Todd Kuiken: een armprothese die 'voelt'

Ik wil het vandaag hebben over wat in de volksmond 'bionica' heet, de wetenschap van de vervanging van een deel van een levend organisme door een mechanisch toestel, een robot. Het komt neer op een kruising van 'the stuff of life' en de machine. Ik wil het meer bepaald hebben over de evolutie van de bionica voor mensen met armamputaties.

Onze motivatie is als volgt. Armamputaties leiden tot een zware handicap. Het functionele verlies is duidelijk. Onze handen zijn verbluffende instrumenten. Als je er één, laat staan twee verliest, wordt het veel moeilijker om de fysiek noodzakelijke dingen te doen. Er is ook een enorme emotionele impact. Ik besteed net zoveel tijd in mijn werk aan de emotionele aanpassing van de patiënten als aan hun fysieke handicap. Tenslotte is er een diepe sociale impact. We praten met onze handen. We begroeten mensen met onze handen. We zijn met de fysieke wereld in contact via onze handen. Als we die niet hebben, is dat een drempel. Armputatie is meestal een gevolg van een trauma, bijvoorbeeld door arbeidsongevallen, auto-ongevallen, of, zeer uitgesproken, oorlog. Er zijn ook kinderen die zonder armen worden geboren. Dat heet congenitale deficiëntie van de ledematen.

Helaas zijn we niet zo goed in prothesen van de bovenste ledematen. Er zijn twee algemene types. Dit zijn lichaamsgestuurde prothesen, uitgevonden vlak na de Burgeroorlog, en verfijnd tijdens de twee Wereldoorlogen. Hier zie je een patent voor een arm uit 1912. Het verschilt nauwelijks van wat je bij mijn patiënt ziet. Ze maken gebruik van de schouderkracht. Als je je schouders naar voren trekt, trekken ze aan een fietskabel. Die fietskabel kan een hand of een haak openen, of een elleboog plooien. We gebruiken ze nog vaak, omdat het zeer robuuste en relatief eenvoudige toestellen zijn.

Het neusje van de zalm zijn de zogenaamde myoelektrische prothesen. Het zijn toestellen met een motor die gestuurd worden door kleine elektrische signalen van je spier. Telkens als je een spier samentrekt, geeft het wat elektriciteit vrij die je kan opvangen met antennes of elektroden waarmee je de gemotoriseerde prothese aanstuurt. Ze werken vrij goed voor mensen die hun hand pas kwijt zijn, omdat je handspieren er nog zitten. Als je je vuist balt, trekken deze spieren samen. Als je ze opent, trekken deze spieren samen. Het is intuïtief, en het werkt vrij goed.

Wat met hogere niveaus van amputatie? Hier ben je je arm kwijt boven de elleboog Je mist niet alleen deze spieren, maar ook je hand en je elleboog. Wat doe je? Onze patiënten moeten gebruik maken van code-achtige-systemen, waarbij ze enkel hun armspieren gebruiken om robot-ledematen aan te sturen. We hebben robot-ledematen. Er zijn er verschillende op de markt. Hier zie je er een paar. Ze bestaan uit een hand die opent en sluit, een polsrotator en een elleboog. Ze hebben geen andere functies. Als die er waren, hoe zouden we ze dan aansturen?

We hebben onze eigen arm gebouwd in het Revalidatie-instituut van Chicago. We hebben een paar polsbuigings- en schoudergewrichten toegevoegd, tot zes motoren, of zes vrijheidsgraden. We kregen de kans om met een paar zeer geavanceerde armen te werken, met financiering van het Amerikaanse leger. Deze prototypes hadden tot 10 vrijheidsgraden, met inbegrip van beweegbare handen. Maar als puntje bij paaltje komt, hoe zeggen we deze robotarmen dan wat ze moeten doen? Hoe controleren we ze? We hebben een neurale interface nodig, een manier om ons zenuwstelsel te verbinden, of onze denkprocessen, op een intuïtieve, natuurlijke manier, zoals voor jou en mij.

