腕を切断した人の自然な行動を取り戻す義手「バイオニックアーム」

上肢切断患者の自然な行動を取り戻す義手「バイオニックアーム」 テクノロジー

バイオニック・プロテーゼ(義肢)は、身体の回復に役立つ可能性を秘めています。しかし、人間の上肢機能の特徴である直感的な運動制御、自己受容感覚、触覚の複雑な相互作用については明らかにされていません。

今回、腕を切断した患者が、切断していない人と同じように考え、行動し、機能することを可能にするバイオニックアーム(義手)を開発したことが明らかになりました。このバイオニックシステムは、直観的な運動制御、触覚、および手を開閉する際の直観的な感覚である握力運動感覚という3つの重要な機能を兼ね備えています。
この研究結果は、Science Robotics誌に掲載されました。

本物の腕のような義手

クリーブランド・クリニックを中心とする国際研究チームは、直感的な運動制御、触覚、握力の運動感覚という3つの重要な機能を組み合わせたバイオニックアーム(義手)を開発しました。アルバータ大学、ニューブランズウィック大学などの協力を得ています。

本研究では、触覚、グリップ運動感覚、直観的な運動制御をニューロロボティックスに融合させることで、標準的な義肢装具使用者とは異なり、健常者に近いレベルの行動パフォーマンスが促進されることを示しました。

このシステムは、ニューラル・マシン・インターフェースの3つの感覚および運動機能を、義手の中で一度にテストした初めてのシステムです。これは、装着者の手足の神経と接続します。患者が義手を使いたいとき、動かしたいときに、脳から義手に神経を送り、環境から物理的な情報を受け取り、神経を通して脳に伝えることができます。

Bionic Arm That Restores Natural Movements, Sensation and Touch

双方向のフィードバックと制御により、被験者は障害のない人と同程度の精度で作業を行うことができました。

この新しい義手では、人々は自然な手があるように行動できました。

健常者と同じように生活ができる可能性

今回の研究では、腕を切断した2人の被験者を対象に、切断された神経を残存する皮膚や筋肉に誘導することで神経機械のインターフェースを確立する、対象となる感覚および運動神経の再支配を受けた後にテストしました。今回の研究は規模が小さいため、今後の追加研究が重要になります。

進化した義足に搭載されたロボットタッチシステム。

進化した義足に搭載されたロボットタッチシステム。それぞれの小さな黒い箱は、ニューラル・マシン・インターフェースを通じて、ユーザーに個々の指の感覚を提供する。©Cleveland Clinic

感覚標的再支配では、小型ロボットが皮膚に触れることで、患者が触覚を認識するための感覚受容体が活性化されます。対象となる運動神経の再支配では、患者が手足を動かそうと考えると、再支配された筋肉がコンピュータ化された義肢と通信し、同じように動くようになります。また、小型で強力なロボットが、同じ筋肉にある運動感覚受容器を振動させることで、義手や腕が動いていることを実感することができます。

進化した義手を装着した被験者は、手や腕の機能を必要とする日常の基本的な行動を反映した作業を行いました。研究者たちは、新たに開発した高度な評価ツールを用いて、障害のない人や従来の義肢装具を装着している切断者と比較して、義肢装具を装着した人のパフォーマンスを評価しました。

クリーブランドクリニックが開発したPEP(Prosthesis Efficiency and Profitability)テスト。

クリーブランドクリニックが開発したPEP(Prosthesis Efficiency and Profitability)テスト。このテストでは、触覚と握力の運動感覚を使って、気になるものの中から異なる硬さのブロックを見つけようとするときに、個人がどのような判断を下すかを知ることができます。©Cleveland Clinic

マラスコ博士によると、従来の義肢装具を装着した人は、手足で感じることができないため、日常生活をこなす際に、切断していない人とは異なる行動をとります。例えば、従来の義肢装用者は、義肢を使用している間、常に義肢を見ていなければならず、手に力が入りすぎたり、入らなかったりした場合の修正方法を学ぶのに苦労します。

新しい義手と高度な評価ツールにより、研究者たちは、被験者の脳と行動の戦略が切断していない人と同じように変化したことを確認できました。義手を見張る必要がなくなり、見なくても物を見つけられるようになり、失敗をより効果的に修正できるようになったのです。

腕を切断した人が、初めて健常者と同じように「考える」ことができるようになり、義肢装着者は日常生活にシームレスに復帰できるようになりました。

研究代表者であるポール・マラスコ博士は、「私たちは、標準的な義肢にこの複雑なバイオニックシステムを組み込むことで、装着者がより直感的に義肢を動かし、同時に触覚や運動感覚を感じることができるようにしました。今回の発見は、切断された人の腕の機能を完全に回復させるための重要な一歩です」と述べています。

本研究は、米国防総省の研究開発部門である国防高等研究計画局から一部資金提供を受けています。2018年、マラスコ博士は、義手を装着した患者の自然な動きの感覚を回復させる新しい方法について、Science Translational Medicine誌に画期的な論文を発表しました。

Source:ScienceDaily

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