Tod Kuiken: Prostetička ruka koja "oseća"

Dakle, danas bih želeo da sa vama razgovaram o bionici, što je popularan naziv za nauku koja se bavi zamenjivanjem delova živog organizma mehatroničkim uredjajima, ili robotima. To praktično znači da se živa materija spaja sa mašinom. I posebno bih želeo da vam govorim o tome kako bionika napreduje u odnosu na ljude kojima je amputirana ruka.

To je naš motiv. Amputacija ruke je uzrok velikog invaliditeta. Mislim, jasno je da dolazi do narušavanja funkcije. Naše šake su zadivljujući instrumenti. I ako izgubite jednu, ili još gore obe, mnogo je teže raditi stvari koje fizički moramo da radimo. Postoji takodje i ogroman emotivni efekat. Ja, zapravo, provodim isto toliko vremena u klinici baveći se emotivnim prilagodjavanjem pacijenata, koliko i baveći se samim fizičkim invaliditetom. I konačno, postoji i značajan socijalni efekat. Mi govorimo šakama. Pozdravljamo se šakama. U kontaktu smo sa fizičkim svetom preko svojih šaka. A ako nam šake nedostaju, to predstavlja prepreku. Najčešći uzrok amputacije ruke je povreda, nastala u industrijskim nesrećama, sudarima motornih vozila ili, što je vrlo žalosno, u ratu. Postoje takodje neka deca rodjena bez ruku, što se naziva kongenitalna deficijencija ekstremiteta.

Na žalost, ne ide nam sjajno u vezi sa protezama gornjih ekstremiteta. Postoje dva opšta tipa. Takozvane proteze-koje-pokreću-mišići izmišljene su neposredno posle Gradjanskog rata a usavršene u Prvom i Drugom svetskom ratu. Ovde vidite patent za ruku iz 1912. godine. Ne razlikuje se mnogo od one koju vidite na mom pacijentu. Ove proteze koriste snagu ramenih mišića. Pa tako, kad stisnete ramena, to povlači kabl iz bicikla. I taj kabl iz bicikla može da otvara ili zatvara šaku ili kuku ili da savije lakat. I dalje ih često koristimo, jer su to vrlo čvrsti i relativno jednostavni uređaji.

Najsavremenije su takozvane mioelektrične proteze. To su motorizovani uredjaji kontrolisani putem slabih električnih signala iz mišića. Svaki put kad se mišić kontrahuje, to proizvodi slabu struju koju možemo da zabeležimo pomoću antena ili elektroda i da koristimo da bi upravljali motorizovanim protezama. Ove proteze rade prilično dobro kod ljudi koji su upravo izgubili šaku, jer su mišići šake i dalje prisutni. Kada stisnete šaku, ovi mišići se kontrahuju. Kada je otvorite, ovi mišići se kontrahuju. vrlo je intuitivno i radi prilično dobro.

Ali, šta je sa slučajevima kada je amputacija veća? Ako ste izgubili ruku iznad lakta. Nedostaju vam, ne samo ovi mišići, nego i šaka i lakat. Šta ćete tada? Pa, naši pacijenti moraju da koriste neke zastarele sisteme koji koriste samo mišiće ruke da upravljaju robotičkim ekstremitetima. Imamo robotičke ekstremitete. Na tržištu ih ima nekoliko, i ovde vidite neke od njih. Sastoje se samo od šake koja se otvara i zatvara, od obrtnog ručnog zgloba i lakta. Nema drugih funkcija. A i da imaju druge funkcije, kako upravljati njima?

Mi smo našu ruku napravili na Institutu za rehabilitaciju u Čikagu (IRČ) u koju smo dodali funkciju savijanja ručnog zgloba i ramene zglobove i dodali smo šest motora, odnosno šest stepeni slobode. A takodje radimo i sa nekim vrlo naprednim veštačkim rukama koje je finansirala američka vojska, koristeći ove prototipe, koji su imali i do 10 različitih stepeni slobode uključujući i pokretne šake. Ali, sve u svemu, kako reći ovim robotičkim rukama šta treba da rade? Kako da ih kontrolišemo? Pa, potreban nam je nervni priključak način da se povežu sa našim nervnim sistemom ili sa našim procesima mišljenja tako da to bude intuitivno, prirodno. kao što je za vas ili za mene.