Het lichaam begint met een bewegingscommando in je brein, dat naar beneden gaat langs je ruggengraat, tot aan de zenuwen en je periferie. Wat jij aanvoelt, is precies het omgekeerde. Je raakt jezelf aan. Er is een stimulus die vanuit diezelfde zenuwen terug naar je brein gaat. Als je je arm verliest, dan werkt dat zenuwstelsel nog. Die zenuwen kunnen signalen uitzenden. Als ik klop op het zenuwuiteinde van een veteraan uit de Tweede Wereldoorlog, dan voelt hij zijn ontbrekende hand nog steeds. Dus zou je kunnen zeggen: laten we in het brein iets inplanten om signalen op te slaan, of in het uiteinde van de perifere zenuw. Dit zijn zeer spannende onderzoeksdomeinen, maar het is erg, erg moeilijk. Je moet honderden microscopische draadjes inplanten om piepkleine individuele neuronen op te nemen -- gewone vezels die minuscule signalen uitzenden, van microvolts. Het is vandaag de dag te moeilijk te gebruiken voor mijn patiënten.

Dus hebben we een andere aanpak ontwikkeld. We gebruiken een biologische versterker om deze zenuwsignalen te versterken -- spieren. Spieren versterken de zenuwsignalen met ongeveer een factor duizend, zodat we ze kunnen opnemen bovenop de huid, zoals je al eerder zag. We noemen onze aanpak 'gerichte herzenuwing'. Bedenk dat iemand die zijn hele arm kwijt is, nog steeds vier hoofdzenuwen langs zijn arm heeft lopen. We nemen de zenuw weg van je borstspier en laten deze zenuwen erin groeien. Nu denk je 'Sluit hand', en een klein deel van je borst trekt samen. Je denkt 'Buig elleboog', en een ander deel trekt samen. We gebruiken elektroden of antennes om dat op te pikken en de arm te doen bewegen. Dat is het idee.

Dit is de eerste man bij wie we het probeerden. Hij heet Jesse Sullivan. Het is een heilige -- een lijnwerker van 54 die de verkeerde draad aanraakte, en wiens beide armen zo zwaar verbrand waren dat ze moesten worden geamputeerd aan de schouder. Jesse kwam naar ons Revalidatiecentrum om deze ultramoderne toestellen aangemeten te krijgen. Hier zie je ze. Ik gebruik nog steeds de oude technologie met een fietskabel aan zijn rechterkant. Hij kiest welk gewricht hij wil bewegen met die kinschakelaars. Links heeft hij een moderne gemotoriseerde prothese met drie gewrichten. Hij bestuurt kleine pads in zijn schouder die hij aanraakt om de arm aan te sturen. Jesse is een goede kraanbestuurder. Hij deed het goed, naar onze normen.

Hij had ook een controle-operatie aan zijn borst nodig. Daardoor kregen wij de kans om gerichte herzenuwing uit te voeren. Mijn collega, Dr. Greg Dumanian, voerde de operatie uit. Eerst sneden we de zenuw naar zijn eigen spier weg. Dan namen we de armzenuwen en verplaatsten ze naar zijn borst. Dan naaiden we hem weer dicht. Na ongeveer drie maanden groeiden de zenuwen er een beetje in, en kregen we een krampje. Na zes maanden groeiden ze er stevig in, en zag je stevige contracties. Het ziet er zo uit. Dit is wat er gebeurt als Jesse denkt 'open en sluit hand', of 'buig en strek ellebog'. Je ziet de bewegingen op zijn borst. Die kleine markeringen geven aan waar we onze antennes of elektroden plaatsten. Ik daag iedereen hier in de zaal uit om hun borst zo te laten bewegen. Zijn brein denkt aan zijn arm. Hij heeft niet geleerd om dit met zijn borst te doen. Er is geen leerproces. Daarom is het intuïtief.

