Ako môžu magnety pomôcť pri lepšej kontrole protetických končatín?
Umelé protetické končatiny nevyhnutne zlepšujú kvalitu života ľudí žijúcich bez končatín. Napodobňujú funkciu a niekedy dokonca aj vzhľad skutočných rúk a nôh. Jednou z najväčších výziev pre ľudí s umelými končatinami je ovládanie protézy tak, aby sa pohybovala úplne prirodzene. Ako tomu môžu pomôcť magnety?
Ovládanie protézy
Väčšina protetických končatín je ovládaná pomocou elektromyografie. Je to spôsob zaznamenávania elektrickej aktivity zo svalov, tento prístup však poskytuje iba obmedzenú kontrolu protézy.
Vedci z Media Lab na MIT (Massachusetts Institute of Technology) najnovšie vyvinuli alternatívny prístup, ktorý podľa nich môže ponúknuť oveľa presnejšie ovládanie protetických končatín. Po vložení malých magnetických guličiek do svalového tkaniva v rámci amputovaného zvyšku dokážu presne zmerať dĺžku svalu, ktorý sa sťahuje. Túto spätnú väzbu je možné v priebehu milisekúnd preniesť na bionickú protézu.
Táto nová stratégia sa nazýva magnetomikrometria (MM) a ukázalo sa, že dokáže poskytnúť rýchle a presné meranie svalov u zvierat. Vedci dúfajú, že v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov vyskúšajú tento prístup u ľudí s amputovanými končatinami.
„Veríme, že MM nahradí elektromyografiu ako dominantný spôsob prepojenia periférneho nervového systému s bionickými končatinami. Signál, ktorý od MM dostávame je vysoko kvalitný, zákrok je minimálne invazívny, má nízke regulačné prekážky a náklady,“ vysvetili pre News Medical Hugh Herr, profesor mediálnych umení a vied a vedúci skupiny Biomechatronics v Media Lab.
Základom sú presné merania
Pri existujúcich protetických pomôckach sa elektrické merania svalov získavajú pomocou elektród, ktoré je možné pripevniť buď na povrch kože, alebo sa implantujú chirurgicky priamo do svalu. Druhý postup je vysoko invazívny a nákladný, ale poskytuje o niečo presnejšie merania. V oboch prípadoch však elektromyografia ponúka informácie iba o elektrickej aktivite svalov, nie o ich dĺžke alebo rýchlosti.
Nový postup MIT je založený na myšlienke, že ak by senzory mohli merať, čo svaly robia, tieto merania by ponúkli presnejšie ovládanie protézy. Vedci sa teda rozhodli vložiť do svalov magnety. Meraním vzájomného pohybu magnetov môžu vypočítať, ako veľmi sa svaly sťahujú a takisto celkovú rýchlosť sťahovania.
Vedci schopnosti svojho algoritmu testovali na lýtkových svaloch moriek, do ktorých vložili magnetické guličky s priemerom 3 mm. Vložili ich minimálne 3 cm od seba – ak by totiž boli k sebe bližšie, mohli by začať migrovať jedna k druhej.
Pomocou magnetických senzorov umiestnených na vonkajšej strane nôh vedci pri pohybe moriek dokázali určiť polohu magnetov s presnosťou 37 mikrónov (asi na šírku ľudského vlasu). Tieto merania navyše získali do troch milisekúnd.
Využitie v praxi
Ako by sa táto metóda dala využiť na kontrolu protetickej končatiny?
- Merania by sa mohli vložiť do počítačového modelu,
- ten na základe kontrakcií zostávajúceho svalu predpovedá, kde bude fantómová končatina pacienta v priestore,
- počítač následne nasmeruje protetický prístroj, aby sa pohyboval tak, ako to chce pacient – aby zodpovedal mentálnemu obrazu, ktorý má o svojej polohe končatiny.
Magnetomikrometria priamo meria dĺžku a rýchlosť svalu. Prostredníctvom matematického modelovania celej končatiny dokážu vedci vypočítať cieľovú polohu a rýchlosť protetických kĺbov, ktoré potom môže ovládať jednoduchý robotický ovládač.
Kontrola a ovládanie svalov
Vedci dúfajú, že v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov vykonajú malú štúdiu na ľudských pacientoch s amputáciou pod kolenom. Predpokladajú, že senzory používané na ovládanie protetických končatín môžu byť umiestnené na oblečení, pripevnené k povrchu kože alebo na vonkajšiu stranu protézy.
Aký ďalší potenciál predstavuje magnetomikormetria?
- možné zlepšenie svalovej kontroly dosiahnutej technikou nazývanou funkčná elektrická stimulácia (v súčasnosti sa táto technika používa na obnovenie pohyblivosti u ľudí s poranením miechy),
- vedenie robotických exoskeletov, ktoré je možné pripevniť k členku alebo inému kĺbu a pomoc ľuďom, ktorí utrpeli mozgovú príhodu alebo sa u nich vyvinuli iné druhy svalovej slabosti.
Výhodou magnetomikrometrie je, že ide o minimálne invazívnu metódu. Po vložení do svalu človeka by guličky mohli zostať na jednom mieste po celý život bez toho, aby bolo potrebné ich vymeniť.
Redakcia
Zdroje:
Foto: Envato Elements
About Author
