Исследователи разрабатывают новую технологию, которая может улучшить системы управления протезами конечностей | InvaNews

Исследователи разрабатывают новую технологию, которая может улучшить системы управления протезами конечностей

00:00:00
6 минут
Исследователи разрабатывают новую технологию, которая может улучшить системы управления протезами конечностей
brown edu

Команда из Массачусетского технологического института и Университета Брауна демонстрирует точность и безопасность использования магнитных датчиков для отслеживания длины мышц во время движения,
что может облегчить людям с ампутациями управление протезами конечностей.

Маленький, похожий на шарик магнит используется в новом подходе к измерению положения мышц

 Используя простой набор магнитов, исследователи из Массачусетского технологического института и Университета Брауна придумали сложный способ мониторинга движений мышц, который, как они надеются, облегчит людям с ампутациями управление своими протезами.

В новой паре статей, опубликованных в журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, исследователи продемонстрировали точность и безопасность своей магнитной системы, которая может отслеживать длину мышц во время движения. Исследования, проведенные на животных моделях, дают надежду на то, что стратегия может быть использована, чтобы помочь людям с протезами управлять ими таким образом, чтобы более точно имитировать естественные движения конечностей.

Результаты улучшают понимание того, как мышцы изменяют длину, генерируют силу и вырабатывают энергию во время физических движений, сказал Томас Робертс, профессор биологии факультета экологии, эволюции и биологии организмов Брауна, связанного с Медицинской школой Уоррена Альперта, который является соавтором обеих статей.

“Этот метод дает нам возможность измерять механическую функцию мышц во время обычных движений, что важно для понимания того, как мышцы работают, чтобы передвигать нас”, - сказал Робертс,
чьи исследования направлены на интеграцию понимания физиологии мышц с современными подходами в функциональной морфологии и биомеханике.

Новая техника также имеет практическое применение за пределами лаборатории.

“Эти недавние результаты демонстрируют, что этот инструмент можно использовать вне лаборатории для отслеживания движения мышц во время естественной активности, и они также предполагают, что магнитные имплантаты стабильны и биосовместимы и что они не вызывают дискомфорта”, - сказал Кэмерон Тейлор, научный сотрудник Массачусетского технологического института и соавтор обеих работ.

В одном из исследований исследователи показали, что они могут точно измерить длину икроножных мышц индеек, когда птицы бегали, прыгали и выполняли другие естественные движения. В другом исследовании они показали, что маленькие магнитные шарики, используемые для измерений, не вызывают воспаления или других побочных эффектов при имплантации в мышцу.

“Я очень рад клиническому потенциалу этой новой технологии для улучшения контроля и эффективности бионических конечностей у людей с потерей конечностей”, - сказал Хью Герр, профессор медиа-искусств и наук, содиректор K. Лиза Янг из Центра бионики Массачусетского технологического института и ассоциированный член Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте.

Отслеживание движения

Исследователи уже давно сосредоточились на контроле протезирования с помощью подхода, известного как поверхностная электромиография (ЭМГ). Электроды, прикрепленные к поверхности кожи или хирургически имплантированные в остаточную мышцу ампутированной конечности, измеряют электрические сигналы от мышц человека, которые подаются в протез, чтобы помочь ему двигаться так, как намеревается человек, носящий конечность.

Однако этот подход не учитывает никакой информации о длине или скорости мышц, которая могла бы помочь сделать движения протеза более точными.

Несколько лет назад команда Массачусетского технологического института вместе с сотрудниками Брауна начала работать над новым способом проведения таких измерений мышц, используя подход, который они называют магнитомикрометрией. Эта стратегия использует преимущества постоянных магнитных полей, окружающих маленькие шарики, имплантированные в мышцу. Используя датчик размером с кредитную карту, похожий на компас, прикрепленный к внешней стороне тела, их система может отслеживать расстояния между двумя магнитами. Когда мышца сокращается, магниты сближаются, а когда она сгибается, они раздвигаются еще дальше друг от друга.

