Todd Kuiken: Un braţ protetic care "simte"

Aşadar, astăzi, aş vrea să vă vorbesc despre bionică, care este cuvântul ce denotă ştiinţa înlocuirii unei părţi dintr-un organism viu cu un dispozitiv mecatronic, adică un robot. Este de fapt când materia vieţii se întâlneşte cu o maşină. Mai exact, aş vrea să vă vorbesc despre cum evoluează bionica pentru oamenii cu braţe amputate.

Aceasta este motivaţia noastră. Un braţ amputat provoacă un handicap imens. E evident că lipsa unui braţ împiedică funcţionarea noastră normală. Mâinile noastre sunt instrumente extraordinare. Şi când pierzi una, darămite două, e mult mai greu să faci lucrurile fizice pe care trebuie să le faci. Mai există şi un impact enorm emoţional. De fapt, eu petrec la fel de mult timp la clinică ajutând pacienţii să se adapteze emoţional precum petrec ajutându-i să facă faţă handicapului fizic. Iar la urmă, există şi un impact social semnificativ. Vorbim folosind mâinile. Salutăm folosind mâinile. Şi interacţionăm cu lumea fizică folosind mâinile. Iar lipsa lor, constituie un obstacol. Amputarea unui braţ e cauzată de obicei de traumă, de pildă în accidente industriale, accidente rutiere sau, din nefericire, în război. Există şi copii care se nasc fără braţe, acesta afecțiune se numește meromelie.

Din păcate, ştiinţa nu oferă soluţii grozave atunci când vine vorba de proteze pentru braţe. Există două tipuri mari. Pe de-o parte există protezele mişcate de corp, care au fost inventate chiar după Războiul Civil American (n.t. 1861–1865), și au fost îmbunătățite în timpul celor două războaie mondiale. Aici puteți vedea un patent pentru un braț din 1912. Nu e foarte diferit de cel pe care-l vedeți pe pacientul meu aici. Aceste brațe funcționează folosind puterea umărului. Când strângi umerii, ei trag de un cablu de bicicletă. Iar acel cablu de bicicletă poate să deschidă sau să închidă un braț sau un cârlig sau poate îndoi un cot. Folosim aceste brațe în mod curent, pentru că sunt dispozitive foarte fiabile și destul de simple.

Ultimul răcnet în materie de proteze sunt ceea ce numim proteze mioelectrice. Sunt dispozitive cu motor care sunt controlate de mici semnale electrice care vin de la mușchi. De fiecare dată când se contractă un mușchi, el emite un pic de electricitate care poate fi înregistrată cu antene sau electrozi și folosită pentru a controla proteza cu motor. Ele funcționează destul de bine pentru pacienții care tocmai și-au pierdut mâna pentru că mușchii din mâinile lor sunt încă prezenți. Dacă strâng mâna, acești mușchi li se contractă. Dacă o deschid, acești mușchi se contractă. Așadar mecanismul e intuitiv, și funcționează bine.

Dar ce se întâmplă cu amputări mai grave? Să zicem că ți-ai pierdut brațul deasupra cotului. Nu numai că nu mai ai acești mușchi, dar nu mai ai nici mâna și cotul. Ce poți face? Acești pacienți trebuie să folosească niște mecanisme foarte complicate ca să poată opera brațele robotice folosind doar mușchii brațului. Avem așadar brațe robotice. Există câteva pe piață, și aici puteți vedea câteva. Ele au doar o mână care se deschide și închide, un motor care învârte încheietura și un cot. Nu există nici o altă funcție. Dacă ar avea alte funcții, cum ar putea pacienții să le manevreze?

Am construit o versiune proprie de braț robotic la Institutul de Reabilitare din Chicago unde am adăugat și puțină flexibilitate la încheietură și umăr pentru a folosi până la 6 motoare și a oferi 6 grade de mobilitate. Am avut și șansa de a lucra cu niște brațe foarte avansate care au fost finanțate de armata americană, niște prototipuri care aveau până la 10 grade de mobilitate inclusiv mobilitate la nivelul mâinii. Dar până la urmă, cum putem să spunem acestor brațe robotice ce să facă? Cum le controlăm? Ne trebuie o interfață neurală, un mod de a ne conecta la sistemul nostru nervos sau la procesele noastre cognitive astfel încât mișcarea să fie intuitivă, firească, pentru oameni de rând ca tine sau mine.

