Gerobotiseerde protheses die in verbinden staan met de hersenen

De meeste van de robot armen die gebruikt worden is sommige protheses hebben maar beperkte mogelijkheden. Ze hebben namelijk slechts twee of drie vrijheidsgraden. Dit beperkt aantal vrijheidsgraden zorgt ervoor dat de gebruiker slechts één beweging op hetzelfde moment kan uitvoeren. En dit zorgt ervoor dat deze prothese een gelimiteerde bruikbaarheid heeft in vergelijking met de armen van de mens. Daarnaast om deze gerobotiseerde ledematen te bedienen moet dit gebeuren via een bewuste inspanning van de gebruiker. En dit zorgt ervoor dat de gebruiker niet veel anders kan doen op dat moment behalve dan het bedienen van het gerobotiseerde ledemaat. Dus er gaan een hele hoop ongemakkelijkheden gepaard met deze prothese en daarom zijn vele wetenschappers en onderzoekers op zoek om deze protheses verder te gaan ontwikkelen en optimaliseren om het gebruik ervan aangenamer en 'natuurlijker' te maken. Bij deze verdere ontwikkeling concentreert met zich vooral op de bedienen van deze gerobotiseerde protheses. Namelijk om de bediening ervan intuïtief te maken zodat de gebruiker zich niet meer concentreren op de bediening van de prothese om een beweging te laten uitvoeren.

DARPA, een instituut van het Amerikaanse ministerie van defensie dat verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van militaire technologie, werkt actief mee in de ontwikkeling van dergelijke protheses. Het project, DEKA Research and Development, heeft als doel om een nieuwe generatie protheses te ontwikkelen die veel geavanceerder zijn en dus veel dichter aanleunen bij de menselijke ledematen. Volgens hun vermoedens zou een dergelijke generatie protheses binnen vijf à tien op de markt verkrijgbaar moeten zijn. De technologie achter deze gerobotiseerde protheses is momenteel al relatief ver ontwikkeld, namelijk hebben ze al twee prototypes gebouwd. Deze prototypes zijn protheses die kunnen bewegen met dezelfde 'handigheid' als een gewone menselijk arm en daarnaast kan deze intuïtief bestuurd worden door de gebruiker. Dit is althans hoe het er in theorie zou moeten zijn. Momenteel is men gestart met de testen van deze prototypes met mensen. Deze intuïtieve bediening is realiseerbaar door de elektrische signalen die uitgestuurd worden door de hersenen te kunnen omleiden naar de prothese en deze gaan vertalen naar de gewenste beweging van de prothese.

De eerste resultaten van deze eerste veldtesten werden onlangs voorgesteld op een conferentie in November. Bij het ontwerp van deze twee prototypes zijn er ongeveer zo'n 20 vrijheidsgraden. Dit wil zeggen dat er 20 verschillende beweging, onafhankelijk van elkaar mee uitgevoerd kunnen worden. Dit is een significant verschil met de huidige bestaande protheses aangezien deze 'slechts' twee tot drie vrijheidsgraden hebben. Ook kunnen deze prototypes van DARPA bediend worden vanuit meerdere interfaces, in plaats van één soort interface. Deze protheses met de 20 vrijheidsgraden, kunnen de nodige bewegingen uitvoeren door een inwendige systeem met hefbomen en scharnier. Maar de problemen zitten hem momenteel nog in de bediening ervan. Namelijk moet de patiënt een serieuze operatie en de nodige training ondergaan vooraleer hij deze prothese op de juiste manier kan besturen. Bij een arm-prothese moeten de resterende zenuwen van het te vervangen ledemaat moeten omgeleid worden naar de borstspier. En dus zodat wanneer de patiënt zijn arm-prothese een beweging wil laten uitvoeren, gaat daarvoor de borstspier gaan samentrekken. De samentrekking van de borstspier dient dan als bediening van de arm-prothese. Vooraleer de patiënt dit voldoende beheerd moet hij dus eerst een training ondergaan. Maar deze aanpak is slechts enkel mogelijk wanneer er nog voldoende zenuwen resteren van het te vervangen ledemaat. Maar dit is niet steeds het geval. En dus kan deze nieuwe prothese, met z'n 20 vrijheidsgraden, niet in alle gevallen ten volle benut worden.

Dus om deze beperking van de nieuwe prothese uit de weg te helpen moet er een andere manier gezocht worden om de prothese te bedienen. En de meest belovende oplossing is diegene waarbij er een manier gevonden wordt om de elektrische signalen van de hersenen te gaan omleiden naar de prothese zelf. En dus moet de tussenstap van de omleiding van de zenuwen naar de borstspier vermeden worden. Wanneer men deze elektrische signalen van de hersenen kan gebruiken voor de bediening van de prothese, kan de patiënt de arm-prothese gaan gebruiken net alsof een echte arm. Wanneer iemand een object wil oppakken, staat hij niet stil over hoe hij zijn arm, pols en vingers zal bewegen. En ook voelt men wanneer men het object dreigt te laten vallen. Dus er is een soort van twee-weg verkeer tussen de arm, pols en vingers en de hersenen. En de onderzoekers zoeken dus allerhande manier om dit twee-weg verkeer te gaan imiteren bij protheses. In laatste vijf jaar is men, in beperkte mate, gestart met hun testen van neurale implantaten bij ernstig verlamde patiënten. In deze jaren werd er bij vijf patiënten een chip geïmplanteerd. En aan de hand van deze chip kunnen deze mensen bijvoorbeeld de cursor van een computer bedienen, hun rolstoel besturen, en zelfs een grijper van een robotarm bedienen. Deze chip zorgt dus voor heel wat extra mogelijkheden voor de patiënten.

