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- 많은 절단 수술을 받은 사람들이 환상통을 겪고 있다.
- 뼈와 신경에 단단히 연결된 의수로 제어력과 신경 피드백이 향상돼
- 보철물의 몸통은 두 개의 티타늄 임플란트에 의해 뼈에 고정
- 보철물의 제어 전극은 특수 인터페이스를 통해 팔뚝의 신경관과 근육에 직접 연결

생체 공학적 손을 가진 최초의 여성
뼈와 신경에 단단히 연결된 의수로 제어력과 신경 피드백이 향상됐다.

스웨덴의 한 여성은 뼈, 근육 및 신경에 단단히 연결된 생체공학 보철물을 보유한 최초의 사람이다. 뼈 바깥쪽에만 장착하는 일반 보철물과 달리 생체공학 손은 실제 팔과 동일하게 제어된다. 이를 통해, 더욱 정확한 움직임 제어가 가능해지고 뇌에 신경 피드백이 제공된다. 연구원들이 "Science Robotics"에 보고한 것처럼 이는 또한 환자의 심각한 환상 통증을 완화시켰다. 

▲ 이 새로운 유형의 손 보철물은 팔 절단면의 뼈, 근육 및 신경에 단단히 연결된다. 이를 통해 제어가 더 쉬워지고 감각 피드백이 가능해진다. © Ortiz-Catalan et al.

현대의 보철물은 이제 순전히 수동적인 부속물이 아니며, 목표한 방식으로 제어하고 움직일 수 있다. 이는 일반적으로 사지 그루터기에 있는 근육의 전기 신호를 기록하는 보철물의 샤프트에 있는 전극에 의해 가능하다. 어떤 경우에는 필요한 근육 신호가 팔이나 다리 위쪽에 있는 커프에서도 파생된다. 그런 다음 환자는 특정 근육 그룹을 특별히 긴장시켜 보철물의 움직임을 제어하는 ​​방법을 배운다.

일반 보철물이 종종 문제를 일으키는 이유

그러나 문제는 이러한 대체 자극을 이용해 의수 손가락과 같은 미세한 움직임을 제어하기 어렵거나 불가능하다는 점이다. 스웨덴 생체공학 및 통증 연구 센터의 Max Ortiz-Catalan과 그의 동료들은 “표면 전극에 의해 등록된 근전 신호는 약하고 쉽게 교란된다”고 설명한다. "이것은 일상생활에서 의수족의 제어를 신뢰할 수 없게 만든다.“

▲ 그림 1. 경요골 절단 환자의 고도로 통합된 인간-기계 인터페이스의 개략도 및 엑스레이. 4개의 단극 상피 전극과 4개의 단극 근육 내 전극을 원래 잔존 근육에 봉합하여 보철물 제어를 위한 근전위 신호를 제공했다. 또한, 정중신경, 척골신경 및 요골신경의 다발을 혈관이 없는 근육 이식편으로 옮겨 추가적인 근전위 부위를 생성했다. 각각의 혈관화되지 않은 근육 이식편에는 단극 근육내 전극이 장착되었다. 감각 피드백을 위해 척골 신경의 일부를 커프 전극으로 감았다. 티타늄 Fixture를 요골과 척골에 식립하고 골유착되도록 방치하였다. 또한, 각 Fixture에 경피적 지대주를 설치하여 의수를 골격적으로 부착할 수 있도록 했다. 피드스루 커넥터는 고정 장치의 근위 끝(신체 내부)에서 두 어버트먼트의 원위 끝(신체 외부)까지 유선 전기 통신을 허용하여 인간과 의수 사이의 양방향 통신을 생성한다. (출처: 관련논문 A highly integrated bionic hand with neural control and feedback for use in daily life, 11. Oct. 2023 / Science Robotics)

게다가 많은 절단 수술을 받은 사람들이 환상통을 겪고 있다. 절단된 사지 부분의 신경 경로가 절단되어 더 이상 뇌로 신호를 다시 보낼 수 없기 때문에 이것이 통증을 유발한다. “내 손이 고기 분쇄기에 들어가는 것 같았어요. 나는 고용량의 진통제를 복용해야 했다”라고 50세의 시험 환자 카린(Karin)은 말했다. 그녀는 20년 전 사고로 오른쪽 팔뚝 아랫부분과 손이 절단됐다.

그냥 밀어 올리는 것이 아니라 단단히 고정되어 있다.

Ortiz-Catalan과 그의 팀이 개발한 생체공학 보철물이 이제 해결책을 제공한다. 일반적인 교체 사지와 달리 그루터기 바깥쪽에 안착되지 않고 환자의 팔뼈에 단단히 연결된다. 보철물의 몸통은 두 개의 티타늄 임플란트에 의해 뼈에 고정된다. 보철물의 제어 전극은 특수 인터페이스를 통해 팔뚝의 신경관과 근육에 직접 연결된다.

