Cercetătorii americani au dezvoltat o tehnologie care utilizează mici implanturi magnetice pentru a urmări mişcările musculare şi a le transforma în comenzi destinate protezelor bionice. Sistemul a fost testat la trei persoane cu amputaţii ale membrului inferior şi a demonstrat că poate înregistra cu precizie contracţiile musculare, permiţând controlul unor mişcări simulate pe calculator. Rezultatele ar putea contribui la dezvoltarea unor proteze robotice care să răspundă mai precis intenţiilor de mişcare ale utilizatorilor.
Un studiu realizat de cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT), în colaborare cu Brigham and Women's Hospital, din Statele Unite, prezintă o nouă metodă de înregistrare a mişcărilor musculare prin intermediul unor implanturi magnetice.
Rezultatele, publicate joi, în revista ştiinţifică Nature Sensors, arată că tehnologia poate măsura modificările musculare cu o precizie sub un milimetru, inclusiv atunci când implanturile se află la o adâncime de până la şase centimetri sub suprafaţa pielii.
Sistemul, denumit MuSE, a fost evaluat la trei persoane cu amputaţii sub nivelul genunchiului, care aveau implantate permanent mici sfere magnetice în musculatura rămasă după intervenţia chirurgicală.
Potrivit unui comunicat publicat de MIT, tehnologia ar putea depăşi unele dintre limitările metodelor utilizate în prezent pentru controlul protezelor bionice, oferind informaţii directe despre modificările mecanice ale muşchilor.
Cum funcţionează implanturile magnetice
Protezele bionice sunt dispozitive artificiale care pot utiliza semnalele provenite de la muşchii sau nervii rămaşi după amputaţie pentru a controla mişcările unor articulaţii robotice.
În mod obişnuit, aceste dispozitive folosesc electromiografia, o metodă care înregistrează activitatea electrică a muşchilor prin intermediul unor electrozi amplasaţi pe piele sau implantaţi în ţesutul muscular.
Semnalele electrice sunt apoi prelucrate şi transformate în comenzi pentru proteză. Totuşi, activitatea electrică nu reflectă întotdeauna cu precizie lungimea muşchilor, viteza de contracţie sau modificările mecanice necesare pentru controlul articulaţiilor.
În plus, electrozii de suprafaţă pot înregistra semnale provenite de la muşchii învecinaţi, iar transpiraţia poate afecta calitatea măsurătorilor.
Noua tehnologie utilizează o metodă numită magnetomicrometrie, bazată pe urmărirea poziţiei unor mici magneţi implantaţi în muşchi.
Fiecare sferă magnetică are un diametru de aproximativ trei milimetri şi este fabricată dintr-un aliaj de neodim, fier şi bor. Implanturile sunt acoperite cu aur şi un material polimeric numit parilenă C, pentru a asigura compatibilitatea cu ţesuturile biologice.
Atunci când muşchiul se contractă sau se relaxează, distanţa dintre magneţi se modifică. Un dispozitiv extern, prevăzut cu senzori magnetici şi amplasat deasupra pielii, detectează aceste schimbări şi permite calcularea lungimii şi vitezei de mişcare a muşchiului.
Sistemul funcţionează fără conexiuni fizice între implanturi şi dispozitivul extern, iar magneţii nu necesită alimentare electrică.
Testele realizate la trei persoane cu amputaţii
Participanţii aveau amputaţii ale membrului inferior sub nivelul genunchiului şi beneficiaseră de o procedură chirurgicală specială, prin care anumite perechi de muşchi au fost reconectate pentru a păstra comunicarea mecanică dintre acestea.
Procedura, denumită interfaţă mioneurală agonist-antagonist, urmăreşte conservarea propriocepţiei, capacitatea organismului de a percepe poziţia şi mişcarea propriilor membre.
Participanţii aveau implanturi magnetice în până la patru muşchi implicaţi în mişcările articulaţiei gleznei.
