Czucie w protezie

Protezy poruszane za pomocą myśli, potrafiące czuć i przekazywać doznania przestały być przedmiotami z opowieści science fiction. Czy zwiastują erę ludzi będących bioelektronicznymi hybrydami?

Jesse Sullivan był doświadczonym elektrykiem od lat pracującym na słupach wysokiego napięcia jako instalator. Tego dnia jak zwykle wspiął się na słup, przymocował pasami i wziął się do pracy. Omyłkowo dotknął kabla, którym płynęło 7,5 tys. woltów. Porażenie było tak duże, że w szpitalu musiano mu amputować dwie ręce poniżej barków. Jesse nie podejrzewał wtedy, że dwa miesiące później będzie pierwszym na świecie właścicielem bionicznej ręki. Dr Todd A. Kuiken, dyrektor Centrum Neuro-inżynierii w Instytucie Rehabilitacji w Chicago, wyjaśnił mu, czym jest ręka bioniczna i czym różni się od elektronicznej protezy.

Jesse Sullivan wita się z Claudią Mitchell. Fot.: arch. producenta protez

Protezę elektroniczną podłącza się do mięśni kierujących ruchami ręki. Działa na zasadzie odbioru impulsów i natężenia napięcia w mięśniach. Te mięśnie Jeese stracił. Dr Kuiken znalazł jednak sposób, aby Jesse mógł poruszać swoją sztuczną ręką. Końcówki nerwów w ręce pacjenta połączył chirurgicznie z mięśniami znajdującymi się na klatce piersiowej. Gdy chciał poruszyć sterowaną cyfrowo ręką, impulsy z barku „przechodziły” do tych mięśni. Specjalne czujniki przymocowane do mięśni klatki piersiowej i elektroniczny układ w protezie natychmiast wychwytywały ich natężenie, przekazując sygnał do silniczków, które wprawiały w ruch protezę.

Jesse Sullivan ze swymi bionicznymi protezami wypełnionymi układami cyfrowymi i hydraulicznymi, napędzanymi sześcioma silniczkami elektrycznymi każda, wygląda niczym robot z filmów fantasy. Prawdą jest jednak, że tylko protezy bioniczne są w stanie wykorzystać technikę przekazywania sygnału „od mózgu do ręki” i „docenić” istniejące połączenia nerwowe amputowanych kończyn. Każda z części protezy: łokieć, przegub, bark, kość barkowa i dłoń – ma własny silnik. Silniki skonstruowały cztery różne firmy (w USA, Niemczech, Szkocji i Chinach) i każdy reaguje bezpośrednio na myśli Sullivana. Gdy chce zacisnąć dłoń, polecenie z mózgu przekazywane nerwami w formie impulsów elektrycznych „biegnie” do mięśni na klatce piersiowej. Te kurczą się, a przymocowane czujniki odbierają ich pole elektryczne, by przesłać je do specjalnego wzmacniacza, a następnie cyfrowego przetwornika sygnałów. Przetwornik interpretuje sygnał i wysyła polecenie, np. do silnika dłoni, który powoduje jej zaciśnięcie. Wszystko trwa ułamek sekundy.

– Jesse robi to samo co przed wypadkiem – mówi Bill Hanson z firmy Liberating Technologies Inc., która wyprodukowała dla niego sztuczne ręce. – Gdy chce podnieść coś ze stołu lub sięgnąć po przedmiot znajdujący się wyżej, jego proces myślowy jest dokładnie taki jak u ludzi mających ręce.

Czuję, więc jestem
Największym zaskoczeniem dla lekarzy i naukowców było jednak coś innego. Jesse Sullivan zaczął czuć swoją sztuczną bioniczną rękę. Końcówki nerwowe jego ręki musiały znaleźć receptory w mięśniach klatki, bo gdy dotykano protezę, Jesse czuł dotyk na klatce. Sztuczną ręką wyczuwał także zmianę temperatury, potrafił nią ocenić giętkość dotykanego materiału. Inżynierowie protez (Jesse dostał też protezę drugiej ręki) zdecydowali się wykonać więcej połączeń między protezami a czujnikami na klatce piersiowej, aby dostarczały jak najwięcej sygnałów.

Bionicznymi rękami Jesse Sullivan może na razie wykonywać kilka ruchów: zginać je w łokciu, obracać dłońmi na przegubach, zamykać je i otwierać oraz obracać wyprostowane ramiona. Pozwala mu to zdjąć i założyć czapkę, wyjąć przedmioty z kredensu, uchwycić i nacisnąć klamkę, wspinać się na drabinę, malować płot, plewić ogródek, i na inne czynności. Może także przytulić wnuczka.

Nie wszystko jest jednak doskonałe. Największa trudność w działaniu bionicznej protezy dotyczy poprawnego zinterpretowania otrzymanych (przez przetwornik) sygnałów, a w konsekwencji tego, w jakim kierunku ma się obrócić silnik, jak szybko obrócić kończyną i jak mocno zacisnąć dłoń. Trwają prace nad sporządzeniem pełnej mapy ruchów ramienia i ręki, aby przetwornik mógł dokładnie określić, jaki chwyt dłonią zamierza wykonać Jesse – lekki czy silny. Ma mu w tym pomóc specjalne oprogramowanie, które „przygląda się” sygnałom wytwarzanym przez jego mięśnie podczas zaplanowanych działań (i uczy się od nich).