▲ 그림 2. 개입 전 점수와 개입 후 1년 점수를 비교한 결과 개요. (A) 경요골 절단 환자를 ​​위한 양방향 신경근골격 인터페이스인 중재에 대한 예시. (B) 두 ACMC 작업의 개별 점수. (C) SHAP의 기능 결과 지수. (D) EQ-5D-5L 설문지의 결과. (E) DASH 설문지의 결과. (F) Q-ULA 설문지의 결과. (G) ADL, 작업 및 수면 중 환상지 통증의 인지된 간섭. (H) 환지통 및 그루터기 통증의 보고된 인지된 강도.

"결과적으로 Karin은 이전에 생물학적 손을 제어하는 ​​데 사용했던 것과 거의 동일한 신경 신호 경로를 사용하여 보철물을 제어한다"고 Ortiz-Catalan은 설명했다. 이를 통해 환자는 의수 다섯 손가락을 모두 개별적으로 제어하고 손으로 6가지 다른 동작을 수행할 수 있는 것으로 테스트에서 나타났다. 이것은 예를 들어, 요리 하거나 여행 가방을 포장할 때와 같이 일상적인 움직임을 안정적이고 정밀하게 수행할 수 있음을 의미한다.

이는 손 보철물의 베이스가 뼈에 단단히 고정되어 있지만, 실제 보철물의 부착은 변경될 수 있다는 사실로 인해 단순화된다. 이를 통해 환자는 필요에 따라 다양한 손 모델을 착용할 수 있다. 연구팀은 보철물이 외부 배터리나 컴퓨터와 무관해 일상생활에서도 문제없이 사용할 수 있다고 강조한다.

▲ 그림 3. 환자는 일상생활을 대표하는 작업을 수행한다. 제어 매개변수가 미세 조정된 짧은 피팅 세션 후 참가자는 신경근골격 보철물을 사용하여 여행 가방 포장(A) 및 음식 준비(B)를 포함한 일상 작업을 수행할 수 있었다. (출처: 관련논문 Fig. 3 A highly integrated bionic hand with neural control and feedback for use in daily life / Science Robotics)

뇌에 대한 신경 피드백

환자의 차단된 신경 경로에 대한 직접적인 연결을 통해 뇌에도 피드백을 보낸다. 이는 환상통을 크게 감소시킨다. Karin은 “이제 보철물을 더 잘 제어할 수 있지만 가장 중요한 것은 통증이 감소했다는 것이다”며 “오늘날 훨씬 적은 양의 약물이 필요하다”고 말했다. 뼈에 단단히 고정되어 팔 그루터기 표면에 가해지는 압력도 감소하므로 마찰이나 압박점이 거의 없다.

또한 보철물은 보철물에서 전달되는 촉각, 압력 등의 감각적 인상을 신경 경로 연결을 통해 뇌로 전달할 수도 있다. 이전에는 외부 전극을 사용하고 오랜 훈련 후에만 제한된 범위에서만 가능했다. 그러나 그러한 지각 보철물은 현재 연구용 프로토타입으로만 이용 가능하다.

따라서 Ortiz-Catalan과 그의 팀은 생체공학 손의 감각 피드백을 제한된 범위에서만 테스트할 수 있었다. “우리 연구에 적합한 센서가 내장된 상용 의수는 없었다”고 그들은 설명했다. "그러나 앞으로 그러한 손 보철물이 시장에 출시되면 상황은 바뀔 것이다.”

"우리는 생체공학 보철물의 '성배'에 접근하고 있다."

연구원들에 따르면, 이러한 생체공학 보철물은 사지가 절단된 환자들이 더 나은 삶을 살 수 있도록 돕는 새로운 기회를 열어준다. 보철물이 뼈, 근육 및 신경과 긴밀하게 연결되어 있기 때문에 교체용 팔이나 다리를 더욱 효율적이고 안정적으로 제어할 수 있다. 또한 잃어버린 팔다리의 감각적 인상 중 적어도 일부를 대체하고 환상통을 완화할 수 있는 기회를 제공한다.

Ortiz-Catalan은 "Karin이 3년 동안 일상 활동에 보철물을 효과적이고 원활하게 사용해 왔다는 사실은 이 신기술의 삶을 변화시키는 능력에 대한 유망한 증거다"고 말했다. 그러나 그와 그의 팀은 또한 보철물의 외과적 통합이 합병증을 유발할 수 있다는 점을 인정했다.

첫 번째 시도에서 티타늄 막대가 제대로 자라지 않았기 때문에 환자에게 티타늄 막대 이식을 반복해야 했다. 그럼에도 불구하고 Karin은 생체 공학적 손에 대한 자신의 경험이 확실히 긍정적이라고 생각한다. 환자는 "이 연구는 나에게 더 나은 삶을 제공했기 때문에 나에게 많은 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구에 참여하지 않은 올보르 대학의 재활 의사인 Strahinja Doses는 이것이 비슷하게 유망하다고 믿는다. 자연스럽고 공간적으로 해결된 체성감각 피드백"이라고 그는 첨부 논평에 썼다.
(Science Robotics, 2023; doi: 10.1126/scirobotics.adf7360)
출처: Scuola Superiore Sant'Anna

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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