Тодд Куйкен: Протез руки, который «чувствует»

Сегодня я хотел бы поговорить с вами о бионике. Это распространённое название науки о замене частей живого организма механическими устройствами или роботами. Фактически, материя жизни входит в контакт с машиной. Я хочу рассказать о том, как бионика может помочь людям, пережившим ампутацию руки.

Это наша мотивация. Ампутация руки влечёт за собой серьёзные последствия. Функциональные ограничения очевидны. Наши руки — удивительные инструменты. Когда теряешь одну или, того хуже, обе, становится гораздо сложнее выполнять простейшие физические действия. Прибавим глубокое эмоциональное потрясение. В клинике я трачу столько же времени на эмоциональную реабилитацию пациентов, сколько и на их физические проблемы. И, наконец, существенное влияние на социализацию. С помощью рук мы говорим. Мы здороваемся за руку. Мы соприкасаемся с физическим миром при помощи рук. Потеряв их, мы натыкаемся на серьёзную преграду. К ампутации руки часто приводит травма, несчастный случай на производстве, автокатастрофа, или, всего хуже, боевые ранения. Бывает, что дети рождаются без рук — это врождённый порок конечностей.

К сожалению, протезирование верхних конечностей сейчас не на высоте. Есть два основных типа протезов. Их называют протезами на мышечной силе. Принцип появился сразу после Гражданской войны, и совершенствовался в Первую и Вторую мировые войны. Здесь вы видите патент руки 1912 года. Конструкция не особо отличается от той, что носит мой пациент. Они работают на силе плеча. Когда вы напрягаете плечи, натягивается велосипедный кабель. Этот кабель сжимает или разжимает кисть или крюк, или сгибает локоть. Мы до сих пор активно используем их. Они надёжны и относительно просты в использовании.

Актуальное на сегодня устройство — миоэлектрический протез. Это автоматизированное устройство, которым управляют короткие электрические импульсы мышц. Каждый раз, когда вы сокращаете мышцу, от неё исходит электрический импульс, который можно записать антенной или электродами и использовать для управления автоматизированным протезом. Они хорошо подходят для людей, недавно потерявших кисть, потому что мышцы кисти никуда не делись. Вы сжимаете кисть, сокращаются эти мышцы. Разжимаете — сокращаются вот эти мышцы. Всё происходит интуитивно, и протез прекрасно работает.

Но как быть, если ампутацию провели выше? Вот вы потеряли всю руку, начиная с локтя. Вы потеряли не только вот эти мышцы, но ещё и кисть, и локоть. Что вам делать? Нашим пациентам приходится использовать сложные системы, привлекающие только мышцы плеча, чтобы управлять роботизированными конечностями. У нас есть роботизированные конечности. Несколько из них доступны на рынке, пару вы видите здесь. Они состоят из кисти, которая раскрывается и сжимается, локтя и вращателя запястья. Другие функции отсутствуют. Если бы они были, как бы мы сообщали протезу, что делать?

Мы построили собственную руку в Чикагском Институте Реабилитации, добавив изгиб запястья и плечевой сустав, и добились 6 степеней подвижности. Также мы смогли поработать с некоторыми очень продвинутыми протезами, созданными на деньги военных США; эти прототипы обладают 10 степенями подвижности, включая подвижные кисти. Но, всё-таки, как сообщить роботизированным рукам, что делать? Как ими управлять? То есть, нам нужен нейронный интерфейс, способ подключиться к нервной системе или к мыслительному процессу, чтобы движения были интуитивными, естественными, как у нас с вами.

Тело работает так. Мозг посылает двигательную команду, она проходит по спинному мозгу к нервам, от них — к мышцам. С ощущениями всё наоборот. Прикосновение посылает импульс по тем же нервам обратно в мозг. Когда вы теряете руку, нервная система продолжает работать. Нервы всё ещё могут передавать команды. И, если я коснусь нервного окончания ветерана Второй мировой войны, он всё так же почувствует отсутствующую руку. Вы спросите, почему не установить в мозг прибор для записи сигналов, или такой же, но на нервное окончание? И записать их там. Это очень интересное поле для исследования, но выполнить это на практике крайне сложно. Придётся внедрить сотни микроскопических проводов, чтобы вести запись с одиночных нейронов — единиц нервного волокна, которые посылают короткие сигналы величиной в микровольты. Это слишком трудоёмкий процесс, чтобы использовать его здесь и сейчас.

