Unterarmprothese - wie Bauman-Wissenschaftler Gedanken in Handlungen umsetzen

Heutzutage werden zunehmend verschiedene Robotergeräte in die Medizin eingeführt. Dies ist auf die Entwicklung der entsprechenden Elementbasis mechatronischer und sensorischer Geräte, die Entwicklung biologisch sicherer und hypoallergener Materialien sowie auf Methoden zur Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über den Zustand einzelner menschlicher Organe zurückzuführen.







Es gibt drei Arten von Prothesen.

• Myoelektrische Prothesen sind Prothesen, die durch Signale gesteuert werden, die durch Muskelkontraktion erzeugt werden. Diese Kontraktionen werden mit elektromyografischen (EMG) Sensoren gelesen. Sie können auch einen anderen Namen für myoelektrische Prothesen finden - bionisch oder bioelektrisch mit einer externen Energiequelle.
• Kosmetische Prothesen sind unkontrollierbare Prothesen, die nur eine dekorative Funktion erfüllen.
• Traktionsprothesen - Prothesen, bei denen die Steuerung mit Hilfe von Stangen erfolgt und die vollständig durch die Bemühungen der Person selbst ohne Elektronik gesteuert werden. Solche Prothesen ermöglichen das Zusammendrücken der künstlichen Hand aufgrund der mechanischen Zugkraft der gegenüberliegenden Schulter (Dehnen - Schwächen des Kabels).

Gegenwärtig werden in Russland jährlich bis zu 7.000 Patienten mit Prothesen für die oberen Extremitäten prothetisch behandelt. Grundsätzlich handelt es sich hierbei um Kosmetik- oder Traktionsprothesen mit der einfachsten Funktion, die Hand zu greifen. Im Ausland beträgt der Anteil der myoelektrischen Prothesen, bei denen die elektrischen Potentiale der Antagonistenmuskeln die Quelle für Steuersignale sind, 50%, in unserem Land nur 2-3%.



Muskelantagonisten sind solche zwei Muskeln (oder zwei Muskelgruppen) eines Gelenks, die, wenn sie zusammengezogen werden, in entgegengesetzte Richtungen ziehen. Die Beugung des Unterarms erfolgt durch den Bizepsmuskel der Schulter, und die Streckung des Unterarms erfolgt durch den Trizepsmuskel der Schulter. Diese beiden Muskeln sind antagonistische Muskeln, da sie relativ zum Ellbogengelenk in entgegengesetzte Richtungen ziehen. Ein Muskel (Bizeps brachii) ist für die Beugung verantwortlich, der andere (Trizeps brachii) ist für die Streckung verantwortlich.



Bionische Prothesen haben in Russland nicht an Popularität gewonnen, da sie sehr teuer sind. Darüber hinaus ist ein solches Gerät visuell eine Ansammlung von Metallverbindungen und -drähten, während kosmetische Prozesse das Bild einer menschlichen Hand fast genau wiederholen. Darüber hinaus gibt es im Land nicht viele Spezialisten, die diese Art von Prothese richtig einstellen könnten: Machen Sie die notwendigen Abdrücke, platzieren Sie Sensoren.



Es sollte auch berücksichtigt werden, dass die Möglichkeiten der myoelektrischen Steuerung der Prothese durch den Amputationsgrad begrenzt sind, d.h. die Anzahl der verbleibenden funktionierenden Muskeln. Für die Rehabilitation von Patienten mit Armamputation über dem Ellenbogen ist die Verwendung der myoelektrischen Kontrolle unpraktisch. In solchen Fällen werden Neuroprothesen (Gehirn-Computer-Schnittstelle) oder TMR-Technologie (Target Muscle Reinnervation) verwendet. Die TMR-Methode besteht darin, dass die Nerven, die zuvor für die funktionellen Aktionen des Arms verantwortlich waren, zu anderen nach der Amputation erhaltenen Muskeln gebracht werden und von diesen sensorische Sensoren das Signal empfangen und an den Prozessor senden, der die Elektromotoren steuert Setzen Sie die Prothese in Bewegung.

Wie Zahnersatz funktioniert

Bei der Entwicklung von bio- oder neurokontrollierten biotechnischen Geräten muss zunächst die Methode festgelegt werden, mit der Informationen über die ausgeführte Bewegung erhalten werden. In modernen biotechnischen Mitteln wie Mensch-Computer-Interaktionssystemen (Human Computer Interaction - HCI) werden Biosignale verwendet: Elektroenzephalogramme (EEG), Elektromyogramme (EMG), Elektroneurogramme (ENG), Elektrookulogramme (EOG).



Am weitesten verbreitet ist die Verwendung eines Elektromyogramms.



