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研究者は、足を切断した人々のための脳制御の義足を開発中です

新しい研究によると、脚を切断した人は脳で義足を制御できるようになり、科学の大きな進歩によりスムーズな歩行が可能になり、障害物を乗り越える能力も向上するという。 スタディ この研究は月曜日、Nature Medicine誌に掲載された。

人間の神経系と義足との接続を確立することで、K.C. の研究者らは、 MIT とブリガム アンド ウィメンズ病院におけるリサ ヤンのバイオインフォマティクスは、次世代の人工装具への道をリードしています。

「私たちは人工歩行の完全な神経制御を初めて実証することができました」と、この研究の筆頭著者でありMITの博士研究員であるHyungyun Song氏は述べた。

最新の義肢のほとんどは、ユーザーの脳信号ではなく、事前にプログラムされたロボットのコマンドに依存しています。 高度なロボット技術は環境を感知し、事前に決定された脚の動きを繰り返し起動して、この種の地形を移動する人を支援します。

しかし、これらのロボットの多くは平らな地面で最もよく機能し、でこぼこや水たまりなどの一般的な障害物を乗り越えるのが困難です。 義足を装着している人は、特に地形の突然の変化に応じて、義足を動かしてしまうと調整することができません。

「歩くと、アルゴリズムがモーターにコマンドを送っているので、誰かが私を歩いているように感じますが、私はそうではありません。」 ヘアさんは数年前に凍傷により両足の膝下を切断しており、先進的なロボット義足を使用している。

「証拠は増え続けている [showing] 「脳をメカトロニクスプロテーゼに接続すると、個人がプロテーゼを自分の体の自然な延長であるとみなす具現化が起こります」とヘア氏は付け加えた。

著者らは14人の研究参加者と協力し、そのうちの半数は拮抗筋神経インターフェース(AMI)として知られるアプローチによって膝下の切断を受け、残りの半数は従来の切断を受けた。

「この研究のすばらしい点は、技術革新とともに外科技術の革新をどのように活用しているかということです」と、ウェアラブル支援ロボットの開発を専門とするハーバード大学工学応用科学大学院教授のコナー・ウォルシュ氏は述べた。同氏はこの研究には関与していない。

AMI 切断は、切断部位で重要な筋肉の接続を切断する従来の下肢切断手術の限界に対処するために開発されました。

動きは筋肉がペアになって機能する仕組みによって可能になります。 興奮筋として知られる 1 つの筋肉は手足を動かすために収縮し、拮抗筋として知られる別の筋肉はそれに応じて伸びます。 たとえば、上腕二頭筋のカールエクササイズ中、上腕二頭筋は前腕を持ち上げるために収縮するためトリガー筋肉となり、上腕三頭筋は動きを可能にするために伸びるため拮抗筋となります。

外科的切断により筋肉ペアが切断されると、患者が手術後に筋肉の収縮を感じる能力が影響を受け、プロテーゼが空間内のどこにあるかを正確かつ適切に感知する能力に悪影響を及ぼします。

対照的に、AMI は断端の筋肉を再接続して、人が無傷の四肢から得られる貴重な筋肉フィードバックを再現します。

この研究には「動きだけでなく感覚に取り組む次世代の補綴技術を求める動きの一部だ」と、この研究には関与していないワシントン大学機械工学助教授エリック・ロンブカス氏は述べた。

膝下切断の AMI 手術は、以下の名前にちなんで名付けられました。 ピーター・ユーイング 2016年にこの手術を初めて受けたジム・ユーイング氏に続いて。

ユーイング切断を受けた患者は、残存している四肢の筋萎縮が少なく、幻肢痛(もう存在しない四肢に感じる不快感)も軽減しています。

研究者らは、人工足首、筋肉の動きから電気活動を測定する装置、および皮膚表面に配置された電極で構成される新しい人工装具をすべての参加者に装着した。

脳は筋肉に電気インパルスを送り、筋肉を収縮させます。 収縮によって独自の電気信号が生成され、その信号が電極によって検出され、プロテーゼに取り付けられた小型コンピューターに送信されます。 次に、コンピュータはこれらの電気信号を義足の力と動きに変換します。

重度の火傷を負いユーイング切断手術を受けた研究参加者のエイミー・ピエトラヴィータさんは、義足のおかげで両足を向けてダンスの動きを再び披露できるようになったと語った。

「あのような曲率を持たせることができたことで、よりリアルになり、すべてがそこにあるように感じました」とピエトラフィッタは語った。

筋肉の感覚が改善されたおかげで、ユーイング切断を受けた参加者は、義足を使用して従来の切断を受けた参加者よりも速く、より自然に歩くことができました。

通常の歩行パターンから逸脱しなければならない場合、通常は歩き回るためにさらに努力する必要があります。

「このエネルギーの消費により、心臓の働きや肺の働きがさらに激しくなり、股関節や脊椎下部の進行性の破壊につながる可能性があります。

ユーイング切断と新しい義足を受けた患者も、坂道や階段を簡単に移動できるようになりました。 彼らは足をスムーズに調整して階段を昇り、降りるときに衝撃を吸収することができました。

研究者らは、新しい義足が今後5年以内に市販されることを期待している。

「私たちは、人が体のかなりの部分を失う可能性があり、体のその部分を完全に機能するように再構築するための技術が利用できるこの輝かしい未来を垣間見始めています」とヘア氏は述べた。

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