Mikroprocessorer och nya material har förändrat mycket i vår omgivning. Nu verkar det vara dags att integrera protes och människa.

Jesse lyfter på kepsen och hälsar oss att han simultant kan styra en helarmprotes med många frihetsgrader. Tack vare nervreinnervation i bröstmuskulaturen och emg-detektering. Källa: Prof. Todd Kuiken, DARPA-projektet.

Bild 1. Via ett nervimplantat i underarmen kan professor Kevin Warwick kontrollera den elektriska Southampton-handen med tankens kraft.

Bild 2. Genom att reinnervera amputerade nerver mot bröstmuskulaturen skapar Todd Kuiken nya myoelektriska styrsäten. Proteshanden kommer att agerar efter patientens fantomhand.

Bild 3. Osseointegration är en viktig plattform för framtida protesteknologi. På bilden en myoelektrisk/hybrid-protes vid överarmsamputation.

Bild 4. I-Limb. En moduluppbyggd hand med enskilt motoriserade fingrar, adaptivt grepp där tummen kan extenderas i position för ett nyckelgrepp.

Vart är armprotestekniken på väg och vad kan vi förvänta oss i en framtid?
Inom ortopedtekniken har vi de senaste åren tagit del av ny teknik i proteser. Knäleder med inbyggda system, multifunktionella armproteser som DynamicArm från O.Bock, U3 från Motion Control samt proteshänder med intern sensorik etc. Att den mest högteknologiska protesen inte alltid är bäst för den enskilda individen är välkänt och dagens protetiska lösningar kommer självklart att finnas kvar i framtiden. Men allt oftare beskrivs framtidens armprotes, och man undrar: Är en ny generation armproteser på väg? Flera forskargrupper hävdar att de idag har enskilda teknologiska plattformar som kan utgöra baselement för en framtida protesteknologi.
För att spegla den forskning som pågår, vill jag referera till två återkommande konferenser med de mest spetsade programmen, med avseende på tekniknivå och inriktning mot armproteser. Trent Prosthetic Symposium (TPS) ISPO Storbritannien och MyoElectric Controls Symposium (MEC) som arrangeras av University of New Brunswick (UNB), Fredericton Canada.
Redan under tidigt sjuttiotal förverkligades det som än idag ofta kallas världens mest avancerade proteshand. Det så kallade Svenhandprojektet, med involverade enhet som FOA, Chalmers, Sahlgrenska m.fl. I handen ingick mönsterigenkänningsteknik som gjorde det möjligt att tolka signalmönster från sex Emg-kanaler, genom att patienten aktiverade sin fantomhand. Handen hade ett antal elektriskt kontrollerade frihetsgrader, kunde öppnas/slutas, pronera/supinera och flektera/extendera i handleden. Greppet var adaptivt och kunde växlas till ett nyckelgrepp. Svengruppens idéer var mycket tidigt ute och P.Herberts, C. Almström, K.Caine kunde visa på kliniska applikationer som än idag kan betraktas som unika. Teknologin var inte mogen. På den tiden fanns ingen motsvarighet till dagens mikroprocessorer, vilket bidrog till att elektroniken fick individanpassas. EMG-signalerna var inte tillräckligt stabila på grund av kutan EMG-avledning. Med dåtidens konstruktionsmaterial var det bland annat svårt att hålla ner protesvikten. Systemteknik och Een&Holmgren AB utvecklade sedan den s.k. ES-handen. En moduluppbyggd hand med likvärdiga rörelser.

