En naturtrogen protesarm

Människor som tappat en arm har traditionellt sett inte haft mycket hopp om att någonsin återfå en meningsfull funktion. Armproteser har styrts på ett rudimentärt sätt, genom att omvandla kvarvarande axelrörelser eller muskelsignaler till de enklaste rörelsekommandona. Dessa konstgjorda armar kan inte göra två saker samtidigt, än mindre tre eller fyra. Amputerade slänger ofta in dem i garderoben av ren frustration, något svedda av det faktum att benamputerade har mycket bättre produkter tillgängliga för dem.

En bionisk arm: Efter att ha genomgått ett nytt kirurgiskt ingrepp kan Claudia Mitchell kontrollera en armprotes på samma sätt som hon en gång kontrollerade sin riktiga arm, utföra komplexa rörelser som att plocka upp små föremål och släppa dem i en kopp.

Men situationen börjar förändras, tack vare ett team ledd av Todd Kuiken, chef för Rehabilitation Institute of Chicagos Center for Bionic Medicine. Kuiken har utvecklat en ny kirurgisk teknik som, när den paras ihop med både motoriserade protesarmar som redan finns på marknaden och experimentella bioniska armar utvecklade genom ett program för Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), ger amputerade en anmärkningsvärd grad av skicklighet. Claudia Mitchell, som förlorade sin arm i ett motorcykelvrak 2004, minns att hon satte på en protes efter att ha genomgått Kuikens ingrepp och såg det fungera för första gången: Du kunde inte torka bort det flinet från mitt ansikte. Jag kan nu stryka en tröja igen som ingen har något att göra. Mitchell har blivit en hit på fester. Folk kan inte tro hur det här fungerar, säger hon. De vill se mig göra saker med den.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Enheten aktiveras av kommandon från överlevande armnerver som har transplanterats och kopplats om till muskler någon annanstans - vanligtvis, som i Mitchells fall, i bröstet. Nerverna skickar elektriska signaler för att kontrollera protesarmen, med resultat så naturliga att observatörer ofta inte inser att armen är bionisk förrän de lyssnar noga efter ljudet av snurrande motorer. Proceduren kallas riktad muskelrennervation och är unik eftersom den tillåter intuitiv kontroll över robotens extremitet. Efter ungefär sex månaders läkning kan patienter röra armen bara genom att tänka på vad de vill att den ska göra, precis som de en gång gjorde med sina riktiga armar. Berätta för Mitchell Böj din arm, och musklerna i hennes bröst krymper omedelbart – en högst märklig syn. Men hon funderar inte på att flytta sina bröstmuskler. Snarare funderar hon på att böja sin arm, och den tanken flyttar bröstmusklerna för att få robotarmen att göra hennes bud.

Kuiken publicerade nyligen lovande testresultat i Journal of the American Medical Association , som visar att fem patienter som uppmanades att utföra 10 olika armrörelser med en virtuell protes kunde göra det nästan lika lätt som icke-amputerade i en kontrollgrupp: deras svarstid var mindre än en kvarts sekund längre. (Den virtuella protesen gör det möjligt för forskare att lättare ta reda på hastigheten och nivån av kontroll som kan hämtas från muskelsignaler. Forskare utförde liknande experiment med mekaniska armar.) I en medföljande ledare skrev den banbrytande biomedicinska ingenjören Gerald Loeb, The speed as samt rörelsernas noggrannhet representerar avsevärda förbättringar jämfört med tidigare system. Ännu viktigare är dock hur lätt patienterna lärde sig utföra uppgifter som kräver koordinerad rörelse i mer än en led. Han drog slutsatsen: Med ökande funktionsförmåga kan patienter med amputationer i övre extremiteter få exceptionell nytta av armproteser, precis som legioner av patienter med amputationer i nedre extremiteter nu lever anmärkningsvärt normala och till och med atletiska liv. (Benproteser har kommit längre i utvecklingen eftersom det finns en större marknad för dem: 90 procent av de amputerade har tappat nedre extremiteter. Dessutom kräver benen inte lika mycket skicklighet som armar.)

