Elektronisk hud gør det muligt for amputerede at føle smerte og berøring

Da Gyorgy Levay mistede dele af alle fire ekstremiteter, inklusive det meste af hans venstre arm, til meningitis i 2010, han besluttede at få det bedste ud af en dårlig situation.

Han mestrede sine state-of-the-art proteseudskiftninger. Han skiftede fokus på sine kandidatstudier fra elektrisk til biomedicinsk ingeniør. Den indfødte ungarske fandt det endda interessant, hvordan han fortsatte med at føle fornemmelser fra den hånd, han ikke længere besad.

Men som de fleste amputerede, han følte, at der manglede noget. Fordi hans proteser ikke havde nogen følesans, de føltes for ham som fremmede tilknytninger.

Takket være et team af forskere ved Johns Hopkins University, han har lært, hvad de kunne føle, hvis de var en del af ham. Levay var det primære frivillige emne i et to-årigt studie på universitetet, der gav et kunstigt lem evnen til at føle tryk og smerte.

Anført af Luke Osborn og Nitish Thakor, en kandidatstuderende og professor i Johns Hopkins' biomedicinske ingeniørafdeling, holdet udviklede en form for "elektronisk hud", der registrerer berøring på nogenlunde samme måde som den menneskelige krop gør.

Iført den "hud, "en stof-og-gummi-skede snøret med sensorer, som holdet kaldte e-dermis, på fingerspidserne af hans venstre håndprotese, Levay hentede flere små, afrundede genstande, gjorde derefter det samme med en skarpt spids genstand.

Når du samler de afrundede genstande op, han følte forskellige niveauer af fysisk pres; når du holder den spidse genstand, han følte smerte.

Til Levay, det føltes som om et livløst vedhæng - hans venstre hånd og arm - blev født på ny.

"Normalt føles min 'hånd' lidt som en hul skal, " sagde han i et telefoninterview fra sin hjemby Budapest. "Da disse elektroniske stimuleringer begyndte at ske, det føltes lidt som at fylde en handske med vand, næsten som om det fyldte op med liv."

Eksperimentet markerede første gang, en amputeret kunne mærke en række godartede fysiske tryk gennem en proteseanordning - og første gang nogen har følt smerte.

"For første gang, en protese kan give en række opfattelser, fra fin berøring til skadelig berøring, til en amputeret, og dette gør det meget mere som en menneskelig hånd, " sagde Thakor, medstifter af Infinite Biomedical Technologies, et lille Baltimore-baseret firma, der leverede protesehardwaren til undersøgelsen.

Et papir om undersøgelsen udkom i tidsskriftet Videnskab robotik sidste måned.

Fremskridtene er de seneste inden for et forskningsområde, der er vokset hurtigt i løbet af det sidste halvandet årti, ikke mindst takket være arbejdet udført hos Johns Hopkins.

Det var først for fire år siden, selvom, at forskere ved Case Western Reserve University i Cleveland og andre steder begyndte at tage skridt til at gennemsyre proteseanordninger med berøring.

Disse forskere opnåede deres resultater ved at fastgøre elektroniske sensorer til proteser. Disse små enheder kunne registrere berøring, oversætte det til elektroniske signaler og sende signalerne over et sæt ledninger til de relevante steder i det, der er tilbage af brugernes lemmer.

Ethvert banebrydende eksperiment har sine begrænsninger, og disse var ingen undtagelse. Processen krævede invasiv kirurgi - elektroder skulle implanteres i de resterende lemmer for at modtage signalerne og sende dem over nervesystemet - og arbejdet gav kun et snævert udvalg af trykfornemmelser.

Hopkins-teamet satte sig for at udvide menuen af ​​fornemmelser, op til og inklusive smerte – en kategori af følelse af, at mens det altid er ubehageligt, tjener en afgørende overlevelsesfunktion.

"Smerte er en fornemmelse, vi bruger til at beskytte vores kroppe, " sagde Osborn. "Vi kan tage det for givet, og vi kan bestemt ikke altid lide det, men det fungerer som et advarselssystem, hjælper os med at undgå skadelige begivenheder."

Holdet, som omfattede medlemmer fra Johns Hopkins afdelinger for elektroteknik, computerteknik og neurologi, henvendte sig til biologi for sin model.