Att hämta information från kroppen
I framtiden är önskemålet att armproteser förses med ett större antal rörelser/frihetsgrader. Om de skall vara kontrollerbara på ett ”naturligt” sätt och samtidigt styras simultant krävs en större mängd signalinformation från den mänskliga kroppen. Kraven är också att signalerna skall ha en stabil och repeterbar karaktär.
Ett sätt är att hämta signaler direkt från en nerv. Flera grupper håller idag på med forskning kring nervkoppling. I Sverige bedrivs forskning kring detta ämne i gruppen kring professor G. Lundborg (MAS). Han har även vid ett flertal tillfällen redovisat mycket intressanta pågående projekt och visioner i ett led att skapa framtidens handprotes.
Vid senaste TPS talade Kevin Warwick (Professor i cybernetics. Univ.of Reading UK) om sina kliniska försök med nervkoppling. Kevin var för några år sedan i fokus då han lät operera in en nervkoppling till medianus nerven i sin egen underarm och byggde upp en hel cybernetisk miljö kring sig själv. Implantatet för detta försök var utformat som ett mindre chip med ett stort antal mycket tunna avledningsnålar som pressats in i nerven. När han rörde sin hand kunde man registrera och tolka de nervsignaler som genererades via hans ”tanke”. Signalerna hade en stabil och signifikant karaktär och ett av de experiment som utfördes var att styra en proteshand med lyckat resultat (Bild 1). Proteshanden som användes var Southamptonhanden, som ofta klassats som värdens mest intelligenta proteshand. Konstruerad av P.Kyberd (UNB) och kan med automatik generera olika typ av grepp, beroende av det gripna objektets form. Med mikrofoner i fingertopparna kan protesen ”höra” greppsäkerheten och automatiskt självjustera greppet. Man studerade även möjligheten med afferenta signaler genom elektriskt stimuli till nerven. Han kunde exempelvis uppfatta stimuli som en beröring mot handryggen. Han hade nervchipet i armen under några månaders tid och för att ge lite extra krydda på tillvaron lät han operera in ett på sin fru. De kunde som ett resultat av detta, tankemässigt och sensoriskt kommunicera med varandra, men självklart på en mycket låg nivå. Nervkoppling mot en amputerad nerv planeras att utformas som en platta med ett större antal elektriskt avledande ytor till vilken nervändan tillåts växa fast. Ett komplext signalmönster kan läsas ut då man tankemässigt aktiverar den förlorade handen/fantomhanden.

Trådlös överföring
Även avledning av emg kan ge tillräcklig signalinformation för att styra en mera komplex protes, men signal-karaktären måste vara stabil och repeterbar. Detta kan inte ske med hjälp av sedvanliga EMG-sensorer/elektroder som är placerade på huden. Genom att använda sig av subkutan avledning av signalen kan detta överbryggas, något vi provat i Göteborg och visat på mycket hög signalstabilitet och kontrollerbarhet av en proteshand. Vid MEC presenterade R.F. Wier implanterbara EMG-elektroder ( RFB BION®) s.k. IMES. Dessa sensorer bygger på en trådlös överföringsprincip och kan användas för avledning av enskilt EMG eller ett komplext signalmönster. Inom något år beräknas en EMG-sensor av detta slag vara i storlek som ett större risgryn.
Todd Kuiken (Professor vid Rehab. Inst. of Chicago) redovisade på MEC sina resultat med vad som kallas ”Targeted Hyper-Reinnervation nerve transfer surgery”. En teknik där den naturliga nervledningen till en muskel inaktiveras och ersätts med en amputerad nerv som tidigare styrde den amputerade handen. Den applikation han redovisade var utförd på en patient med helarmsamputation, där nervreinervationen genomförts till pectoralis major och minor. När patienten aktiverar sin fantomhand sker nu muskelkontraktionen i bröstmuskulaturen. Via hudelektroder detekteras ett antal emgsignaler. Signalerna tolkas och protesen kan styras med en naturlig aktion från patienten. Stimuli som beröring eller värme mot muskeln uppfattas som stimuli mot fantomhanden.
De har även gjort applikationer vid amputation på överarmsnivå och kunnat skapa ett större antal styrsäten. Fler frihetsgrader av en motoriserad protes kan då simultant kontrolleras. En nödvändighet i protesutvecklingen för övre extremiteter.

Att tolka signaler
Ett antal sensorer eller en nervkoppling kan ge ifrån sig specifika signalmönster som av patienten representerar olika önskade rörelser av den arm/hand som saknas. Grundtanken är att patienten inte skall lära sig att styra protesen, utan att protesen skall lära sig att agera efter patientens önskade funktion. Samtidigt ska protesen kunna utföra simultana rörelser och inte endast sekventiella. För att tolka och särskilja dessa signalmönster krävs vad som kallas mönsterigenkänningsteknik. Dagens mikrodatorteknik gör det möjligt att processa stora datamängder och kan hantera vad som kallas artificiella neurala nät (ANNs). Dessa system kan identifiera de komplexa signalerna och samtidigt vara självlärande då de kan förstärka sin identifieringsförmåga ju mer de används. Arbete kring detta presenterades på MEC av en grupp från University of New Brunswick och från den italienska grupp som arbetar med projekt ”Cyberhand”.

Känna med protes
Avsaknad av känsel i dagens proteser ses ofta som ett stort problem. Att bygga in känsel i en handprotes är en större utmaning. Vid MEC hölls ett flertal presentationer angående sensorik i protessystem. Flera av dessa bygger på ny teknologi, där man arbetat fram nya typer av sensorer. Pågående projekt får ännu betraktas som ren forskning. Troligen är framtida resultat av nervkoppling en del av lösningen på denna utmaning.