Dit is Jesse bij onze eerste test met hem. Links zie je zijn originele prothese. Hij gebruikt de schakelaars om kleine blokjes van één doos naar een andere te verplaatsen. Hij heeft die arm al een maand of 20, dus hij is er goed in. Aan de rechterkant, twee maanden nadat we hem een gerichte herzenuwingsprothese aanmaten -- en dat is trouwens fysiek dezelfde arm, gewoon wat anders geprogrammeerd -- zie je dat hij veel sneller is en veel vlotter bij het verplaatsen van deze kleine blokjes. We kunnen momenteel nog maar drie signalen gebruiken.

En toen kwam één van die kleine verrassingen in de wetenschap. We waren dus zeer gemotiveerd om bewegingscommando's robotarmen te laten besturen. Na enkele maanden voelde Jesse, als je zijn borst aanraakte, zijn ontbrekende hand. Zijn handgevoel groeide terug in zijn borst, wellicht omdat we ook veel vet hadden weggenomen, zodat zijn huid vlak bij de spier zat, en zijn huid als het ware ontzenuwde. Als je Jesse hier aanraakt, voelt hij zijn duim. Raak hem hier en hij voelt zijn pink. Hij voelt een zachte aanraking tot een kracht van één gram. Hij voelt heet, koud, scherp, stomp, allemaal in zijn ontbrekende hand, of tegelijk in zijn hand en zijn borst, maar hij kan aan beide gevolg geven. Dit is echt spannend voor ons, omdat we nu een portaal hebben, een weg om misschien het gevoel terug te geven, zodat hij voelt wat hij aanraakt met zijn handprothese. Stel je in die hand sensoren voor die op deze nieuwe handhuid duwen. Dit was dus erg spannend.

We hebben ook verdergewerkt met wat initieel onze primaire doelgroep was, mensen met amputaties boven de elleboog. Hier ontzenuwen we, of snijden we de zenuw weg van kleine stukjes spier, terwijl we andere laten zitten die ons op-en-neer-signalen geven, en nog twee die ons de signalen 'hand open en dicht' geven. Dit was één van onze eerste patiënten, Chris. Je ziet hem met zijn oorspronkelijke toestel links, na acht maanden gebruik, en rechts na twee maanden. Hij is ongeveer 4 of 5 keer sneller op deze eenvoudige kleine prestatietest.

Oké. Eén van de leukste dingen aan mijn job is het werken met geweldige patiënten die tegelijk onze onderzoeksmedewerkers zijn. We hebben vandaag het geluk dat Amanda Kitts ons komt vervoegen. Graag een welkomstapplaus voor Amanda Kitts.

(Applaus)

Amanda, kan je ons vertellen hoe je je arm kwijtraakte?

Amanda Kitts: Zeker. In 2006 had ik een auto-ongeval. Ik reed naar huis van het werk. Er kwam een vrachtwagen van de andere kant op mijn rijvak terecht. Hij reed over mijn auto, en zijn as rukte mijn arm af.

Todd Kuiken: Na je amputatie revalideerde je. Je hebt zo'n conventionele arm. Kan je ons vertellen hoe het werkte?

AK: Het was niet zo gemakkelijk, want ik had alleen maar een biceps en een triceps. Voor kleine dingetjes, zoals om iets op te pikken, moest ik mijn elleboog buigen en dan tegelijk samentrekken om de modus te veranderen. Als ik dat had gedaan, moest ik mijn biceps gebruiken om de hand te laten sluiten, mijn triceps om ze te laten openen, en opnieuw tegelijk samentrekken om de elleboog weer in werking te stellen.

TK: Dat was dus nogal traag?

AK: Nogal traag, en gewoon lastig werken. Je moest je heel erg concentreren.

TK: Ongeveer negen maanden later onderging je de operatie voor de gerichte herzenuwing. Het duurde nog zes maanden om de herzenuwing te voltooien. Dan maten we haar een prothese aan. Hoe draaide dat uit voor jou?

AK: Het werkt prima. Ik kon mijn elleboog en mijn hand tegelijk gebruiken. Ik kon ze hanteren louter door te denken. Geen nood meer aan tegelijk samentrekken en zo.