Поэтому мы разработали другой подход. Мы стали использовать естественный усилитель нервных импульсов — мышцы. Мышцы усиливают нервный импульс в тысячу раз, такой сигнал мы уже можем записать с кожи, как вы видели ранее. Мы назвали наш метод целевой реиннервацией. Представьте, у тех, кто потерял руку целиком, всё ещё сохраняются четыре основных нерва, контролирующих конечность. Мы отделяем один нерв от грудной мышцы и позволяем нужным нервам врасти в неё. Вы думаете: «Надо сжать кулак», и участок груди сокращается. Вы думаете: «Нужно согнуть локоть», и сокращается другой участок. Теперь с помощью электродов мы можем уловить сигнал и заставить руку шевелиться. Такова идея.

А вот первый человек, на котором мы её опробовали. Его зовут Джесси Салливан Он не просто человек, он — святой. 54-летний электрик прикоснулся не к тому проводу — обе его руки так сильно обгорели, что пришлось ампутировать их по плечи. Джесси прибыл к нам в институт, чтобы получить два прекрасных устройства, посмотрите на них. Справа всё ещё стоит старый протез с кабелем. Чтобы пошевелить нужным суставом, он использует эти переключатели у подбородка. Слева он с новым автоматизированным протезом с тремя суставами, управление происходит за счёт подушечек на плече, он прикасается к ним, чтобы начать работу. Кстати, Джесси отличный крановщик, он отвечал нашим требованиям.

И ему нужна была ревизионная операция грудной клетки. Это и позволило применить целевую реиннервацию. Операцию проводил мой коллега, доктор Грег Думаниан. Сначала мы вырезали его собственный нерв из мышцы, затем взяли нервы руки и как бы переместили их ниже, на грудь, и всё зашили. Где-то через три месяца нервы начали врастать, и мы смогли уловить подёргивание. Через шесть месяцев они вросли как следует, и мы увидели уверенное сокращение. Это выглядит так. Вот Джесси хочет сжать или разжать кулак, согнуть локоть. Видите движения на груди, а небольшие отметины — места, куда мы ставим антенны или электроды. И пусть кто-нибудь в зале попробует проделать подобное со своей грудью. Его мозг думает о движениях руки. Он не учился проделывать подобное мышцами. Тут нет процесса обучения. Всё происходит интуитивно.

Здесь Джесси участвует в первом тесте. Слева Джесси со старым протезом, он использует переключатели, чтобы перекладывать кубики из коробки в коробку. Он носил этот протез 20 месяцев, так что уверенно им пользуется. Справа протез на основе целевой реиннервации, который мы установили за два месяца до теста. Физически это та же рука, только запрограммированная по-другому. И вы сами видите, насколько быстрее и плавнее он перекладывает кубики. На тот момент мы использовали лишь три сигнала.

А потом, как всегда в науке, произошла неожиданная вещь. Мы нацелены получить двигательные команды для управления роботизированной рукой. Через несколько месяцев кто-то дотронулся до груди Джесси, а он почувствовал свою отсутствующую кисть. Ощущения руки перешли на грудную клетку, наверное, потому что мы убрали много жира, и кожа соприкасалась непосредственно с мышцей, кожа была деиннервирована. Т.е. вы прикасаетесь здесь, Джесси чувствует большой палец. Прикасаетесь здесь — мизинец. Он ощущает лёгкие прикосновения до одного грамма силы. Он чувствует горячее, холодное, острое, тупое, будто бы ладонью или сразу ладонью и грудью, он может выбрать, к каким ощущениям прислушаться. Мы были взбудоражены, потому что теперь у нас появился портал, или способ вернуть обратно чувства, чтобы он чувствовал, к чему прикасается его искусственная рука. Представьте, сенсоры в кисти посылают сигнал выше и отражают его на новой коже ладони. Мы были ужасно взволнованы.

Мы продолжили исследования с основным контингентом, людьми, потерявшими руку выше локтя. Мы деиннервируем, вырезаем нерв из небольшого участка мышцы, остальные оставляем на месте; это даёт нам сигнал поднять-опустить и ещё два, которые обеспечивают сжимание и разжимание кисти. Это один из первых пациентов, Крис. Слева его старый протез после восьми месяцев использования, а справа — новый после двух месяцев тренировки. Он в четыре или пять раз быстрее, как видно на этом простом примере.

