Ny e-dermis giver følesans, smerter til protesehænder

Amputerede oplever ofte fornemmelsen af ​​et "fantomlem" - en følelse af, at en manglende kropsdel ​​stadig er der.

Den sanseillusion er tættere på at blive en realitet takket være et team af ingeniører på Johns Hopkins University, der har skabt et elektronisk skin. Når det er lagt oven på protesehænder, denne e-dermis bringer en ægte følelse af berøring tilbage gennem fingerspidserne.

"Efter mange år, Jeg mærkede min hånd, som om en hul skal blev fyldt med liv igen, " siger den anonyme amputerede, der fungerede som holdets primære frivillige tester.

Lavet af stof og gummi snøret med sensorer for at efterligne nerveender, e-dermis genskaber en følelse af berøring samt smerte ved at fornemme stimuli og sende impulserne tilbage til de perifere nerver.

"Vi har lavet en sensor, der går over fingerspidserne af en håndprotese og fungerer som din egen hud ville, " siger Luke Osborn, en kandidatstuderende i biomedicinsk teknik. "Det er inspireret af, hvad der sker i menneskelig biologi, med receptorer for både berøring og smerte.

"Dette er interessant og nyt, " sagde Osborn, "For nu kan vi have en håndprotese, der allerede er på markedet og forsyne den med en e-dermis, der kan fortælle brugeren, om han eller hun samler noget op, der er rundt, eller om det har skarpe spidser."

Værket - offentliggjort 20. juni i tidsskriftet Videnskab robotik - viser, at det er muligt at genoprette en række naturlige, berøringsbaserede følelser til amputerede, der bruger lemmerproteser. Evnen til at opdage smerte kan være nyttig, for eksempel, ikke kun i protesehænder, men også i underekstremitetsproteser, advare brugeren om potentiel skade på enheden.

Menneskelig hud indeholder et komplekst netværk af receptorer, der videregiver en række forskellige fornemmelser til hjernen. Dette netværk leverede en biologisk skabelon til forskerholdet, som omfatter medlemmer fra Johns Hopkins afdelinger for biomedicinsk teknik, Elektro- og computerteknik, og neurologi, og fra Singapore Institute of Neurotechnology.

At bringe et mere menneskeligt præg til moderne protesedesign er afgørende, især når det kommer til at inkorporere evnen til at føle smerte, siger Osborn.

"Smerte er, selvfølgelig, ubehagelig, men det er også vigtigt, beskyttende følesans, der mangler i de proteser, der i øjeblikket er tilgængelige for amputerede, " siger han. "Fremskridt inden for protesedesign og kontrolmekanismer kan hjælpe en amputerets evne til at genvinde tabt funktion, men de mangler ofte meningsfuldt, taktil feedback eller perception."

Det er her e-dermis kommer ind, at formidle information til den amputerede ved at stimulere perifere nerver i armen, få det såkaldte fantomlem til at komme til live. E-dermis-apparatet gør dette ved at elektrisk stimulere den amputeredes nerver på en ikke-invasiv måde, gennem huden, siger avisens seniorforfatter, Nitish Thakor, en professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab og direktør for Biomedical Instrumentation and Neuroengineering Laboratory ved Johns Hopkins.

"For første gang, en protese kan give en række opfattelser, fra fin berøring til skadelig til en amputeret, gør det mere som en menneskelig hånd, " siger Thakor, medstifter af Infinite Biomedical Technologies, det Baltimore-baserede firma, der leverede det protetiske hardware, der blev brugt i undersøgelsen.

Inspireret af menneskets biologi, e-dermis gør det muligt for brugeren at fornemme et kontinuerligt spektrum af taktile opfattelser, fra let berøring til skadelig eller smertefuld stimulus. Holdet skabte en "neuromorf model", der efterligner berørings- og smertereceptorerne i det menneskelige nervesystem, lader e-dermis elektronisk kode fornemmelser ligesom receptorerne i huden ville. Sporing af hjerneaktivitet via elektroencefalografi, eller EEG, holdet fastslog, at testpersonen var i stand til at opfatte disse fornemmelser i hans fantomhånd.

Forskerne forbandt derefter e-dermis-outputtet til den frivillige ved at bruge en ikke-invasiv metode kendt som transkutan elektrisk nervestimulation, eller TENS. I en smertedetektionsopgave, holdet fastslog, at testpersonen og protesen var i stand til at opleve en naturlig, refleksiv reaktion på både smerte ved berøring af en spids genstand og ikke-smerte ved berøring af en rund genstand.

E-dermis er ikke følsom over for temperatur - for denne undersøgelse, holdet fokuserede på at detektere objektets krumning (til berøring og formopfattelse) og skarphed (til smerteopfattelse). E-dermis-teknologien kunne bruges til at gøre robotsystemer mere menneskelige, og det kan også bruges til at udvide eller udvide til astronauthandsker og rumdragter, siger Osborn.

Forskerne planlægger at videreudvikle teknologien og bedre forstå, hvordan man kan give meningsfuld sensorisk information til amputerede i håb om at gøre systemet klar til udbredt patientbrug.

Johns Hopkins er en pioner inden for behændige proteser i overekstremiteterne. For mere end ti år siden, universitetets laboratorium for anvendt fysik ledede udviklingen af ​​den avancerede modulære proteselem, som en amputeret patient styrer med de muskler og nerver, der engang styrede hans eller hendes rigtige arm eller hånd.

Ud over finansieringen fra Space@Hopkins, som fremmer rumrelateret samarbejde på tværs af universitetets afdelinger, holdet modtog også tilskud fra Applied Physics Laboratory Graduate Fellowship Program og Neuroengineering Training Initiative gennem National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering gennem National Institutes of Health under bevilling T32EB003383.

E-dermis blev testet i løbet af et år på en amputeret, som var frivillig i Neuroengineering Laboratory på Johns Hopkins. Forsøgspersonen gentog ofte testen for at demonstrere konsistente sensoriske opfattelser via e-dermis. Holdet har arbejdet sammen med fire andre amputerede frivillige i andre eksperimenter for at give sensorisk feedback.