Organismul funcționează trimițând o comandă de mișcare din creier, care trece prin coloana vertebrală, până la nervi și la periferie. Iar senzația funcționează exact invers. Când îți atingi pielea, există un stimul, care călătorește prin aceiași nervi și ajunge înapoi la creier. Când cineva-şi pierde un braţ, acel sistem nervos funcţionează în continuare. Acei nervi pot să trimită comenzi. Iar dacă conectez ceva la capătul acelui nerv pe un veteran de război, va simţi ceva în braţul care-i lipseşte. Probabil vă gândiți, cum ar fi să mergem la creier şi să punem ceva înăuntru care să înregistreze semnalele acolo sau în capătul nervului. Acestea sunt domenii de cercetare foarte interesante, dar e greu să reușești așa ceva. Trebuie să poți conecta sute de fire microscopice care să preia date de la neuroni individuali minusculi niște fibre care emit semnale mici de câțiva microvolți. E extrem de dificil să folosești așa ceva, pentru pacienții din ziua de azi, cum sunt ai mei.

Așa că am creat o altă abordare. Folosim un amplificator biologic pentru a amplifica aceste semnale nervoase: mușchii. Mușchii vor amplifica aceste semnale nervoase de câteva mii de ori, astfel încât putem să înregistrăm impulsurile de la suprafața pielii, așa cum ați văzut mai devreme. Așadar abordarea noastră se numește re-inervare țintită. Gândiți-vă: o persoană care și-a pierdut întregul braț mai are totuși 4 nervi principali. care merg de-a lungul mâinii. Și înlăturăm nervul din mușchii pectorali și lăsăm acești nervi să crească în acești mușchi. Acum, dacă pacientul gândește "închid mâna”, o mică secțiune a pieptului se contractă. Dacă se gândește, ”Îndoaie cotul”, o altă secțiune se contractă. Putem folosi electrozi sau antene ca să detectăm acest semnal și să facem brațul să se miște. Asta e ideea.

Acesta este primul om pe care am încercat-o. Numele lui este Jesse Sullivan. Este un om extraordinar -- un electrician de 54 de ani care a atins cablul greșit și și-a ars atât de tare ambele mâini încât a trebuit să fie amputate de la braț în jos. Acesta este Jesse, care a venit la noi ca să i se pună unul dintre aceste dispozitive de ultimă generație Foloseşte tehnologia aceea mai veche cu un cablu de bicicletă pe partea lui dreaptă. El alege care articulaţie vrea să o mişte cu acele întrerupătoare de la bărbie. Pe partea stângă are o proteză modernă cu motor cu aceste trei articulaţii, şi operează mici suprafeţe la umăr pe care le atinge ca să mişte braţul. Şi Jesse e un bun operator de macara, şi s-a descurcat bine după normele noastre.

A avut însă nevoie şi de o re-operare la nivelul pieptului. Şi asta ne-a dat oportunitatea să facem o re-inervare ţintită. Aşadar colegul meu, Dr. Greg Dumanian, a făcut operaţia. Prima dată, am tăiat nervul de la muşchiul lui, apoi am luat nervii de la braţ şi i-am mutat în jos pe pieptul lui şi am închis operaţia. Şi după aproximativ trei luni, nervii s-au dezvoltat puţin şi am putut vedea o tresărire. Iar după şase luni, nervii au crescut bine, şi am putut vedea contracţii mai puternice. Iată cum arată asta. Asta se întâmplă când Jesse se gândeşte deschide şi închide mâna, sau îndoaie şi îndreaptă cotul. Puteţi vedea mişcările pe pieptul lui, iar acele însemne sunt unde am pus noi antenele, sau electrozii. Şi provoc pe oricine din sală să facă aşa cu pieptul lor. Creierul lui se gândeşte la braţ Nu a învăţat cum să facă aşa cu pieptul lui. Nu există nici un proces de învăţare. De aceea este intuitiv.