Хорошо. Пожалуй, лучшая часть моей профессии — это работа с замечательными пациентами, которые принимают активное участие в исследованиях. Нам повезло, что сегодня к нам присоединится Аманда Киттс. Поприветствуйте, пожалуйста, Аманду Киттс.

(Аплодисменты)

Аманда, расскажи, пожалуйста, как ты потеряла руку?

Аманда Киттс: В 2006 я попала в автокатастрофу. Я возвращалась с работы домой, когда грузовик, шедший мне навстречу, оказался на моей полосе движения, снёс крышу моей машины и оторвал мне руку.

Тодд Куйкен: После ампутации и заживления рубцов ты поставила классический протез. Расскажи, как ты с ним управлялась?

АК: Было сложновато, потому что приходилось работать только бицепсом и трицепсом. Чтобы просто поднять что-то, мне приходилось сгибать локоть и одновременно с этим сокращать мышцы, чтобы переключить режим работы. После этого нужно было напрячь бицепс, чтобы сжать руку в кулак или трицепс, чтобы раскрыть кисть, снова сжать мышцы, чтобы заработал локоть.

ТК: То есть, это занимало много времени?

АК: Да, к тому же было просто тяжело. Приходилось всё время концентрироваться на руке.

ТК: Давайте переместимся на 9 месяцев вперёд, когда прошла операция по целевой реиннервации, плюс понадобилось 6 месяцев для окончательной реиннервации тканей. Мы установили протез. Как он тебе в действии?

АК: Всё хорошо. Я смогла работать локтём и кистью одновременно, просто подумав о них. Мне больше не нужно поджимать и сгибать мышцы.

ТК: Теперь всё происходит несколько быстрее?

АК: Да, быстрее и гораздо проще, гораздо естественнее.

ТК: Это и была моя цель. 20 лет я стремился к тому, чтобы люди могли работать локтём и кистью интуитивно и одновременно. Сейчас больше 50 пациентов по всему миру сделали такую операцию, среди них около дюжины раненых бойцов американских вооружённых сил. Процент успешного переноса нервов очень высок. Около 96 процентов. Всё потому, что мы присоединяем здоровенный нерв к маленькому кусочку мышцы. Это и обеспечивает интуитивный контроль. Функциональное тестирование показывает, что новые протезы гораздо быстрее и проще в управлении. А важнее всего то, что это оценили пациенты.

Всё это очень радует. Но мы хотим лучших результатов. Нервные импульсы содержат море информации, мы хотели добиться большего. Вы можете шевелить запястьем или каждым пальцем по-отдельности. Что нам это даёт? Мы провели несколько экспериментов, мы опутали бедных пациентов сетью электродов и заставили выполнять наши задания, согнуть палец, махнуть рукой, потянуться за чем-нибудь, и записали всю информацию. Потом воспользовались определённым алгоритмом, он похож на алгоритм распознавания речи и называется «распознавание образа». Видите.

(Смех)

Посмотрите на грудь Джесси, тут он выполняет три различных действия, вы видите три разных паттерна. Но я не могу просто подставить электрод и сказать: «Иди туда». Поэтому в сотрудничестве с Университетом Нью Брансвика был разработан алгоритм контроля, который сейчас продемонстрирует Аманда.

AK: У меня есть механизм сгибания локтя. Я могу вращать запястье на 360 градусов. Я могу сгибать и разгибать руку в области запястья. Могу сжимать и разжимать кисть.

ТК: Спасибо, Аманда. Это тестовый образец руки, но он изготовлен из серийных компонентов, я позаимствовал их из разных частей света. Он весит около 3 килограмм, и моя рука весила бы столько же, если бы её ампутировали вот здесь. Тяжеловато для Аманды. К тому же протез кажется тяжелее, потому что не является частью целого. Весь вес удерживается на ремнях.

Но интересна здесь не механическая часть, а устройство контроля. Мы разработали микрокомпьютер, который мигает за спиной Аманды и управляет протезом, подстраиваясь под индивидуальные мышечные сигналы Аманды. Сколько тебе пришлось тренироваться, чтобы научиться пользоваться новой рукой?

