Ada tiga jenis prostesis.
- Prostesis mioelektrik adalah protesa yang dikendalikan oleh sinyal yang dihasilkan oleh kontraksi otot. Kontraksi ini dibaca menggunakan sensor elektromiografi (EMG). Anda juga dapat menemukan nama lain untuk prostesis mioelektrik - bionik atau bioelektrik dengan sumber energi eksternal.
- Prostesis kosmetik adalah prostesis tak terkendali yang hanya melakukan fungsi dekoratif.
- Traksi prostesis - prostesis di mana kontrol dilakukan dengan tongkat dan sepenuhnya dikendalikan oleh upaya orang itu sendiri tanpa elektronik. Prostesis semacam itu memungkinkan tangan buatan untuk dikompresi karena traksi mekanis dari bahu yang berlawanan (meregangkan - melemahkan kabel).
Saat ini, di Rusia, hingga 7 ribu pasien per tahun prostetik dengan prostesis ekstremitas atas. Pada dasarnya, ini adalah prostesis kosmetik atau traksi dengan fungsi paling sederhana untuk menggenggam tangan. Di luar negeri, bagian prostesis mioelektrik, di mana potensi listrik otot antagonis adalah sumber sinyal kontrol, adalah 50%, di negara kita hanya 2-3%.
Muscles-antagonists adalah dua otot (atau dua kelompok otot) dari satu sendi, yang, ketika berkontraksi, menarik ke arah yang berlawanan. Fleksi lengan bawah dilakukan oleh otot bisep bahu, dan ekstensi lengan bawah dilakukan oleh otot trisep bahu. Kedua otot ini adalah otot antagonis karena menarik berlawanan arah relatif terhadap sendi siku. Satu otot (bisep brakii) bertanggung jawab untuk fleksi, dan otot lainnya (trisep brakii) bertanggung jawab untuk ekstensi.
Prostesis bionik belum populer di Rusia, karena harganya yang sangat mahal. Selain itu, secara visual, perangkat semacam itu adalah kumpulan koneksi dan kabel logam, sementara proses kosmetik hampir persis mengulangi gambar tangan manusia. Selain itu, tidak banyak spesialis di negara ini yang dapat menyesuaikan prostesis jenis ini dengan benar: buat tayangan yang diperlukan, pasang sensor.
Juga harus diingat bahwa kemungkinan kendali mioelektrik prostesis dibatasi oleh tingkat amputasi, yaitu. jumlah otot yang berfungsi tersisa. Untuk rehabilitasi pasien dengan amputasi lengan di atas siku, penggunaan kendali mioelektrik tidak praktis. Dalam kasus seperti itu, teknologi neuroprostheses (antarmuka otak-komputer) atau Target Muscle Reinnervation (TMR) digunakan. Metode TMR terdiri dari fakta bahwa saraf yang sebelumnya bertanggung jawab atas tindakan fungsional lengan dibawa ke otot lain yang diawetkan setelah amputasi, dan darinya sensor sensorik menerima sinyal dan mengirimkannya ke prosesor yang mengontrol motor listrik itu. menggerakkan prostesis.
Bagaimana gigi palsu bekerja
Saat mengembangkan perangkat bioteknik yang dikendalikan biologis atau neurokontrol, pertama-tama, perlu ditentukan metode untuk memperoleh informasi tentang gerakan yang dilakukan. Dalam sarana bioteknik modern seperti sistem interaksi manusia-komputer (Human Computer Interaction - HCI), biosignals digunakan: electroencephalograms (EEG), electromyograms (EMG), electroneurograms (ENG), electrooculograms (EOG).
Yang paling luas adalah penggunaan elektromiogram.
Ini adalah prostesis mioelektrik yang memungkinkan untuk mengontrol berbagai gerakan fungsional. Misalnya, dalam prostesis lengan bawah komersial modern, pasien dapat mengontrol dua gerakan (pegangan dan rotasi) dan mengontrol kecepatan pelaksanaannya. Namun, bahkan gerakan sederhana ini perlu dipelajari, untuk program delapan pelajaran ini telah dikembangkan, di mana mereka mempelajari "tubuh baru mereka" dan mencoba menggunakannya.
