Smart Health

5 min

Nieuwe technologie koppelt bionische arm aan brein

Imec ontwikkelde een nieuwe implanteerbare chip om een kunstarm op een veel fijnmaziger manier met de zenuwen van de patiënt te verbinden.

Scroll

Elk jaar zijn er mensen die één arm, of zelfs beide armen, verliezen in ongevallen. Om hen een zo normaal mogelijk leven te laten leiden, hebben onderzoekers bionische armen en handen ontwikkeld, slimme protheses die de echte ledematen zoveel mogelijk nabootsen. Een aantal van die kunstarmen is al uitvoerig getest en de resultaten worden geleidelijk beter. Maar op één punt is er nog veel vooruitgang mogelijk: de patiënten het gevoel geven dat de nieuwe arm echt bij kun lichaam hoort. Om dat te doen moet de elektronica van de kunstarm op een veel fijnmaziger manier met de zenuwen van de patiënten verbonden worden. Net om die verbinding mogelijk te maken, heeft imec een nieuwe implanteerbare chip ontwikkeld, vertelt Dries Braeken, R&D manager bij imec.

Wie bij een bedrijfsongeval of in het verkeer een arm verliest, blijft achter met een stomp met doorgesneden zenuwen en spieren. Maar het commandocentrum, het schakelbord om die arm, hand en vingers te doen bewegen is nog helemaal intact. Dat zit in de hersenen – in de motorische cortex – als een soort virtuele arm. Die virtuele arm blijft voelen en wachten op ervaringen, wat verklaart waarom veel patiënten fantoompijn ervaren in een arm die er niet meer is. En de hersenen blijven ook signalen uitsturen om de hand en vingers te doen bewegen. Als patiënten bijvoorbeeld zonder erbij na te denken iemands hand willen schudden of een bal willen opvangen, dan vuurt de motorische cortex nog altijd elektrische salvo’s af. Via het ruggenmerg komen ze terecht in de zenuwen die in de stomp uitmonden en je kan letterlijk zien dat de spieren opspannen in wat overblijft van de arm.

De oplossing lijkt dus vanzelfsprekend: ontwerp een geavanceerde kunstarm met elektromotoren en gevoelige sensoren en verbind die met de zenuwen op dezelfde manier als de echte arm verbonden was. Maar dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan. Er moet superlichte en toch sterke mechanica gemaakt worden, met elektromotoren die de kracht en soepelheid van menselijke spieren perfect imiteren. Er zijn een hoop gevoelige druk-, warmte-, en bewegingssensoren nodig. En dan is er nog de interface, het vertaalcentrum om de menselijke en bionische signalen op elkaar af te stemmen.

Een eerste generatie slimme protheses pikt de elektrische signalen van de resterende armspieren op en drijft daarmee de elektromotoren in de kunstarm aan. Maar patiënten die zo’n arm aanpassen, hebben de ervaring dat hun kunstarm er als een dood gewicht bijhangt, een voorwerp dat geen deel van hun lichaam uitmaakt. En dus gebruiken ze de arm liefst zo weinig mogelijk.

Bij nader inzien hebben ze daarvoor ook een aantal goede redenen.

Om te beginnen mist hun prothese de superfijne vingerbeheersing die mensen na tientallen jaren finetunen gebruiken voor complexe interactie met hun omgeving. De patiënten kunnen bijvoorbeeld wel een pen opnemen, maar er niet mee schrijven.

Maar nog storender vinden ze het gebrek aan feedback. Hun kunstarm is niet in staat om de hersenen te vertellen waar hij zich bevindt, of hij een zacht oppervlak aanraakt, een brandend stuk hout opneemt of precies voldoende kracht uitoefent om een koffiebekertje van Starbucks vast te houden zonder het te verpletteren.

Een betere prothese moet dus vooral een natuurlijkere ervaring kunnen bieden. Om dat mogelijk te maken startte DARPA, het onderzoeksinstituut van het Amerikaanse ministerie van Defensie, met het HAPTIX-programma, de afkorting van ‘Hand Proprioception and Touch Interfaces’. De bedoeling van dat onderzoeksprogramma was om een prothesehand te ontwikkelen die even vlot beweegt en gevoelens overbrengt als een natuurlijke hand. Dat zou moeten lukken door de prothese rechtstreeks met de zenuwen te verbinden in plaats van met de spieren en door de biologische en artificiële circuits aan elkaar te koppelen via een permanente, geïmplanteerde link die elektrische signalen in twee richtingen zendt en ontvangt.