Att garantera en god protessuspension
För att kunna nyttja ny protesteknologi fullt ut krävs att protesen sitter stabilt på plats. Lösningen är osseointegration, som för oss i Sverige är väl känt genom alla de applikationer vi utför på Sahlgrenska Universitetssjukhuset och som så många gånger redovisats. Jag hade personligen äran att vid Trent vara inbjuden som talare om ämnet osseointegration och de resultat vi har i Göteborg. Vid MEC som hade rubriken”Integrating Prosthetics and Medicine” lockade Rickard Brånemark stort intresse då han presenterade histologin och principerna för skelettförankrade proteser. Intresset för osseointegration och de resultat som vi redovisar ger alltid ett mycket gott gensvar och är internationellt mycket ”hett”. Det är tydligt att min åsikt angående osseointegrationens vikt som plattform för framtida protesteknologi delas med andra plattformsbildare.

Mekanisk plattform svår att finna
Det är uppenbart att den mekaniska plattformen till en armprotes är en mycket svår uppgift att lösa. Flertalet projekt har stupat på mekaniken, samtidigt ser man att de elektroniska plattformarna finns klara att nyttja.
Framtida önskemål är modulariserade komponentenheter med ett större antal frihetsgrader och adaptiva grepp, detta till låg vikt och hög tillförlitlighet. Vid MEC redovisades olika principer/konstruktioner och lösningar på proteshänder och gripdon.
Som exempel kan nämnas den utveckling av hydrauliska händer som sker i Tyskland, men de har problem med hög energikonsumtion samtidigt som grepphastighet och styrka inte är tillräcklig. Andra presentationer berörde nya elhänder med liten bygglängd samt partiella elektriska delhänder. David Gow presenterade en elektrisk hand från det nybildade företaget Touch Bionics. En modulariserad hand med enskilt motoriserade fingrar, adaptivt grepp där tummen kan extenderas i position för ett nyckelgrepp. Det ideala vore att komma ifrån DC motorer och kunna nyttja linjära kraftgivare. Med polymeric ”muscles” eller shape memory alloys kan vibrations- och ljudlösa kraftgivare tillverkas. De problemen som inte är lösta är bland annat för låg aktionshastigheten och hög energiförbrukning.

Många projekt på gång
Frågan är: När kan vi se ett samlat resultat av dessa plattformar? Det kommer troligen inte att ske inom den närmsta tiden. Men faktum är att det nu pågående Amerikanska projektet DARPA har en mycket hög målsättning. Projektet skall leda till en helt ny generation armproteser inom fyra år. Följande mål är utsatta:
Implanterade nervinterface med möjlighet att differentiera och nyttja efferenta signaler för kontroll, samtidigt som afferenta signaler ger sensorik. Detta skall ske under simultana förlopp och styrning av ett större antal frihetsgrader i en multifunktionell proteskonstruktion. Den mekaniska konstruktionen skall bygga på en modulariserings-filosofi med möjlighet att nyttjas vid direkt skelettförankring och paketeras i en estetisk konstruktion.

Populism eller framtidsvision?
Ytterligare mål är att garantera god funktion i olika miljöer och vara robust. Det skall bli intressant att se hur långt man når inom ramen för detta projekt. Aldrig förr har så stora pengar investerats i ett likvärdigt projekt. Andra projekt är exempelvis det s.k. ”Cyberhand”, som bland annat populistiskt visades i tidskriften Illustrerad vetenskap för något år sedan. Detta projekt siktar högt, med bland annat nervkoppling, sensorik och en hand med sex frihetsgrader.
För oss kliniker känns det tryggt att våra ordinarie leverantörer har kraft och resurser att få ut nya produkter på marknaden, något som separata forskargrupperingar ofta inte lyckas med. Det krävs att plattformsbildare går samman och om man inte lyckas fullt ut, ger det ändå värdefull spin-off.
Jag vill här passa på att tacka SOIFs stipendie-kommitté samt Otto Bocks resestipendium som bidrog till mitt deltagande vi MEC.

Stewe Jönsson är leg. ortopedingenjör vid Ortopedteknik, Sahlgrenska Universitetssjukhuset,
Göteborg

Referenslista på begäran från författaren.
stewe.jonsson@vgregion.se

© Copyright Ortopediskt Magasin.