Timbulnya kontraksi otot diawali oleh impuls listrik di batang saraf yang masuk ke serat otot. Impuls ini mendepolarisasi membran sel otot, akibatnya potensial aksi dibuat di serat otot, yang dengan cepat menyebar di sepanjang serat saraf dan menyebabkan kontraksi. Apalagi reduksi hanya dimulai dari potensi aksi ini, dan proses reduksi itu sendiri jauh lebih lama. Menggunakan jarum (invasif) atau elektroda permukaan, dimungkinkan untuk mendaftarkan jumlah potensial aksi dari semua sel yang terlibat dalam proses.
Untuk melakukan fungsi "pegang-buka", tangan perlu ditekuk-lepaskan. Artinya, kontrol prostesis tidak alami (antropomorfik) dan diperlukan pelatihan pasien tambahan, yang membutuhkan waktu berminggu-minggu. Aktuator bergerak "dari ujung ke ujung" tanpa posisi perantara - ini disebabkan fakta bahwa sinyal EMG tidak mencerminkan parameter mekanis kontraksi otot. Satu-satunya hal yang dapat dikontrol oleh pasien adalah mengontrol kecepatan gerakan secara proporsional.
Kurangnya metode yang ada
Kerugian dari semua metode kontrol elektromiografik prostesis yang diketahui adalah bahwa sinyal depolarisasi dari otot yang distimulasi secara bersamaan ditumpangkan, oleh karena itu sangat sulit untuk menerima sinyal EMG tentang aktivitas otot tertentu. Selain itu, pengaruh derau crosstalk (interferensi) dari otot-otot yang berdekatan meningkat dengan bertambahnya jarak antara elektroda pengukur.
Perpindahan antara dua gerakan dilakukan secara mekanis atau dengan sakelar tersembunyi. Jika ada banyak fungsi - kode khusus dalam kode Morse atau tag RFID, ditempelkan di seluruh apartemen.
Tugas global yang dihadapi para ilmuwan di seluruh dunia adalah mencapai klasifikasi silang, mis. memberikan kemampuan untuk menggenggam / membuka dan memutar secara bersamaan tanpa peralihan tambahan.
Tim pengembangan dari departemen BMT-2 "Teknik Biomedis" dari Universitas Teknik Negeri Moskow memiliki tugas yang sama - untuk menerapkan kontrol atas dua gerakan (cengkeraman dan rotasi tangan), tetapi pada saat yang sama untuk mencapai tidak hanya proporsionalitas kontrol, tetapi untuk melestarikan antropomorfisme gerakan ini. Antropomorfisme dipahami sebagai eksekusi dari gerakan-gerakan yang dipikirkan pasien secara real time. Ilmuwan Bauman terlibat dalam tugas ini - karyawan departemen BMT-2.
Pengembangan dan fitur-fiturnya
Tujuan teknis dari penemuan ini adalah untuk memberikan kemungkinan memperoleh sinyal yang berkualitas tinggi dan stabil, yang, jika dikendalikan oleh perangkat teknis, memungkinkan untuk membentuk tindakan kontrol yang proporsional dengan derajat kontraksi otot dengan penundaan lebih dari 120 ms.
Untuk mengatasi masalah ini, pengembang menerapkan pendekatan gabungan, yang intinya adalah pendaftaran bersama dari elektromiogram dan komponen aktif impedansi listrik dari sistem elektroda tunggal. Miografi impedansi listrik didasarkan pada pengukuran perubahan impedansi listrik otot yang terjadi selama kontraksi otot.
Arus bolak-balik dari amplitudo stabil disuplai ke elektroda probing, dan tegangan dicatat dari elektroda pengukur, yang, setelah pemisahan frekuensi saluran, diubah menjadi EMG dan resistansi aktif dari area tubuh, yang mencerminkan proses kontraksi otot mekanis. Telah ditetapkan secara eksperimental bahwa kontraksi otot menyebabkan perubahan proporsional dalam resistensi aktif yang tercatat dalam proyeksi otot ini.
