Amputerade patienter upplever för första gången konstgjord känsel i tankestyrda armproteser som de använder till vardags. Tre svenskar har sedan flera år en sådan protes – som innehåller ett av världens mest integrerade gränssnitt mellan människa och maskin. Nu visar en studie i tidskriften New England Journal of Medicine att proteserna fungerar på ett naturligt sätt i patienternas dagliga liv.

Styrsystemet till den tankestyrda armprotesen vann Swedish Embedded Award 2018. På bilden Magnus Niska, Enzo Mastino och Max Ortix Catalan

Framstegen är världsunika: Patienterna har levt sina vanliga liv, med tankestyrda proteser, i upp till sju år. I upp till tre år har de också upplevt en ny funktion i vardagen – beröringskänsel i proteshanden.

Forskningen leds av Max Ortiz Catalan, docent i medicinteknik på Chalmers, i samarbete med Sahlgrenska Universitetssjukhuset, Göteborgs universitet och företaget Integrum i Göteborg. Forskare i Österrike och USA har också bidragit till den senaste studien.

– Vår studie visar att en proteshand som förankras i skelettet, och styrs med implanterade elektroder, kan göra mycket mer precisa rörelser än en konventionell proteshand, säger Max Ortiz Catalan. Funktionen förbättras ytterligare när vi återskapar förmågan att uppfatta beröringstryck, som innebär att patienterna känner hur hårt de ska greppa olika föremål. Över tid har patienterna blivit allt bättre på att uppfatta även små tryckförändringar mot proteshanden.

– Men det viktigaste resultatet i studien är att den här typen av protes kan vara en kliniskt genomförbar ersättning för en förlorad arm. Oavsett hur sofistikerat ett neuralt gränssnitt är så kan det bara göra verklig nytta om det finns en säker och långsiktigt stabil koppling mellan patienten och protesen. Vi har nu visat detta för första gången, med en armprotes som kan styras tillförlitligt och förmedla känsel, i patienternas vardag. Sedan de fick sina proteser har de använt dem kontinuerligt i både yrkesliv och på fritiden.

Armprotesen är unik eftersom den kombinerar flera olika egenskaper som inte har visats tillsammans hos någon annan liknande teknologi i världen:

Protesen har en permanent koppling till patienternas nerver, muskler och överarmsben.
Den har både tankestyrning och konstgjord känsel.
Patienterna behöver inte bära med sig någon tillhörande utrustning utanför kroppen, såsom batteri eller dator.
Tekniken har inte bara visat sig fungera under en kortare period i en kontrollerad labbmiljö. Den används fortlöpande av patienterna under alla deras vardagliga aktiviteter, utan hjälp från forskarna.
Den nyaste delen av teknologin, konstgjord känsel, utgår från tre trycksensorer i protesens tumme. Signalerna från dem överförs via ett implanterat gränssnitt i armstumpen till nerver som leder mot hjärnan. Patienterna kan därmed känna när de tar tag i ett föremål och hur hårt de trycker, vilket är avgörande för att efterlikna en biologisk hand.

– Idag är det inte sensorerna som är flaskhalsen för att skapa konstgjord känsel, säger Max Ortiz Catalan. Utmaningen är att skapa neurala gränssnitt som sömlöst kan överföra stora mängder artificiellt insamlad information till nervsystemet, på ett sätt som användaren kan uppfatta naturligt och utan ansträngning.

Operationerna inom projektet har gjorts på Sahlgrenska Universitetssjukhuset, ledda av professor Rickard Brånemark och doktor Paolo Sassu. Målet för hela det Chalmersledda forskarlaget och Integrum är att utveckla en brett tillgänglig produkt, som kan fungera för så många som möjligt av de över en miljon människor som lever med en amputerad arm eller ett ben runt om i världen.

– Just nu deltar de svenska patienterna i vår kliniska validering av teknologin för armproteser, säger Max Ortiz Catalan. Vi räknar med att detta system kommer att bli tillgängligt även utanför Sverige inom ett par år. Vi gör också stora framsteg med en motsvarande teknologi för benproteser, som vi planerar att implantera hos en första patient senare i år.

