Новые идеи в управлении бионической рукой: магнитные имплантаты возвращают ампутантам ловкость рук

За последние годы технология бионических рук достигла впечатляющего прогресса. Последние исследования демонстрируют инновационный подход к управлению протезом, основанный на миокинетическом интерфейсе. Эта революционная технология использует смещение магнитов, вызванное сокращением мышц, для декодирования намерений пользователя, предлагая пациентам с ампутированными конечностями совершенно новый способ управления ими. Это исследование не только демонстрирует клиническую применимость технологии, но и закладывает основу для будущих исследований в области взаимодействия человека и компьютера.

Технологические прорывы и инновации

Основная идея миокинетического интерфейса управления заключается в интерпретации намерений пользователя путем вживления магнитов, улавливающих физическое перемещение мышц. Исследовательская группа имплантировала шесть небольших постоянных магнитов в культи испытуемых и разработала полностью автономную систему протезирования. Система, включающая все аппаратные компоненты и батареи, встроенные в приемную камеру протеза, позволяет в режиме реального времени управлять ловкой роботизированной рукой, определяя изменения в положении магнитов.

Для технической реализации исследовательская группа выбрала в качестве целевых мышц для имплантации магнитов латеральный сгибатель запястья (FCU), разгибатель пальцев (ED) и длинный сгибатель пальцев (FPL). Имплантированные постоянные магниты имели размер 2 мм и были заключены в материал медицинского класса. Благодаря регулярному ультразвуковому мониторингу исследователи убедились, что магниты способны создавать стабильные смещения во время сокращения мышц, что очень важно для достижения точного управления протезом.

Чтобы обеспечить управление протезом, команда исследователей разработала транскутанный магнитный локализатор (TML), который отслеживает положение и ориентацию магнита в режиме реального времени с помощью сетки датчиков, расположенных в приемной полости. Эти данные используются в качестве входных сигналов для миокинетического контроллера, которые обрабатываются и преобразуются в управляющие команды для руки робота. Для проверки эффективности системы были использованы две стратегии управления - прямое управление и распознавание образов.

Перспективы и ограничения клинического применения

Клиническое применение этой методики демонстрирует уникальные преимущества миокинетического интерфейса управления. Техника обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными электромиографическими методами контроля:

1. Снижение риска инфекции: имплантируемые постоянные магниты не требуют беспроводного питания или чрескожных проводов, что снижает риск инфекции и долгосрочных проблем со стабильностью.

2. Тонкий контроль: меньший размер магнитов позволяет имплантировать их в большее количество мышечных областей, что теоретически дает больше степеней свободы контроля.

3. прямое измерение: смещение магнита обеспечивает прямое измерение длины и скорости движения мышц, помогая более точно соотнести активацию мышц с их силой.

Тем не менее, существуют некоторые проблемы, связанные с реализацией этой технологии. Например, движение локтя может повлиять на относительное положение магнитов, что увеличивает сложность обработки сигнала. Исследовательская группа решила некоторые из этих проблем с помощью продуманного алгоритма и включающих/выключающих переключателей.

Будущие события и проблемы

Это новаторское исследование указывает путь для дальнейшего развития миокинетических интерфейсов управления. Будущая работа должна быть сосредоточена на следующих областях:

1. исследование биомеханических механизмов: углубленное изучение механизмов сокращения мышц и деформации тканей с целью оптимизации положения и количества имплантируемых магнитов.

2. совершенствование хирургической техники: совершенствование хирургической техники и конструкции магнита для максимизации качества сигнала и минимизации реакции тканей.

3. оптимизация обработки сигналов: разработка более совершенных алгоритмов обработки сигналов и машинного обучения для извлечения дополнительной информации для одновременного управления несколькими степенями свободы.

Также необходимы долгосрочные клинические испытания. Хотя в ходе 6-недельного исследования не было выявлено никаких значительных побочных эффектов, все же необходимо оценить безопасность и стабильность магнита для долгосрочной имплантации. Также очень важно понять процесс адаптации и долгосрочный опыт пациентов с этим новым интерфейсом.

Миокинетические интерфейсы управления открывают новые возможности в области управления протезами. Эта технология демонстрирует огромный потенциал и может не только обеспечить пациентам с ампутированными конечностями более интуитивное и гибкое управление протезами, но и открыть путь к изучению новых направлений взаимодействия человека и компьютера. По мере совершенствования технологии можно ожидать, что в ближайшем будущем эта система управления протезами на основе магнитных имплантатов сможет принести пользу большему числу пациентов, помогая им восстановить утраченные функции и улучшить качество жизни.