Dakle, telo radi tako što započne komandu za pokret u vašem mozgu, i to se spušta niz kičmenu moždinu, ide kroz nerve u periferne delove. A potpuno obrnuto se dešava kad imate neki osećaj. Dodirnete sebe, to je stimulus, koji se penje kroz one iste nerve gore do vašeg mozga. I kad čovek izgubi ruku, taj nervni sistem i dalje radi. Ti nervi mogu da šalju komandne signale. I ako dotaknem nervni završetak kod veterana iz Drugog svetskog rata, on će i dalje osećati šaku koja mu nedostaje. Prema tome, moglo bi se reći "pa, 'ajmo u mozak" i moglo bi da se nešto stavi u mozak da beleži signale, ili na krajeve perifernih nerava da tamo beleži signale. I to su sve vrlo uzbudljiva područja istraživanja, ali to je veoma, veoma teško. Morali biste da stavite stotine mikroskopskih žica da snimaju iz malih, sićušnih pojedinačnih neurona - običnih vlakana koji provode sićušne signale koji se nazivaju mikrovolti. I prosto rečeno, suviše je teško da se to sada koristi za pacijente.

Tako da smo razvili drugačiji pristup. Koristimo biološki pojačivač da bismo pojačali ove nervne signale -- mišiće. Mišići će pojačati ove nervne signale oko hiljadu puta, tako da možemo da ih zabeležimo na površini kože, kao što ste videli ranije. Dakle, naš pristup je nešto što nazivamo ciljanom reinervacijom. Zamislite, kod nekog ko je izgubio celu ruku, i dalje imamo četiri glavna nerva koji idu do ruke. Pa tako, uklonimo nerve iz grudnog mišića i omogućimo ovim nervima iz ruke da urastu u grudni mišić. I sada ako se pomisli "Zatvori šaku", mali deo grudnog mišića će se kontrahovati. Ako se pomisli "Savij lakat," kontrahovaće se drugi deo. I možemo da koristimo elektrode ili antene da to zabeležimo i da naredimo ruci da se pokrene. To je ideja.

Dakle, ovo je prvi čovek na kome smo to probali. Zove se Džesi Salivan. On je pravi svetac -- 54-godišnji monter strujnih kablova koji je pipnuo pogrešnu žicu zbog čega su mu obe ruke tako jako izgorele da je bilo neophodno da se amputiraju u ramenu. Džesi je došao kod nas u IRČ da bi dobio ove savremene uredjaje, i ovde ih vidite. I dalje koristim tu staru tehnologiju sa kablom iz bicikla na Džesijevoj desnoj strani. I on bira koji zglob hoće da pomeri preko ovih prekidača koje pritiska bradom. Sa leve strane, Džesi ima modernu motorizovanu protezu sa ova tri zgloba, i koristi male jastučiće u ramenu koje dodiruje da bi pokrenuo ruku. Džesi dobro upravlja dizalicama, i dobro mu je išlo, po našim standardima.

Takodje, Džesiju je trebala dodatna operacija na grudnom košu. To nam je dalo priliku da izvršimo ciljanu reinervaciju. Dakle, moj kolega, dr Greg Dumanijan, je uradio operaciju. Prvo smo odsekli nerve za Džesijev mišić, onda smo uzeli nerve za ruku i, na neki način, smo ih samo preusmerili ka grudnom košu i završili operaciju. I posle oko tri meseca, ti nervi su pomalo urasli i mogli smo da dobijemo grčenje mišića. A posle šest meseci, nervi su već dobro urasli, i mogle su se videti jake kontrakcije. I evo kako to izgleda. Evo šta se dešava kada Džesi pomisli da otvara i zatvara svoju šaku, ili savija i ispravlja lakat. Mogu se videti pokreti grudnog mišića, i ovih malih oznaka gde smo stavili naše antene, ili elektrode. I, ne verujem da bi iko iz publike mogao da ovako pokreće grudne mišiće. Njegov mozak misli o njegovoj ruci. Džesi nije naučio kako da ovo radi preko grudnih mišića. To nije naučen proces. Zato je to intuitivno.

