Протез предплечья — как бауманские ученые превращают мысли в действия


Сегодня различные робототехнические устройства все шире внедряются в сферу медицины. Это связано с развитием соответствующей элементной базы мехатронных и сенсорных устройств, разработкой биологически безопасных и гипоаллергенных материалов, а также методов получения и обработки информации о состоянии отдельных органов человека.

Среди протезов выделяют три вида.

  • Миоэлектрические протезы — протезы, управление в которых осуществляется за счет сигналов, возникающих при сокращении мышц. Эти сокращения считываются с помощью электромиографических (ЭМГ) датчиков. Также можно встретить другое название миоэлектрических протезов — бионические или биоэлектрические с внешним источником энергии.
  • Косметические протезы — неуправляемые протезы, выполняют только декоративную функцию.
  • Тяговые протезы — протезы, управление в которых осуществляется с помощью тяг и полностью контролируются усилиями самого человека без какой-либо электроники. Такие протезы позволяют искусственной кисти сжиматься за счет механической тяги противоположного плеча (натягивается — ослабевает трос).

В настоящее время в России протезами верхних конечностей ежегодно протезируются до 7 тыс. пациентов. В основном это косметические или тяговые протезы с простейшей функцией схвата кисти. За рубежом доля миоэлектрических протезов, в которых источником управляющих сигналов являются электрические потенциалы мышц-антагонистов составляет 50%, в нашей стране всего лишь 2–3%.

Мышцами-антагонистами называют такие две мышцы (или две группы мышц) одного сустава, которые при сокращении осуществляют тягу в противоположные стороны. Сгибание предплечья осуществляет двуглавая мышца плеча, а разгибание предплечья — трехглавая мышца плеча. Эти две мышцы являются мышцами-антагонистами, потому что они осуществляют тягу в противоположных направлениях относительно локтевого сустава. Одна мышца (двуглавая мышца плеча) отвечает за сгибание, а вторая (трехглавая мышца плеча) отвечает за разгибание.

Бионические протезы не приобрели популярности в России, так как являются очень дорогими. Более того, визуально такое устройство представляет собой совокупность металлических соединений и проводов, в то время как косметические процессы практически точно повторяют образ руки человека. Кроме это, в стране не так много специалистов, которые могли бы правильно настроить данный вид протезов: сделать необходимые слепки, разместить датчики.

Также стоит учитывать, что возможности миоэлектрического управления протезом ограничиваются уровнем ампутации, т.е. количеством оставшихся функционирующих мышц. Для реабилитации пациентов с ампутацией руки выше локтя использование миоэлектрического управления нецелесообразно. В таких случаях применяют нейропротезы (интерфейс «мозг-компьютер») или технологию целевой мышечной реиннервации (TMR — Target Muscle Reinnervation). TMR метод заключается в том, что нервы, ранее отвечавшие за функциональные действия руки, подводятся к другим мышцам, сохранившимся после ампутации, а уже с них сенсорные датчики принимают сигнал и направляют его в процессор, управляющий электродвигателями, которые приводят протез в движение.

protez1.png

Как работают протезы

При разработке био- или нейроуправляемых биотехнических устройств в первую очередь необходимо определить способ получения информации о совершаемом движении. В современных биотехнических средствах типа систем взаимодействия человек — компьютер (Human Computer Interaction — HCI) используют биосигналы: электроэнцефалограммы (ЭЭГ), электромиограммы (ЭМГ), электронейрограммы (ЭНГ), электроокулограммы (ЭОГ).

Наибольшее распространение получило использование электромиограммы.

Именно миоэлектрические протезы позволяют реализовать управление различными функциональными движениями. Например, в современных коммерческих протезах предплечья пациент может управлять двумя движениями (схватом и ротацией) и контролировать скорость их выполнения. Однако даже этим простейшим движениям необходимо учиться, для этого разработана программа из восьми занятий, где изучают «свое новое тело» и пробуют им пользоваться.

Начало мышечного сокращения инициируется электрическими импульсами в нервных стволах, приходящих в мышечные волокна. Эти импульсы деполяризуют мембрану мышечных клеток, в результате чего в мышечных волокнах создается потенциал действия, который быстро распространяется по нервному волокну и приводит к его сокращению. Причем сокращение лишь инициируется этим потенциалом действия, а сам процесс сокращения гораздо длительнее. Используя игольчатые (инвазивные) или поверхностные электроды, можно зарегистрировать сумму потенциалов действия всех вовлеченных в процесс клеток.


Для выполнения функции «схват-раскрытие» необходимо сгибать-разгибать кисть. То есть управление протезом не является естественным (антропоморфным) и потребуется дополнительное обучение пациента, которое занимает недели. Исполнительный механизм движется «от края до края» без промежуточных положений — это связано с тем, что сигнал ЭМГ не отражает механические параметры мышечного сокращения. Единственное, что может контролировать пациент — пропорционально управлять скоростью выполнения движения.

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
()
x