Todd Kuiken: "Hissedebilen" bir kol protezi

Bugün sizlerle biyonik hakkında konuşmak istiyorum, bu yaşayan bir canlının herhangi bir parçasını mekanik bir cihazla ya da bir robotla değiştirmek anlamına geliyor. Aslında temel olarak yaşamla makinenin buluşması da diyebiliriz. Ve özellikle, kollarını kaybetmiş kişiler için biyoniğin nasıl evrimleştiğinden size bahsetmek istiyorum.

Bizim motivasyon kaynağımız bu. Kolun kaybı çok ciddi bir engellilik hali yaratıyor. Yani, fonksiyonel kayıp çok açık. Ellerimiz inanılmaz aletlerdir. Ve birini bile kaybetseniz fiziksel olarak yapmanız gereken şeyleri yapmakta zorlanırsınız, ikisinin birden kaybı ise daha da kötüdür. Aynı zamanda çok ciddi bir duygusal etkisi de vardır. Ve aslında, kliniğimde hastalarımın duygusal anlamda düzelmeleri için en az fiziksel engellerine ayırdığım kadar zaman ayırırım. Ve son olarak da, ciddi bir sosyal etkisi vardır. Ellerimizi kullanarak konuşuruz. Ellerimizle merhabalaşırız. Ve fiziksel dünya ile ellerimizi kullanarak iletişim kurarız. Ortadan kalktıklarında, bunların hepsi engellenir. Kol amputasyonu genelde travmaya bağlı oluşur, endüstriyel iş kazaları, trafik kazaları veya bazen de savaş. Bazen de çocuklar kolsuz doğarlar, buna doğumsal kol eksikliği deniyor.

Ne yazık ki üst uzuv protezlerinde çok başarılı değiliz. İki ana şekilleri var. Bunlara vücut-kuvvetli protezler deniyor, İç savaçtan hemen sonra icat edilmişler, Birinci ve İkinci Dünya Savaşı'nda ise daha da geliştirilmişler. Burada 1912 yılında alınan bir protez patentini görüyorsunuz. Benim hastamın kullandığı bu protezden çok da farklı değil. Bunlar omuz kaslarının gücünü kullanarak çalışıyorlar. Omuzlarınızı birbirine yaklaştırdığınızda bir bisiklet telini çekiyorlar. Bu bisiklet teli aracılığı ile bir eli ya da kancayı açıp kapamak ya da dirseği bükmek mümkün. Bunları hala epey sıkça kullanıyoruz, çünkü çok sağlamlar ve yapıları da oldukça basit.

Son model olanlar ise myoelektrik protez dediğimiz cins. Bunlar kaslarınızdan gelen elektrik akımları ile kontrol edilebilen motorlu cihazlar. Herhangi bir kasınızı kastığınızda, ufak bir elektrik sinyali yayılır. bu sinyali bir anten ya da elektrodlarla yakalayabilir ve bu sinyalin motorlu bir protezi hareket ettirmesini sağlayabilirsiniz. Bu protezler ellerini kısa süre önce kaybeden insanlarda düzgün çalışıyor, çünkü el kasları hala orada. Elinizi sıkıyorsunuz, bu kaslar kasılıyor. Açıyorsunuz, kaslar kasılıyor. Yani doğal ve oldukça düzgün çalışıyor.

Peki ya daha yüksek dereceli sakatlıklar ? Diyelim ki kolunuzu dirseğinizin üzerinden kaybettiniz. Bu durumda sadece kaslarınız değil, eliniz ve dirseğiniz de yoktur. Ne yaparsınız ? Hastalarımız robotik uzuvlarını hareket ettirebilmek için kod-y sistemlerini kullanmak zorundalar. Robotik uzuvlarımız var. Piyasada bunlardan bulabilirsiniz ve burada bazılarını görüyorsunuz. Açılıp kapanabilen bir el, bir bilek döndürücü ve bir dirsek içeriyorlar. Başka bir fonksiyonları yok. Olsaydı eğer, onlara ne ne yapmaları gerektiğini nasıl söyleyebilirdik?

