Första fingerfärdiga och kännande handprotesen implanterad

En svensk patient med amputerad hand har blivit den första mottagaren av ett osseo-neuromuskulärt implantat som styr en mycket rörlig handprotes. Under en banbrytande operation placerades titanimplantat i bägge underarmsbenen. Från implantaten drogs elektroder till nerver och muskler, som både samlar in signaler som styr en robothand och förser den med känsel.

Den nya implantatteknologin har utvecklats i Sverige av ett forskarlag som leds av Max Ortiz Catalan på Chalmers och Integrum AB – företaget bakom den första benförankrade protesen som fästs i en arm eller ett ben med hjälp av osseointegration. Operationen, som är den första i sitt slag, leddes av Rickard Brånemark och Paolo Sassu. Den genomfördes på Sahlgrenska Universitetssjukhuset, som en del i det större EU-projektet Detop, finansierat av EU-kommissionen genom Horisont 2020.

Johan Wessberg, professor i neurofysiologi vid Sahlgrenska akademin, Göteborgs universitet, deltar med sin forskargrupp i projektet. Fokus ligger på att undersöka hur människan uppfattar beröring, och hur maskiner kan återskapa denna upplevelse.

Detop koordineras av Christian Cipriani på Scuola Superiore Sant’Anna. Projektet inkluderar också Prensilia, Lunds universitet, Essex University, Swiss Center for Electronics and Microtechnology, Inail Prosthetic Center, Università Campus Bio-Medico di Roma, och Instituto Ortopedico Rizzoli.

Konventionella handproteser förlitar sig på elektroder placerade ovanpå huden för att utvinna styrsignaler från de underliggande musklerna i armstumpen. Dessa ytliga elektroder levererar begränsade och opålitliga signaler, som bara möjliggör styrning av ett par basala handrörelser (öppning och stängning av handen). Man kan få ut rikare och mer pålitlig information genom att i stället implantera elektroder i alla de muskler som återstår i armstumpen.

Den första patienten har nu fått sexton elektroder implanterade, för att skapa omfattande rörelsekontroll i en ny handprotes som har utvecklats i Italien av Scuola Superiore Sant’Anna och Prensilia.

En känsla av känsel

Dagens proteser ger också begränsad sinnesåterkoppling. De ger inte beröringsintryck eller rörelseintryck, så användarna måste förlita sig på enbart sina synintryck när de använder proteserna. Användarna vet inte hur hårt de greppar tag i ett föremål – de känner inte ens att de vidrör föremålet.

Genom att implantera elektroder i de nerver som tidigare kopplade till de biologiska sensorerna i den förlorade handen, kan forskarna stimulera dessa nerver elektriskt på ett sätt som liknar informationsöverföringen hos den saknade biologiska handen. Resultatet blir att patienten uppfattar att intrycken kommer från den nya proteshanden, eftersom den har sensorer som gör att nerverna stimuleras till att leverera sådana intryck.

En av de viktigaste aspekterna hos den nya teknologin är att det är den första som är användbar i patienternas dagliga liv. Den är alltså inte begränsad till forskningslaboratorier. En svensk del av forskargruppen – Integrum och Chalmers – har tidigare demonstrerat att styrning av en kännande protes fungerar i vardagslivet med hjälp av liknande teknologi, hos patienter som är amputerade ovanför armbågen.

Fler muskler att styra med

Tidigare var detta inte möjligt hos patienter som är amputerade nedanför armbågen, där det finns två mindre ben i stället för ett stort ben som ovanför armbågen. Implanteringen i underarmen innebar flera utmaningar i utvecklingen av implantatsystemet. Å andra sidan erbjöd den också möjligheten att uppnå mer avancerad styrning av den artificiella handen. Det beror på att det finns många fler muskler att utvinna neurala kommandon ifrån hos patienter som är amputerade nedanför armbågen.

Ben försvagas om de inte används och belastas, vilket vanligtvis händer efter amputationer. Patienten genomgår därför ett rehabiliteringsprogram för att återfå styrkan i sina underarmsben så att hon ska kunna belasta proteshanden fullt ut. Parallellt tränar hon också i en miljö med virtuell verklighet för att återfå förmågan att styra sin förlorade hand. Om några veckor kommer hon att börja använda proteshanden, med ökande funktionalitet och känsel, i sitt vardagsliv. Ytterligare två patienter i Italien och Sverige kommer att få implantat med denna nya generation av proteshänder inom några månader.

Max Ortiz Catalan, docent och föreståndare på Chalmers laboratorium för biomekatronik och neurorehabilitering, har lett utvecklingen sedan den startade för tio år sedan – i början med patienter som är amputerade ovanför armbågen.

Teknologiskt genombrott

– Det har rapporterats om flera avancerade protesteknologier under det senaste decenniet, men tyvärr har de förblivit forskningskoncept som bara har använts under korta perioder i kontrollerade miljöer, säger han. Genombrottet för vår teknologi ligger i att den gör det möjligt för patienterna att använda implanterade neuromuskulära gränssnitt för att styra sina proteser och få känselåterkoppling där det betyder som mest för dem; i sitt vardagsliv.

Det svenska bidraget till EU-projektet är omfattande. Utöver Johan Wessbergs forskargrupp på Göteborgs universitet deltar Christian Antfolks forskargrupp på Lunds universitet med studier av hur människan reglerar sina rörelser, och algoritmer som återskapar denna så kallade motorkontroll. Den kliniska uppföljningen och kommande operationer ska utföras på Sahlgrenska Universitetssjukhuset av Paolo Sassu, i samarbete med Rickard Brånemark på Massachusetts Institute of Technology.

Kontakt: Johan Wessberg

Bilder: Första patienten, amputerad nedanför armbågen, har en virtuell protes under läknigsperioden efter operationen, innan själva handprotesen kommer på plats (foto: Max Ortiz Catalan).

Videomaterial: Patienten, handprotesen och EU-projektet Detop