این پروتز زانو، توانایی حرکت طبیعی را به افراد قطع عضو شده بازمی‌گرداند

به گزارش ایران اکونومیست، پژوهشگران دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) نوعی زانوی بیونیک جدید ابداع کرده‌اند که می‌تواند به افراد مبتلا به قطع عضو از بالای زانو کمک کند تا سریع‌تر گام بردارند، از پله‌ها بالا بروند و راحت‌تر از موانع دوری کنند.

به نقل از ام‌آی‌تی نیوز، برخلاف پروتزهایی که در آنها اندام باقیمانده درون یک سوکت قرار می‌گیرد، این سیستم جدید مستقیماً با عضله و بافت استخوانی کاربر ادغام می‌شود. این امر به پایداری و کنترل بیشتر کاربر بر حرکت پروتز کمک می‌کند. شرکت‌کنندگان یک آزمایش بالینی کوچک گزارش دادند که اندام مورد نظر را بیشتر از پروتزهای سنتی شبیه به بخشی از بدن خودشان احساس کرده‌اند.

«هیو هر»(Hugh Herr) استاد دانشگاه ام‌آی‌تی و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: پروتزی که با بافت ادغام شده و به استخوان متصل شده و مستقیماً توسط سیستم عصبی کنترل می‌شود، صرفاً یک دستگاه بی‌جان و جداگانه نیست، بلکه سیستمی است که با دقت در فیزیولوژی انسان ادغام شده است و سطح بالاتری را از تجسم پروتز ارائه می‌دهد. این صرفاً یک ابزار نیست که انسان از آن استفاده می‌کند، بلکه بخش جدایی‌ناپذیری از خود اوست.

در طول چند سال گذشته، آزمایشگاه هیو هر روی پروتزهای جدیدی کار کرده است که می‌توانند اطلاعات عصبی را از عضلات باقی‌مانده پس از قطع عضو استخراج کنند و از آن اطلاعات برای هدایت اندام مصنوعی بهره ببرند.

در طول روند سنتی قطع عضو، عضلاتی که به نوبت کشیده و منقبض می‌شوند، معمولاً قطع می‌شوند و رابطه طبیعی آگونیست-آنتاگونیست عضلات مختل می‌شود. این اختلال، حس کردن موقعیت عضله و سرعت انقباض آن را برای سیستم عصبی بسیار دشوار می‌کند.

با استفاده از روش جدید هر و همکارانش که به عنوان «رابط میونورونال آگونیست-آنتاگونیست»(AMI) شناخته می‌شود، جفت‌های عضلانی در طول جراحی دوباره به هم متصل می‌شوند تا همچنان به صورت پویا در اندام باقی‌مانده با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این بازخورد حسی به کاربر پروتز کمک می‌کند تا تصمیم بگیرد که چگونه اندام را حرکت دهد و همچنین، سیگنال‌های الکتریکی را تولید می‌کند که می‌توان از آنها برای کنترل اندام مصنوعی استفاده کرد.

در پژوهشی که در سال ۲۰۲۴ انجام شد، پژوهشگران نشان دادند افرادی که قطع عضو آنها از زیر زانو بوده و تحت عمل جراحی AMI قرار گرفته‌اند، می‌توانند سریع‌تر راه بروند و بسیار طبیعی‌تر از موانع عبور کنند. پژوهشگران در این پروژه جدید، روش خود را برای خدمت‌رسانی بهتر به افراد قطع عضو از بالای زانو توسعه دادند. آنها می‌خواستند سیستمی ایجاد کنند که نه تنها بتواند سیگنال‌های عضلات را با استفاده از AMI بخواند، بلکه با استخوان نیز ادغام شود و ثبات بیشتر و بازخورد حسی بهتری را ارائه دهد.

پژوهشگران برای دستیابی به این هدف، روشی را برای قرار دادن یک میله تیتانیومی در استخوان ران باقی‌مانده در محل قطع عضو ابداع کردند. این ایمپلنت توانایی کنترل مکانیکی و تحمل بار را بهتر از پروتز سنتی فراهم می‌کند. علاوه بر این، این ایمپلنت حاوی ۱۶ سیم است که اطلاعات را از الکترودهای واقع در عضلات AMI در بدن جمع‌آوری می‌کنند و این کار، انتقال دقیق‌تر سیگنال‌های دریافتی از عضلات را امکان‌پذیر می‌سازد.

این سیستم ادغام‌شده با استخوان که با نام «e-OPRA» شناخته می‌شود، سیگنال‌های AMI را به یک کنترل‌کننده رباتیک جدید که به ‌طور ویژه برای این پژوهش ابداع شده است، منتقل می‌کند. کنترل‌کننده از این اطلاعات به منظور محاسبه گشتاور لازم برای حرکت پروتز به روش مورد نظر کاربر استفاده می‌کند.

«تونی شو»(Tony Shu) از پژوهشگران این پروژه گفت: همه قسمت‌ها با هم کار می‌کنند تا اطلاعات بهتر به بدن وارد و از آن خارج شوند و ارتباط بهتری از نظر مکانیکی با دستگاه برقرار شود. ما مستقیماً اسکلت را بارگذاری می‌کنیم که بخشی از بدن است؛ برخلاف سوکت‌ها که ناراحت‌کننده هستند و می‌توانند به عفونت‌های مکرر پوستی منجر شوند.

در این پژوهش، دو نفر سیستم ترکیبی AMI و e-OPRA را که به عنوان «پروتز مکانیکی عصبی ادغام‌شده با استخوان»(OMP) شناخته می‌شود، دریافت کردند. این کاربران با هشت نفر که جراحی AMI داشتند اما ایمپلنت e-OPRA نداشتند و هفت نفر که هیچ کدام را نداشتند، مقایسه شدند. همه افراد به نوبت از یک پروتز برقی زانو که در این آزمایشگاه ساخته شده بود، استفاده کردند.

پژوهشگران توانایی شرکت‌کنندگان را در انجام دادن چندین نوع کار از جمله خم کردن زانو تا زاویه مشخص، بالا رفتن از پله‌ها و عبور از موانع بررسی کردند. کاربرانی که از سیستم OMP استفاده می‌کردند، در بیشتر این کارها عملکرد بهتری را نسبت به افرادی که جراحی AMI داشتند اما ایمپلنت e-OPRA نداشتند و بسیار بهتر از کاربران پروتزهای سنتی نشان دادند.

«مایکل گلدفارب»(Michael Goldfarb) استاد مهندسی مکانیک و مدیر مرکز مکاترونیک هوشمند در «دانشگاه وندربیلت»(Vanderbilt University) که در این پژوهش مشارکتی نداشته است، گفت: این پژوهش نشان‌دهنده تحقق رؤیایی است که جامعه علمی مدت‌هاست در سر دارد. این رویا پیاده‌سازی و نمایش یک پای رباتیک کاملاً یکپارچه از نظر فیزیولوژیکی و کنترل‌شده با اراده کاربر است. این کار واقعاً دشوار است و پژوهشگران به خاطر تلاش‌های خود در تحقق چنین هدف چالش‌برانگیزی، شایسته تقدیر فراوان هستند.

این پژوهش در مجله «Science» به چاپ رسید.