De twee biomechanicaprofessoren van de Universiteit Twente richten zich op het ontwikkelen van een interface tussen lichaam en prothese, voor directe controle door de patiënt. ‘We willen een prothese ontwikkelen die echt een verlengstuk van het lichaam is.’ Bij het project is ook Prothesefabrikant Ottobock betrokken.
‘Deze prothese is zoveel beter dan mijn oude!’, zegt patiënt Gerard Mast enthousiast. ‘Vooral als ik een trap of schuin terrein oploop, is het een enorme verbetering en komt het veel dichter bij lopen met mijn natuurlijke been’. Mast verloor ongeveer een jaar geleden zijn onderbeen en doet nu mee aan het onderzoek van de UT waar onderzoekers een prothese ontwikkelen die de patiënt zelf via de hersenen kan aansturen. Om zijn been zit een apparaat vol elektronica, waar talloze draden uitsteken. ‘Deze interface verbindt elektroden op de huid met de prothese. De elektroden pikken de spieractiviteit in het overgebleven deel van het been op en vertalen dit naar beweging van de gemotoriseerde prothese’, legt Herman van der Kooij, hoogleraar aan de afdeling Biomechanical Engineering, uit. Hierdoor kan Mast zijn bewegingen direct aansturen en dit resulteert in natuurlijker en meer gecontroleerde loopbeweging.
Loopexperiment
Tijdens het loopexperiment zit Mast voor de veiligheid vast in een harnas, terwijl verschillende camera's zijn bewegingen op de loopband volgen. Wetenschappers meten de spieractiviteit in het overgebleven deel van zijn been, die als pieken op een groot scherm verschijnt. Een doel van de test is dat de patiënt leert hoe hij de overgebleven spieren in zijn been moet aansturen om de prothese optimaal te kunnen bedienen. Mast ervaart het lopen met de nieuwe prothese op de loopband als comfortabel, maar heeft nog geen optimale controle.
Veel meer controle
‘De huidige beenprothesen zijn mechanische apparaten die aan de stomp zijn bevestigd, soms met veren die samendrukken en weer terugveren om het lopen te verbeteren’, zegt professor Massimo Sartori, collega van Herman van der Kooij op dezelfde afdeling. ‘Ze werken meestal goed op gemakkelijk, vlak terrein. Maar op een helling, of als de patiënt over een steen struikelt, reageren ze minder goed, omdat de reflexen om het evenwicht te bewaren en te herstellen natuurlijk ontbreken.’
Om deze nadelen te overwinnen, ontwikkelt het team een compleet nieuw type prothese dat veel meer controle mogelijk maakt, inclusief reflexen om het evenwicht te bewaren. Van der Kooij, tevens project co-PI van Simbionics, legt uit: ‘We willen een prothese ontwikkelen die echt een verlengstuk van het lichaam is. Elektrische signalen, die worden opgewekt wanneer de overgebleven spieren in de stomp samentrekken, besturen de prothese. De hersenen hebben controle over die spiersamentrekkingen. Ons uiteindelijke doel is een prothese die de patiënt zo volledig kan besturen.’
Natuurlijker lopen
Als basis voor hun nieuwe bionische prothese gebruiken de wetenschappers de bestaande enkelprothese die is ontwikkeld door klimmer en MIT-professor bio-mechatronica en bergbeklimmer Hugh Herr. Herr verloor zijn beide onderbenen door bevriezing tijdens een klimexpeditie. Na deze onfortuinlijke gebeurtenis richtte hij zich op wetenschap en biomechanica en specialiseerde hij zich in prothesen. Uiteindelijk ontwikkelde hij een ultramoderne, autonoom werkende prothese, uitgerust met een motor en een microprocessor. De microprocessor communiceert met de ingebouwde motor en registreert en regelt de gewrichtspositie en de uitgeoefende krachten.
In 2016 ontving Herr zelfs een eredoctoraat van de UT. Herr's protheseontwerp resulteert in een betere en meer natuurlijke loopbeweging over verschillende soorten terrein. De prothese bootst de bewegingen van een echt been na en de patiënt kan er zelfs mee klimmen. Maar ondanks de enorme verbetering ten opzichte van de bestaande prothesen, kon de patiënt deze niet zelf besturen. Ook snelle reflexen om struikelen en vallen te voorkomen waren niet mogelijk, waardoor lopen over moeilijker en onvoorspelbaarder terrein nog steeds wat riskant was.