Bilek esnekliğini ve omuz eklemlerini ekleyerek altı motorlu yani altı dereceli hareket özgürlüğü sağlayan kendi yapay kolumuzu Chicago Rehabilitasyon Enstitüsünde yaptık. Ve Amerikan Ordusu tarafından finanse edilmiş oldukça gelişmiş bazı protezlerle çalışma fırsatı bulduk. Bu protezler hareket edebilir elleri ile birlikte 10 farklı dereceli hareket özgürlüğüne sahipler. Fakat günün sonunda, bu robotik kollara ne yapacağını nasıl söyleyecektik ? Onları nasıl kontrol edecektik ? Sinirsel bir arayüze ihtiyacımız vardı, sinir sistemimize ya da düşünce mekanizmamıza bağlanacak bir yol bulmalıydık ki kolların kontrolü doğal olsun, sizde ve bende olduğu gibi.

Vücut beyninizden başlayan bir motor komutunun omurilikten geçerek sinirler yardımıyla hedefine ulaşması ile çalışıyor. Algılarınız da ise bunun tam tersi şeklinde. Kendinize dokunduğunuzda beyninizden çıkıp aynı sinir yolu üzerinden dönen bir uyarı olacaktır. Kolunuzu kaybettiğinizde bu sinir sistemi hala çalışmaktadır. Bu sinirler komut sinyalleri üretebilmektedir. Ve eğer bir ikinci dünya savaşı gazisinin sinir ucuna dokunsam, kaybettiği kolunu hissedecektir. Şimdi beyne bir cihaz koyup beyinde bu sinyalleri kaydetmeyi veya doğrudan sinirlerin uçlarından bu sinyalleri kaydetmeyi önerebilirsiniz. Bunlar gerçekten heycan verici araştırma alanları, fakat bu gerçekten, gerçekten zor. Bu küçücük ve birbirinden ayrı nöronlardan sinyalleri kaydedebilmek için yüzlerce mikroskopik teller koymanız gerek -- mikrovoltlar düzeyinde minicik sinyaller çıkaran sıradan fiberler. Ve şu an için bunu yapmak benim ve hastalarım için fazlasıyla zor.

Bu yüzden farklı bir yaklaşım geliştirdik. Bu sinir sinyallerini yükseltmek için biyolojik bir yükseltici kullanıyoruz -- kasları. Kaslar sinir sinyallerini yaklaşık bin kata kadar yükselteceklerdir, böylece bu sinyalleri aynen biraz önce gördüğünüz gibi deri üzerinden kaydedebileceğiz. Bu yaklaşımımız "hedefli yeniden sinirle donatma" (targeted reinnervation) olarak isimlendiriliyor. Kolunun tamamını kaybetmiş birisini düşünün, hala kolunuza giden 4 büyük sinir bulunmaktadır. Sinirleri alıp göğüs kaslarının içerisinde gelişmelerini sağlıyoruz. Şimdi ellerinizi kapamayı düşünüyorsunuz ve göğüsünüzün üzerindeki bir kesimdeki kaslar kasılıyor. Dirseğinizi açmayı düşünüyorsunuz başka bir kesimdeki kaslar kasılıyor. Ve elektrotlar yahut anten yardımıyla bu kasılmayı algılayıp kola hareket etmesini söylüyoruz. Fikir bu.

İşte bunu denediğimiz ilk kişi. Adı Jesse Sullivan. Melek gibi bir insan -- 54 yaşında yanlış kabloya dokunan bir hat teknisyeni, iki koluda cok kötü bir şekilde yandığı için omuzlarından kesilmek zorunda kalınmış. Jesse bu son model aygıtların kendisine takılması için RIC ' e geldi , burada onu görüyorsunuz. Bisiklet kablosu sağ kolunda, hala eski teknolojiyi kullanıyorum. Hangi eklemi oynatacağını şuradaki çene düğmeleriyle seçiyor. Sol tarafta üç eklemli modern motorlu bir protezi var, omuzundaki küçük pedlere dokunarak kolun hareket etmesini sağlıyor. Ve Jesse iyi bir vinç operatörü, kendisi standartlarımıza göre oldukçe iyi.