Iată-l deci pe Jesse în primul nostru test. În partea din stânga, vedeţi proteza lui originală, şi foloseşte acele întrerupătoare ca să mişte blocuri mici dintr-o cutie în alta. A avut acel braţ vreme de vreo 20 de luni, deci se descurcă bine cu el. Pe partea dreaptă, la două luni după ce i-am pus proteza de re-inervare ţintită -- care, apropo, e acelaşi braţ mecanic, doar programat puţin diferit -- puteţi vedea că e mult mai rapid şi mişcările lui sunt mai fine când mişcă blocurile. Şi deocamdată foloseam abia câte 3 semnale.

Şi atunci am avut una dintre acele mici surprize ştiinţifice. Lucram motivaţi de dorinţa de a obţine comenzi motorii ca să mişcăm braţele robotice. Şi după câteva luni, când l-am atins pe Jesse pe piept, şi-a simţit mâna lipsă. Senzaţia pentru mână a crescut în pieptul lui probabil pentru că am înlăturat şi multă grăsime, şi pielea era chiar pe muşchi şi nu mai avea nervii proprii. Deci dacă îl atingi pe Jesse aici, îşi simte degetul; atingi aici, şi simte degetul mic. Simte atingeri fine până la un gram de forţă. Simte fierbinte, rece, ascuţit, plat, toate prin mâna care îi lipseşte, sau prin mână şi piept, dar poate da curs amândurora. Asta ne bucură foarte mult, pentru că acum avem o poartă, o poartă sau o cale pentru a reda senzaţia, astfel încât să poată simţi ce atinge cu mâna protetică. Imaginaţi-vă senzori în mână care să apese pe noua piele a mâinii lui. Aşadar ne-am bucurat foarte mult.

Am avansat şi cu populaţia noastră principală şi iniţială: oamenii cu amputări deasupra cotului. Aici de-inervăm, sau tăiem nervul, doar de la bucăţi mai mici de muşchi şi le lăsăm pe altele în pace ceea ce ne oferă semnalele sus-jos şi încă două pentru închiderea şi deschiderea mâinii. Acesta a fost unul dintre primii noştri pacienţi, Chris. Îl vedeţi aici cu dispozitivul lui original pe stânga, după 8 luni de folosinţă, şi pe dreapta, după 2 luni. E de vreo 4-5 ori mai rapid în acest test simplu de performanţă.

În regulă. Una dintre părţile cele mai frumoase ale slujbei mele e să lucrez cu pacienţi grozavi. care sunt şi colaboratorii noştri în cercetare. Şi astăzi avem bucuria să o avem pe Amanda Kitts alături de noi. Vă rog să o poftiţi pe Amanda Kitts.

(Aplauze)

Așadar Amanda, ai putea să ne spui cum ți-ai pierdut brațul?

Amanda Kitts: Sigur. În 2006, am avut un accident de mașină. Conduceam spre casă de la serviciu, și un camion venea din direcția opusă, a intrat pe sensul meu, a trecut peste mașina mea și axul camionului mi-a rupt brațul.

Todd Kuiken: OK, deci după amputare, te-ai vindecat. Și ai avut unul dintre acele proteze obișnuite. Poți să ne spui cum funcționa?

AK: Păi, era puțin dificil, pentru că nu puteam să lucrez decât cu un biceps și un triceps. Deci pentru a face lucruri simple precum ridicatul unui obiect, trebuia să-mi îndoi cotul, și apoi să co-contractez ca să schimb modul. Apoi, foloseam bicepsul ca să închid mâna, apoi tricepsul ca să o deschid, co-contractam iarăși ca să pot opera cotul iarăși.

TK: Deci mergea cam încet?

AK: Cam încet, și era pur și simplu greu de folosit. Trebuia să te concentrezi mult.

TK: OK, deci parcă după 9 luni ai avut chirurgia de re-inervare țintită, și a durat încă 6 luni să se facă re-inervarea. Apoi ți-am pus o proteză. Cum a mers asta?

