신경계에 의해 구동되는 보철물은 절단 환자의 자연스러운 보행을 돕습니다.

최첨단 의수족은 절단 수술을 받은 사람들이 자연스러운 보행을 할 수 있도록 도와줄 수 있지만 사용자에게 팔다리에 대한 완전한 신경 제어권을 부여하지는 않습니다. 대신 미리 정의된 보행 알고리즘을 사용하여 팔다리를 움직이는 로봇 센서와 컨트롤러에 의존합니다.

MIT 연구원들은 브리검 여성병원(Brigham and Women's Hospital)의 동료들과 협력하여 새로운 유형의 외과적 개입과 신경보철 인터페이스를 사용하여 신체 자체의 신경계에 의해 완전히 구동되는 의족을 사용하면 자연스러운 보행이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 외과적 절단 수술은 절단단의 근육을 다시 연결하므로 환자는 의족이 공간 내 어디에 있는지에 대한 "고유 감각" 피드백을 받을 수 있습니다.

이 수술을 받은 7명의 환자를 대상으로 한 연구에서 MIT 팀은 그들이 전통적인 절단 수술을 받은 사람들보다 더 빨리 걷고, 장애물을 피하고, 계단을 훨씬 더 자연스럽게 오를 수 있다는 것을 발견했습니다.

"이것은 생체 모방 보행이 나타나는 완전한 신경 조절 하의 다리 보철물을 보여주는 역사상 최초의 보철 연구입니다. 인간의 신경계가 제어하는 ​​자연스러운 보행을 생성하는 이러한 수준의 뇌 제어를 보여줄 수 있는 사람은 아무도 없습니다. MIT의 K. Lisa Yang 생체공학 센터 공동 소장이자 미디어 예술 및 과학 교수이자 MIT McGovern 뇌 연구 연구소의 준회원인 Hugh Herr는 말합니다. 새로운 연구의 수석 저자.

또한 환자들은 이 수술 후 통증과 근육 위축을 덜 경험했는데, 이는 주동근-길항근 근신경 경계면(AMI)으로 알려져 있습니다. 지금까지 전 세계적으로 약 60명의 환자가 이런 종류의 수술을 받았는데, 이는 팔 절단 환자에게도 시행될 수 있습니다.

MIT 미디어 랩의 박사후 연구원인 송현근은 이번 논문의 주저자이다. 자연의학.

감각 피드백

대부분의 사지 움직임은 스트레칭과 수축을 반복하는 근육 쌍에 의해 제어됩니다. 전통적인 무릎 아래 절단 수술 중에는 이러한 한 쌍의 근육의 상호 작용이 중단됩니다. 이로 인해 신경계가 근육의 위치와 수축 속도를 감지하는 것이 매우 어려워집니다. 이는 뇌가 사지를 움직이는 방법을 결정하는 데 중요한 감각 정보입니다.

이런 종류의 절단을 입은 사람들은 의수족이 공간 내 어디에 있는지 정확하게 감지할 수 없기 때문에 의수족을 제어하는 ​​데 어려움을 겪을 수 있습니다. 대신, 그들은 의수족에 내장된 로봇 컨트롤러에 의존합니다. 이러한 팔다리에는 경사와 장애물을 감지하고 조정할 수 있는 센서도 포함되어 있습니다.

사람들이 완전한 신경계 통제하에 자연스러운 보행을 할 수 있도록 돕기 위해 Herr와 그의 동료들은 몇 년 전에 AMI 수술을 개발하기 시작했습니다. 자연적인 주동근-길항근 근육 상호작용을 단절하는 대신, 근육의 두 끝을 연결하여 절단단 내에서 서로 역동적으로 소통합니다. 이 수술은 1차 절단 중에 시행할 수 있으며, 교정 절차의 일부로 1차 절단 후 근육을 다시 연결할 수도 있습니다.

"AMI 절단 절차를 통해 우리는 생리학적 방식으로 기본 작용제와 기본 길항제를 최대한 연결하여 절단 후 개인이 생리학적 수준의 고유 감각 및 운동 범위를 사용하여 환상지 전체를 움직일 수 있도록 시도합니다." 허는 말한다.

2021년 연구에서 Herr의 연구소는 이 수술을 받은 환자가 절단된 사지의 근육을 보다 정확하게 제어할 수 있었고 해당 근육이 온전한 사지의 근육과 유사한 전기 신호를 생성한다는 사실을 발견했습니다.

이러한 고무적인 결과 이후, 연구자들은 이러한 전기 신호가 의수족에 대한 명령을 생성하고 동시에 공간에서 팔다리의 위치에 대한 피드백을 사용자에게 제공할 수 있는지 여부를 조사하기 시작했습니다. 의족을 착용한 사람은 고유 감각 피드백을 사용하여 필요에 따라 보행을 의지적으로 조정할 수 있습니다.