Armprotesens styrsystem kallas för E-Opra, och baseras på implantatsystemet Opra från Integrum AB. Implantatsystemet förankrar protesen i skelettet i amputationsstumpen genom så kallad osseointegration (osseo = ben). Samtidigt fästs elektroder på muskler och nerver inne i amputationsstumpen. E-Opra skickar signaler åt båda hållen mellan protes och hjärna, precis som i en biologisk arm.

Protesen styrs med tankekraft, via de viljestyrda elektriska muskel- och nervsignalerna i armstumpen, som elektroderna fångar upp. Signalerna leds till implantatet, som går genom huden och kopplas till protesen. De leds sedan till ett inbäddat kontrollsystem som forskarna har utvecklat. Det är tillräckligt litet för att få plats inuti protesen, och behandlar signalerna med sofistikerade avkodningsalgoritmer med hjälp av artificiell intelligens. Resultatet blir styrsignaler till proteshandens rörelser.

Den konstgjorda känseln utgår från trycksensorer i protestummen. Signalerna från dessa omvandlas av kontrollsystemet i protesen till elektriska signaler, som sedan stimulerar en nerv i armstumpen. Nerven leder till hjärnan, som därmed uppfattar trycknivån mot handen.

Implantatsystemet kan kopplas till alla kommersiellt tillgängliga proteser, så att de kan fungera mer effektivt.

Människor som förlorar en arm eller ett ben upplever oftast fantomkänslor, alltså att den saknade kroppsdelen finns kvar. När trycksensorerna i protestummen reagerar upplever patienterna i studien att förnimmelsen kommer från deras fantomhand. Var på fantomhanden det är varierar mellan patienterna, beroende på vilka nerver i armstumpen som tar emot signalerna. Det lägsta trycket kan upplevas som att huden nuddas med spetsen av en blyertspenna. Med ökande tryck blir förnimmelsen starkare och allt mer ”elektrisk”.

Den aktuella studien behandlar patienter som är amputerade ovanför armbågen. Det användningsområdet ligger närmast en färdig produkt. Forskargruppen arbetar parallellt med ett anpassat system för amputationer nedanför armbågen. Där finns det, i stället för ett stort ben, två mindre ben som implantatet ska förankras i. Gruppen arbetar också med att anpassa systemet för benproteser.

Utöver tillämpningen i proteser ger det permanenta gränssnittet mellan människa och maskin helt nya vetenskapliga möjligheter för att studera hur människans muskel- och nervsystem fungerar.

Max Ortiz Catalan leder labbet Biomechatronics and Neurorehabilitation Laboratory på Chalmers. Han håller också på att etablera det nya Center for Bionics and Pain Research på Sahlgrenska Universitetssjukhuset, i tätt samarbete med Chalmers och Göteborgs universitet. Där kommer teknologin att utvecklas vidare och implementeras kliniskt.

Forskningen har finansierats av Stiftelsen Promobilia, IngaBritt och Arne Lundbergs Forskningsstiftelse, Region Västra Götaland (ALF-anslag), Vinnova, Vetenskapsrådet och Europeiska forskningsrådet, ERC.

Chalmers utvecklar sin samverkan med sjukvården och den medicinska forskningen genom styrkeområde Hälsa och teknik.

Protesen är direkt kopplad till patientens nerver, muskler och skelett. De neurala gränssnitten består av elektroder runt de kapade nerverna. De muskulära gränssnitten består av elektroder som är implanterade i biceps och triceps. Skelett-gränssnittet har en titanskruv som är osseointegrerad i överarmsbenet – det innebär att bencellerna fäster direkt på den – vilket ger mekanisk stabilitet. En komponent i skelett-gränssnittet leder ut ur kroppen genom huden och kopplas till protesen. Elektriska kontakter som är inbäddade i skelett-gränssnittet levererar dubbelriktad kommunikation mellan protesen och elektroderna som är implanterade i nerver och muskler. Illustration: Sara Manca /Yen Strandqvist/Chalmers

Filed under: SvenskTeknik