AK: Merge bine. Puteam folosi cotul și mâna în același timp. Puteam să le mișc doar cu gândul. Deci nu trebuia să co-contractez și alte lucruri din acestea.

TK: Ceva mai rapid?

AK: Ceva mai rapid. Și mult mai ușor, mult mai firesc.

TK: OK, acesta a fost obiectivul meu. Vreme de 20 de ani, obiectivul meu a fost să permit cuiva să poată folosi cotul și mâna într-un mod intuitiv și în același timp. Acum avem peste 50 de pacienți din toată lumea cărora li s-a făcut această operație, inclusiv peste 12 din soldații noștri răniți din armata Statelor Unite. Rata de succes a transferurilor de nervi e foarte mare. În jur de 96%. Pentru că punem un nerv mare și gros pe o bucată de mușchi. Și oferă control intuitiv. În testele noastre funcționale, testele astea mici, toate arată că protezele operează mult mai rapid și mai ușor. Și lucrul cel mai important e că pacienții noștri apreciază asta.

Deci toate acestea ne-au bucurat foarte mult. Dar vrem să facem mai mult. Există foarte multă informație în acele semnale nervoase, și am vrut să obținem mai mult. Să miști fiecare deget. Să-ți miști degetul mare, încheietura. Oare putem obține mai mult? Așadar am făcut niște experimente unde am saturat săracii pacienți cu foarte foarte mulți electrozi și apoi i-am pus să facă 24 sarcini diferite -- de la scuturatul unui deget la mișcarea întregului braț la întinsul mâinii după un obiect -- și am înregistrat aceste date. Și apoi am folosit niște algoritmi care seamănă mult cu algoritmii pentru recunoaștere vocală, numiți recunoaștere de tipare. Iată.

(Râsete)

Și aici puteți vedea, pe pieptul lui Jesse, când a încercat să facă doar trei lucruri diferite, trei tipare diferite. Dar eu nu pot să pun un electrod și să spun, ”Mergi acolo.” Așadar am colaborat cu colegii noștri de la Universitatea din New Brunswick, am creat acest program cu algoritmi, pe care Amanda îl poate demonstra acum.

AK: Deci am cotul care merge în sus și în jos. Am o rotație de încheietură care merge -- și poate să se rotească de tot. Și am îndoirea încheieturii și extensia. Și am și închisul și deschisul mâinii.

TK: Mulțumesc, Amanda. Acesta este însă un braț pentru cercetare, dar e făcut din componente care se găsesc pe piață de aici în jos și câteva pe care le-am împrumutat de prin toată lumea. Cântărește vreo 3.5 kg, ceea ce e cam cât ar cântări brațul meu dacă l-aș pierde de aici. Evident, asta e greu pentru Amanda. Și de fapt, pare și mai greu, pentru că nu e lipit la fel. Ea duce toată greutatea prin hamuri.

Deci partea interesantă nu e atât mecatronica, cât controlul. Așadar am dezvoltat un microcomputer care pâlpâie undeva în spatele ei și operează acest braț în întregime după cum este programat de ea pentru a folosi semnalele de la mușchii ei proprii. Deci Amanda, când ai început să folosești acest braț, cât a durat ca să-l poți folosi?

AK: Probabil că a durat doar vreo 3-4 ore ca să-l programez. A trebuit să-l leg la un calculator, deci nu puteam să-l programez oriunde. Iar dacă se oprea din funcționare, trebuia să-l dau jos. Dar acum poate să se programeze cu acest dispozitiv mic din spate. Pot să-l port cu mine. Și dacă se oprește din funcționare, pot să-l reprogramez. Durează cam un minut.

TK: Deci suntem foarte bucuroși, pentru că acum ajungem să avem un dispozitiv practic d.p.d.v clinic. Iar acesta este obiectivul nostru -- să avem ceva care e pragmatic de purtat. Am putut să o facem pe Amanda să folosească și unele din brațele mai avansate pe care vi le-am arătat mai devreme. Aici Amanda folosește un braț făcut de DEKA Research Corporation. Și parcă Dean Kamen l-a prezentat la TED acum câțiva ani. Deci după cum vedeți, Amanda are control foarte bun. E vorba de recunoașterea de tiparuri Și aici are o mână care poate să prindă în feluri diferite. Rugăm pacientul să deschidă de tot și să se gândească, ”Ce fel de priză vreau?” Intră în acel mod și apoi poți prinde în 5-6 feluri diferite cu mâna asta. Amanda, câte puteai face cu brațul de la DEKA?