새로운 자연의학 연구에 따르면, MIT 팀은 이 감각 피드백이 실제로 부드럽고 거의 자연스러운 걷기 및 장애물 탐색 능력으로 변환된다는 사실을 발견했습니다.

"AMI 신경보철 인터페이스 덕분에 우리는 가능한 한 많이 보존하면서 신경 신호를 강화할 수 있었습니다. 이를 통해 다양한 보행 속도, 계단, 경사면에서 전체 보행을 지속적이고 직접적으로 제어할 수 있는 사람의 신경 능력을 복원할 수 있었습니다. , 심지어 장애물을 뛰어넘기도 합니다."라고 송씨는 말합니다.

자연스러운 걸음걸이

이 연구를 위해 연구자들은 AMI 수술을 받은 7명과 전통적인 무릎 아래 절단 수술을 받은 7명을 비교했습니다. 모든 피험자는 동일한 유형의 생체 공학적 의족을 사용했습니다. 즉, 전동식 발목이 있는 보철물과 비복근 앞쪽 경골근에서 근전도(EMG) 신호를 감지할 수 있는 전극이 사용되었습니다. 이러한 신호는 보철물이 발목을 얼마나 구부릴지, 적용할 토크의 양, 전달할 힘의 양을 계산하는 데 도움이 되는 로봇 컨트롤러에 공급됩니다.

연구자들은 10미터 길이의 길을 가로질러 평지 걷기, 경사면 걷기, 경사로 걷기, 계단 오르내리기, 장애물을 피하면서 평평한 표면 걷기 등 다양한 상황에서 피험자들을 테스트했습니다.

이러한 모든 작업에서 AMI 신경보철 인터페이스를 사용하는 사람들은 절단을 하지 않은 사람들과 거의 같은 속도로 더 빠르게 걸을 수 있었고 장애물을 더 쉽게 피할 수 있었습니다. 또한 계단을 오르거나 장애물을 넘을 때 의족의 발가락을 위로 향하게 하는 등 보다 자연스러운 움직임을 보였고, 의수족과 온전한 의수족의 움직임을 더 잘 조정할 수 있었습니다. 그들은 또한 절단을 하지 않은 사람과 같은 힘으로 땅을 밀어낼 수 있었습니다.

Herr는 "AMI 집단을 통해 자연스러운 생체 모방 행동이 나타나는 것을 확인했습니다."라고 말했습니다. "AMI가 없는 집단은 걸을 수 있었지만 보철물 움직임이 자연스럽지 않았고 움직임이 일반적으로 느렸습니다."

AMI가 제공하는 감각 피드백의 양은 절단 수술을 받지 않은 사람이 일반적으로 받는 피드백의 20% 미만임에도 불구하고 이러한 자연스러운 행동이 나타났습니다.

"여기서 주요 발견 중 하나는 절단된 사지의 신경 피드백이 약간 증가하면 사람들이 걷는 속도를 직접 신경으로 제어하고, 다양한 지형에 적응하고, 장애물을 피할 수 있는 지점까지 상당한 생체 공학적 신경 제어 가능성을 복원할 수 있다는 것입니다. "라고 송씨는 말한다.

"이 연구는 심각한 사지 손상으로 고통받는 환자의 기능 회복 측면에서 가능한 것이 무엇인지 보여주는 우리의 또 다른 단계를 나타냅니다. 이러한 공동 노력을 통해 우리는 환자 치료에서 혁신적인 진전을 이룰 수 있습니다."라고 Matthew는 말합니다. Brigham and Women's Hospital의 외과의사이자 Harvard Medical School의 부교수인 Carty는 논문의 저자이기도 합니다.

팔다리를 사용하는 사람이 신경 제어를 가능하게 하는 것은 사람들이 더욱 정교한 로봇 컨트롤러와 센서에 의존하게 하는 것이 아니라, 강력하지만 기계의 일부처럼 느껴지지 않는 도구인 "인체 재건"이라는 Herr 연구실의 목표를 향한 한 걸음입니다. 사용자의 신체.

"장기적인 접근 방식의 문제점은 사용자가 보철물로 구현된 느낌을 결코 느끼지 못한다는 것입니다. 보철물을 자신의 신체 일부, 자아의 일부로 결코 보지 않을 것입니다."라고 Herr는 말합니다. "우리가 취하고 있는 접근 방식은 인간의 두뇌를 전자 기계에 포괄적으로 연결하려는 것입니다."

이 연구는 MIT K. Lisa Yang 생체 공학 센터, 국립 신경 장애 및 뇌졸중 연구소, 신경외과 연구 교육 재단 의학 연구 펠로우십, 유니스 케네디 슈라이버 국립 아동 건강 및 인간 발달 연구소의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240701162227.htm