Es sind myoelektrische Prothesen, die es ermöglichen, verschiedene Funktionsbewegungen zu steuern. Beispielsweise kann der Patient in modernen kommerziellen Unterarmprothesen zwei Bewegungen (Griff und Rotation) steuern und die Geschwindigkeit ihrer Ausführung steuern. Aber auch diese einfachen Bewegungen müssen gelernt werden. Dazu wurde ein Programm mit acht Lektionen entwickelt, in dem sie „ihren neuen Körper“ studieren und versuchen, ihn zu verwenden.



Der Beginn der Muskelkontraktion wird durch elektrische Impulse in den Nervenstämmen ausgelöst, die in die Muskelfasern eintreten. Diese Impulse depolarisieren die Membran von Muskelzellen, wodurch ein Aktionspotential in den Muskelfasern erzeugt wird, das sich schnell entlang der Nervenfaser ausbreitet und zu deren Kontraktion führt. Darüber hinaus wird die Reduktion nur durch dieses Aktionspotential ausgelöst, und der Reduktionsprozess selbst ist viel länger. Mit Hilfe von Nadel- (invasiven) oder Oberflächenelektroden ist es möglich, die Summe der Aktionspotentiale aller am Prozess beteiligten Zellen zu registrieren.







Um die Funktion "Greifen öffnen" auszuführen, muss die Hand gebogen und gebogen werden. Das heißt, die Kontrolle der Prothese ist nicht natürlich (anthropomorph) und es ist eine zusätzliche Schulung des Patienten erforderlich, die Wochen dauert. Der Aktuator bewegt sich "von Kante zu Kante" ohne Zwischenpositionen - dies liegt daran, dass das EMG-Signal nicht die mechanischen Parameter der Muskelkontraktion widerspiegelt. Das einzige, was der Patient steuern kann, ist die proportionale Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit.

Mangel an vorhandenen Methoden

Der Nachteil aller bekannten Verfahren zur elektromyographischen Kontrolle von Prothesen besteht darin, dass Depolarisationssignale von gleichzeitig stimulierten Muskeln überlagert werden, weshalb es äußerst schwierig ist, ein EMG-Signal über die Aktivität eines bestimmten Muskels zu empfangen. Zusätzlich nimmt der Einfluss von Übersprechgeräuschen (Interferenzgeräuschen) benachbarter Muskeln mit zunehmendem Abstand zwischen den Messelektroden zu.



Das Umschalten zwischen den beiden Bewegungen erfolgt mechanisch oder mit einem versteckten Schalter. Wenn es viele Funktionen gibt - spezielle Codierung in Morsecode oder RFID-Tags, die in der gesamten Wohnung eingefügt werden.







Die globale Aufgabe von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt besteht darin, eine Kreuzklassifizierung zu erreichen, d. H. bieten die Möglichkeit, gleichzeitig ohne zusätzliches Schalten zu greifen / zu öffnen und zu drehen.







Das Entwicklungsteam der BMT-2-Abteilung "Biomedizinische Technik" der Staatlichen Technischen Universität Moskau hatte die gleiche Aufgabe - die Steuerung von zwei Bewegungen (Griff und Drehung der Hand) zu implementieren, aber gleichzeitig nicht nur die Verhältnismäßigkeit von zu erreichen Kontrolle, aber um den Anthropomorphismus dieser Bewegungen zu bewahren. Unter Anthropomorphismus versteht man die Ausführung genau jener Bewegungen, über die der Patient in Echtzeit nachdenkt. Bauman-Wissenschaftler sind mit dieser Aufgabe beschäftigt - Mitarbeiter der BMT-2-Abteilung.

Entwicklung und ihre Funktionen

Das technische Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Möglichkeit bereitzustellen, ein qualitativ hochwertiges und stabiles Signal zu erhalten, das, wenn es von einer technischen Vorrichtung gesteuert wird, es ermöglicht, Steueraktionen proportional zum Grad der Muskelkontraktion mit einer Verzögerung von Nr. 1 zu bilden mehr als 120 ms.



Um dieses Problem zu lösen, verwendeten die Entwickler einen kombinierten Ansatz, dessen Kern die gemeinsame Registrierung eines Elektromyogramms und einer aktiven Komponente der elektrischen Impedanz von einem einzelnen Elektrodensystem ist. Die elektrische Impedanzmyographie basiert auf der Messung von Änderungen der elektrischen Impedanz von Muskeln, die während Muskelkontraktionen auftreten.