Resan från första konsultation i Chicago till full funktionalitet – säg, möjligheten att skiva en citron med proteshanden samtidigt som du håller den med en naturlig hand – tar ofta ett år eller längre. Patienterna genomgår först en två timmar lång operation utförd av Greg Dumanian, en plastik- och handkirurg i Chicago som har arbetat nära Kuiken för att utveckla proceduren. Dumanian identifierar den överlevande delen av nerverna som tidigare ledde elektriska signaler från ryggmärgen till den förlorade extremiteten; sedan överför han dem till muskler i bröstet eller överarmen. Den nerv som normalt skulle få handen att stängas kan till exempel överföras till en del av bröstmuskeln. (Det exakta förfarandet varierar beroende på patientens skador.) När robotarmen är på plats upptäcker en elektrod på bröstet sammandragningar i denna muskel och skickar signalen till protesen. Protesen är programmerad att tolka den signalen som ett kommando att stänga handen, och handlingen sker vanligtvis mindre än en halv sekund efter att bröstmuskeln rör sig.

De experimentella bioniska armarna är också programmerade med mönsterigenkänningsalgoritmer för att dechiffrera den snabba serien av nervsignaler som styr hand- och handledsrörelser. De mer än 30 patienter som har genomgått ingreppet rapporterar att de lätt kan skiva paprika, öppna en påse mjöl, sätta på sig ett bälte, använda ett måttband eller ta ut en ny tennisboll från en behållare.

Bland flera experimentella tillvägagångssätt för att förbättra armproteser, inklusive överföring av nerver direkt till en protes och avkodning av rörelsesignaler direkt från hjärnan, är Kuikens teknik den som har gjort störst framsteg. Den förra har ännu inte testats på människor, och den senare anses för närvarande vara för farlig för de flesta patienter, eftersom den kräver hjärnkirurgi. Kuiken säger att han ser riktad reinnervation som ett snabbare och mer praktiskt sätt att återställa viktiga funktioner. (Hans tillvägagångssätt kommer dock inte att hjälpa quadriplegics, eftersom nerverna måste vara intakta för att proceduren ska fungera.) Än så länge utförs proceduren endast på Kuikens rehabcenter; i pågående studier erbjuder centret det till alla patienter för vilka det bedöms som medicinskt lämpligt.

Hur avancerad den än är, saknar den experimentella protesen fortfarande en viktig funktion: känsla. Om Mitchell skulle placera sin bioniska hand på en het panna, skulle hon inte ha något sätt att veta dess temperatur. Att ge protesen sensoriska förmågor som liknar dem hos en riktig lem är mer komplicerat än att återställa rörelse. Men det är inte omöjligt. Medan Kuikens procedur fokuserar på att röra motoriska nerver, som leder nervsignaler från hjärnan till musklerna, verkar det som att sensoriska nerver, som bär signaler från huden till hjärnan, också påverkas. Patienter, inklusive Mitchell, har rapporterat att när vissa områden av deras omkopplade bröstmuskler berörs, känns det som om deras saknade hand berörs. Placera en isbit på bröstet, och en fantomhand blir kall.

Kuiken, Loeb och andra studerar sätt för den bioniska armen att använda sig av denna sensoriska information. Till att börja med behöver de sensorer som kan stå emot fukt, värme och andra fysiska händelser i det dagliga livet. De måste sedan leverera den sensoriska informationen till bäraren.

Men vad som är klart nu är att för första gången är en användbar armprotes i sikte. Vi försöker inte skapa en bionisk person som kan hoppa över höga byggnader och plocka upp bilar, säger Kuiken. Vi försöker göra något som återställer en bråkdel av den otroliga funktionen och kraften och effektiviteten hos en mänsklig lem. För armamputerade som Claudia Mitchell innebär det att få en chans som benamputerade har haft i flera år.

Michael Rosenwald är personalskribent på Washington Post .

Dölj