Протез конечности обеспечивает естественную походку благодаря электромиографии
Биологическая походка требует скоординированного двигательного контроля за счет сложного взаимодействия афферентных и эфферентных путей, что затрудняет ее имитацию при нейропротезировании после ампутации конечности. Одним из способов достижения физиологических взаимодействия мышц является хирургическое соединение агонистов и антагонистов. Ученые из Мичиганского университета усовершенствовали протезы нижних конечностей с помощью электромиографии. По их замыслу, сокращения мышц во время походки должны считываться и передаваться для того, чтобы протез подстраивался под положение ноги человека. У людей, использовавших протезы с электромиографическим контролем, отмечалось увеличение скорости ходьбы и улучшении координации в сравнении с группой пациентов со стандартными протезами. Статья опубликована в Nature medicine.
Графическая иллюстрация статьи
Естественная походка человека требует постоянного произвольного и рефлекторного контроля, а также сложного взаимодействия между поступающими и исходящими сигналами в нервной системе. В связи с этим, ученые и врачи десятки лет бьются над тем, чтобы движения протеза нижней конечности были максимально приближены к движениям здоровой ноги.
Одним из решений проблемы некоординированной работы мышц при ампутации ноги ниже колена является новый тип оперативного вмешательства – хирургическое соединение мышц агонистов и антагонистов. Хирурги механически соединяли икроножную мышцу с передней большеберцовой мышцей для протезирования голеностопного сустава, а длинная малоберцовая мышца соединяется с задней большеберцовой мышцей для протезирования подтаранного сустава. Таким образом обеспечивается взаимодействие мышц нижней конечности, приближенное к физиологическому. На сегодняшний день проведено около 60 подобных операций. Пациенты уже отмечают лучший контроль над движениями, меньшую выраженность болевых ощущений и мышечной атрофии.
Несмотря на явные преимущества нового вида оперативного вмешательства, походка пациентов с протезами не была идеальной. Для улучшения этого компонента группа ученых из Мичиганского университета решили усовершенствовать протезы, добавив к ним электромиографию (ЭМГ). Электроды для регистрации ЭМГ устанавливались на переднюю большеберцовую и икроножную мышцы. Они фиксировали сигнал сокращения и расслабления мышцы, когда человек поднимал ногу, чтобы сделать шаг. Сигнал от электродов передавался на протез, который подстраивался под положение ноги человека.
Ученые провели исследование с участием семи пациентов, которым были установлены протезы с ЭМГ и контрольной группой пациентов со стандартными протезами. Группа людей с новым видом протезов продемонстрировало увеличение скорости ходьбы на 41%, что соответствовало значениям, которые показывают люди без ампутированных конечностей. Кроме того, механика походки приближалась к естественной, а протез мог подстраиваться под разные условия среды – ступеньки, склоны, препятствия на дорогах.
«Наши результаты показывают, что даже небольшое увеличение мышечных афферентов восстанавливает естественную походку при непрерывной нейромодуляции у людей с ампутацией нижней конечности», — говорят авторы статьи.
Новая работа приближает нас к созданию более физиологичных для человека протезов, которые имели бы двустороннюю связь с нервной системой и подстраивались бы под условия среды.
Текст: Вадим Русскин
Song, H., Hsieh, TH., Yeon, S.H. et al. Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation. Nat Med (2024). https://doi.org/10.1038/s41591-024-02994-9