Världens första tankestyrda armprotes överträffar förväntningarna

Det var i januari 2013 som den förste patienten i världen fick en tankestyrd armprotes inopererad, med fast inkoppling till skelett, nerver och muskler. Operationen leddes av Rickard Brånemark, forskare och överläkare på Sahlgrenska Universitetssjukhuset.

Nu publicerar tidskriften Science Translational Medicine en studie om de goda resultaten. Chalmersforskaren Max Ortiz Catalan är huvudansvarig för tankestyrningstekniken.

– Studien visar att protesen fungerar långsiktigt i verkliga livet, och inte bara i kontrollerade laboratorieförsök. De här resultaten är ett viktigt steg mot ett mer naturtroget hjälpmedel och komplement till de befintliga proteser som amputerade människor har tillgång till idag, säger han.

Protesen är unik då den är förankrad direkt i skelettet, genom så kallad osseointegration. Det är en teknik för proteser som är utvecklad av Rickard Brånemark på Centrum för Avancerad Rekonstruktion av Extremiteter (Care) vid Sahlgrenska Universitetssjukhuset, som är Sveriges första och enda centrum för högspecialiserad vård för rekonstruktion av armar och ben.

Patientens upplevelser
Patientens arm är amputerad sedan drygt tio år. Före operationen använde han en så kallad hylsprotes, som styrdes via elektroder utanpå huden. Sådana proteser är avancerade, men de kan för vissa amputerade vara obekväma och svåra att styra, vilket gör att hälften av patienterna avstår från att använda dem. Så var det även för den aktuelle patienten. Han upplevde att hylsprotesen begränsade honom på många olika sätt. Till exempel kunde han bara jobba utomhus i en kvart när det var kallt ute, innan styrningen av protesen slutade fungera för att elektroderna inte tål kyla.

Hylsprotesen uppfattade han som ett utanpåliggande föremål, som ofta var i vägen, men med den nya armprotesen har han en annan helhetsupplevelse. Det nya styrsystemet gör det också lättare att styra och vara mer precis i sina rörelser, och ger känslan av en naturlig och funktionell arm. Mer som en del av kroppen, som han ofta inte ens bryr sig om att ta av när han ska sova.

Patienten arbetar som lastbilschaufför i norra Sverige, och upplever sedan operationen att han kan lösa alla situationer som han ställs inför. Allt ifrån att spänna fast lasten och hantera maskiner, till att packa upp ägg och knyta sina barns skridskor.

Nästa steg – skapa en varaktig konstgjord känsel
Patienten är dessutom en av de första i världen med att delta i ett försök att skapa varaktig konstgjord känsel i en protes. Hans implantat kan nämligen också användas för att skicka signaler åt andra hållet – från armen till hjärnan. Det är forskarnas nästa steg för att skapa en naturlig ersättning för förlorade armar och ben, förklarar Max Ortiz Catalan.

– Den permanenta kopplingen mellan protes och människa är det svåraste steget för att få konstgjord känsel att funka i verkliga livet, och den är alltså på plats nu. Hittills har vi visat att patienten har fått en långsiktigt stabil förmåga att uppfatta en stimuleringssignal som beröring av fingrarna. Till exempel för att kunna känna beröring och tryck, vilket man behöver för att instinktivt hålla lagom hårt i ett föremål.

Vid slutet av året planerar forskarna att starta en klinisk studie av den nya tekniken med fler patienter.

Studien “An osseointegrated human-machine gateway for long-term sensory feedback and motor control of artificial limbs” publiceras i Science Translational Medicine på onsdag den 8 oktober
Den kommer då att finnas på:
http://stm.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/scitranslmed.3008933

Bildtext: Max Ortiz Catalan (till vänster) och Rickard Brånemark (till höger) tillsammans med världens första patient som har en tankestyrd armprotes inopererad, med fast inkoppling till skelett, nerver och muskler.