I evo ga Džesi u našem prvom malom testu za njega. Na levoj strani se vidi njegova originalna proteza, i kako on koristi te prekidače da pomera kockice iz jedne kutije u drugu. Tu ruku ima već oko 20 meseci, pa je prilično dobro koristi. Sa desne strane, dva meseca pošto smo ga opremili ovom protezom sa ciljanom reinervacijom -- koja je, uzgred, fizički ista kao ova druga, samo programirana na malo drugačiji način -- vidite da je Džesi mnogo brži i pokreti su mu ravnomerniji dok pomera te kockice. A u to vreme smo mogli da koristimo samo tri signala.

I onda se desilo jedno od onih malih iznenadjenja u nauci. Znači, mi smo svi motivisani da usmerimo komande za pokret da bi upravljali robotičkim rukama. A, posle nekoliko meseci, ako biste dotakli Džesijev grudni koš, on bi osetio šaku koja mu nedostaje. Osećaj posedovanja šake se ponovo javio u njegovom grudnom mišiću verovatno zato što smo uklonili i dosta masnog tkiva, pa je koža bila neposredno uz mišić i takodje smo de-inervisali njegovu kožu. Tako da, ako dotaknete Džesija ovde, on oseća svoj palac; ako ga pipnete ovde, oseća svoj mali prst. Oseća i vrlo blag dodir čak i samo pritisak od jednog grama. Oseća vruće, hladno, oštro, tupo, sve to u šaci koja mu nedostaje, ili u obe šake i u grudnom košu, ali ne može da reaguje ni na jedno. Dakle, ovo je zaista uzbudljivo za nas, jer sada imamo portal, portal ili način da, eventualno, vratimo osećaj, tako da on može da oseti šta dodiruje svojom prostetičkom rukom. Zamislite senzore u šaci koji se penju i pritiskaju ovaj novi prikaz šake. To je bilo vrlo uzbudljivo.

Takodje smo nastavili sa onim što je prvobitno bila naša primarna populacija ljudi sa amputacijama iznad ramena. I tu smo de-inervisali, odnosno odsekli, nerv iz samo malog segmenta mišića, a druge smo ostavili tu, druge koji prenose signale gore-dole i još dva druga koji će prenositi signal za otvaranje i zatvaranje šake. Ovo je jedan od naših prvih pacijenata, Kris. Vidite ga sa njegovim originalnim uredjajem sa leve strane, posle osam meseci upotrebe, a sa desne strane je posle dva meseca. Tu je oko četiri ili pet puta brži sa ovim jednostavnim malim sistemom.

Dobro. Dakle, jedna od najboljih strana mog posla je to što radim sa zaista sjajnim pacijentima koji su takodje i naši saradnici u istraživanju. I danas imamo privilegiju što će Amanda Kits doći da nam se pridruži. Molim vas pozdravite Amandu Kits.

(aplauz)

Pa, Amanda, možeš li nam, molim te, reći kako si izgubila ruku?

Amanda Kits: Da, naravno. Imala sam saobraćajnu nesreću 2006. godine. Vozila sam kući sa posla, a kamion je dolazio iz suprotnog smera, skrenuo je u moju traku, prešao je preko krova mog automobila i osovina kamiona mi je otkinula ruku.

Tod Kuiken: U redu, i posle amputacije, oporavila si se. i dobila si jednu od onih konvencionalnih proteza za ruku. Možeš li nam reći kako je to funkcionisalo?

AK: Pa, bilo je pomalo teško, jer su mi preostali samo biceps i triceps. Tako bih, za proste stvarčice, kao što je podizanje nečega, morala da savijam lakat, onda bih morala da ga ponovo savijam da bi promenio način kretanja. Kada sam to radila, morala sam da koristim biceps da bih zatvorila šaku, i da koristim triceps da bih je otvorila, pa ponovo da kontrahujem da bi lakat ponovo funkcionisao.

TK: Znači bilo je pomalo sporo?

AK: pomalo sporo i bilo je vrlo teško da se radi s tim. Morali ste da se dobro koncentrišete.

TK: U redu, onda posle otprilike devet meseci imala si operaciju za ciljanu reinervaciju, trebalo je još šest meseci da bi se uradila sva reinervacija. Onda smo joj dali protezu. I kako je to funkcionisalo?

AK: Dobro funkcioniše. Mogla sam da koristim lakat i šaku u isto vreme. Mogla sam da upravljam njima samo preko misli. Tako da nisam morala da radim sve ono grčenje i kontrahovanje.