De honderden zenuwen die door ons lichaam lopen, zijn gegroepeerd in afgeschermde zenuwbundels. Dit is enigszins te vergelijken met de bundeling van de controle- en communicatiekabels van een gebouw in een kabelgoot. Onze handen en armen worden door twee dergelijke bundels bediend, de elleboogzenuw en de mediaanzenuw. Een van de veelbelovende technieken die HAPTIX heeft ontwikkeld en getest, bestaat erin om de elektroden in een ring in te bouwen die netjes rond de 5 mm dikke zenuwbundels past. Maar daarmee blijkt het een hele uitdaging om precies de juiste zenuwen in de bundel aan te spreken en er informatie van te ontvangen, zonder er contact mee te maken. En om de zaken nog moeilijker te maken bewegen en verschuiven de zenuwen de hele tijd in de bundel. Er is dus een bovengrens aan de precisie die met deze methode haalbaar is.

Een grotere precisie is mogelijk door de elektronica in de zenuwbundel in te brengen om fysiek contact te maken met de afzonderlijke zenuwen. Hierdoor stijgen de risico’s: de elektrodes die met microchirurgie in de bundel worden geprikt, moeten contact maken maar mogen de zenuwen niet beschadigen. De eerste dergelijke elektrode werd vier jaar geleden tijdelijk bij een patiënt geïmplanteerd (https://actu.epfl.ch/news/amputee-feels-in-real-time-with-bionic-hand/). De test was een succes maar toonde ook aan dat er nog compactere implantaten nodig zijn, met veel meer intelligentie en contactpunten die heel dicht op elkaar staan om informatie te ontvangen en door te geven aan aparte zenuwen.

Dit is precies wat de onlangs voorgestelde imec-chip biedt.

De nieuwe biochip is maar 35µm dik, dunner dan een gemiddelde hoofdhaar! Hij wordt geproduceerd met dezelfde siliciumtechnologie als de geavanceerde, verfijnde computerchips van vandaag. Op het chipoppervlak zitten 64 elektrodes die zenuwen stimuleren en aflezen, terwijl zelfs een uitbreiding tot 128 mogelijk is. Via een naald boven op de chip kan het pakket in een zenuwbundel worden ingebracht, zodat de elektroden elk apart contact maken met de zenuwen.

De onderzoekers bij imec ontwikkelden de chip in nauwe samenwerking met hun collega’s aan de universiteit van Florida, een belangrijke partner in het HAPTIX-programma.

Dat precies imec voor deze ontwikkeling werd geselecteerd, komt doordat het een van de enige labs is waar dergelijke verfijnde elektronica kan ontworpen én geproduceerd worden. Imec heeft de laatste jaren een reeks vergelijkbare biochips ontwikkeld, bijvoorbeeld neuroprobes met honderden elektrodes langs een lange, soepele schacht. De imec-onderzoekers wisten dus hoe ze een fijnmazige prothesechip moesten ontwerpen.

Toch was niet de chip zelf de grootste uitdaging, maar wel de verpakking. Een hermetisch verzegelde, biocompatibele en soepele verpakking die als langdurig implantaat voor mensen moet dienen, was ook voor de Leuvense onderzoekers nieuw. De ingenieurs besloten daarvoor nanolagen met superieure barrière-eigenschappen telkens af te wisselen met heel dunne, soepele polymeerlagen. De elektronica die zo tot stand kwam, is uiterst dun, flexibel en ondoordringbaar, geschikt dus als minimaal invasief implantaat.

De eerste fase van het project is ondertussen succesvol afgesloten. Nu volgt er een testfase waarin het prototype in grotere volumes wordt geproduceerd. Vervolgens wordt de prothesechip in Florida getest, vooral om te zien hoe hij zich gedraagt in een biologische omgeving. Blijft hij goed afgedicht? Functioneert hij ook nog na een langere periode? Ondertussen wacht de onderzoekers al een andere taak: hoe kunnen ze alle informatie van de zenuwen in nuttige signalen voor de prothese vertalen? En omgekeerd: welke nuttige signalen van de prothesesensoren kunnen ze in het zenuwstelsel injecteren?

Deze studies zijn een eerste stap naar een prothese met “gevoel”. Hoewel het nog enkele jaren zal duren voor zo’n kunstarm beschikbaar is, tonen de resultaten aan dat een prothese met feedback haalbaar is, dat patiënten over afzienbare tijd het gevoel zullen hebben dat de prothese deel uitmaakt van hun lichaam en dat zelfs de volledig bionische protheses uit sciencefictionfilms ooit werkelijkheid kunnen worden.

 

Meer weten?

Dit project werd gesteund door het Biological Technologies Office van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), onder de bescherming van Dr. Doug Weber, via het Space and Naval Warfare Systems Center, Pacific Grant/Contract No. N66001-15-C-4018 van de University of Florida.

Biographie Dries Braeken

Dries Braeken studeerde in 2004 af als master in de biomedische wetenschappen aan de KU Leuven, waar hij in 2009 ook zijn doctoraat behaalde. Tot 2012 werkte hij als onderzoeker in de bio-elektronicagroep van imec. Daarna werd hij R&D-groepsleider bij imecs departement voor life science technologies en in 2017 R&D-manager en -groepsleider.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies