Adım adım biyonik insana doğru

İkinci Dünya Savaşı’ndan bu yana hastalık, savaş ve kazalarda kol ve bacaklarını yitiren kişiler, uzun yıllar tasarımı neredeyse hiç değişmeyen protezlerle idare etmek zorunda kalmışlardı. Fakat son yıllarda bu tablo tümüyle değişti. Gerek görüntüsü gerekse işlevi gerçeğine çok benzer hale getirilmiş yapay kol ve bacaklar, laboratuvardan çıkıp, kullanıcıların hizmetine giriyor.

Çok hızlı bir gelişme gösteren protez teknolojileri yalnızca daha güçlü ve daha esnek organların yolunu açmakla kalmıyor; aynı zamanda dokunmaya duyarlı bir derinin ve beyin tarafından kontrol edilebilen uzuvların üretimine de yeşil ışık yakıyor. Ve bütün bu gelişmelerin beş yıl içinde piyasaya sunulması bekleniyor. Kol veya bacağını yitirmiş bir hastayı, eskisinden daha hızlı ve güçlü hale getirmek artık zor değil. Kas, kemik ve sinir sistemi ile bütünleşen deneysel protezlerin yaşama geçirilmesiyle, kol ve bacak kaybının yarattığı olumsuzlukları tarihe karışacak.

Beyin kontrollü robotik kol konusunda dünyanın önde gelen uzmanlarından biri olan Baltimore’daki Johns Hopkins Üniversitesi’ndeki Uygulamalı Fizik Laboratuvarı şefi John Bigelow bu gelişmeleri şöyle değerlendiriyor: “İleri protez tasarımı konusunda heyecan verici bir döneme girdik. Son yıllarda yaşanan bu biyonik atılımın pek çok nedeni var. Daha küçük ve daha becerikli parçaların piyasaya çıkmasıyla yapay kol ve bacakların içine daha fazla donanım tıkıştırmak mümkün. Kaldı ki dünyada şeker hastalığının artması ve bölgesel savaşların şiddetlenmesiyle kol ve bacağı kesilmiş hasta sayısı da logoritmik olarak artıyor. Bu da işin aciliyetini artıran bir faktör.”

Protez bacaklar

Protez teknolojilerindeki bu son gelişmelere bağlı olarak ortaya çıkan sonuçlar yavaş yavaş piyasalarda kendini hissettiriyor. Bugün hastalık veya kaza sonucu bacağını yitirmiş bir insan 30.000 dolara akıllı bir yapay bacağa sahip olabiliyor. Bu bacaklar içerdikleri “akıllı” yazılım sayesinde kullanıcın yürüme hızını öğreniyor ve farklı zeminlere göre uyum sağlıyor. Buna en iyi örnek Almanya’daki Otto Block adındaki ortopedi şirketinin ürettiği C-Leg ve İzlanda’daki Össur isimli şirketin ürettiği Rheo Knee. Bu iki protez de içerdikleri hidrolikler ve motorlar sayesinde yapay bacağın yükünü büyük ölçüde azaltıyor. Ayrıca karbon fiberler kemik ve bağların özelliklerini taklit ediyor.

Protez ayak tasarımı ciddi uzmanlık isteyen bir daldır. Doğal ayak ve bileklerdeki kaslar, sürekli olarak kuvveti yerine göre ya baskılarlar ya da gücünü artırırlar. Bunun yanı sıra ayak tendonlarının elastikiyeti sayesinde görece olarak yürürken daha az enerji sarf ederiz. Massachusetts Institute of Technology’deki Biyomekatronik Grubu başkanı Hugh Herr, “Bacaklarını yitirmiş olanlar daha yavaş yürür ve daha fazla metabolik enerji harcar. Kaldı ki düz bir zeminde bile dengeleri çok sağlam değildir” diyor. Bu soruna çözüm getirmek için Herr’in ekibi “iWalk PowerFootOne” adını verdiği protez bir ayak tasarladı. Bu protez ayak, elektrik motoru ve tendona benzer yaylardan yararlanarak kullanıcının öne doğru ivme kazanmasını sağlıyor veya yavaşlatıyor. Bunlar ayak bileğinin konumunu ölçen iki mikro işlemci ve altı sensör tarafından kontrol ediliyor.

Biyonik kollar

Kol protezleri ne yazık ki bacak protezlerine oranla daha yavaş bir gelişme kaydediyor. Bunun nedenlerinden biri kol ve el kaybının bacak kaybı kadar yaygın olmaması. Ayrıca kollar daha küçüktür ve hareket alanı bacaklardan daha geniştir. Bu nedenle gerçek bir kolu taklit edecek yapay bir protezin içine gerekli olan donanımı sığdırmak çok zordur. Ancak parça boyutları küçüldükçe bu engeller de aşılıyor.

İngiltere’de Livingstone’daki Touch Bionics isimli şirketin geliştirdiği i-Limb adı verilen kol protezi bu alanda yapılmış en küçük ve en güçlü kol. Çok hafif plastik bir el olan i-Limb’te her bir parmak, içerdiği motor sayesinde bağımsız hareket edebiliyor. Parmak hareketleri kullanıcının vücuduna iliştirilmiş iki sensörden gelen tepkilere göre yönlendiriliyor. Bu sensörler kasların kasılmasına yol açan “myoelektrik” denilen elektriksel dürtüleri yakalıyor. Kullanıcılar belirli bazı kasları özel bir şekilde kasarak, önceden programlanmış kavrama şekillerine göre ellerini hareket ettirebiliyor. Örneğin önceden programlanmış şekillerden biri, kullanıcının başparmağı ile işaret parmağı arasında bir anahtarı tutmasına olanak tanıyor. Elde ayrıca yavaşlatma sensör sistemi de bulunuyor. Bu fren sistemi, kullanıcı bir nesneyi yeterli bir kuvvet ile tuttuğu anda elin daha fazla kasılmasını önlüyor.

Doğuştan gelen bir sinir hastalığına bağlı olarak sol elini yitiren John German isimli bir hasta, insanların elinin takma olduğunu anlamadıklarını söylüyor. “Benim kullandığım i-Limb gerçeğine çok benzeyen silikon bir deri ile kaplı. İnsanlar bunun benim gerçek elim olduğunu sanıyor” diyor.

Düşünce kontrollü biyonik kollar

Tümüyle biyonik olan kollar da yakında piyasaya çıkmak üzere. Segway isimli yakıtsız taşıtı tasarlayan Dean Kamen’in geliştirdiği Luke Arm, Amerikan İleri Savunma Araştırma Projeleri Dairesi (DARPA) tarafından finanse edilmiş. Irak ve Afganistan’da meydana gelen patlamalarda kol ve bacaklarını yitirmiş savaş gazilerinin sayılarının artması DARPA’nın bu alana öncelik vermesinin en önemli nedeni. DARPA son yıllarda düşünce kontrollü biyonik kol tasarımına yaklaşık 50 milyon dolarlık bir bütçe ayırmış durumda.

Star Wars isimli filmdeki Skywalker’ın biyonik elinden esinlenerek geliştirilmiş olan Luke Arm, kullanıcının el sıkışmasını, kilidin içinde anahtarı döndürmesini ve kahve çekirdeği gibi küçük nesneleri tutabilecek kadar hassas hareketleri yapabilmesine olanak tanıyor. Myoelektrik sensörler veya ayakkabının içine giyilen ayak kontrollü joysick ile kontrol ediliyor. Dokunsal geribesleme, kullanıcının derisine tutturulmuş, salınım yapan küçük bir motordan geliyor. Bu motor kavrama gücü yükseldikçe daha yüksek bir frekansta titreşim yapıyor.

Bu cihazlar ne kadar gelişmiş olursa olsun, daha aşılması gereken çok sayıda engel mevcut. Örneğin kullanıcını kemiklerine ve sinir sistemine doğrudan bağlanan bir protez, vücudun ayrılmaz bir parçası olarak doğal bir uzantı haline gelebilmeli.

Gerçekçi, yapay bir deri, protezin vücudun doğal uzantısı haline getirilmesinde çok önemli bir rol oynuyor. Şu anda görüntü açısından çok iyi bir deri kaplama malzemesi geliştirlmiş durumda. Derinin üzerindeki gözenekler ve kıllar doğal görünümü tamamlıyor. Fakat bu deri henüz dokunsal geribesleme özelliğine sahip değil. Şu anda NASA ve NIA (Amerikan Havacılık ve Uzay Enstitüsü), ince, esnek yapay deri yamaları üzerinde çalışıyor. Bu deri parçaları dokunmaya duyarlı (Bknz şekil 1).

Dokunuşa duyarlı deri

Kauçuk polimer bir kompozitten yapılan yapay deri hem hafif hem de esnek. İçine gömülü tek duvarlı nanotüpler deriye piezo-direnç (malzeme üzerindeki basınç değiştikçe malzemenin elektriksel direnci de değişiyor) özelliği kazandırıyor. Deri, nanotüp tabakasının değişen direncini ölçerek farklı basınçları ve temasın cinsini –örneğin hafif bir sürtünme mi yoksa sert bir darbe mi olduğunu- tespit edebiliyor. NIA araştırmacısı Cheol Park bu konuda şöyle konuşuyor: “Bugüne dek insan cildinin hassas algısına henüz erişemedik. Ancak pek çok elsiz ve kolsuz insan için bu gelişme bile devrim niteliğinde.” Bilim ekibi şu anda bu sinyalleri kullanıcının beynine ve sinirlerine ulaştırmaya çabalarken, malzemenin minimum duyarlılık eşiğini geliştirmeye uğraşıyor.

Protezi vücuda bağlama yöntemleri 

Yapay uzvun gerçeğine benzer hale gelmesini sağlamanın bir yolu da onu vücuda tam kalıcı veya yarı-kalıcı olarak bağlamak. Şu anda en iyi tasarımlar bile vücuda sabitlenemiyor, yalnızca “giyilebiliyor”. Bu da bazı sorunlar doğuruyor. Örneğin protezin yuvası terden veya sürtünmeden hasar görebiliyor. Ayrıca hafif bir gevşeme kontrol ve güç kaybına yol açabiliyor. Araştırmacılar, bağları sıkarak sağlamlaştırmak yerine, yapay kol veya bacağı iskelete doğrudan bağlamanın daha doğru olduğunu düşünüyor. İsveç, Gothenburg’daki Sahlgrenska Teaching Üniversitesi Hastanesi’nden Rickard Branemark’ın başkanlığında bir ortopedist grubu, diş implantlarında kullanılan tekniğe benzer bir sistem üzerinde çalışıyor. Bilim ekibi hastanın kol ve bacağında arta kalan kemiklere titamyum uzantılar implant ederek deriden 2 cm. dışarıya uzanan destekler bırakıyorlar. Protez uzuv bu desteğe bağlanıyor. Herhangi bir bağlantı yuvasına gerek bırakmayan bu sistem, yapay kol ve bacağın kolayca takılıp çıkartılmasını kolaylaştırırken, ana eklemin hareketlerine de engel olmuyor.

Bu sistem şu anda deneme safhasında. Kullananlar hareketlilik ve rahatlık açısından bunların daha iyi olduğu kanısındalar. Ayrıca bu protezleri daha uzun kullanma şansı da var. Ancak deriden dışarı taşan desteğin çevresinde enfeksiyon oluşma riski sorun yaratabiliyor. Bundan başka, zaten zayıf olan arta kalan kemikler, üzerlerine binen ilave yük ile daha da kırılgan hale geliyor. University College London’dan Gordon Blunn liderliğindeki bir İngiliz ekibi enfeksiyon sorununu titanyum implantlara gözenek açarak çözümlediklerini bildiriyor. Deri, kas ve kemik dokusu, gözeneklerden desteğin içine ve çevresine doğru gelişerek vücut ile daha sıkı bağlar oluşturuyor.

Yapay bacak ve kolu vücudun gerçek bir uzantısı haline getirdikten sonra sıra, protezi doğrudan sinir sistemine bağlamaya geliyor . Bu da beyin sinyallerini yakalamak, gerçek zamanda şifresini çözmek ve proteze yönlendirmek anlamına geliyor. Ayrıca protezden çıkan duyusal girdinin merkezi sinir sistemine geri gönderilmesi gerekiyor.