Multidisciplinaire samenwerking
Om een bionisch been te bouwen dat de patiënt echt zelf kan besturen, zijn nieuwe technologieën, toewijding en multidisciplinaire samenwerking nodig. Hier komen vakgebieden als biomechanica, fysiologie, anatomie en technologie samen. Het team besloot de gemotoriseerde prothese van Herr als basis te nemen en aan te passen door er een interface aan toe te voegen die elektrische signalen van het samentrekken van de overgebleven stompspieren oppikt en doorgeeft aan de motor. Dit maakt een optimale besturing van de gemotoriseerde prothese mogelijk en verbetert het lopen.
Om deze complexe taak uit te voeren, bouwde het team eerst een vereenvoudigd digitaal model van het verloren ledemaat in de computer, inclusief alle spieren, pezen en gewrichten. Sartori: ‘Als je weet hoe de spieren en pezen lopen, kun je berekenen hoe ze de krachten naar de gewrichten overbrengen.’ Vervolgens verbonden de wetenschappers dit digitale ledemaat, dat draait op een microprocessor van een computer, elektronisch met de spieren in de stomp en met de motoren in de prothese.
Natuurlijke beweging
De wetenschappers analyseerden daarna hoe de elektrische signalen van de spieren in de overgebleven stomp, het digitale ledemaat activeerden. Wanneer de patiënt deze resterende spieren activeert, berekent de microprocessor binnen een fractie van een seconde de verschillende spierkrachten van het digitale ledemaat op de virtuele gewrichten. Die informatie wordt vervolgens razendsnel naar de prothese gestuurd om deze te activeren en een natuurlijke beweging te initiëren. De patiënt controleert zelf de hele cascade van gebeurtenissen: die begint met de activatie van de resterende spieren door de hersenen, en eindigt met een natuurlijke loopbeweging van de prothese.
Meer verbeteringen
Om dit in de praktijk te laten werken, verbinden de wetenschappers dit virtuele ledemaat via een geavanceerde interface met de spieren en de prothese. ‘We richten ons op het ontwikkelen van een interface die signalen doorgeeft van het lichaam naar het virtuele ledemaat en vervolgens naar de prothese’, zegt Sartori. ‘Om ook reflexen te kunnen nabootsen, rusten we de prothese in de toekomst ook toe met kunstmatige intelligentie, zodat deze heel snel kan reageren als de patiënt struikelt of zijn evenwicht verliest.’ Maar de toekomst kan nog meer verbeteringen brengen. Op dit moment is de interface verbonden met de huid en vangt zo elektrische signalen van de spieren op. Om het ongemak voor patiënten te minimaliseren, overwegen de onderzoekers de mogelijkheid om de interface-elektroden in de spieren te integreren, waardoor het gebruiksvriendelijker en minder omvangrijk wordt.
Gecompliceerdere prothese
Hoewel er enorme vooruitgang is geboekt in de ontwikkeling van een efficiënt bionisch been, is er nog veel onderzoek nodig om de technologie te perfectioneren. Momenteel ontwikkelt het team een methode waarbij de prothese de patiënt informeert over bijvoorbeeld de positie van de voet en hoeveel kracht hij of zij moet uitoefenen, door middel van trillingen op de huid. De patiënt kan deze feedback leren interpreteren en vervolgens snel de nodige correcties aanbrengen.
‘Ik ben erg blij dat we een goedgekeurde verlenging van het project hebben voor twee jaar om deze technologie verder te ontwikkelen’, zegt Van der Kooij. ‘En dit ontwerp maakt een modulaire opbouw mogelijk, omdat dezelfde principes gelden voor verschillende gewrichten. Daardoor zijn we uiteindelijk in staat om een gecompliceerdere prothese te ontwikkelen, waarin we zowel de knie als de enkel kunnen combineren.’
Voor geamputeerde patiënt Gerard Mast zit een vermoeiende middag vol tests er bijna op. Maar zijn inspanningen zijn voor een goed doel: terwijl de prothese steeds verder verbetert, zal het slechts een kwestie van tijd zijn voordat hij de nieuwe prothese in zijn dagelijks leven kan gebruiken en bijna net zo goed kan lopen als voorheen.