TK: Bilo je malo brže?

AK: Malo brže. I mnogo jednostavnije, mnogo prirodnije.

TK: U redu, to je i bio moj cilj. Već 20 godina, moj cilj je da omogućim ljudima da koriste lakat i šaku na intuitivan način i to u isto vreme. I sada imamo preko 50 pacijenata širom sveta koji su imali ovu operaciju, uključujući preko desetine naših ranjenih vojnika u službi američke vojske. Uspešnost ovih nervnih transfera je vrlo visoka. Oko 96 odsto. Jer stavljamo veliki debeli nerv na mali komad mišića. I to omogućava intuitivnu kontrolu. Naše funkcionalno testiranje, ti mali testovi, svi pokazuju da su pacijenti mnogo brži i da im lakše ide. I najvažnija stvar je to što i naši pacijenti to potpuno prepoznaju.

Dakle, to je sve bilo veoma uzbudljivo. Ali, želeli bismo da radimo još bolje. U tim nervnim signalima ima mnogo informacija, i hteli smo da dobijemo još više. Svaki prst može da se pomera. Palac može da se pomera, može i zglob. Možemo li dobiti još više? Pa smo tako uradili eksperimente gde smo stavili našim sirotim pacijentima milijarde elektroda i onda im dali da rade desetine različitih zadataka -- od vrtenja prsta do pokretanja cele ruke i dohvatanja nečega -- i to smo sve beležili. I onda smo koristili neke algoritme koji su slični algoritmima za prepoznavanje govora, što se naziva prepoznavanje obrasca. Vidite.

(smeh)

I ovde možete videti, na Džesijevim grudima, kad pokušava da uradi tri različite stvari, možete videti tri različita obrasca. Ali, ne mogu da ubacim elektrodu i da kažem, "Idi tamo." Zato smo saradjivali sa kolegama na Univerzitetu u Nju Bransviku, formulisali smo ovakvo kontrolisanje algoritma, koje Amanda sada može da demonstrira.

AK: Dakle, lakat može da ide gore i dole. Ovaj obrtni zglob koji ide ovako -- može da napravi pun krug. I mogu da vršim savijanje i opružanje ručnog zgloba. I mogu da zatvorim i otvorim šaku.

TK: Hvala ti, Amanda. Ovo je ruka korišćena u istraživanju, ali je napravljena od komercijalnih komponenti odavde do dole i nekoliko koje sam pozajmio širom sveta. Ima oko 3.2 kilograma što je, verovatno, slično težini moje ruke ako bih je odavde izgubio. Očigledno, to je teško za Amandu. I u stvari, deluje još teže, jer nije zalepljeno na ostatak ruke. Ona nosi svu težinu preko sistema kablova.

Dakle, uzbudljivi deo nije toliko u vezi sa mehatronikom, već u vezi sa kontrolom. Mi smo napravili mali mikrokompjuter koji svetluca negde iza njenih ledja i koji upravlja svim ovim, a ona ga trenira da koristi njene pojedinačne mišićne signale. Dakle, Amanda, kada si prvi put počela da koristiš ovu ruku, koliko dugo ti je trebalo da je zaista koristiš?

AK: Trebalo je oko tri do četiri sata da je istreniram. Morala sam da je prikačim za kompjuter, pa nisam mogla da je treniram bilo gde. Tako da, ako bi prestala da radi, morala sam da je skinem. A sada može da se trenira samo ovim malim delom na ledjima. To mogu svuda da nosim. Ako, iz nekog razloga, prestane da radi, mogu da ponovo istreniram ruku. u roku od oko jednog minuta.

TK: Mi smo veoma uzbudjeni, jer sada praktično dolazimo do uredjaja za kliničku primenu. A to je upravo naš cilj -- da imamo nešto što je klinički upotrebljivo. Takodje smo omogućili Amandi da koristi neke od naših naprednijih proteza koje sam vam ranije pokazao. Evo Amande dok koristi protezu koju je napravila "DEKA" Istraživačka korporacija. I mislim da je Din Kejmen prezentovao ovu protezu na TEDu pre nekoliko godina. Dakle, Amanda ima, kao što vidite, vrlo dobru kontrolu. To je sve prepoznavanje obrazaca. A, sada imamo šaku koja može da izvodi različite načine hvatanja. Ono što radimo je da pustimo pacijenta da potpuno otvori šaku i da pomisli, "Na koji način želim da uhvatim ovom šakom?" I proteza kreće u taj proces, i sa ovom protezom je moguće izvesti do pet ili šest različitih zahvata šakom. Amanda, koliko si ti mogla da izvedeš sa "DEKA" rukom?