Beyin ile protez arasında doğrudan bağlantı 

Protez kullananların en büyük isteği, yapay kol ve bacaklarının hissetme becerisine sahip olması ve bunları beyin sinyalleri yardımıyla kontrol edebilmeleri. Johns Hopkins Üniversitesi’nden Nitish Thakor ve ekibi, kullanıcıların bu arzusunun teorik de olsa mümkün olabileceğini söylüyor. Deneylerine katılan gönüllüler, mekanik bir eli düşüncelerini yoğunlaştırarak hareket ettirmeyi başardılar. Gönüllülere deney sırasında, beynin bazı elektriksel faaliyetlerini yakalayan elektrotların iliştirilmiş olduğu bir kep giydirildi. Kullanıcının yapmak istediği şey -EEG sinyali şeklinde- işlemden geçirildikten sonra eli kontrol etmekte kullanıldı. Girişimsel olmayan bu sistem, tepki süresi ve hareket alanı açısından bazı sorunlara yol açtı. Ancak Thakor’a göre bu sistem, bir gün daha girişimsel bir yaklaşımla, elektrotlerin beynin içine yerleştirilmesi sonucu daha verimli hale getirilebilecek.

Felçli insanların yürüyebilmesi için yeni teknolojiler üzerinde çalışan Duke Üniversitesi’nden Miguel Nicolelis, vücudun tümü için bir eksoskeleton (dış iskelet) projesi üzerinde çalışıyor. Nicolelis bu proje ile ilgili beklentilerini şöyle açıklıyor: “Bir gün beyin sinyallerini, hastanın bacağına veya koluna doğrudan gönderecek bir bypass sistemi geliştireceğiz. Bu sistemde hastanın kol ve bacaklarının yapay veya doğal olması fark yaratmaz. Önemli olan çalışmamasıdır.”

Beyin kontrolü konusundaki diğer gelişmelerin içinde en umut verici olanı, Cyberkinetics adlı şirketin geliştirdiği BrainGate isimli sinirsel arayüz. Bu arayüz sayesinde kol ve bacakları felçli 24 yaşındaki bir hasta, video oyunları oynayabiliyor, bilgisayar imlecini hareket ettirebiliyor ve en önemlisi beyninin yüzeyine implant edilmiş bir çip yardımıyla robotik bir kolu kontrol edebiliyor.

Protezler, yitik organdan daha becerikli 

Protez kol ve bacakların zaman içerisinde gelişerek, gerçek kol ve bacaklardan daha sağlam ve hafif olması bekleniyor. Protezler, doğuştan sahip olduğumuz kol ve bacaklara göre daha üstün niteliklere sahip olabilirler. Bu durumda protezler bir tür doping anlamına gelebilir.

Buna en iyi örnek iki bacağı da olmayan Güney Afrikalı koşucu Oscar Pistorius’tur. Karbon fiberden yapılmış kavisli “bacakları” ile koşan Pistorius, Pekin Olimpiyatları’na katılmak için yapılan ön elemelerde kıl payı ile elendi. Olimpiyat yetkililerinden bazıları Pistorius’un protez ayaklarının kendisine biyomekanik bir avantaj sağladığını iddia ederek bunun “fair play” ilkesine ters düştüğünü savundular. Ne var ki Herr ve diğer bilim adamları bu iddiaya şiddetle karşı çıktılar.

Her iki bacağının alt kısmını bir kazada yitirmiş olan Herr, yakın gelecekte doğal bacaklardan daha becerikli protezlerin üretileceğine inanıyor. Ayrıca kendisi için özel tasarımlı iki kaya tırmanma protezi geliştiren Herr, bundan böyle sağlıklı dağcılardan daha iyi bir performans çıkartacağını düşünüyor.

i-Limb isimli protez elin mucidi David Gow, kozmetik cerrahinin gelecekte yeni bir Michael Phelps veya Victoria Secret mankeni üretmek için tamamen sağlıklı kol ve bacakların yerine daha estetik ve daha güçlü protezler koyacağını ileri sürerek, “O zaman toplum olarak yepyeni bir ahlak anlayışı ve davranış kuralları geliştirmemiz gerekecek” diyor.

Derleyen: Reyhan Oksay

Kaynak: New Scientist 3 Ocak 2009

www.oscarpistorius.co.za

www.tuvie.com/category/life-science-and-medical/prosthetic-leg