Tankestyrd armprotes klarar vardagens utmaningar

För första gången någonsin används en konstgjord arm med permanent inopererat styrsystem i en människas dagliga liv. Den benförankrade (osseointegrerade) protesen ger patienten helt nya möjligheter i yrkeslivet och vardagen. Nästa steg för forskarna vid Chalmers och Sahlgrenska Universitetssjukhuset är att skapa beständig konstgjord känsel i armprotesen.
Det var i januari 2013 som patienten blev först i världen med att få en protes med fast inkoppling till skelett, nerver och muskler. Nu publicerar tidskriften Science Translational Medicine en studie om den långsiktigt stabila armprotesen.

Chalmersforskaren Max Ortiz Catalan är huvudansvarig för tankestyrningstekniken.

– Studien visar att protesen fungerar bra i verkligheten, och inte bara i kontrollerade laboratorieförsök, säger han. Den kombinerar en stabil infästning med en permanent och pålitlig kommunikation mellan människa och maskin. De här resultaten är ett viktigt steg mot en mer naturlig ersättning av förlorade armar och ben än vad amputerade människor har tillgång till idag.

Den permanenta infästningen skapas genom så kallad osseointegration. Det är en teknik för proteser som är utvecklad av Rickard Brånemark, forskare och överläkare på Sahlgrenska Universitetssjukhuset, som ledde operationen av patienten. Protesen är förankrad direkt i skelettet, vilket är en viktig orsak till att den fungerar långsiktigt.

Patientens arm är amputerad sedan drygt tio år. Före operationen använde han en så kallad hylsprotes som styrdes via elektroder utanpå huden. Sådana proteser är avancerade, men de är så obekväma och svåra att styra att hälften av de amputerade väljer att inte använda dem.

Nu har patienten alltså fått ett styrsystem inuti kroppen som gör att själva protesen kommer till sin rätt. Han arbetar som lastbilschaufför i norra Sverige, och upplever sedan operationen att han kan lösa alla situationer som han ställs inför. Allt ifrån att spänna fast lasten och hantera maskiner, till att plocka upp ägg och knyta sina barns skridskor.

Hylsprotesen som patienten hade tidigare begränsade honom på många olika sätt. Till exempel kunde han bara jobba utomhus i en kvart när det var kallt ute, innan styrningen av protesen slutade fungera för att elektroderna inte tål kyla. Var det varmt blev det också problem, eftersom signalöverföringen från huden stördes av svett. Dessutom gick protesen inte att styra vid snabba rörelser eller när han höjde armen över axelhöjd.

Numera slipper han sådana begränsningar. Den nya protesen kan också styras betydligt lättare och mer precist, och patienten har en helt annan helhetsupplevelse av den. Hylsprotesen uppfattade han som ett utanpåliggande föremål, som ofta var i vägen eller gled runt på armstumpen. Han brukade ta av den när den inte användes eftersom det var bekvämast utan. Protesen med det nya styrsystemet känns däremot som en naturlig och funktionell arm. Mer som en del av kroppen, som han ofta inte ens bryr sig om att ta av när han ska sova.

Patienten är dessutom en av de första i världen med att delta i ett försök att skapa beständig konstgjord känsel i en protes. Hans implantat kan nämligen också användas för att skicka signaler åt andra hållet – från armen till hjärnan. Det är forskarnas nästa steg för att skapa en naturlig ersättning för förlorade armar och ben.

– Den permanenta kopplingen mellan protes och människa är det svåraste steget för att få konstgjord känsel att funka i verkliga livet, och den är alltså på plats nu, säger Max Ortiz Catalan. Hittills har vi visat att patienten har fått en långsiktigt stabil förmåga att uppfatta en beröringssignal i fingrarna. Nu går vi vidare för att hitta ett sätt att stimulera nerverna så att det känns som naturliga sinnesförnimmelser. Till exempel för att kunna känna beröring och tryck, vilket man behöver för att instinktivt hålla lagom hårt i ett föremål.

Vid slutet av året planerar forskarna att starta en klinisk studie av den nya tekniken med fler patienter.


Studien An osseointegrated human-machine gateway for long-term sensory feedback and motor control of artificial limbs
publiceras i Science Translational Medicine den 8 oktober.


Text: Johanna Wilde
Foto: Linda Bränvall and Martin Carlsson


Bildtexter:
Toppbilden: Max Ortiz Catalan (till vänster) och Rickard Brånemark (till höger) tillsammans med världens första patient som har en tankestyrd armprotes inopererad, med fast inkoppling till skelett, nerver och muskler.
Övriga bilder: Den osseointegrerade protesen ger patienten helt nya möjligheter i yrkeslivet och vardagen.