TK: Wat sneller?

AK: Wat sneller, en veel, veel natuurlijker.

TK: Daar was het me om te doen. Al 20 jaar stel ik me tot doel om iemand zijn elleboog en hand intuïtief te laten gebruiken, tegelijk. Nu hebben we wereldwijd ongeveer 50 patiënten die deze operatie ondergingen, met inbegrip van meer dan een dozijn gewonde strijders uit het Amerikaanse leger. De succesratio van de zenuwoverdrachten is zeer groot. Zowat 96 procent. Want we hechten een dikke vette zenuw aan een klein stukje spier. Het resultaat is intuïtieve controle. Onze functionele testen, die kleine testjes, geven allemaal aan dat ze veel sneller en gemakkelijker zijn. Het belangrijkste is de appreciatie van onze patiënten.

Dat was dus allemaal heel spannend. Maar we willen het nog beter doen. Er zit veel informatie in die zenuwsignalen. We wilden er meer uithalen. Je kan elke vinger bewegen. Je kan je duim en je pols bewegen. Valt er meer uit te halen? We deden een paar experimenten waarbij we onze arme patiënten volplakten met ontelbare elektroden en hen vervolgens twee dozijn verschillende taken lieten doen -- gaande van een vinger bewegen tot een hele arm uitsteken om iets te pakken. We noteerden deze gegevens. Vervolgens gebruikten we algoritmes die erg lijken op spraakherkenningsalgoritmes, zogenaamde patroonherkenning. Kijk.

(Gelach)

Je ziet op de borst van Jesse dat als hij drie verschillende dingen heeft gedaan, je drie verschillende patronen ziet. Maar ik kan er geen elektrode opzetten en zeggen "Daarheen." Dus werkten we samen met onze collega's van de universiteit van New Brunswick de algoritmecontrole uit die Amanda nu kan demonstreren.

AK: Ik heb een elleboog die op en neer gaat, ik heb polsrotatie, zo -- en het kan helemaal rond. Ik heb polsbuiging en polsstrekking. En de hand gaat open en dicht.

TK: Hartelijk dank, Amanda. Dit is een onderzoeksarm, maar hij bestaat van hier tot beneden uit commerciële onderdelen, plus een paar dingen die ik van overal ter wereld heb geleend. Hij weegt ongeveer 3,5 kg, wat ongeveer het gewicht van mijn arm zou zijn als ik die nu zou verliezen. Dat is natuurlijk zwaar voor Amanda. Het voelt zelfs nog zwaarder aan omdat het er niet op is vastgelijmd. Ze draagt het hele gewicht via een harnas.

Het spannende deel is dus niet zozeer de mechatronica, maar de controle. We hebben een kleine microcomputer ontwikkeld die ergens op haar rug knippert. Hij stuurt de arm aan op basis van hoe zij hem traint om haar individuele spiersignalen te gebruiken. Amanda, toen je deze arm begon te gebruiken, hoe lang duurde het toen om hem te gebruiken?

AK: Het duurde zo ongeveer 3 tot 4 uur om met de training te starten. Ik moest hem op een computer aansluiten, dus ik kon niet zomaar overal oefenen. Als hij niet meer werkte, moest ik hem eraf halen. Nu volstaat dit kleine ding op de rug om te kunnen oefenen. Ik kan het overal dragen. Als het om één of andere reden niet meer werkt, train ik het opnieuw. Duurt ongeveer een minuutje.

TK: We vinden dit heel spannend, want nu krijgen we een toestel dat klinisch bruikbaar is. Dat is ons doel -- iets hebben dat klinisch hanteerbaar is om te dragen. Amanda is ook in staat geweest om een paar meer geavanceerde armen te gebruiken die ik eerder toonde. Hier gebruikt Amanda een arm van de DEKA Research Corporation. Ik denk dat Dean Kamen die een paar jaar geleden op TED heeft getoond. Je ziet dat Amanda echt goede controle heeft. Het gaat allemaal om patroonherkenning. Nu heeft het een hand die verschillende grijpbewegingen aankan. We laten de patiënt helemaal opengaan en denken: "Welke grijpbeweging wil ik?" Het gaat over naar die modus, en dan kan je tot 5 of 6 grijpbewegingen doen. Amanda, hoeveel kon jij er doen met de DEKA-arm?