AK: ja sam mogla da uradim četiri. Mogla sam da uhvatim bočno, da uhvatim sa tri prsta mogla sam da snažno obuhvatim i da nežno uštinem. Ali moj omiljeni zahvat je bilo kad mi je šaka potpuno otvorena, jer radim sad decom, i sve vreme ima tapšanja i pevanja, pa sam tako mogla da to sve ponovo radim, što je bilo stvarno dobro.

TK: Ta ruka nije baš dobra za tapšanje.

AK: Ne može se tapšati sa ovom.

TK: Dobro. Dakle to je uzbudljivo u smislu kuda bismo mogli da idemo sa boljom mehatronikom, ako ih napravimo da budu dovoljno dobre da bismo mogli da ih pustimo na tržište i za upotrebu u praksi. Želeo bih da pažljivo pogledate.

(Video) Klaudija: Uuuuuu!

TK: To je Klaudija, i to je prvi put kada je osetila nešto kroz svoju protezu. Imala je mali senzor na kraju proteze koji je trljala na različite površine, i mogla je da oseti različitu strukturu šmirgle, raznih vrsta šljunka, trakastog kabla, kad bi nešto od toga pritisnulo njen reinervisani prikaz šake. Rekla je da kad samo prelazi protezom preko stola, ima osećaj da joj se prst ljulja. Dakle to je uzbudljiv laboratorijski eksperiment koji pokazuje kako mogu da se, potencijalno, vrate neki osećaji preko kože.

Ali, evo drugog video snimka koji pokazuje neke od naših izazova. Ovo je Džesi, stiska penastu igračku. I što jače stisne -- vidite crnu stvarčicu u sredini to jače pritiska na njegovu kožu, srazmerno tome koliko jako on stiska. Ali, pogledajte sve te elektrode okolo. Imam pravi prostorni problem. Trebalo bi da stavimo gomilu svih tih stvari tu, a naš mali motor pravi razne zvukove tačno pored mojih elektroda. Tako da je to što radimo priličan izazov.

Budućnost je svetla. Uzbudjeni smo time gde se sad nalazimo i mnogim stvarima koje želimo da uradimo. Tako na primer, jedna od stvari je da se rešim mog prostornog problema i da dobijem bolje signale. Hoćemo da razvijemo ove malecke kapsule, otprilike veličine komadića iz rižota koje možemo da stavimo u mišiće i da prenosimo EMG signale, tako da nema brige o kontaktu sa elektrodom. I možemo da oslobodimo prostor i pokušamo da dobijemo bolju povratnu reakciju za osećaj. Hoćemo da napravimo bolju ruku. Ova ruka -- uvek se prave za 50 procenata muškaraca -- što znači da su prevelike za 5/8 svetske populacije. I tako, umesto super snažne ili super brze ruke, mi pravimo ruku, tačnije -- počinjemo sa, 25 procenata žena koje će imati šaku koja može da obuhvati, može da se potpuno otvori, ima dva stepena slobode u zglobu i laktu. Tako da će to biti najmanja i najlakša i najpametnija ruka ikad napravljena. Jednom kad budemo mogli da to napravimo tako malo, mnogo je jednostavnije posle ih napraviti veće.

Dakle, to su samo neki od naših ciljeva. I stvarno cenimo što ste svi vi danas ovde. Želeo bih da vam ispričam nešto i o mračnoj strani, sa jučerašnjom temom. Znači Amanda je stigla sa džet-legom od puta, koristi ruku, i sve ide naopako. Desio se kvar na kompjuteru, pukla je žica, transformator je varničio. Izvadili smo celo strujno kolo u hotelu i skoro aktivirali požarni alarm. I nijedan od ovih problema ne bih mogao da rešim, da nemam zaista sjajan tim istraživača. I, na sreću, Dr Eni Sajmon je bila sa nama i juče smo se stvarno naradili da to sredimo. To je nauka. I srećom, danas radi.

Hvala vam mnogo.

(aplauz)