Videor med patienten:

http://youtu.be/Z3uE4bRSkMc

http://youtu.be/BgENg8qmzkY

FAKTA
Hur tekniken funkar: Den nya tekniken kallas för OHMG, osseointegrated human-machine gateway. Det är en vidareutveckling av Integrums implantatsystem OPRA, som förankras till skelettet i amputationsstumpen, genom så kallad osseointegration (osseo = ben). Samtidigt fästs elektroder på muskler och nerver i amputationsstumpen. De elektriska signalerna från musklerna och nerverna leds ut till en koppling som går genom huden på amputationsstumpen. När protesen fästs på den kan den styras med tankekraft, precis som en vanlig arm, via viljestyrda muskel- och nervsignaler.

Fördelar med den nya tekniken: OHMG är överlägsen dagens hylsproteser både när det gäller infästning och styrning. Hylsproteser fäst i en hylsa över axeln som sitter fast med en rem över överkroppen. OHMG, som däremot fästs direkt i skelettet, innebär att:

• Protesen sitter så stabilt att personen kan luta sin kroppstyngd mot den.
• Den glider inte och orsakar inte skavsår, vilket hylsproteser ofta gör.
• Personen kan lyfta sin arm uppåt eftersom ingen hylsa tar emot.

Att elektroderna är implanterade inuti kroppen innebär att:

• Elektroderna kan fånga upp mer muskel- och nervsignaler än elektroder utanpå huden. Därför kan patienten nu styra protesen med mindre ansträngning är förut. Styrningen är också mer precis, så han kan hantera mindre och ömtåligare föremål.
• Mer signaler gör dessutom att man kan skapa fler rörelser i protesen. Dagens avancerade proteser möjliggör upp till tre så kallade frihetsgrader; öppning och stängning av handen, vridning av handleden och böjning av armbågsleden. Men så många tankestyrda rörelser går inte att få fram med dagens styrsystem, utan standard är en frihetsgrad (öppning och stängning av handen). Med OHMG har forskarna demonstrerat att det går att skapa flera frihetsgrader.
• Elektroderna sitter skyddat inne i kroppen och påverkas inte av yttre faktorer såsom kyla. Signalöverföringen blir stabil, och när man väl har ställt in systemet och patienten har tränat in sig på styrningen så behöver man inte göra det igen. Med hylsproteser försämras signalöverföringen över tid, bland annat för att elektroderna flyttar sig när huden blir svettig. Då måste man justera hela systemet.
• De implanterade elektroderna är också mindre känsliga för olika former av elektriska störningar. På grund av det kan patienten göra en mängd saker nu som han inte kunde göra med hylsprotesen. Några exempel är: sträcka armen högt upp, hålla ett föremål i handen samtidigt som han svänger med armen, och använda apparater som har en motor, till exempel en borrmaskin.

Om forskningen
Det osseointegrerade systemet för tankestyrning av proteser och konstgjord känsel har utvecklats i ett samarbete mellan Chalmers, Sahlgrenska Universitetssjukhuset, Göteborgs universitet och företaget Integrum. Forskningen har finansierats av Vinnova, Västra Götalandsregionen via ALF, Conacyt, Integrum och Promobilia.

Hundratals patienter världen över har idag en osseointegrerad amputationsprotes, utvecklad av Rickard Brånemark och hans forskargrupp på Sahlgrenska Universitetssjukhuset och Göteborgs Universitet. Chalmersforskaren Max Ortiz Catalan har i samarbete med Rickard Brånemark och professor Bo Håkansson på Chalmers nu tagit tekniken ett steg vidare genom tankestyrning av sådana proteser. Teamet har vidareutvecklat implantatet och byggt in neuromuskulära elektroder, sofistikerade avkodningsalgoritmer och elektronik. Detta ger användaren en mer naturlig styrning av sin protes, utöver den långsiktigt stabila mekaniska infästningen som osseointegration har visat sig ge.