Изследователите разработват нова технология, която може да позволи по-добри системи за контрол на протезите

Провидънс, Род-Айленд [Brown University] Използвайки прост набор от магнити, изследователи от Масачузетския технологичен институт и университета Браун са измислили усъвършенстван метод за наблюдение на мускулните движения, който се надяват да улесни хората с ампутирани крайници да контролират протезните си крайници.

В нова двойка статии, публикувани в Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, изследователите демонстрират точността и безопасността на тяхната базирана на магнит система, която може да проследява дължината на мускулите по време на движение. Проучванията, проведени върху животински модели, дават надежда, че стратегията може да се използва, за да помогне на хората с протези да ги контролират по начин, който имитира по-точно естественото движение на крайниците.

Томас Робъртс, доктор по медицина, професор по биология в катедрата по екология, еволюция и органична биология към Училището по медицина Уорън Албърт, каза, че откритията подобряват разбирането за това как мускулите променят своята дължина, генериране на сила и производство по време на физическо движение. Автор и на двата доклада.

„Тази технология ни дава възможност да измерваме механичната функция на мускулите по време на нормални движения, което е от съществено значение за разбирането как мускулите работят, за да ни движат“, каза Робъртс, чието изследване има за цел да интегрира разбирането на мускулната физиология със съвременните методи на функционална морфология и биомеханика.

Тази нова технология има и практически приложения извън лабораторията.

„Тези последни резултати показват, че този инструмент може да се използва извън лабораторията за проследяване на движението на мускулите по време на нормална дейност и показват, че магнитните импланти са стабилни, биосъвместими и не причиняват дискомфорт“, каза изследователят Камерън Тейлър. Учен в MIT и съавтор на двете статии.

В едно от проучваниятаИзследователите са показали, че могат точно да измерват дължината на прасеца на пуйка, докато бягат, скачат и изпълняват други естествени движения. в Другото изследванете показаха, че малките магнитни перли, използвани при измерванията, не причиняват възпаление или други неблагоприятни ефекти, когато се имплантират в мускула.

каза Хю Хер, професор по медийни изкуства и науки, съдиректор на Центъра за биоелектроника К. Янг в Масачузетския технологичен институт и асоцииран член на Института Макгавърн за изследване на мозъка на MIT.

проследяване на движението

Изследователите отдавна се фокусират върху контролирането на протезите с подход, известен като електромиография (ЕМГ). Електроди, прикрепени към повърхността на кожата или хирургически имплантирани в останалия мускул на ампутирания крайник, измерват електрически сигнали от мускулите на човека, които се вмъкват в протезата, за да й помогнат да се движи по начина, по който лицето, носещо крайника, е възнамерявало.

Въпреки това, този подход не взема под внимание никаква информация за дължината или скоростта на мускулите, което може да помогне да се направят движенията на протезите по-точни.

Преди няколко години екипът на MIT, заедно със сътрудниците на Браун, започна да работи върху нов начин за извършване на тези видове мускулни измервания, използвайки подход, който те наричат ​​магнитометрия. Тази стратегия се възползва от постоянните магнитни полета, обграждащи малките перли, имплантирани в мускула. Използвайки сензор с размер на кредитна карта като компас, прикрепен към външната страна на тялото, тяхната система може да проследява разстоянията между двата магнита. Когато мускулът се свие, магнитите се приближават един до друг, а когато се огъва, те се раздалечават.

в проучване Екипът, публикуван миналата година, показа, че системата може да се използва за точно измерване на малки движения на глезена, когато перлите се имплантират в мускулите на прасеца на пуйка. В едно ново проучване изследователите се заеха да видят дали системата може да прави точни измервания по време на естествени движения в нелабораторна среда.

За да направят това, те създадоха склонове с препятствия, по които пуйките да се катерят, и сандъци, от които да скачат и да се спускат. Изследователите са използвали магнитен сензор за проследяване на движенията на мускулите по време на тези дейности и са открили, че системата може да изчисли дължините на мускулите за по-малко от милисекунда.

Те също така сравняват своите данни с измервания, направени с помощта на по-традиционен подход, известен като флуорометрия, вид рентгенова техника, която изисква много по-голямо оборудване от магнитометрията. Точните магнитни измервания се различават от тези от флуоресцентната микроскопия средно с по-малко от милиметър.

„Ние сме в състояние да осигурим функционалност за проследяване на мускулната дължина на рентгеново оборудване с размер на стая, използвайки много по-малък преносим лъч, и сме в състояние да събираме данни непрекъснато, вместо да бъдем ограничени до 10-секундни изблици“, каза Тейлър.

оценка на биосъвместимостта

Във втората статия изследователите се фокусираха върху биосъвместимостта на имплантите. Те установиха, че магнитите не генерират белези, възпаление или други вредни ефекти. Те също така показаха, че имплантираните магнити не променят походката на пуйките, което показва, че не причиняват никакъв дискомфорт.

Изследователите също така показаха, че имплантите остават стабилни през осемте месеца на изследването и не мигрират един към друг, стига да са имплантирани на поне 3 сантиметра един от друг. Изследователите предвиждат, че мънистата, които се състоят от покрита със злато магнитна сърцевина и полимер, наречен Парилен, могат да останат в тъканите за неопределено време, след като бъдат имплантирани.

„Магнитите не изискват външен източник на енергия и след като бъдат имплантирани в мускул, те могат да поддържат пълната сила на своето магнитно поле през целия живот на пациента“, каза Тейлър.

Сега изследователите планират да поискат одобрение от Американската администрация по храните и лекарствата, за да тестват системата върху хора с протези. Те се надяват да използват сензора, за да контролират протезата, подобно на начина, по който сега се използва повърхностната ЕМГ: измерванията на дължината на мускулите ще бъдат подавани в контролната система на протезата, за да я насочат към желаната позиция на носещия.

„Измерванията на разстоянието между домейните могат да се използват като индикатор за намерението на потребителя, което позволява по-добър контрол на протезата“, каза Робъртс. Това ще помогне на протезата да се адаптира към различни условия, като увеличаване или намаляване на скоростта, внезапна промяна на терена или неочаквани препятствия по пътя на потребителя, каза той.

„Когато тази технология задоволява необходимостта, е да съобщава дължини и скорости на мускулите на носим робот, така че роботът да може да работи по начин, който работи в тандем с човек“, каза Тейлър. „Надяваме се, че електромагнитното измерване ще даде възможност на човек да управлява носим робот със същото ниво на комфорт и лекота, както някой, който контролира крайниците си.“

В допълнение към протезите, тези носими роботи могат да включват роботизирани екзоскелети, които се носят извън тялото, за да помогнат на хората да движат краката или ръцете си по-лесно.

Изследването е финансирано от фондация Salah, K.

Уилям Кларк, бивш постдокторант в лабораторията Робъртс в Браун, е съавтор на изследването за биосъвместимост. Seong Ho Yeon, завършил студент в Масачузетския технологичен институт, също е съавтор на изследването за измерване. Други автори включват Илейн Кларисимо, научен сътрудник в Масачузетския технологичен институт, и бивш постдоктор в университета Браун, Мери-Кейт О’Донъл.

Тази история е извлечена от статия Написано от Ан Трафтън за MIT News Desk.