AK: Ik kon er vier doen. Ik had een sleutelgreep, een klauwgreep, een krachtige grijpbeweging en een fijne knijpbeweging. Maar mijn favoriete was gewoon een open hand, want ik werk met kinderen. Ik ben dus de hele tijd aan het klappen en zingen. Dat kon ik opnieuw, en dat was heel fijn.

TK: Die hand is niet zo geschikt om te klappen.

AK: Met deze hand kan ik niet klappen.

TK: Dat geeft spannende vooruitzichten op basis van verbeterde mechatronica, als we ze goed genoeg maken voor commerciële verkoop en gebruik in een test. Kijk goed.

(Video) Claudia: Oooooh!

TK: Dat is Claudia, en dat was de eerste keer dat ze gevoel had door haar prothese. Ze had een kleine sensor aan het einde van haar prothese die ze over verschillende oppervlakken wreef. Ze voelde verschillende texturen van schuurpapier, verschillende korrelgroottes, lintkabel, terwijl die op haar herzenuwde handhuid drukten. Ze zei dat als ze haar vinger over de tafel liet glijden, ze het gevoel had dat haar vinger schommelde. Dat is dus een spannend experiment over de potentiële teruggave van een zeker huidgevoel.

Maar hier is nog een video, die een aantal van onze uitdagingen toont. Dit is Jesse die een speeltje van schuim platknijpt. Hoe harder hij knijpt – je ziet een klein zwart dingetje in het midden dat op zijn huid drukt in verhouding tot hoe hard hij knijpt. Maar kijk naar al die elektroden in de buurt. Ik heb een huisvestingsprobleem. Je moet daar enkele van die dingen opzetten, maar ons motortje maakt allerlei geluiden vlak naast mijn elektroden. Wat we daar doen is dus echt uitdagend.

De toekomst ziet er schitterend uit. We zijn opgetogen over onze status en onze plannen. Bijvoorbeeld het oplossen van mijn huisvestingsprobleem door de verbetering van de signalen. We willen mini-capsules ontwikkelen, zo groot als een risottokorrel, die we in de spieren kunnen stoppen om de EMG-signalen eruit te filteren zodat we ons geen zorgen moeten maken over elektrodencontact. De vrijgekomen ruimte kunnen we gebruiken om meer gevoelsfeedback uit te testen. We willen een betere arm bouwen. Armen worden altijd gemaakt voor de man op het 50ste percentiel, waardoor ze te groot zijn voor de mensen van 1m70. Liever dan een supersterke of supersnelle arm maken we een arm… We beginnen met de vrouw van het 25ste percentiel. De hand zal iets kunnen omvatten, helemaal kunnen openen, twee vrijheidsgraden in de pols en de elleboog. Het zal de kleinste, de lichtste en de slimste arm ooit worden. Zodra we het op zo klein formaat kunnen, is het veel eenvoudiger om ze groter te maken.

Dat zijn maar een paar van onze doelstellingen. We stellen jullie aanwezigheid hier zeer op prijs. Ik wil jullie ook wat vertellen over de donkere kant, het thema van gisteren. Amanda kwam hier aan met jetlag, ze gebruikte de arm, en alles ging fout. Er was een computerspook, een gebroken kabel, kortsluiting in een omvormer. We haalden er in het hotel een volledig circuit uit en lieten zo bijna het brandalarm afgaan. Ik had geen van deze problemen zelf kunnen oplossen, maar mijn onderzoeksteam is echt briljant. Gelukkig was Dr. Annie Simon bij ons, die gisteren heel hard heeft gewerkt om het in orde te brengen. Dat is wetenschap. Gelukkig werkte het vandaag.

Dus heel hartelijk dank.

(Applaus)