Den Prüfelektroden wird ein Wechselstrom mit einer stabilen Amplitude zugeführt, und die Spannung wird von den Messelektroden aufgezeichnet, die nach Frequenztrennung der Kanäle in EMG und den aktiven Widerstand des Körperbereichs umgewandelt werden, was den Prozess von widerspiegelt mechanische Muskelkontraktion. Es wurde experimentell festgestellt, dass eine Muskelkontraktion zu einer proportionalen Änderung des aktiven Widerstands führt, die in der Projektion dieses Muskels aufgezeichnet wird.





Prothese hergestellt von PJSC RSC Energia

Arbeitsprinzip

Das technische Ergebnis in diesem Fall besteht darin, die Möglichkeit bereitzustellen, ein Steuersignal basierend auf der Registrierung der Muskelkontraktion in der Zeit zu erhalten.

In diesem Fall wurde es möglich, "die Bewegung des Muskels" rechtzeitig zu verfolgen, zu registrieren und in ein Steuersignal umzuwandeln, während die bekannten Methoden zum Entfernen von Biopotentialen aus einem Muskel unter Verwendung von Myosensoren nur den Beginn der Kontraktion aufzeichnen.

Zur Steuerung werden zwei Elektrodensysteme verwendet, die sich wie bei einer myoelektrischen Prothese in der Projektion der Antagonistenmuskeln auf dem Stumpf befinden. Somit wird die etablierte Prothetik-Technologie nicht verletzt.



Ein elektrisches Impedanzsignal wird als elektrophysiologisches Signal verwendet.







Die obere Abbildung zeigt die synchrone Registrierung eines elektrophysiologischen Signals - elektrische Impedanz und eines Elektromyogrammsignals (EMG) von Elektroden, die sich auf der Hautoberfläche über dem Beugemuskel der Finger befinden, wenn die "Handgriff" -Bewegung ausgeführt wird. Den Entwicklern der Staatlichen Technischen Universität Moskau ist es gelungen, ein so klares Signal zu erzielen, dass es möglich ist, anthropomorphe Bewegungen auszuführen.







Um das Verfahren zu implementieren, haben die Autoren ein Blockdiagramm der oben gezeigten Vorrichtung entwickelt, wobei TE eine Stromelektrode, IE eine Messelektrode und MT ein Messwandler ist.



Die Autoren entwickelten auch Elektrodensysteme, bei denen es sich um eine Basis (aus Gummi oder Kunststoff) handelt, auf der vier Elektroden befestigt sind. Über diese Elektroden wird Strom zugeführt (Stromelektroden) und die Spannung als Potentialdifferenz zwischen den Elektroden (Potentialelektroden) gemessen. Diese Methode wird gemäß dem unten dargestellten Strukturdiagramm implementiert.







Das EMG-Signal ist durch ein Bandpassfilter mit einer Bandbreite von 50 Hz bis 400 Hz (EMG-Kanalfilter) vom elektrischen Impedanzsignal getrennt. Das amplitudenmodulierte elektrische Impedanzsignal wird durch ein Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von 10 kHz bis 1 MHz (Impedanzkanalfilter) vom EMG-Signal getrennt und von einem Synchrondetektor erfasst. Um den Synchrondetektor als Trägerreferenzfrequenz zu betreiben, erzeugt der Mikroprozessor das gleiche Referenzsignal wie für die entsprechende Stromquelle. Nach zusätzlicher Verstärkung werden beide Kanäle von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Auf diese Weise wird ein Steuersignal von einem Muskel empfangen.



Um jedoch ein besseres und stabileres Steuersignal für ein technisches Gerät zu erhalten, sollte der zweite Kanal des Geräts verwendet werden, der auf ähnliche Weise das elektrische Impedanzsignal und das EMG-Signal vom zweiten Muskel registriert - der Antagonisten Muskel.



Um die gegenseitige Beeinflussung der beiden elektrischen Impedanzkanäle zu beseitigen, wird eine Phasen- oder Zeittrennung der Kanäle verwendet.



Eine der möglichen Optionen zur Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens ist eine Vorrichtung zur bionischen Steuerung einer Handprothese, die besteht aus: zwei tetrapolaren Elektrodensystemen; Zweikanal-Impedanzmesswandler; Verarbeitungseinheit; Steuereinheit und Aktuator - Handprothese, wie in der Abbildung gezeigt.







Dieser unveränderte Ansatz kann nicht nur zur Steuerung der oberen, sondern auch der unteren Extremität verwendet werden.

Weitere Perspektiven

Eine weitere Forschungsrichtung auf diesem Gebiet ist die Implementierung komplexer anthropomorpher Bewegungen (z. B. gleichzeitiges Greifen und Drehen der Hand). Gleichzeitig sollten die Anzahl der Elektrodensysteme und der Bereich ihres Standorts gleich bleiben, um die etablierte Prothesentechnologie nicht zu stören.