Bij meer uitgebreidere testen werden apen voorzien van een speciale chip in hun hersenen. Aan de hand van deze chip waren de apen in staat om een relatief simpele gerobotiseerde arm-prothese te gaan gebruiken. De apen konden na verloop van tijd goed overweg met de gerobotiseerde prothese. Ze gebruikten die om eten op te nemen en naar hun mond te brengen. Bij deze testen werkten ze uiteraard niet met deze nieuwe prothese die ontwikkeld werd door DARPA. Maar de apen gebruikten een veel simpelere arm-prothese. Dit zorgde wel dat er maar beperkte mogelijkheden zijn met deze simpele prothese. En zelfs de eenvoudigste taken vragen een vrij complexe robot-arm. Zoals wanneer een mens water opneemt met zijn hand en het naar zijn mond brengt om ervan te drinken, vraagt dit al 3 vrijheidsgraden voor de arm om deze bewegingen te laten uitvoeren. Dus een bruikbare robot-arm is op zich al vrij complex en dit maakt de besturing ervan dan ook complex. Een menselijke arm heeft zo'n 25 vrijheidsgraden, dit wil zeggen dat er 25 bewegingen, onafhankelijk van elkaar kunnen uitgevoerd worden.

Een aantal van vrijwilligers die meedoen aan de ontwikkeling van de prothese van het DEKA-project van DARPA worden geïmplanteerd met een aantal verschillende chips. Deze vrijwilligers hebben geen prothese maar de bedoeling van dit deel van het onderzoek is om de chips voor de bediening van de protheses te gaan ontwikkelen. Elk van deze chips zijn uitgerust met zo'n 100 elektrodes die allerhande signalen kunnen opvangen. De onderzoekers hopen dat er snel geavanceerde chips ontwikkeld worden die een grotere bandbreedte hebben. Want de informatie bandbreedte om deze nieuwe gerobotiseerde arm-prothese te bedienen is relatief groot. En hoe beter men met deze informatie om kan gaan, hoe beter de patiënt zijn prothese kan gaan gebruiken. In een volgend stadium van het onderzoek zullen deze geïmplanteerde chips verbonden worden met een telemetrie systeem. Het telemetrie systeem zal dan de ingezamelde informatie van de chips gaan verwerken en het resultaat hiervan is dan een signaal die naar de gerobotiseerde prothese verstuurd wordt. Dit signaal zal eigenlijk niet direct naar de prothese verstuurd worden, maar eerst naar een kleine processor die geïmplanteerd wordt in de borstkas van de patiënt. Daar vertaald de processor het signaal van het telemetrie systeem naar de juiste signalen voor het aansturen van de prothese. Deze signalen worden dan draadloos verzonden naar de bestemde onderdelen van de prothese.

Momenteel werden bij de gerobotiseerde protheses, die men heeft getest op apen en mensen, de verschillende signalen verzonden via draadjes. Maar de onderzoekers willen dus van deze draadjes af door ze te vervangen met de draadloze verbinding, zoals besproken hierboven. De draadjes vormen namelijk een probleem voor de patiënt, want over de loop van tijd verhogen deze het risico op infecties. Net als bij een pacemaker en dergelijke waar men ook werkt met een draadloze communicatie zal men hier een analoge aanpak toepassen. Maar hier is de communicatie een stuk complexer omwille van de complexiteit van de gerobotiseerde protheses. En tot nu toe is de capaciteit van deze bestaande toepassingen te beperkt om deze zonder meer te gaan overnemen voor de protheses. Maar aangezien er een gelijkaardige technologie vereist is hier, zal men de bestaande verder gaan ontwikkelen. En dit vormt momenteel de grootste uitdaging bij de ontwikkeling van deze gerobotiseerde protheses. Met chips die de onderzoekers bij het DEKA-project aan het onderzoeken is hopen ze een complexiteit aan te kunnen hopelijk, op zijn minst, 11 vrijheidsgraden. Een ander probleem die de onderzoekers te wachten staat is de juiste software voor het verwerken van de ingezamelde informatie door de chips in de hersenen. Tot nu toe gebruikte de software algoritmes om deze klus te klaren en bij het onderzoek met de apen bleken deze algoritmes uitstekend te werken. Maar deze algoritmes kunnen slechts 7 vrijheidsgraden aan. Dus blijft het nog de vraag wat ze gaan doen om het grotere aantal vrijheidsgraden aan te kunnen.

Maar de allergrootste uitdaging voor deze technologie wordt misschien de concurrentie met de huidige strijd. Momenteel ziet dit systeem er in theorie erg mooi en veelbelovend uit. Maar er vallen nog veel resultaten van onderzoeken en veldtesten af te wachten vooraleer deze verwachtingen waargemaakt kunnen worden. En daarnaast, indien de werking van deze technologie succesvol wordt ligt er hen nog een obstakel te wachten. Namelijk moet uiteindelijk de patiënt overtuigd kunnen worden van de voordelen van deze technologie. En één van de moeilijke punten hierbij zijn de verschillende ingrepen die de patiënt zal moeten ondergaan, zoals de sensoren die in de hersenen geplaatst moeten worden en de processor die in de borstkas geïmplanteerd moet worden. Dergelijke ingrepen brengen ook een risico met zich mee. Dus het blijft ook nog de vraag of dat de patiënten bereidt zullen zijn om dit risico te lopen.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [technologyreview]