Сенсорная обратная связь. Очувствленные протезы модернизировали ученые

Протезы стали чувствительнее, а фантомные боли после ампутации уменьшились на 70-80%. Таковы результаты четвертого этапа команды исследователей из Сколтеха, Дальневосточного федерального университета и компании «Моторика». 

Цель этого этапа работы — проверить протез с новой системой очувствления. Отличие этого прототипа от предыдущих заключается в том, что новая кибер-рука двигается свободно, без фиксации. Пилоты-испытатели брали хрупкие предметы кибер-рукой и могли перемещать их.

Исследование проводится с  2021 года, и одно из ключевых достижений — создание прототипа серийной модели протеза. Его особенность — в наличии сенсорной обратной связи.

Ранее протез руки был зафиксирован и позволял совершать действия исключительно сидя

Управление бионическим протезом всё ещё существенно отличается от использования естественной руки. Мы работаем над тем, чтобы сделать киберпротезы с очувствлением. В 2024 году планируется открытие Центра кибернетической медицины и нейропротезирования, где одной из главных задач будет создание и применение новых типов протезов с обратной связью.

• Андрей Давидюк, генеральный директор «Моторики»

Мы вживили электрод в периферический нерв и спинной мозг и провели ряд исследований, чтобы создать протез, идеально соответствующий индивидуальным параметрам пациента.

• Артур Биктимиров, нейрохирург Медицинского комплекса ДВФУ 

Он отметил, что в России только в ДВФУ проводятся операции по очувствлению протезов и купированию фантомных болей. Работа ведётся в рамках программы «Приоритет-2030».

Новый пациент потерял кисть в результате взрыва и испытывал сильные боли. Нам удалось снизить их на 70–80% с помощью электростимуляции, даже без протеза. С протезом мы полностью избавили пациента от фантомных болей. Этот этап очень значим для нас, так как мы рассчитываем на долгосрочный результат. Специалисты продолжат отслеживать и корректировать лечение, когда электрод полностью приживется к нерву. Если предыдущие этапы были направлены на мгновенный результат, то сейчас мы хотим оценить, как будут меняться показатели с течением времени. Для этого нужно делать акцент на послеоперационном состоянии.

• Артур Биктимиров

Мы тщательно проработали протокол исследований, чтобы с уверенностью сказать, что эффект стимуляции сохраняется в течение длительного периода после стабилизации на нерве и будет таким же эффективным, как и на первоначальном этапе. Мы подтвердили наши гипотезы, однако для продолжения исследования нам все еще необходима большая выборка пациентов. Сейчас мы ищем пациентов с травмой верхней конечности и фантомными болями, для участия нужно обратиться в “Моторику”.

• Юрий Матвиенко, руководитель департамента нейротехнологий «Моторики»

В отличие от предыдущих этапов, на этот раз исследование проводилось в два раунда, с расширенным периодом реабилитации после вживления электродов. Второй раунд, который прошел спустя несколько месяцев после операции, позволил специалистам проверить протокол реабилитации пациентов. Также были получены ценные сведения о снижении подвижности электродов в ткани с течением времени. Дело в том, что электроды не сразу «приживаются» и принимают неподвижное положение.

В ходе исследования также регулярно измерялась скорость выполнения задания пациентом. К последнему измерению испытуемому удалось выполнить задания быстрее более чем в полтора раза.

На этом этапе мы впервые в полной мере реализовали систему двунаправленного нейропротеза. Этот протез управляется через электромиографический интерфейс и  позволяет получать сенсорную обратную связь в виде электростимуляции, которая вызывает ощущения в утраченной конечности. Пациент выполнял задания по перемещению объектов при помощи протеза руки в движении. Он ощущал их кончиками пальцев. Пациент смог даже перенести стакан, полный хрупких шариков, и не рассыпать их. Кроме того, одному пациенту удалось почувствовать пятку протеза при помощи умной стельки.

• Гурген Согоян, аспирант Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана в Сколтехе и научный координатор проекта

Еще одно новшество четвертого этапа  — использование айтрекинга — технологии отслеживания положения глаз. При помощи алгоритмов искусственного интеллекта и системы слежения за взглядом пациентов, измерялись разные показатели: фиксация пациентом на своем протезе, на перемещаемом предмете и на других объектах среды. Такая система позволяет определить увеличение когнитивной нагрузки пациента при выполнении заданий при помощи протеза. Результаты 4-го этапа показали, что благодаря увеличению естественной чувствительности в протезе, паттерн наблюдения за протезом у пациента поменялся — зрительная фиксация на протезе снизилась. Успешность схватов протеза стала оцениваться больше за счет ощущений, а не зрения.

Также исследовали корреляцию между активностью мозга и интенсивностью тактильных ощущений. Исследователи учатся в режиме реального времени извлекать данные об ощущениях человека из электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Подобные эксперименты проводились на животных около 20 лет назад под руководством нейробиолога Михаила Лебедева, научного лидера и вдохновителя проекта. Теперь же аналогичные результаты, полученные в исследованиях на людях, представляют собой значительный шаг в развитии науки.

«Моторика» продолжает инвазивные исследования по очувствлению протезов и купированию фантомных болей.

Команда ищет добровольцев с ампутациями и фантомными болями для исследования — подать заявку на участие. 

Сколтех — негосударственный международный университет, который готовит новое поколение лидеров в области технологий, науки и бизнеса, проводит передовые исследования по приоритетным направлениям научно-технологической повестки, содействует внедрению технологий и развитию предпринимательства. В институте работают центры по направлениям искусственного интеллекта, наук о жизни и агротехнологий, современной инженерии и перспективных материалов, энергоэффективности и энергоперехода, телекоммуникаций и фотоники, перспективных исследований. Основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Сколтех дважды вошёл в топ-100 лучших молодых университетов мира престижного рейтинга Nature Index, а в рейтинге Research.com занимает второе место в общем зачёте и первое по материаловедению и генетике среди российских университетов. По версии SCImago Institutions Rankings, Сколтех — № 1 в России в области компьютерных наук. 

«Моторика» — компания медицинской кибернетики: разрабатывает и производит функциональные протезы рук для взрослых и детей от 2-х лет, а также создаёт человеко-машинные интерфейсы и экосистему реабилитации. В 2024 году компания планирует выпустить протезы ног и нейростимуляторы для симптоматического лечения нейродегенеративных заболеваний и купирования болей. С 2016 года компания изготовила более 8000 протезов пользователей из 17 стран мира среди которых пользователи из России, СНГ, Франции, Индии, MENA и Юго-Восточной Азии. «Моторика» имеет самую широкую линейку протезов рук в мире. В протезах применяются: 3D-печать, графеновый силикон для сенсорных экранов, интернет вещей, ИИ-управление, а над оформлением протезов работает дизайн-студия. Для реабилитации используется VR-тренажёр и обучающая онлайн-платформа. «Моторика» проводит инвазивные исследования по очувствлению протезов и купированию фантомных болей. Сегодня испытуемые с помощью протезов рук могут различить твёрдый предмет или мягкий, а также его размер.

Фото: пресс-служба ДВФУ