В исследовании, опубликованном в прошлом году, команда показала, что система может быть использована для точного измерения небольших движений лодыжки, когда шарики были имплантированы в икроножные мышцы индеек. В одном из новых исследований исследователи задались целью выяснить, сможет ли система проводить точные измерения во время более естественных движений в условиях, не связанных с лабораторией.

Для этого они создали полосу препятствий с пандусами, по которым индюки могли взбираться, и ящиками, по которым они могли прыгать и спрыгивать. Исследователи использовали свой магнитный датчик для отслеживания движений мышц во время этих действий и обнаружили, что система может вычислять длину мышц менее чем за миллисекунду.

Они также сравнили свои данные с измерениями, проведенными с использованием более традиционного подхода, известного как флуоромикрометрия, разновидность рентгеновской технологии, которая требует гораздо большего оборудования, чем магнитомикрометрия. Результаты магнитомикрометрии отличались от результатов флуоромикрометрии в среднем менее чем на миллиметр.

“Мы можем обеспечить функциональность отслеживания длины мышц рентгеновского оборудования размером с комнату, используя гораздо меньший портативный пакет, и мы можем собирать данные непрерывно, а не ограничиваться 10-секундными вспышками, которыми ограничена флуоромикрометрия”, - сказал Тейлор.

Оценка биосовместимости

Во второй статье исследователи сосредоточились на биосовместимости имплантатов. Они обнаружили, что магниты не вызывают рубцевания тканей, воспаления или других вредных последствий. Они также показали, что имплантированные магниты не изменяют походку индеек, предполагая, что они не вызывают дискомфорта.

Исследователи также показали, что имплантаты оставались стабильными в течение восьмимесячного периода исследования и не мигрировали навстречу друг другу, пока они были имплантированы на расстоянии не менее 3 сантиметров друг от друга. Исследователи предполагают, что шарики, состоящие из магнитного сердечника, покрытого золотом, и полимера, называемого париленом, могут оставаться в ткани на неопределенный срок после имплантации.

“Магниты не требуют внешнего источника питания, и после их имплантации в мышцу они могут поддерживать полную силу своего магнитного поля на протяжении всей жизни пациента”, - сказал Тейлор.

Теперь исследователи планируют получить разрешение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США на тестирование системы на людях с протезами конечностей. Они надеются использовать датчик для управления протезами аналогично тому, как сейчас используется поверхностная ЭМГ: измерения длины мышц будут поступать в систему управления протезом, чтобы помочь направить его в положение, которое намеревается использовать пользователь.

“Измерения расстояния между сферами могут быть использованы в качестве индикатора намерений пользователя, что позволит улучшить контроль над протезом конечности”, - сказал Робертс.
По его словам, это помогло бы протезу адаптироваться к различным условиям, таким как увеличение или уменьшение скорости, внезапное изменение рельефа местности или неожиданные препятствия на пути пользователя.

“Место, где эта технология удовлетворяет потребность, заключается в передаче этих длин мышц и скоростей носимому роботу, чтобы робот мог работать в тандеме с человеком”, - сказал Тейлор.
“Мы надеемся, что магнитомикрометрия позволит человеку управлять носимым роботом с таким же уровнем комфорта и легкостью, как если бы кто-то управлял своей собственной конечностью”.

В дополнение к протезам конечностей, эти носимые роботы могут включать роботизированные экзоскелеты, которые надеваются вне тела, чтобы людям было легче двигать ногами или руками.

Исследование финансировалось Фондом Салаха, Фондом К. Центр бионики Лизы Янг в Массачусетском технологическом институте, Консорциум MIT Media Lab, Национальные институты здравоохранения и Национальный научный фонд.

Уильям Кларк, бывший постдок в лаборатории Робертса в Брауне, является соавтором исследования биосовместимости. Сон Хо Ен, аспирант Массачусетского технологического института, также является соавтором исследования измерений. Среди других авторов - сотрудник отдела поддержки исследований Массачусетского технологического института Эллен Кларриссимо и бывший постдок Университета Брауна Мэри Кейт О'Доннелл.

Читайте также