machen - vom Fingerwackeln bis zum Bewegen eines ganzen Arms. Nach etwas greifen. Wir zeichneten diese Daten auf. Dann verwendeten wir einige Algorithmen die Spracherkennungsalgorithmen recht ähnlich sind, sogenannte "Mustererkennung". Sehen Sie.

(Gelächter)

Here sehen sie auf Jesses Brust, wenn er versucht drei verschiedene Dinge zu tun, Sie sehen drei verschiedene Muster. Aber ich kann keine Elektrode hineinstecken und sagen, "Da hin." Wir arbeiten mit unsere Kollegen von der Universität von New Brunswick zusammen, es entstand diese Algorithmenkontrolle, welche Amanda jetzt demonstrieren wird.

AK: Nun ich habe den Ellenbogen der hoch und runter geht. Ich habe Gelenkrotation die funktioniert - und es kann komplett rundherum gehen. Ich habe die Gelenkbeugung und Streckung. Ich habe die Hand geschlossen und geöffnet.

TK: Danke, Amanda. Das ist zwar ein Forschungsarm, aber er ist von hier ab aus kommerziellen Komponenten gemacht und ein paar, die ich von da und dort geliehen habe. Er wiegt ca 3 Kilogramm, was wahrscheinlich ungefähr das Gewicht meines Armes ist, wenn ich ihn ab hier verlieren würde. Offensichtlich ist das schwer für Amanda. Tatsächlich fühlt es sich sogar schwerer an, denn er ist nicht angeklebt. Sie trägt das ganze Gewicht durch Schultergurte.

Der spannende Teil ist nicht die Mechatronik, sondern die Bedienung. Wir haben einen kleinen Mikrocomputer entwickelt, der irgendwo hinter ihrem Rücken blinkt und dieser bedient das allein dadurch, wie sie es trainiert ihre eigene individuellen Muskelsignale zu verwenden. Also Amanda, als du begonnen hast zum ersten mal den Arm zu verwenden, wielange dauerte es ihn zu benutzen?

AK: Es dauerte vermutlich drei bis vier Stunden um ihn zu trainieren. Ich musste ihn mit einem Computer verbinden, ich konnte ihn nicht irgendwo trainieren. Wenn ich aufhörte damit zu arbeiten, musste ich ihn abnehmen. Jetzt kann er allein mit dem kleinen Teil an meinem Rücken trainiert werden. Ich kann ihn herumtragen. Wenn er aus irgendeinem Grund nicht mehr funktioniert, kann ich ihn erneut trainieren. Dauert circe eine Minute.

TK: Wir sind nun sehr gespannt, denn jetzt haben wir ein klinisch anwendbares Gerät. Und das ist unser Ziel - Etwas klinisch Anwendbares zum Tragen zu haben. Amanda konnte auch einige unserer fortgeschritteneren Arme benutzen, die ich Ihnen vorhin gezeigt habe. Hier benutzt Amanda einen Arm der DEKA-Forschungsgruppe. Ich glaube, Dean Kamen präsentierte ihn vor einigen Jahren bei TED. Amanda hat, wie Sie sehen können, wirklich gute Kontrolle. Das ist alles die Mustererkennung. Es hat nun eine Hand die verschiedene Griffe kann. Was wir tun ist, dass sich die Patienten vollständig öffnen und denken, "Welche Handgriffmuster möchte ich?" Es wechselt in diesen Modus, dann kann man bis zu fünf oder sechs verschiedene Griffe mit dieser Hand machen. Amanda, wieviele konntest du mit dem DEKA arm machen?

AK: Ich konnte vier machen. Ich hatte den Faustgriff, ich hatte den Spitzgriff, Ich hatte einen starken Griff und ich hatte einen sanften Kniff. Aber mein Lieblingsgriff war wenn die Hand offen war, denn ich arbeite mit Kindern, und man klatscht und singt die ganze Zeit, und ich konnte das wieder tun, was wirklich gut war.

TK: Die Hand ist nicht so gut zum Klatschen.

AK: Ich kann mit dieser nicht klatschen.

TK: Alles klar. Das ist also spannend, wohin es mit besserer Mechatronik geht, wenn wir sie gut genug machen sie auf den Markt werfen und in Feldversuchen testen. Ich möchte, dass Sie genau hinsehen.

(Video) Claudia: Ooooooh!

TK: Das ist Claudia, und das war das erste Mal als sie ein Gefühl durch ihre Prothese bekam. Sie hatte einen kleinen Sensor am Ende der Prothese, welches sie über verschiedene Oberflächen zog, sie konnte verschiedene Texturen fühlen - Schleifpapier, verschiedene Körner, Bandkabel, als es ihre reinnverierte Handhaut drückte. Sie sagte, als sie es über den Tisch zog, fühlte es sich an, als wenn ihr Finger zitterte. Das ist ein spannendes Laborexperiment wie man theoretisch etwas Hautempfindung wiedererlangen kann.

Aber hier ist ein anderes Video, das einige unserer Herausforderungen zeigt. Das ist Jesse und er drückt ein Schaumspielzeug. Umso stärker er drückt - Sie sehen ein kleines schwarzes Ding in der Mitte das auf seine Haut drückt, proportional dazu wie sehr er presst. Aber schauen Sie sich all die Elektroden drumherum an. Ich habe ein Platzproblem. Man muss ein paar von diesen Dingern hierhin packen, aber unsere kleinen Motoren verursachen jede Menge Störungen gleich neben meinen Elektroden. Es ist wirklich eine sehr schwierige Aufgabe.

Die Zukunft ist gut. Es freut uns, wie weit wir schon gekommen sind und was wir noch vorhaben. Zum Beispiel wollen wir das Platzproblem lösen und bessere Signale bekommen. Wir wollen diese kleinen Kapseln entwickeln – ungefähr die Größe eines Reiskorns – die wir in die Muskeln bringen können, und die EMG Signale daraus fernmessen, damit man nicht über den Elektrodenkontakt nachdenken muss. Und wir haben den Platz frei um mehr Gefühlsrückmeldung zu bekommen. Wir wollen einen besseren Arm bauen. Diese Arme - die sind immer gemacht für den 50-Perzentil-Amerikaner - was bedeutet, dass sie fünf Achteln der Welt zu groß sind. Also statt eines superstarken oder superschnellen Arms, machen wir einen Arm der - wir beginnen mit der 25-Percentil-Amerikanerin - die eine Hand haben wird die umschließt, komplett öffnet, zwei Freiheitsgrade in Gelenk und Ellenbogen. Es wird der kleinste und leichteste und der schlauste Arm der je gebaut wurde. Sobald wir ihn so klein machen können, ist es viel leichter ihn größer zu machen.

Das sind nur ein paar unserer Ziele. Und wir schätzen es wirklich, dass Sie heute alle hier sind. Ich möchte Ihnen etwas über die dunkle Seite erzählen, mit einer Geschichte von gestern. Amanda kam mit Jetlag, sie verwendete den Arm und alles ging schief. Es gab einen Computerfehler, ein gebrochenes Kabel, ein Wandler der funkte. Wir haben im Hotel einen ganzen Schaltkreis herausgenommen, und beinah den Feueralarm ausgelöst. Mit keinem dieser Probleme hätte ich fertig werden können, aber ich habe ein wirklich gutes Forschungsteam. Glücklicherweise war Dr.Annie Simon bei uns und arbeite gestern sehr hart für die Reparatur. Das ist Wissenschaft. Glücklicherweise funktionierte es heute.

Also vielen Dank!

(Applaus)