Ayrıca göğsünde ek bir düzeltme ameliyatı yapılması gerekti. Ve bu bize "hedefli yeniden sinirle donatma" yapma şansı verdi. Ameliyatı meslektaşım Dr. Greg Dumanian yaptı. İlkin, kendi kasındaki sinirleri kestik, ardından kol sinirlerini alıp bunlardan bir kısmını göğsüne kaydırdık, ve göğsünü kapattık. Yaklaşık üç ay sonrasında, sinirler biraz büyüdü ve seğirme alabildik. Altı ayın ardından sinirler oldukça iyi bir şekilde gelişti, ve kuvvetli kasılmaları görebiliyorduk. İşte böyle görünüyor. Jesse elini açmayı ve kapamayı düşündüğünde bu oluyor, dirseğini bükmeyi veya açmayı düşündüğünde bu oluyor. Göğsundeki hareketleri görebiliyorsunuz, küçük işaretler antenimizi veya elektrotlarımızı koyduğumuz yerler. Ve şu an burada bulunan herkesi, eğer yapabiliyorsa göğsünü bu şekilde hareket ettirmeye davet ediyorum. Beyni kolunu hareket ettirmeyi düşünüyor. Bunu göğsü ile nasıl yapacağını hiç öğrenmedi. Herhangi bir öğrenme süreci yok. Bu yüzden doğal.

İşte ilk testimizi yaparken Jesse. Sol tarafta orjinal protezini görüyorsunuz, küçük küpleri bir kutudan diğer kutuya atmak için düğmeleri kullanıyor. Bu kol 20 ay kadar ondaydı, ve bu kolla oldukça iyiydi. Sağ tarafta ise "hedefli yeniden sinirle donatma" kullandığımız protezi taktıktan 2 ay sonrası görünüyor -- bu arada kol aynı fiziksel kol, sadece biraz farklı şekilde programlandıktan sonra çok daha hızlı ve düzgün bir şekilde küçük küpleri hareket ettirebildiğini görüyorsunuz. Ve burada sadece üç sinyali kullanabiliyorduk.

Ardından bilimde yaşanan süprizlerden birisini yaşadık. Hepimiz robotik kolları sürebilmek için motor komutları almaya şartlanmıştık. Bir kaç ayın ardından, Jessenin göğsüne dokunduğunuzda, kaybettiği elini hissetti. Elinin hissi göğsünde tekrardan oluşmuştu çünkü büyük ihtimalle çok miktarda yağıda aldığımızdan derisi hemen kasının altındaydı ve sinirleride alınmıştı. Jessenin burasına dokunduğunuzda başparmağını hissediyor; burasına dokunduğunuzda serçe parmağını hissediyor. Bir gramlık hafif bir baskıyı bile hissedebiliyor. Sıcağı soğuğu, keskinliği, kütlüğü hepsini kaybettiği elinde, ya da elinde ve göğsünde hissediyor, fakat ikisinden birine dikkatini verebiliyor. Yani bizim için gerçekten heyecan verici, çünkü artık büyük bir kapımız var, bir kapı, veya dokunma hissini geri döndürebilecek bir yol, öyle ki protez eliyle dokunduğunda neye dokunduğunu hissedebilecek. Elinde sensörlerin olduğunu ve bunların yeni el derisine bastırdığını hayal edin. Gerçekten çok heyecan verici.

