Bionics

Niet niks!

Hersengestuurde robotarmen en -benen kennen een ware opmars in de wereld van de orthopedie. Gaan we binnenkort ‘Ghost in the Shell’-scenario’s tegemoet?

Al eeuwenlang is de mensheid op zoek naar manieren om zichzelf helemaal of gedeeltelijk te kunnen vervangen. Zo gebruikte men in de oudheid al stokken als beenprotheses, en ook de haken van piraten vormen een vroege vorm van orthopedie.

Illustratie door Wout Vierbergen

De laatste decennia wordt ook bionica meer en meer bij het vervangen van ledematen betrokken. De term ‘bionica’ is een samenvoegsel van de Griekse woorden ‘bion’ en ‘ica’, wat ‘eenheid van leven’ en ‘als/zoals’ betekenen. De fauna en flora rondom ons hebben zich door de evolutie zo efficiënt aangepast aan de omgeving, dat vele technologieën de mosterd bij Moeder Natuur halen. Zo zijn de haakjes van een klittenband gebaseerd op de haakjes van, jawel, de klitvrucht en bracht het lotusblad inspiratie voor zelfreinigende daken of tonen computervirussen grote gelijkenissen met hoe biologische virussen zich verspreiden en reproduceren. Het is duidelijk: de natuur vormt dé grote inspiratiebron voor vele studiegebieden zoals elektronica, biotechnologie, hydraulica, computerwetenschappen, geneeskunde, nanotechnologie enzovoort. Het menselijke lichaam is echter zo complex dat interactie tussen mens en machine kennis uit al deze studiegebieden vraagt. De interdisciplinaire wetenschap die machines met biologische organismen zoals spieren, beenderen en zenuwstelsel laat interageren heet biomechatronica. Wetenschappers proberen met deze kennis levende organismen te vervangen, te vervolledigen of zelfs te overtreffen en sinds enkele jaren is dat geen verre sciencefiction meer.

TMI

In 2015 voerden artsen van het UZ Gent, onder leiding van orthopedisch chirurg Wim Vanhove, een baanbrekende ingreep uit: via osseïntegratie en Targeted Muscle Innervation (TMI) plaatsten ze bij de Vlaamse student Samy Meziani de eerste bionische kunstarm in België. Vanhove kreeg dat jaar de titel van Strafste Gentenaar voor de doorbraak met zijn team, maar wat maakte deze operatie precies zo revolutionair?

De ingreep die Vanhove bij Meziani uitvoerde, bestond uit twee luiken, namelijk aan de ene kant de osseïntegratie en aan de andere kant de Targeted Muscle Innervation. Osseïntegratie is een techniek waarbij een botstuk in kunststof, vaak is dat aluminium, in direct contact staat met levend bot en zachte weefsels zoals spieren, pezen en ligamenten, waardoor de prothese steviger aan het lichaam vast zit dan kunstledematen met een zuignap. Muscle Innervation staat voor het integreren van zenuwen die overblijven uit de geamputeerde ledemaat in het spierweefsel in het overblijvende gedeelte. De hersenimpulsen worden vervolgens door een kleine computer in de prothese opgepikt, waardoor een meer natuurlijke beweging en bewegingsuitslag ontstaat. Dat is minder het geval bij de myoëlektrische (arm)protheses die tot vandaag de dag het meest gebruikt worden. Hier zitten de sensors in de op maat gemaakte prothese zelf die de geringste spierspanning en elektrische signalen in zenuwen kunnen “aanvoelen”. Deze protheses kunnen redelijk accurate bewegingen uitvoeren, maar zijn vrij zwaar en duur. Een ander nadeel is dat de impulsen altijd met een kleine vertraging in beweging omgezet worden.

IMES

Naast TMI is er nog een andere techniek die hersengestuurde sturing van een prothese mogelijk maakt, namelijk Implanted Myoelectric Sensor Technology of IMES. Hoewel even revolutionair als TMI, gaat het hier om een relatief eenvoudige ingreep waarbij sensoren in de spieren van de patiënt geïmplanteerd worden. De sensoren vangen hersensignalen op en sturen die prikkels vervolgens door naar de prothese. Voor deze ingreep heb je dus geen overblijvende zenuwen nodig. De IMES-techniek werd ontwikkeld door het IJslandse orthopedisch bedrijf Ossur en in 2015 implanteerde dr. Thorvaldur Ingvarsson de technologie voor het eerst bij Gudmundur Olafsson, een man die tijdens zijn jeugd zijn rechtervoet en -onderbeen verloor. Toen dan eindelijk het moment kwam waarop hij voor het eerst zijn nieuwe voet mocht passen, kon hij er al na tien minuten mee wegwandelen “alsof hij het met zijn eigen spieren bewoog.” De IMES-prothese reageert dan ook op onbewuste, reflexmatige impulsen, waardoor de gebruiker niet zelf hoeft na te denken over de beweging. Dat zorgt er dan weer voor dat de prothese een grote vooruitgang betekent qua functionaliteit bij protheses voor de onderste lidmaat, aangezien de stabiliteit ervan voor een groot deel afhangt van een voortdurende onbewuste wisselwerking tussen voet- en beenspieren.

"De protheses zijn vooral op het verbeteren van functionaliteit gericht"

"De IMES-prothese reageert op onbewuste impulsen"

We, Robot

Momenteel zijn de hersengestuurde prothesen er vooral op gericht om de functionaliteit van de patiënt uit te breiden. Een volwaardig alternatief voor een menselijk lidmaat is er helaas nog niet. Om dat te kunnen bereiken, is er nood aan prothesen die ook sensorische feedback teruggeven aan de patiënt. Zonder deze feedback kan hij bijvoorbeeld niet voelen hoe hard een voorwerp vastgenomen wordt, waardoor precieze bewegingen niet mogelijk zijn, maar hier worden vorderingen gemaakt. Zo is DARPA (US Defence Advanced Research Projects Agency) erin geslaagd om een verlamde man gevoel te geven in een prothese die door directe bedrading in verbinding stond met zijn hersenen.
 

Van een stok aan je been naar armen die geïnspireerd lijken te zijn op films als ‘Iron Man’ of ‘Pacific Rim’. Er zijn al enorme stappen voorwaarts gemaakt en elk jaar zijn er revolutionaire doorbraken in de bionica. Waar zal het eindigen? Zal het ooit eindigen? Wat ooit voor onmogelijk gesteld werd, is vandaag realiteit. Dat bewijzen de hersengestuurde prothesen. Zal wat vandaag onmogelijk geacht wordt dan ook ooit realiteit worden? Zullen we ooit allemaal robotsuperkrachten hebben?

Nog geen stemmen

Reactie toevoegen