AK: Am reușit să fac 4. Aveam priza pentru cheie, priza pentru aruncat, aveam o priză puternică și o pișcătură fină. Dar preferata mea era când țineam doar mâna deschisă, pentru că lucrez cu copii, și tot timpul bat din palme și cânt, și am putut din nou să fac asta, ceea ce a fost grozav.

TK: Brațul acesta nu e grozav pentru aplaudat.

AK: Nu pot bate din palme cu ăsta.

TK: OK. Cât despre unde am putea ajunge cu mecatronica, dacă o facem destul de bună ca să o punem în piață și să o încercăm pe teren. Aș dori să priviți cu atenție.

(Video) Claudia: Uaaaaa!

TK: Aceasta e Claudia, și asta a fost prima dată când a putut simți o senzație prin proteza ei. Avea un senzor mic în capătul protezei pe care l-a trecut peste suprafețe diferite, și a putut să simtă texturi diferite precum hârtie abrazivă, asperități diferite, cablu panglică, pe măsură ce atingea pe pielea ei re-inervată. A spus că atunci când a trecut-o deasupra mesei, simțea ca și cum degetul i se legăna. Deci acesta este un experiment de laborator despre cum am putea să redăm unele senzații pe piele.

Dar iată încă un film care vorbește despre alte provocări. Acesta este Jesse, și strânge o jucărie din burete. Și pe măsură ce strânge mai tare -- vedeți o chestie mică neagră în mijloc care apasă pe pielea lui în funcție de cât de tare strânge. Dar priviți câți electrozi sunt acolo. Am o problemă de spațiu fizic Trebuie să punem o grămadă de chestii din astea acolo, dar motorul face tot felul de zgomot chiar lângă electrozii mei. Deci e o provocare foarte mare ce facem aici.

Viitorul arată bine. Ne bucură unde suntem și mai sunt multe de făcut. Deci, de exemplu, ca să scap de problema mea de spațiu fizic și să obțin semnale mai bune. Vrem să dezvoltăm niște capsule mici cât un bob de orez pe care să le putem pune în mușchi și să transmitem la distanță semnalele EMG ca să putem să nu mai avem grija contactului cu electrozii. Și atunci putem păstra mai mult spațiu fizic pentru a obține mai mult feedback senzorial. Vrem să construim și un braț mai bun. Acest braț -- întotdeauna sunt făcute pentru bărbatul din a 50-a percentilă ceea ce înseamnă că sunt prea mari pentru 5/8 din lume. Deci în loc să avem un braț foarte mare sau foarte rapid, construim un braț care este -- începem cu femeia din a 25-a percentilă -- care va avea un braț care se poate înfășura, se deschide de tot, are două grade de mobilitate la încheietură și un cot. Deci va fi cel mai mic și cel mai ușor și cel mai deștept braț făcut vreodată. Dacă-l putem face atât de mic, va fi mult mai ușor să-l facem mai mare.

Deci astea sunt doar unele din obiectivele noastre. Și apreciem cu adevărat că ați venit astăzi cu toții aici. Aș vrea să vă spun puțin despre latura întunecată, cum veni vorba cu tema de ieri. Deci Amanda a ajuns obosită de pe alt fus orar, folosea brațul, și totul mergea prost. Un computer a mers aiurea, un fir s-a rupt, un convertor a făcut scântei. Am demontat un circuit întreg în hotel și aproape am declanșat alarma de incendiu. Și nu aș fi putut să rezolv niciuna din problemele acestea, dar am o echipă de cercetare sclipitoare. Și din fericire Dr. Annie Simon a fost cu noi și a lucrat din greu ieri ca să repare tot. Așa e știința. Și din fericire, a funcționat astăzi.

Vă mulțumesc foarte mult.

(Aplauze)