Нейронно управляемый протез голеностопного сустава позволяет интуитивно корректировать баланс

Протезирование может значительно улучшить качество жизни человека с ампутированной конечностью, однако современные устройства для нижних конечностей не могут обеспечить непрерывный нейронный контроль баланса или осанки, что может привести к различным последствиям, таким как затруднения при ходьбе по определенным поверхностям или повышенная вероятность падения.

Теперь исследователи, финансируемые NIBIB, работают над протезом голеностопного сустава, который использует остаточные мышцы инвалида и генерируемые ими электрические сигналы, чтобы помочь инвалидам контролировать осанку.

Примерно 2 миллиона человек, живущих в Соединенных Штатах, перенесли ампутации, причем ежегодно в этой стране проводится около 185 000 ампутаций. Наиболее распространены ампутации нижних конечностей, и многие люди предпочитают использовать протезы для облегчения ходьбы и других видов передвижения. Большинство протезов нижних конечностей представляют собой пассивные устройства, которые предназначены для хранения и возврата энергии во время ходьбы, но не обеспечивают нормальный диапазон движений. Между тем, большинство протезов с электроприводом могут помочь ампутанту двигать культей, но для этого требуются внешние датчики, которые помогают предвидеть движения пользователя. С другой стороны, этот прототип протеза голеностопного сустава управляется путем прямого картирования электрической активности, генерируемой мышцами пользователя, без необходимости использования внешних датчиков или сложной автоматизации. Протез с питанием от нервной системы, управляемый нервной системой, основан на тренировке остаточных мышц пользователя, чтобы обеспечить непрерывный контроль их позы и равновесия.

«Это исследование является кульминацией работы, демонстрирующей, что пользователя протеза можно обучить обеспечивать непрерывный нейронный контроль при выполнении различных задач позы», — сказала Грейс Пэн, доктор философии, директор программы NIBIB по математическому моделированию, моделированию и анализу. «Это тематическое исследование — важный первый шаг в реализации этой уникальной системы управления для будущих протезов».

Чтобы задействовать сустав, сознательно или подсознательно, наш мозг посылает электрический сигнал в необходимые группы мышц, что приводит к сокращению мышечных волокон и позволяет двигаться. После ампутации мышцы культи все еще могут получать эти электрические сигналы, пояснила Хелен Хуанг, доктор философии, профессор биомедицинской инженерии в Государственном университете Северной Каролины (Северная Каролина) и Университете Северной Каролины (UNC) в Чапел-Хилл.

Вот как работает протез: Поверхностные электроды, которые могут обнаруживать электрические сигналы в культе инвалида, помещаются на остаточную конечность. Когда пользователь сокращает свои остаточные мышцы, например с намерением согнуть ногу, электроды собирают и обрабатывают соответствующую ЭМГ-активность. Этот сигнал ЭМГ приводит в действие пневматические искусственные мышцы, которые работают, используя сжатый воздух под давлением, что позволяет пользователю непрерывно контролировать движение искусственной конечности.

«Часто, если часть нашей конечности удаляется, мы начинаем использовать мышцы остаточной конечности немного иначе», — объяснил Хуанг. Это может привести к изменению характера сокращения мышц, и когда используется протез DEMG, предполагаемое движение конечности и фактическое движение конечности будут не синхронизированы. По этой причине пользователь протеза с помощью физиотерапевта «тренирует» свои остаточные мышцы, чтобы лучше работать с устройством. Тренинг, который в этом тематическом исследовании длился три недели, включал повседневные действия, требующие контроля позы, такие как переход от сидения к стоянию, поднятие тяжелого предмета или движение вперед. «Этот режим помогает пользователю тренировать свои мышцы и мозг, чтобы лучше контролировать протез лодыжки», — пояснил Аарон Флеминг.

После обучения Хуанг и его коллеги оценили стабильность участника, когда он выполнял определенные задачи, либо с его обычным пассивным протезом голеностопного сустава, либо с новым устройством, управляемым dEMG. Его стабильность заметно улучшилась при ношении устройства, управляемого dEMG, даже когда он стоял на вспененной поверхности (что требует дополнительного контроля позы) или с закрытыми глазами (что также проверяет равновесие).

«Постуральная стабильность — это то, что многие здоровые люди считают само собой разумеющимся», — сказал Хуан. «Возможность стоять в многолюдном месте, не боясь, что вы упадете, если кто-то на вас натолкнется — это одна из многих проблем, с которыми сталкиваются люди с потерей нижних конечностей», — сказала он. «Хотя это исследование охватывает только один случай, оно демонстрирует возможность разработки устройства, которое позволяет пользователю интуитивно регулировать свою осанку, что может значительно повысить качество их жизни».

Хуанг упомянул, что в настоящее время они изучают возможность использования протеза голеностопного сустава среди нескольких других участников с потерей нижних конечностей, и что они будут оценивать дополнительные задачи помимо тех, которые описаны в этом исследовании, включая ходьбу.

Эта работа была поддержана грантом EB024570 Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB); грантом F31HD101285 Национального института детского здоровья и развития человека (NICHD); и Национальным научным фондом (NSF).

Оставьте комментарий