În aceiaşi muşchi au fost implantaţi şi electrozi, ceea ce a permis cercetătorilor să compare trei metode de înregistrare: sistemul magnetic, electromiografia cu electrozi implantaţi şi electromiografia cu electrozi amplasaţi pe piele.
În timpul experimentelor, participanţii au efectuat diferite contracţii musculare pentru a controla mişcarea unui cursor pe ecranul unui calculator.
Cursorul reprezenta mişcările care ar putea fi controlate ulterior într-o proteză robotică de gleznă şi picior.
Semnalele înregistrate prin fiecare dintre cele trei metode au fost transformate în comenzi pentru deplasarea cursorului către anumite ţinte afişate pe ecran.
Rezultatele au arătat că sistemul magnetic a oferit performanţe comparabile sau superioare celor obţinute prin electromiografie, pentru majoritatea parametrilor evaluaţi.
Cercetătorii au demonstrat astfel că modificările mecanice ale muşchilor pot furniza informaţii suficient de precise şi stabile pentru controlul unor mişcări virtuale, inclusiv al celor care implică mai multe direcţii de mişcare.
Ce ar putea schimba noua tehnologie în utilizarea protezelor bionice
Controlul unei proteze robotice necesită informaţii precise despre mişcarea pe care utilizatorul intenţionează să o efectueze.
În cazul protezelor membrelor inferioare, aceste informaţii sunt importante pentru coordonarea mişcărilor articulaţiilor, menţinerea echilibrului şi adaptarea mersului.
Profesorul Hugh Herr, coordonatorul studiului şi codirector al K. Lisa Yang Center for Bionics de la MIT, explică limitele metodelor convenţionale de control al protezelor:
„De patru decenii, metoda standard de control al protezelor prin intermediul sistemului nervos utilizează electrozi amplasaţi pe piele pentru a măsura activarea musculară. Însă, pentru controlul unei proteze, trebuie controlate poziţia articulaţiei, cuplul mecanic sau rezistenţa la mişcare, iar aceşti parametri mecanici nu pot fi determinaţi direct doar din activitatea electrică a muşchilor”, a explicat cercetătorul, citat în comunicatul MIT.
Prin urmărirea directă a modificărilor musculare, implanturile magnetice ar putea oferi informaţii suplimentare pentru coordonarea protezelor.
Un alt avantaj potenţial este caracterul relativ puţin invaziv al metodei de înregistrare, comparativ cu unele sisteme care necesită implantarea unor componente electronice mai complexe.
Cercetătorii au demonstrat şi posibilitatea detectării activării musculare prin intermediul inducţiei magnetice, ceea ce ar putea reprezenta o alternativă la anumite măsurători electromiografice.
Următoarea etapă a cercetării: testarea tehnologiei în controlul protezelor bionice
Studiul reprezintă o etapă iniţială de evaluare a sistemului la oameni.
În experimentele raportate, participanţii nu au utilizat proteze robotice pentru mers sau pentru alte activităţi cotidiene. Evaluările au urmărit capacitatea implanturilor de a înregistra mişcările musculare şi de a controla sarcini virtuale.
De asemenea, cercetarea a inclus numai trei persoane, toate beneficiind anterior de un anumit tip de reconstrucţie musculară la nivelul membrului amputat.
Rezultatele nu permit, în această etapă, stabilirea beneficiilor asupra mersului, mobilităţii sau utilizării protezelor în viaţa de zi cu zi.
Sunt necesare evaluări suplimentare privind funcţionarea implanturilor pe termen lung, siguranţa acestora şi performanţele sistemului la un număr mai mare de persoane cu diferite tipuri de amputaţii.
Echipa MIT desfăşoară în prezent o cercetare mai amplă, în care urmăreşte modul în care informaţiile furnizate de implanturile magnetice pot fi utilizate pentru controlul efectiv al protezelor.
Dacă performanţele observate în experimentele virtuale vor fi confirmate în utilizarea dispozitivelor robotice, această abordare ar putea contribui la dezvoltarea unor proteze bionice cu un control mai precis şi mai apropiat de mişcările naturale.
Medikatv.ro