De sensoriske receptorceller i menneskelig hud, de observerede, er faktisk placeret på forskellige niveauer, med dem, der er ansvarlige for smertefulde fornemmelser (nociceptorer) primært nær overfladen af ​​huden og dem, der er ansvarlige for at føle tryk (mekanoreceptorer), sat dybere.

For at replikere dette system, de designede e-dermis til at have sensorer opstillet i to lag, i stedet for en som tidligere ingeniører.

Så var udfordringen at "lære" sensorerne i hvert lag at generere de fornemmelser, der passer til det lag.

Igen, de vendte sig mod biologi.

Holdet studerede frekvenserne, amplituder og bølgelængder af de signaler, kroppen normalt sender, når den genererer fornemmelser af tryk og smerte. Derefter kalibrerede de sanseapparatet for at efterligne disse variable.

Osborn uddybede denne "neuromorfe" tilgang - dvs. skabelsen af ​​teknologi, der efterligner biologiske mønstre.

"Vi vidste, hvordan en elektrisk puls for smerte ser ud, samt impulser, der formidler information om tryk, tekstur og så videre, " sagde han. "Vi skabte lignende pulser og matchede dem med, hvad forsøgspersonerne faktisk opfatter."

Den næste udfordring var at sikre, at systemet var rumligt nøjagtigt – dvs. at hvis der opstår kontakt med den protetiske pegefinger, hjernen opfatter det som at komme fra det sted.

De opnåede dette gennem "sensorisk kortlægning - at sondere hver kvadratcentimeter af individets resterende lem og notere, hvor emnet "følte" hver af disse rører ved hans "fantom"-hånd.

Processen gjorde det muligt for Osborn og selskabet at tilslutte sensoren på pegefingeren, for eksempel, direkte til nerven i det resterende lem, som normalt ville forbinde til den rigtige pegefinger.

Hopkins forskning tilbyder Pa. kvinde ny arm, 14 år efter amputation

"De nerver, der plejede at gå til din hånd, er der stadig, de er bare ikke forbundet med hånden længere, " sagde Osborn. "Ved at stimulere hver af disse nerver, vi aktiverer det sted i hjernen, der siger 'lillefinger', ' eller 'pegefinger, ' eller 'tommelfinger, ' og fornemmelsen skulle ideelt set føles, som den ville have før amputationen."

Efter at have kortlagt nervemønstrene så præcist, holdet var i stand til at undgå at kræve invasiv implantation af metalelektroder i det resterende lem.

De fastgjorde ledninger fra protesen til de passende steder på lemmen, men de gjorde det på overfladen af ​​huden, en proces, der er langt lettere på emnet.

Levay sagde, at han satte pris på det på mange niveauer.

Han studerede tilfældigvis biomedicinsk teknik på et Fulbright-stipendium ved Johns Hopkins, da Thakor og Osborn begyndte deres forskning i 2015.

Fordi han var interesseret på et personligt og professionelt plan, og fysisk i nærheden, han lavede det ideelle frivillige emne til studiet, som blev finansieret af tilskud fra Johns Hopkins Applied Physics Laboratory og National Institute of Biomedical Imaging and Engineering, en afdeling af National Institutes of Health, blandt andre kilder.

Gruppen arbejdede med en række frivillige amputerede under undersøgelsen, men fordi han var konsekvent tilgængelig i løbet af måneder, Levay opstod som den centrale, unavngivne emne i avisen, med titlen "Protese med neuromorfisk flerlags e-dermis opfatter berøring og smerte."

Eksperimenterne var smertefulde i starten, Levay sagde med et grin, da Osborn søgte at finde det rigtige match mellem de stød, han leverede, og de fornemmelser, Levay følte.

Jo længere de arbejdede sammen, selvom, jo tættere sammenhængen blev, indtil den eneste smerte, han følte under sessionerne, kom, da han tog den spidse genstand op, signalere, at eksperimentet havde nået sit mål.

At, han sagde, var smerte, han kun var for glad for at føle.

"E-dermis doesn't work perfectly yet, " Levay said, "but it's definitely a step further in bringing sensations back to the hand."

©2018 The Baltimore Sun
Distribueret af Tribune Content Agency, LLC.