Ayrıca ilk başta asıl hedef grubumuz olan dirseğin üzerinden kolları kesik kaybetmiş olan insanlarla çalışmamıza devam ettik. İşte sadece küçük kas bölümlerinden sinirleri alıp diğerlirini bırakarak bize aşağı yukarı sinyalerini verecek ve iki tane de eli aç kapa sinyali verecek kadar. Bu ilk hastalarımızdan bir tanesi, Chris. Sekiz ay kullanımdan sonra orjinal aygıtıyla sol tarafta onu görüyorsunuz, ve sağ tarafta iki aylık kullanımdan sonraki hali. Bu basit performans ölçümüzde dört veya beş kat daha hızlı.

Peki. Mesleğimin en güzel yanlarından bir tanesi araştırmalarımızda bize destek olan harika hastalarla çalışabilmek. Amanda Kitts'in buraya geldiği ve bize katıldığı için bugün şanslıyız. Amanda Kitts'e hoşgeldin deyin.

(Alkışlar)

Amanda, bize kolunu nasıl kaybettiğini anlatabilir misin?

Amanda Kitts: Tabii ki. 2006'da bir trafik kazası geçirdim. İşten eve dönüyordum ve bir kamyon ters yönden geldi ve benim şeridime geçip arabamın üzerine çıktı ve dingili kolumu kopardı.

Todd Kuiken: Peki, kolunu kaybetmenin ardından iyileştin. Ve şimdi standart kollardan birine sahipsin. Nasıl çalıştığını bize anlatabilir misin?

AK: Peki, biraz zordu, çünkü biseps ve triseps kaslarıyla çalışmam gerekiyordu. Yani bir şeyi kaldırmak gibi en basit bir şey için bile dirseğimi büküp mod değiştirmesi için ardından iki kasıda birden kasmam gerekiyordu. Bunu yaptığımda, elimin kapanması için biseps kasını kullanmam gerekiyordu açılması için tricepsi kullanmam gerekiyordu, ve tekrar ikisini birden kasmam gerekiyordu ki dirseğim yeniden çalışsın.

TK: Yani biraz hantaldı ?

AK: Biraz hantaldı, ve çalıştırması gerçekten zordu. Çok fazla konsantrasyon gerektiyordu.

TK: Tamam, sanırım dokuz ay sonra "hedefli yeniden sinirle donatma" ameliyatı geçirdin, sinirlerinin yeniden donatılması altı ay kadar sürdü. Ardından ona yeni bir yapay kol taktık. Bu nasıl çalıştı ?

AK: Oldukça iyiydi. Dirseğimi ve elimi aynı anda çalıştırabiliyordum. Onları sadece düşünerek çalıştırabiliyordum. Ve artık o ikisini birden kasma gibi şeyleri yapmak zorunda değildim.

TK: Biraz daha hızlı ?

AK: Biraz daha hızlı. Ve çok daha kolay, çok çok daha doğal.

TK: Tamam, bu benim amacımdı. 20 yıldır amacım birilerinin dirseklerini ve ellerini aynı anda ve doğal bir şekilde kullanmalarını sağlamaktı. Ve şu an dünyada 50 den fazla hastaya bu ameliyat uygulandı, bir düzineden fazlası amerikan ordusundan yaralı askerlerimiz. Sinir transferinin başarı oranı oldukça yüksek. Yüzde 96 civarında. Çünkü küçük bir kas parçasının üzerine kocaman bir sinir koyuyoruz. Ve bu yapay kolun doğal kontrolünü sağlıyor. İşlevsel testlerimiz, buradaki küçük testler gibi, çok daha hızlı ve kolay olduklarını gösteriyor. Ve hepsinden önemlisi hastalarımız bundan memnunlar.