Schemat działania bionicznej ręki. Fot.: arch. producenta protez

Wszyscy przyznają, że metoda dr. Kuikena daje niezwykłe perspektywy. Zespół już pracuje nad tym, aby Jesse mógł rozpoznawać dotykiem przedmioty ściskane w dłoni.

Wydarzeniem medialnym było spotkanie Sullivana z pierwszą kobietą, której założono bioniczną protezę. 26-letnia Claudia Mitchell straciła rękę w wypadku motocyklowym. U niej także przesunięto zakończenia nerwowe z ręki na mięśnie klatki piersiowej, dzięki czemu za pomocą myśli może poruszać protezą. Światowe agencje okrzyknęły ich spotkanie pierwszym bionicznym uściskiem rąk.

Wideooko
Jedynym Polakiem, który ma bioniczną protezę, jest Marcin Kaczmarzyk, student z Rzeszowa. Rok temu we własnym domu stracił rękę, trzy palce dłoni, oko, częściowo wzrok w drugim oku i częściowo słuch. Tego dnia usiadł przy biurku w pokoju i zapalił lampkę. Mieszkaniem wstrząsnął wybuch. W gruzach legła ściana działowa, podmuch wybił wszystkie szyby w mieszkaniu. Mieszanką wybuchową okazały się opary przechowywanych w pokoju chemikaliów. Marcin wykorzystywał je do doświadczeń, m.in. do wytwarzania meteorytów. To była jego pasja.

Przez trzy tygodnie w krytycznym stanie walczył o życie. Przeszedł wiele operacji. Gdy opuścił szpital, rodzina i znajomi postanowili zbierać dla niego środki na bioniczną dłoń. Znana amerykańska firma zgodziła się przygotować ją za niższą kwotę 27 tys. funtów. Kiedy mu ją założono, był w stanie poruszać palcami protezy, chwytać przedmioty, a nawet przenosić 20-kilogramowe ciężary.

Najważniejsze przy instalowaniu tej protezy jest odpowiednie założenie nakładki odpowiedzialnej za odbieranie impulsów z mięśni. Nakładka z czujnikami odbiera sygnał z mięśni kikuta i przekazuje polecenia do urządzenia.

– Wiele rzeczy mogę protezą wykonywać samodzielnie – mówi Marcin. – To fantastyczne uczucie móc nieść torbę z zakupami. Moim największym marzeniem jest teraz odzyskanie wzroku i powrót na studia.

Marcin Kaczmarzyk. Fot.: arch. Marcina Kaczmarzyka

Wielką nadzieję wśród osób niewidomych wzbudziła pierwsza operacja wszczepienia bionicznego oka, przeprowadzona w ub.r. w Wielkiej Brytanii. Bioniczny implant umieszczono z tyłu gałki ocznej pacjenta i połączono go ze sprawnym częściowo nerwem wzrokowym. Sygnał do implantu przekazywany jest bezprzewodowo przez miniaturową kamerę wideo, wbudowaną w okularach. Przetworzony sygnał dostaje się do maleńkich elektrod w implancie, stymulujących nerw. Stymulacja jednej elektrody powoduje, że pacjent widzi pojedynczą plamkę światła. Im więcej elektrod, tym większa szansa utworzenia obrazu pozwalającego pacjentowi rozpoznawać czarno-białe zarysy przedmiotów. Choć obrazy tworzone przez sztuczne oko wydają się bardzo proste i mało wyraźne (w ocenie osób widzących), dla osoby niewidomej mogą okazać się bardzo pomocne. To na razie prototyp bionicznego oka. Naukowcy wierzą, że uda im się udoskonalić go na tyle, by umożliwił rozpoznawanie twarzy.

Którędy do sprawności?
Rozwój protez bionicznych, mających wspierać osoby z niepełnosprawnością i działających w połączeniu z ich tkanką nerwową, jest coraz szybszy. Badania nad bionicznymi protezami zrodziły się z potrzeby pomocy wielu ofiarom wypadków, ale zastępowanie części ciała urządzeniami, które naśladują ich naturalne funkcjonowanie, jest wciąż na etapie początkowym. Niektórzy nie wróżą bionice powodzenia, uważając, że przeszczepy biologiczne kończyn (a nawet biologiczne ich hodowanie) mają większe szanse powodzenia.

Protezy bioniczne oparte na elektronice to skomplikowane urządzenia. Im więcej mają mechanizmów, tym są cięższe i droższe. Cena najprostszych zaczyna się od kilkudziesięciu tysięcy dolarów. Niezwykle drogi jest także serwis, a nie są to urządzenia bezawaryjne. Zmieniające się wymiary i właściwości organizmu właściciela protezy (masa mięśniowa, wzrost itp.) stanowią dodatkowy problem.

Zwolennicy bionicznych protez są jednak optymistami. Uważają, że dzisiejsze problemy zaczną znikać, ceny protez spadną i staną się one bardziej niezawodne, kiedy zwiększy się rynek i wejdą do masowej produkcji. Wtedy pojawią się także niezależne serwisy. Wierzą, że dojdzie do tego szybciej, niż do powstania technologii wytwarzania biologicznych kończyn.