Tankestyrd protes förändrar livet för amputerade

Världens första implanterbara robotarm som styrs av tankarna utvecklas just nu av Chalmersforskaren Max Ortiz Catalan. I vinter ska de första patienterna opereras.

Varje år förlorar hundratusentals människor jorden runt en arm eller ett ben.

– Med hjälp av vår teknik får arm- och handamputerade en ”levande” kroppsdel, säger Max Ortiz Catalan, industridoktorand på Chalmers. Den styrs ungefär på samma sätt som en naturlig hand och arm, via personens egna nerver. Det är en stor vinst både för den enskilda individen och för samhället.

Ända sedan 60-talet har amputerade kunnat använda proteser som styrs av de elektriska impulser som finns i musklerna, men tekniken för att styra proteserna har inte utvecklats nämnvärt sedan dess. Det finns till exempel väldigt avancerade elektriska handproteser, men de används inte så mycket eftersom de är så svåra att styra.

– Alla rörelser måste förprogrammeras, säger Max Ortiz Catalan. Det är som att ha en Ferrari utan ratt. Därför har vi utvecklat ett nytt styrsystem från grunden.

De vanliga hylsproteserna, som fästs direkt mot huden utanpå den amputerade stumpen, är dessutom så obekväma att endast 50 procent av de armamputerade vill använda en sådan över huvud taget. I det här forskningsprojektet utnyttjas istället den världskända Brånemarkskruven, som förankrar protesen direkt i skelettet, med så kallad osseointegration.

– Osseointegration är helt avgörande för vår framgång. Nu använder vi samma teknik för att permanent få tillgång till de elektroder som vi fäster på nerven, säger Max Ortiz Catalan.

Styr protesen med tanken
För att få fram de elektriska impulserna som ska styra protesen har man tidigare fäst elektroder utanpå huden. Problemet är att impulsen förändras när huden rör sig, eftersom elektroderna då flyttas till en annan position. Impulserna påverkas också om man svettas.

I det här projektet planerar forskarna istället att implantera elektroderna direkt på nerverna inuti kroppen. Då utgör kroppen ett skydd, och de elektriska impulserna blir stabila. För att få signalerna inifrån kroppen ut till protesen används osseointegration. De elektriska impulserna från nerverna i armstumpen fångas upp i ett gränssnitt inne i titanskruven, som förstärker och vidareförmedlar impulserna till protesens alla delar, som patienten kan styra med hjälp av sina tankar.

I dagens befintliga proteser använder sig den som är amputerad enbart av visuell feedback, vilket gör att man till exempel måste titta på en kopp när man ska lyfta den för att veta hur mycket kraft man ska använda och hur man ska närma sig den. Med den nya metoden får patienterna feedback genom att elektroderna stimuleras, vilket uppfattas av patientens hjärna. Det gör att patienten kan kontrollera sin protes på ett mer naturligt och intuitivt sätt. Det har inte varit möjligt tidigare.

Från labbet till patienterna
– Många av de patienter vi samarbetat med har varit amputerade i mer än tio år och har aldrig rört sin hand under den tiden, säger Max Ortiz Catalan. När de kom hit fick de testa vår virtual reality-miljö för att utvärdera mina tekniska algoritmer. Vi satte elektroder på deras amputationsstumpar så att de kunde styra vår mer avancerade protes. Detta gjorde patienterna väldigt entusiastiska.

I vinter ska de första patienterna opereras. 

– Genom att testa metoden på några patienter kan vi visa att metoden fungerar och sedan förhoppningsvis få mer anslag för fortsatta kliniska studier och vidareutveckling av metoden. Då kan det här bli verklighet för många personer. Vi vill lämna labbet och bli en del av patienternas vardag, säger Max Ortiz Catalan.

Fyra filmer och tre bilder från projektet finns att ladda ner nedan.

Bildtext: Max Ortiz Catalan demonstrerar hur systemet fungerar med hjälp av elektroder som fångar upp rörelsesignaler från utsidan av armen. Men de amputerade patienterna ska få elektroderna implanterade direkt på nerverna inuti kroppen.
Foto: Oscar Mattsson

Fakta om osseointegration
Osseointegration (osseo = ben) är en metod att förankra proteser direkt i skelettet som utvecklades på 60-talet av professor Per-Ingvar Brånemark. Han upptäckte att titan inte stöts bort av kroppen, utan integreras med den omkringliggande benvävnaden. Till en början användes metoden för att behandla tandlöshet genom dentala titanimplantat. Sedan dess har metoden vidareutvecklats, och används idag också för ben-, arm- och ansiktsproteser samt för att förankra hörapparater. Sedan 1990 har över 200 amputerade behandlats med hjälp av metoden och fått en ökad rörlighet och livskvalitet.

Fakta om den artificella handen
Den artificiella handen kan härma en levande hand. Motoriken i varje finger kan styras individuellt, och parallellt med till exempel en vridrörelse av handleden. Det går att demonstrera hur systemet fungerar genom att använda sig av elektroder som fångar upp rörelsesignaler från utsidan på en arm.

Kontaktuppgifter och mer information om forskningsprojektet OHMG 
Forskningsprojektet OHMG (Osseointegrated Human‐Machine Gateway) drivs i ett tvärvetenskapligt samarbete mellan Chalmers Tekniska Högskola, Sahlgrenska Universitetssjukhuset och företaget Integrum AB:
Doktorand Max Ortiz Catalan: maxo@chalmers.se , tel +46 31-760 10 65, +46 70-846 10 65
Ansvarig handledare från Chalmers: professor Bo Håkansson, tel +46 707-85 32 94, boh@chalmers.se
Ansvarig handledare från Sahlgrenska och Göteborgs universitet: docent och läkare Rickard Brånemark