Bütün bunlar oldukça heyecan verici. Fakat daha iyisini yapmak istiyoruz. Bu sinir sinyallerinin içinde çok daha fazlası var, ve daha fazlasını elde etmek istiyoruz. Parmaklarınızı ayrı ayrı oynatabilirsiniz.Baş parmağınızı yada bileğinizi oynatabilirsiniz. Bundan daha fazlasını çıkarabilirmiyiz ? Bazı deneyler yaptık zavallı hastalarımıza sayısız elektrotlar takıp parmağı oynatmaktan bir şeye erişmek için bütün kolu oynatmaya kadar iki düzineden fazla hareket yaptırarak hareket esnasında oluşan sinyalleri kaydettik. Ve bu veriler üzerinde konuşma tanıma algoritmalarına benzeyen desen tanıma algoritmalarını kullandık. Gördünüz mü?

(Gülüşmeler)

Ve işte burada görüyorsunuz, Jesse'nin göğsünde, üç farklı hareket yaptıktan sonra farklı desenleri görebiliyorsunuz. Fakat ben bir elektrot yerleştirip "Oraya git" diyemem. Bu yüzden Amanda'nın şimdi göstereceği kontrol algoritması ile gelen New Brunswick Üniversitesinden meslektaşlarımızla işbirliği yaptık.

AK: Dirseğimi aşağı indirip yukarı kaldırabiliyorum. Bileğimi çevirebiliyorum -- tamamen çevirebiliriyorum. Bileğimi esnetip uzatabiliyorum . Ayrıca elimi açıp kapayabiliyourm.

TK: Teşekkürler Amanda. Bu bir araştırma kolu, fakat baştan aşağı ticari parçalardan yapıldı ve bir kısmını dünyanın farklı yerlerinden ödünç aldım. Yaklışık 3 kilo ağırlığında, ki eğer kolumu buradan kaybetmiş olsaydım kolumla aynı ağırlıkta olurdu. Tabii ki bu Amanda için ağır. Ve aslında olduğundan daha fazla ağır geliyor çünkü gerçek bir kol gibi yapışık değil. Bütün ağırlığı iplerle taşıyor.

Yani heyecan verici kısım mekatronik kısmından ziyade kontrol kısmı. Sırtına takılı duran ve kas sinyallerini kullanarak Amandanın eğittiği şekilde yapay kolu hareket ettiren bir mikrobilgisayar geliştirdik. Amanda yapay kolun ilk takıldığında kullanmaya alışman ne kadar sürdü ?

AK: Kullanmaya alışmam yaklaşık üç yada dört saat kadar sürdü. Bir bilgisayara bağlamam gerekiyordu, yani her yerde eğitemiyordum. Eğer bozulursa çıkarmam gerekiyordu. Şimdi arkadaki bu küçük parça ile eğitilebiliyor. Giyebiliyorum. Eğer bi şekilde çalışmayı bırakırsa, tekrardan eğitebiliyorum. Yaklaşık bir dakka sürüyor.

TK: Gerçekten çok heyecanlıyız, çünkü klinik olarak pratik bir cihaza sahip oluyoruz. Ve amacımız klinik olarak giyilebilecek pragmatik bir cihaza sahip olmak. Ayrıca Amanda'nın biraz önce gösterdiğimiz daha gelişmiş kolları kullanmasını sağladık. Burada Amanda DEKA Araştırma Şirketi tarafından yapılan bir kolu kullanıyor. Ve sanıyorum Dean Kamen bir kaç yıl önce bu kolu TED'de sundu. Gördüğünüz gibi Amanda oldukça iyi kontrol ediyor. Tamamen desen tanıma. Ve şimdi farklı tutma şiddetlerine sahip bir kolu var. Yaptığımız hastanın elini tamamen açıp "Elimi hangi sıkma seviyesinde sıkmak istiyorum" u düşünmesini sağlamak. O moda gidiyor ve böylece kolunuz ile beş yada altı farklı sıkma seviyesi elde edebiliyorsunuz. Amanda DEKA kolu ile kaç farklı tutma seviyesine erişebiliyorsun?

AK: Dört farklı seviyede sıkabiliyorum. ana sıkma, nesne tutma, güçlü sıkma, hafif çimdik. Fakat favorim ellerimin açık olması, çünkü çocuklarla çalışıyorum ve sürekli el çırpıp şarkı söylüyorsunuz, bunu tekrar yapabiliyor olmam gerçekten güzel.

