Магниты могут обеспечить лучший контроль над протезами.

Для людей с ампутированными конечностями, использующих протезы, одной из самых сложных задач является управление протезом, чтобы он двигался так же, как и родная конечность. Большинство протезов конечностей управляются через электроды с помощью биоэлектрических потенциалов мышц. Этот способ называется электромиография — он регистрирует электрическую активность мышц, но дает ограниченный контроль над протезом.

Исследователи из Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института разработали альтернативный подход, который, по их мнению, может обеспечить гораздо более точное управление протезами. После введения маленьких магнитных шариков в мышечную ткань в области ампутированной конечности, станет возможно точно измерить изменение длины мышцы при ее сокращении. Эта обратная связь может быть передана бионическому протезу в течение миллисекунд.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Robotics, ученые протестировали свою новую методику, названную магнитометрией (ММ), и показали, что она может обеспечить быстрое и точное измерение сокращения мышц на животных. Они надеются испытать этот подход на людях с ампутацией в течение следующих нескольких лет.

«Мы надеемся, что магнитометрия заменит электромиографию в качестве основного способа связи периферической нервной системы с бионическими конечностями. И мы надеемся на это благодаря высокому качеству сигнала, который мы получаем с помощью магнитометрии, а также тому факту, что он минимально инвазивен, имеет низкие нормативные требования и стоимость», — говорит Хью Херр, профессор наук, руководитель группы биомехатроники в Media Lab и старший автор статьи.

Кэмерон Тейлор, сотрудник Массачусетского технологического института, является ведущим автором исследования. Среди других авторов – доктор наук Шрия Шринивасан, аспирант Сон Хо Йон, профессор экологии и эволюционной биологии Университета Брауна Томас Робертс и докктор наук Мэри Кейт О’Доннелл.

Точные измерения

В существующих протезах измерение сокращения мышц человека проводится с помощью электродов, которые могут быть либо прикреплены к поверхности кожи, либо хирургически имплантированы в мышцу. Последняя процедура является инвазивной и весьма дорогостоящей, но обеспечивает более точные измерения. Однако в любом случае электромиография (ЭМГ) дает информацию только об электрической активности мышц, а не об их длине или скорости сокращения.

«Когда вы используете управление на основе ЭМГ, вы смотрите на промежуточный сигнал. Вы видите, что мозг говорит мышце сделать, но не то, что мышца делает на самом деле», — говорит Тейлор.

Новая методика основана на идее, что если бы датчики могли измерять, что делают мышцы, то эти измерения обеспечили бы более точное управление протезом. Для этого исследователи решили вставить в мышцы пары магнитов. Измеряя, как магниты двигаются относительно друг друга, исследователи могут рассчитать, насколько сильно сокращаются мышцы и какова скорость сокращения.

Два года назад Герр и Тейлор разработали алгоритм, который значительно сократил время, необходимое датчикам для определения положения маленьких магнитов, вживленных в тело. Это помогло им преодолеть одно из главных препятствий на пути использования ММ для управления протезами, которое заключалось в большом времени задержки таких измерений.

В новой статье Science Robotics исследователи проверили способность своего алгоритма отслеживать магниты, вставленные в икроножные мышцы индеек. Магнитные шарики, которые они использовали, были диаметром 3 миллиметра и были вставлены на расстоянии не менее 3 сантиметров друг от друга — если они расположены ближе, то магниты мигрируют друг к другу.

Используя массив магнитных датчиков, размещенных на внешней стороне ног, исследователи смогли определить положение магнитов с точностью 37 микрон (примерно ширина человеческого волоса), когда они двигали голеностопными суставами индеек. Эти измерения можно было получить в течение трех миллисекунд.

Для управления протезом конечности эти измерения могут быть переданы в компьютерную модель, которая предсказывает, где в пространстве будет находиться фантомная конечность пациента, основываясь на сокращениях оставшихся мышц. Такая стратегия позволит направить протез так, как этого хочет пациент, в соответствии с мысленным представлением о положении конечности.

«С помощью магнитометрии мы непосредственно измеряем длину и скорость мышц», — говорит Херр. «С помощью математического моделирования всей конечности мы можем рассчитать целевые положения и скорости протезных суставов, которыми нужно управлять, а затем простой роботизированный контроллер может управлять этими суставами».

Мышечный контроль

В течение следующих нескольких лет исследователи надеются провести исследование на пациентах, у которых ампутированы конечности ниже колена. Они предполагают, что датчики, используемые для управления протезами конечностей, могут быть размещены на одежде, прикреплены к поверхности кожи или прикреплены к внешней стороне протеза.

ММ также можно использовать для улучшения мышечного контроля, достигаемого с помощью метода функциональной электростимуляции, который в настоящее время используется для восстановления подвижности у людей с травмами спинного мозга. Еще одним возможным применением такого магнитного контроля может стать управление роботизированными экзоскелетами, которые можно прикрепить к лодыжке или другому суставу, чтобы помочь людям, перенесшим инсульт или имеющим другие виды мышечной слабости.

«По сути, магниты и экзоскелет действуют как искусственная мышца, которая усиливает работу биологических мышц в конечности, пострадавшей от инсульта», — говорит Герр. «Это похоже на усилитель руля, который используется в автомобилях».

Еще одно преимущество подхода ММ заключается в том, что он является минимально инвазивным. По словам Херра, после введения в мышцу бусины могут оставаться на месте всю жизнь, не требуя замены.

Когда технология пройдет фазу испытания на людях, жизнь тех, кто перенес травму и болезнь станет намного проще. А создатели методики смогут зарегистрировать домен в зоне .care . Догадываетесь, почему?