TEDxGöteborg2014 den 18 november kommer Max Ortiz Catalan att berätta om den tankestyrda armprotesen och möjligheterna inom området.


Två videor med patienten:

http://www.chalmers.se/sv/forskning/filmer/Sidor/Prosthetic-control-using-implanted-electrodes-and-osseointegration-%28OPRA%29.aspx

http://www.chalmers.se/sv/forskning/filmer/Sidor/Prosthetic-control-using-implanted-electrodes,-osseointegration-%28OPRA%29,-and-pattern-recognition.aspx



Mer om: Hur tekniken funkar
Den nya tekniken kallas för OHMG, osseointegrated human-machine gateway. Implantatet förankras med en titanskruv direkt till benet i amputationsstumpen, genom så kallad osseointregration (osseo = ben). Samtidigt fästs elektroder på muskler och nerver i amputationsstumpen. De elektiska signalerna från musklerna och nerverna fångas upp i ett gränssnitt inne i titanskruven, där de översätts till rörelsesignaler. Dessa signaler leds ut till en koppling som går genom huden på amputationsstumpen. När protesen fästs på den kan den styras med tankekraft, precis som en vanlig arm, via viljestyrda muskel- och nervsignaler.


Mer om: Fördelar med den nya tekniken
OHMG är överlägsen dagens hylsproteser både när det gäller infästning och styrning. Hylsproteser fäst i en hylsa över axeln som sitter fast med en rem över överkroppen. OHMG, som däremot fästs direkt i skelettet, innebär att:
  • Protesen sitter så stabilt att personen kan luta sin kroppstyngd mot den.
  • Den glider inte och orsakar inte skavsår, vilket hylsproteser ofta gör.
  • Personen kan lyfta sin arm uppåt eftersom ingen hylsa tar emot.


Att elektroderna är implanterade inuti kroppen innebär att:
  • Elektroderna kan fånga upp mer muskel- och nervsignaler än elektroder utanpå huden. Därför kan patienten nu styra protesen med mindre ansträngning är förut. Styrningen är också mer precis, så han kan hantera mindre och ömtåligare föremål.
  • Mer signaler gör dessutom att man kan skapa fler rörelser i protesen. Dagens avancerade proteser möjliggör upp till tre så kallade frihetsgrader; öppning och stängning av handen, vridning av handleden och böjning av armbågsleden. Men så många tankestyrda rörelser går inte att få fram med dagens styrsystem, utan standard är en frihetsgrad (öppning och stängning av handen). Med OHMG har forskarna demonstrerat att det går att skapa flera frihetsgrader.
  • Elektroderna sitter skyddat inne i kroppen och påverkas inte av yttre faktorer såsom kyla. Signalöverföringen blir stabil, och när man väl har ställt in systemet och patienten har tränat in sig på styrningen så behöver man inte göra det igen. Med hylsproteser försämras signalöverföringen över tid, bland annat för att elektroderna flyttar sig när huden blir svettig. Då måste man justera hela systemet.
  • De implanterade elektroderna är också mindre känsliga för olika former av elektriska störningar. På grund av det kan patienten göra en mängd saker nu som han inte kunde göra med hylsprotesen. Några exempel är: sträcka armen högt upp, hålla ett föremål i handen samtidigt som han svänger med armen, och använda apparater som har en motor, till exempel en borrmaskin.


Mer om: Forskningen
Det osseointegrerade systemet för tankestyrning av proteser och konstgjord känsel har utvecklats i ett samarbete mellan Chalmers, Sahlgrenska Universitetssjukhuset, Göteborgs universitet och företaget Integrum. Forskningen har finansierats av Vinnova, Västra Götalandsregionen via ALF, Conacyt, Integrum och Promobilia.

Hundratals patienter världen över har idag en osseointegrerad protes, utvecklad av Rickard Brånemark och hans forskargrupp på Sahlgrenska Universitetssjukhuset. Chalmersforskaren Max Ortiz Catalan har nu tagit tekniken ett steg vidare genom tankestyrning av sådana proteser. Han har vidareutvecklat implantatet och byggt in neuromuskulära elektroder, sofistikerade avkodningsalgoritmer och elektronik. Detta ger användaren en mer naturlig styrning av sin protes, utöver den långsiktigt stabila mekaniska infästningen som osseointegration har visat sig ge. Max Ortiz Catalan har utfört arbetet med hjälp av Rickard Brånemark, samt Bo Håkansson på Chalmers.

Publicerad: on 08 okt 2014. Ändrad: må 03 nov 2014