TK: Bu el alkışlamak için iyi değil.

AK: Bununla alkışlayamam.

TK : Pekala. Bu daha iyi mekatronik ile nereye kadar gidebileceğimiz konusunda heyecan verici, piyasaya sürecek kadar iyi yapabilirsek eğer ve saha testine koyabilirsek. Dikkatlice izlemenizi istiyorum.

(Video) Claudia: Ooooo !

TK: Bu Claudia, ve protezinden ilk dokunma hissini aldığımız an. Protezinin ucunda küçük bir sensör var ve farklı yüzeylere sürtündükçe, farklı zımpara kağıdı dokularını, farklı kumtaşlarını, şerit kabloyu, yeniden sinirle donatılmış derisine bastırdıkça hissedebiliyor. Masa etrafında oynatırken parmağını sallanıyormuş gibi hissettiğini söyledi. Yani bu deri duyusunun nasıl geri getirilebileceğine ilişkin gerçekten heyecan verici bir labaratuar deneyi.

Fakat bu da bazı zorluklarımızı gösteren diğer bir video. Bu Jesse, ve bir sünger oyuncağı sıkıyor. Daha sert sıktıkça -- ne kadar sert sıktığıyla orantılı bir şekilde derisini sıkan ortada küçük siyah şeyi görüyorsunuz. Etrafındaki onca elektrotlara bir bakın. Burada gerçekten bir alan sorunumuz var. Oraya bir sürü şey koymanız gerekiyor, fakat küçük motorumuz bunların hemen yanında elektrotlardan alınan sinyalleri bozacak her türlü elektriksel gürültüyü yaratıyor. Yani burada gerçekten büyük zorluklarla mücadele ediyoruz.

Gelecek parlak. Bulunduğumuz konum ve yapmak istediğimiz onca şey hakkında heyecanlıyız. Örneğin, dar alan sorunundan kurtulup daha iyi sinyaller alabilmek. Bu küçük minicik kapsülleri geliştirip kasların içine koyup EMG sinyallerini uzaktan ölçmek istiyoruz böylece elektrot teması hakkında endişelenmemize gerek kalmayacak. Ve daha fazla dokunma hissi oluşturabilmek için yeterli alana sahip olabiliriz. Daha iyi bir kol yapmak istiyoruz. Bu kol -- bunlar her zaman yarı yarıya erkekler için yapılıyor-- yani dünyanın sekizde beşi için fazla büyükler. Yani süper güçlü ve süper hızlı bir kol yerine, yüzde 25 kadın eli olan bir kol yaparak başlıyoruz. sarmalayabilen bir eli olacak, tamamen açılabilecek, bilekte 2 dereceli hareket özgürlüğü ve bir dirsek. Yapılmış en küçük, en hafif, ve en akıllı kol olacak. Bir kere bu kadar küçüğünü yapabildiğimizde büyüklerini de yapabilmek zor olmayacak.

İşte bunlar amaçlarımızdan bazıları. Ve bugün burada olduğunuzdan dolayı gerçekten minnettarız. Biraz dün olanlardan ve olayın kötü taraflarından bahsetmek istiyorum. Amanda saat farkından dolayı biraz rahatsız olarak geldi, kolu kullanıyordu, ve herşey ters gitti. Bir bilgisayar casusu, kırık bir kablo, kıvılcım çıkartan bir dönüştürücü vardı. Otelde tüm devreyi çıkarttık ve neredeyse yangın alarmına basıyorduk. Ve bu problemlerin hiç birini tek başıma çözemezdim. fakat gerçekten çok parlak bir araştırma ekibim var. Ve şükür ki Dr. Annie Simon bizimleydi, devreyi onarmak için gerçekten çok çalıştı. İşte bilim. Ve şükür ki bu gün çalıştı.

Çok teşekkür ederim.

(Alkışlar)