Mișcare naturală și stabilitate îmbunătățite cu proteze robotizate de glezne

Gleznele protetice robotizate, controlate de impulsuri nervoase, permit persoanelor amputate să se miște mai „natural”, îmbunătățindu-le stabilitatea, potrivit unui nou studiu realizat de Universitatea de Stat din Carolina de Nord și Universitatea din Carolina de Nord din Chapel Hill.

„Această lucrare s-a concentrat pe „controlul postural”, care este surprinzător de complex”, spune Helen Huang, autorul corespondent al studiului și profesorul distins al familiei Jackson în Departamentul Comun de Inginerie Biomedicală de la NC State și UNC.

„Practic, atunci când stăm nemișcați, corpurile noastre fac în mod constant ajustări pentru a ne menține stabili. De exemplu, dacă cineva se lovește de noi când stăm la coadă, picioarele noastre fac o gamă largă de mișcări pe care nu le-am face. Lucrăm cu oameni care stau nemișcați. „Amputația membrelor lor inferioare și ei ne spun că obținerea acestui tip de stabilitate cu dispozitive protetice este foarte dificilă. Acest studiu arată că gleznele protetice robotizate sunt controlate prin electromiografie (EMG). ) semnalele sunt excepțional de bune pentru a permite utilizatorilor să atingă această stabilitate naturală.” Semnalele EMG sunt semnalele electrice înregistrate de la mușchii unei persoane.

Noul studiu se bazează pe jobul anteriorCeea ce a demonstrat că controlul neuronal al unei proteze electrice de gleznă poate restabili o serie de abilități, inclusiv stând în picioare pe suprafețe dificile și ghemuit.

În acest studiu, cercetătorii au lucrat cu cinci persoane care au suferit amputații sub genunchi pe un picior. Participanții la studiu au fost echipați cu un prototip de gleznă robotică protetică care a răspuns la semnalele EMG captate de senzorii de pe picior.

„Practic, senzorii sunt plasați peste mușchii la locul amputației”, spune Aaron Fleming, co-autor al studiului și un doctorat recent. A absolvit NC State. „Când un participant la studiu se gândește la mutarea membrului amputat, acesta trimite semnale electrice prin mușchii rămași din membrul inferior. Senzorii preiau aceste semnale prin piele și traduc acele semnale în comenzi pentru dispozitivul protetic.

Cercetătorii au efectuat instruire generală pentru participanții la studiu folosind dispozitivul prototip, astfel încât aceștia s-au familiarizat oarecum cu tehnologia.

Participanții la studiu au fost apoi însărcinați să răspundă la o „perturbare anticipată”, ceea ce înseamnă că au trebuit să răspundă la ceva care i-ar putea dezechilibra. În viața de zi cu zi, acest lucru ar putea fi ceva de genul a prinde o minge sau a cumpăra alimente. Cu toate acestea, pentru a reproduce cu acuratețe condițiile de-a lungul studiului, cercetătorii au dezvoltat un sistem mecanic conceput pentru a provoca stabilitatea participanților.

Participanții la studiu au fost rugați să răspundă la perturbația așteptată în două condiții: să folosească dispozitivele protetice pe care le folosesc în mod normal; Și utilizarea unui prototip de protetică robotică.

„Am descoperit că participanții la studiu au fost semnificativ mai stabili atunci când au folosit prototipul automat”, spune Fleming. „Erau mai puțin probabil să se împiedice sau să cadă.”

„În mod specific, modelul robotic a permis participanților la studiu să-și schimbe strategia de control al posturii”, spune Huang. „Pentru persoanele cu extremități inferioare intacte, stabilitatea posturală începe de la gleznă. Pentru persoanele care și-au pierdut extremitățile inferioare, de obicei trebuie să compenseze incapacitatea de a controla glezna. Am descoperit că folosind o gleznă robotică care răspunde la semnalele EMG permite utilizatorilor să revină la răspunsul lor instinctiv pentru a menține stabilitatea On.”

Într-o parte separată a studiului, cercetătorii au cerut participanților la studiu să se balanseze înainte și înapoi în timp ce folosesc o proteză naturală și în timp ce folosesc un model protetic al robotului. Participanții la studiu au fost echipați cu senzori proiectați să măsoare activitatea musculară în întregul corp inferior.

„Am descoperit că modelele de activitate musculară din partea inferioară a corpului erau foarte diferite atunci când oamenii foloseau două proteze diferite”, spune Huang. „Practic, modelele de activare a mușchilor atunci când folosim prototipul protetic au fost foarte asemănătoare cu modelele pe care le vedem la persoanele care folosesc pe deplin două membre inferioare intacte. Acest lucru ne spune că prototipul pe care l-am dezvoltat imită comportamentul corpului suficient de aproape pentru a permite „normalul”. „Oamenii să facă acest lucru.” Revenirea tiparelor neuronale. Acest lucru este important, deoarece indică faptul că tehnologia va fi destul de intuitivă pentru utilizatori.

„Credem că aceasta este o constatare importantă din punct de vedere clinic, deoarece stabilitatea posturală este o problemă importantă pentru persoanele care folosesc dispozitive protetice. Acum efectuăm un studiu mai amplu cu un număr mai mare de oameni pentru a clarifica efectele tehnologiei și pentru a identifica persoanele care ar putea beneficia cel mai mult. .”

O lucrare despre studiu intitulată „Controlul neuroprotetic restabilește neuromecanica aproape normativă în controlul postural în picioare” va fi publicată pe 18 octombrie în revista Science Robotics. Acest referat a fost co-autor de Wentao Liu, Ph.D. Student în cadrul Departamentului Comun de Inginerie Biomedicală. Lucrarea a fost realizată cu sprijinul National Institutes of Health, în cadrul granturilor F31HD101285 și R01HD110519; și de la National Science Foundation sub Grant No. 1954587.