Osseointegrierte Unterschenkelprothese mit neuronaler Schnittstelle (TTeOPRA)

Die Normalisierung der Funktion für Personen mit Gliedmaßenamputation ist in Reichweite und wird durch intelligente Implantate erreicht, die in der Lage sind, über knochenverankerte, interaktive, angetriebene Prothesenkomponenten in beide Richtungen zwischen Gehirn und Maschine zu kommunizieren. Die Rehabilitation von Patienten mit zu erwartendem hohem körperlichen Aktivitätsniveau, wie beispielsweise nach einer Amputation aufgrund von Trauma oder Krebs, ist derzeit durch die Abhängigkeit von einem externen Schaft für die mechanische Befestigung der Prothese am Residuum begrenzt. Trotz der Verwendung fortschrittlicher Materialien und Herstellungsmethoden verursachen Schaftschnittstellen routinemäßig Wunden, Scheuern, Schmerzen, erhöhten Energieverbrauch und eine verringerte Lebensqualität. Neuartige Operationstechniken mit osseointegrierten transdermalen Titanimplantaten, die seit 25 Jahren in Europa validiert sind, machen schmerzhafte Gelenkpfannen überflüssig, indem sie eine direkte, lasttragende Verbindung zwischen Skelett und Prothese herstellen. Dieses System verspricht auch einen transformativen Durchbruch in der Neuroprothetik, da es vollständig interne, stabile neuronale Verbindungen mit hoher Bandbreite ermöglicht. In einem kürzlich in Science Translational Medicine veröffentlichten Artikel wurden dem osseointegrierten Gerät implantierte Muskel- und Nervenmanschettenelektroden hinzugefügt, wodurch eine bidirektionale efferente-afferente Schnittstelle unter Verwendung eines sicheren und immunversiegelten Osseokanals geschaffen wurde. Der Herausgeber kommentierte diese Arbeit wie folgt: „Die Osseointegration könnte den Bereich der Neuroprothetik revolutionieren und den Patienten eine intuitivere Kontrolle und mehr Bewegungsfreiheit geben.“

Forscher haben versucht, bionische Prothesen mit ausreichenden Freiheitsgraden für die Durchführung natürlicher Aufgaben voranzutreiben, wie z. B. das Manipulieren von Objekten im Fall von Prothesen für die oberen Extremitäten oder das Gehen und Laufen für Systeme für die unteren Extremitäten. Trotzdem hat die afferente Rückkopplung bei keiner klinisch brauchbaren Amputationsprothese eine große Rolle gespielt, obwohl sie für die biomimetische Kontrolle von entscheidender Bedeutung ist. Dieser Mangel kann zum großen Teil auf einen Mangel an klinisch verfügbaren Methoden für eine anhaltende Kommunikation mit dem peripheren Nervensystem zurückgeführt werden. Es gibt keine bestehende Plattform, die eine invasive, robuste und dauerhafte Kommunikation mit dem peripheren Nervensystem in einem klinischen Umfeld mit hoher Nachfrage ermöglicht. Nur durch die Zusammenführung kritischer Technologien und Fachkenntnisse wird es möglich sein, ein bionisches Gliedmaßenersatzsystem mit angemessener Aufhängung, Kraftübertragung, Motorsteuerung, propriozeptivem Feedback und externer Mechatronik zu schaffen, das der Masse, dem Volumen und der Dynamik der fehlenden biologischen Gliedmaße ähnelt.

Um eine solch beispiellose Integration der Prothesentechnologie zu erreichen, wurde ein breites wissenschaftliches Team mit Mitgliedern des Massachusetts Institute of Technology (MIT: Carty, Herr, Riso, Braanemark), des Brigham and Women's Hospital (BWH: Carty), der University of California, San Francisco (UCSF: O'Donnell), University of Michigan (U-M: Cederna) und Walter Reed National Military Medical Center (WRNMMC: Forsberg, Potter). Mit dieser Kombination aus führenden Technologen und Klinikern in den Bereichen Biomechanik, Osseointegration, Prothetik, implantierbare Elektroden, sensorisches Feedback, Propriozeption, rekonstruktive Chirurgie und Mechatronik streben wir danach, die fortschrittlichsten klinisch brauchbaren künstlichen Gliedmaßen zu entwickeln. Mit propriozeptivem afferentem Feedback versuchen wir zu zeigen, dass eine Person mit Unterschenkelamputation die volle willentliche Kontrolle über ein neuromechanisches Prothesensystem zeigen kann, bei dem wichtige Gehmetriken normalisiert sind, einschließlich bevorzugter Geschwindigkeit, Stoffwechsel und Gelenkdynamik. Die Antragsteller sind der Ansicht, dass der Umfang dieser Forschung von grundlegender Bedeutung ist, wobei die Ergebnisse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft breit geteilt werden.