Prostesis diproduksi oleh PJSC RSC Energia
Prinsip operasi
Hasil teknis dalam hal ini adalah memberikan kemungkinan untuk memperoleh sinyal kontrol berdasarkan registrasi kontraksi otot pada waktunya.
Dalam hal ini, menjadi mungkin untuk melacak, mendaftar dan berubah menjadi sinyal kontrol "gerakan otot" pada waktunya, sementara metode yang diketahui untuk menghilangkan biopotensial dari otot menggunakan sensor-myo hanya mencatat awal kontraksi.
Untuk kontrol, dua sistem elektroda digunakan, yang terletak di tunggul dalam proyeksi otot antagonis, seperti pada protese mioelektrik. Dengan demikian, teknologi prostetik yang sudah mapan tidak dilanggar.
Sinyal impedansi listrik digunakan sebagai sinyal elektrofisiologis.
Gambar di atas menunjukkan registrasi sinkron dari sinyal elektrofisiologi - impedansi listrik dan sinyal elektromiogram (EMG) dari elektroda yang terletak di permukaan kulit di atas otot fleksor jari saat melakukan gerakan "pegangan tangan". Pengembang Universitas Teknik Negeri Moskow berhasil mencapai sinyal yang begitu jelas sehingga memungkinkan untuk mencapai kemungkinan melakukan gerakan antropomorfik.
Untuk mengimplementasikan metode tersebut, penulis telah mengembangkan diagram blok perangkat yang ditunjukkan di atas, di mana TE adalah elektroda arus, IE adalah elektroda pengukur, dan MT adalah transduser pengukur.
Para penulis juga mengembangkan sistem elektroda, yang merupakan basis (terbuat dari karet atau plastik), di mana empat elektroda dipasang. Melalui elektroda ini, arus disuplai (elektroda arus), dan tegangan diukur sebagai beda potensial antara elektroda (elektroda potensial). Metode ini diimplementasikan sesuai dengan diagram struktural yang disajikan di bawah ini.
Sinyal EMG dipisahkan dari sinyal impedansi listrik oleh filter bandpass dengan bandwidth 50 Hz hingga 400 Hz (filter saluran EMG). Sinyal impedansi listrik termodulasi amplitudo dipisahkan dari sinyal EMG oleh filter bandpass dengan passband 10 kHz hingga 1 MHz (filter saluran impedansi) dan dideteksi oleh detektor sinkron. Untuk mengoperasikan detektor sinkron sebagai frekuensi referensi pembawa, mikroprosesor menghasilkan sinyal referensi yang sama seperti untuk sumber arus yang sesuai. Setelah penguatan tambahan, kedua saluran didigitalkan oleh konverter analog-ke-digital (ADC). Ini adalah bagaimana sinyal kontrol diterima dari satu otot.
Namun, untuk mendapatkan sinyal kontrol yang lebih baik dan lebih stabil untuk perangkat teknis, saluran kedua dari perangkat harus digunakan, yang, bekerja dengan cara yang sama, mendaftarkan sinyal impedansi listrik dan sinyal EMG dari otot kedua - otot antagonis.
Untuk menghilangkan pengaruh timbal balik dari dua saluran impedansi listrik, pemisahan fase atau waktu saluran digunakan.
Salah satu opsi yang memungkinkan untuk menggunakan metode yang diusulkan adalah perangkat untuk kontrol bionik protese tangan, yang terdiri dari: dua sistem elektroda tetrapolar; transduser pengukur impedansi dua saluran; unit pemrosesan; unit kontrol dan aktuator - protese tangan, seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Pendekatan tanpa perubahan ini dapat digunakan tidak hanya untuk mengontrol ekstremitas atas, tetapi juga ekstremitas bawah.
Perspektif lebih lanjut
Arah penelitian lebih lanjut di bidang ini adalah penerapan gerakan antropomorfik yang kompleks (misalnya, menggenggam dan memutar tangan secara bersamaan). Pada saat yang sama, jumlah sistem elektroda dan luas lokasinya harus tetap sama agar tidak mengganggu teknologi prostetik yang sudah mapan.