АК: Я занималась около трёх или четырёх часов, чтобы привыкнуть. Мне нужно было оставаться подключённой к компьютеру, я не могла обучать протез где угодно. Если рука отключалась, то приходилось её снимать. А теперь он подстраивается под меня, с помощью небольшой штуковины у меня на спине. Я могу взять её с собой куда угодно. Если рука почему-то перестанет работать, я её перепрограммирую. Это занимает всего минуту.

ТК: Итак, мы в предвкушении, теперь у нас есть клинически пригодное устройство. Этого мы и хотим, создать устройство для клинической практики. Мы протестировали на Аманде более продвинутые руки, которые я показывал ранее. Здесь Аманда с рукой от DEKA Research Corporation. Думаю, Дэн Камен демонстрировал её на TED несколько лет назад. Как видите, Аманда прекрасно её контролирует. Это всё то же распознавание шаблона. Но теперь оно подключено к руке, которая способна на различные захваты. Мы просим пациента полностью раскрыть руку и подумать: «Какие варианты захватов мне понадобятся?» Модель получит эту информацию, а вы — 5 или 6 различных вариантов захвата. Аманда, сколько захватов ты освоила с рукой от DEKA?

АК: У меня получались 4. Основной захват, захват пальцами, сильное сжатие, и щепотка. Но моё любимое положение — открытая рука, ведь я работаю с детьми. Я снова смогла хлопать в ладоши и петь, что меня, конечно, очень порадовало.

ТК: Эта рука не совсем подходит для хлопков.

АК: Да, с этой так не получится.

ТК: Хорошо. Радует, что мы сможем достичь большего, если будем использовать более совершенные механизмы, которые можно выставить на рынок и провести полевые испытания. Смотрите внимательно.

(Видео) Клаудиа: Ого!

ТК: Это Клаудия, она в первый раз почувствовала что-то через протез. На конце протеза был установлен сенсор, она дотрагивалась до различных поверхностей и смогла почувствовать текстуру наждачной бумаги, песка, ленточного кабеля, чувство прошло на реиннервированную кожу руки. Она рассказала, что как только провела ей по столу, почувствовала будто бы подрагивание пальцев. Это волнующий лабораторный эксперимент о том, как вернуть некоторую чувствительность кожи.

Но у нас ещё остались нерешённые задачи. Это Джесси, он сжимает резиновую игрушку. И видите чёрную штуковину посередине, чем сильнее он сжимает игрушку, тем сильнее это отдаётся на коже. Но посмотрите на все эти электроды вокруг неё. Тут остро стоит «квартирный вопрос». Предполагается, что нужно поставить несколько таких штук, но этот маленький моторчик шумит прямо рядом с электродами. Поэтому мы должны решить, что нам с этим делать.

Будущее видится прекрасным. Мы рады тому, что уже получилось, и предвкушаем решение новых задач, например, как избавиться от проблемы с жилплощадью и получать более точные сигналы. Мы хотим разработать малюсенькие капсулы размером с рисинку, чтобы внедрять их в мышцы и передавать электромагнитные сигналы, и не волноваться о контакте с электродами. Мы получим больше места, чтобы попробовать возродить больше ощущений. Мы хотим создать более совершенную руку. Сейчас руки создают для мужчин. Это означает, что они слишком велики для 5/8 населения планеты. Поэтому вместо очень сильной и очень быстрой руки, мы сделаем руку, которая будет подходить для женщин; она будет поворачиваться у запястья, полностью открывать ладонь, сгибаться в районе запястья и локтя. Это будет самая маленькая, лёгкая и самая умная рука из когда-либо созданных. Как только мы научимся делать такие маленькие руки, сделать их крупнее будет гораздо проще.

Это лишь некоторые цели. Мы очень рады, что вы пришли сегодня. И раскрою вам секрет, что всё не так гладко. Вчера Аманда, уставшая после полёта, пробует руку в работе, и всё идёт не так. Сбой компьютера, испорченный провод, искрящий конвертор. Мы вырубили целый этаж в гостинице, чуть не включили пожарную сигнализацию. Один я бы с этим не справился, но у меня есть чудесная команда исследователей. Хорошо, что с нами была доктор Анни Саймон и как следует поработала, чтобы всё починить. Вот это наука. К счастью, сегодня всё работает.

Спасибо вам большое.

(Аплодисменты)