Forscher des Massachusetts Institute of Technology haben eine neue Strategie entwickelt, die eine viel präzisere Kontrolle von prothetischen Gliedmaßen ermöglichen könnte. Nachdem sie winzige magnetische Kügelchen in das Muskelgewebe eingebracht haben, können sie die Länge eines Muskels bei seiner Kontraktion genau messen und diese Messung in Millisekunden an eine Roboterprothese übertragen. In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlicht wurde, testeten die Forscher ihre neue Strategie namens Magnetomikrometrie (MM) und zeigten, dass sie schnelle und genaue Muskelmessungen bei Tieren ermöglichen kann. Sie hoffen, den Ansatz in den kommenden Jahren bei Menschen mit einer Amputation testen zu können.
„Unsere Hoffnung ist, dass MM die Elektromyographie als vorherrschende Methode zur Verbindung des peripheren Nervensystems mit bionischen Gliedmaßen ersetzen wird. Und diese Hoffnung haben wir aufgrund der hohen Signalqualität, die wir von MM erhalten, und der Tatsache, dass es minimal invasiv ist und eine niedrige regulatorische Hürden und Kosten“, sagte Hugh Herr, Professor für Medienkunst und -wissenschaft, Leiter der Biomechatronik-Gruppe am Media Lab und leitender Autor des Papiers. Cameron Taylor, Postdoc am MIT, ist der Hauptautor der Studie. Weitere Autoren sind die MIT-Postdoc Shriya Srinivasan, der MIT-Doktorand Seong Ho Yeon, der Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie der Brown University, Thomas Roberts, und die Brown-Postdoc Mary Kate O’Donnell.
Bei bestehenden prothetischen Vorrichtungen werden elektrische Messungen der Muskeln einer Person unter Verwendung von Elektroden erhalten, die entweder an der Hautoberfläche angebracht oder chirurgisch in den Muskel implantiert werden können. Letzteres Verfahren ist sehr invasiv und kostspielig, liefert jedoch etwas genauere Messungen. In beiden Fällen liefert die Elektromyographie (EMG) jedoch nur Informationen über die elektrische Aktivität der Muskeln, nicht ihre Länge oder Geschwindigkeit. „Wenn Sie die EMG-basierte Steuerung verwenden, sehen Sie ein Zwischensignal. Sie sehen, was das Gehirn dem Muskel sagt, aber nicht, was der Muskel tatsächlich tut“, sagte Taylor.
Die neue MIT-Strategie basiert auf der Idee, dass, wenn Sensoren messen könnten, was Muskeln tun, diese Messungen eine genauere Kontrolle einer Prothese ermöglichen würden. Um dies zu erreichen, beschlossen die Forscher, Magnetpaare in Muskeln zu platzieren. Indem sie messen, wie sich die Magnete relativ zueinander bewegen, können die Forscher berechnen, wie stark sich die Muskeln zusammenziehen und wie schnell sie sich zusammenziehen. Vor zwei Jahren haben Herr und Taylor einen Algorithmus entwickelt, der die Zeit, die Sensoren benötigen, um die Position winziger Magnete im Körper zu bestimmen, deutlich verkürzt. Dies half ihnen, eine der größten Hürden bei der Verwendung von MM zur Kontrolle von Prothesen zu überwinden, nämlich die lange Verzögerungszeit für solche Messungen.
Die Forscher testeten die Fähigkeit ihres Algorithmus, Magnete zu verfolgen, die in die Wadenmuskeln von Puten eingeführt wurden. Die verwendeten Magnetperlen hatten einen Durchmesser von 3 Millimetern und einen Abstand von mindestens 3 Zentimetern – wenn sie näher sind, neigen die Magnete dazu, aufeinander zu zu wandern. Mit einer Reihe von Magnetsensoren an der Außenseite der Beine fanden die Forscher heraus, dass sie die Position der Magnete mit einer Genauigkeit von 37 Mikrometern (etwa der Breite eines menschlichen Haares) lokalisieren konnten, während sie die Truthähne bewegten. Sprunggelenke. Diese Messungen konnten innerhalb von drei Millisekunden durchgeführt werden.
Für die Kontrolle einer Gliedmaßenprothese könnten diese Messungen in ein Computermodell eingespeist werden, das anhand der Kontraktionen des verbleibenden Muskels vorhersagt, wo sich die Phantomgliedmaße des Patienten im Raum befinden würde. Diese Strategie würde sicherstellen, dass sich die prothetische Vorrichtung so bewegt, wie der Patient es möchte, und entspricht dem mentalen Bild, das sie von ihrer Gliedmaßenposition haben. „Mit der Magnetomikrometrie messen wir direkt die Länge und Geschwindigkeit des Muskels“, sagt Herr. „Durch mathematische Modellierung der gesamten Extremität können wir Zielpositionen und -geschwindigkeiten der zu steuernden Prothesengelenke berechnen, und dann kann eine einfache Robotersteuerung diese Gelenke steuern.“
Die Forscher hoffen, innerhalb weniger Jahre eine kleine Studie an menschlichen Patienten mit Amputationen unterhalb des Knies durchführen zu können. Sie stellen sich vor, dass die Sensoren zur Steuerung der Gliedmaßen an der Kleidung, an der Hautoberfläche oder an der Außenseite einer Prothese angebracht werden könnten. MM kann auch verwendet werden, um die Muskelkontrolle zu verbessern, die mit einer Technik namens funktionelle elektrische Stimulation erreicht wird, die jetzt verwendet wird, um die Mobilität von Menschen mit Rückenmarksverletzungen wiederherzustellen. Eine andere mögliche Anwendung für diese Art der magnetischen Steuerung wäre die Führung von Roboter-Exoskeletten, die an einem Knöchel oder einem anderen Gelenk befestigt werden können, um Menschen zu helfen, die einen Schlaganfall hatten oder andere Arten von Muskelschwäche entwickelt haben.
„Im Wesentlichen wirken die Magnete und das Exoskelett wie ein künstlicher Muskel, der die Leistung der biologischen Muskeln in der vom Schlaganfall betroffenen Extremität verstärkt“, sagt Herr. „Es ist wie die Servolenkung, die in Autos verwendet wird.“ Ein weiterer Vorteil des MM-Ansatzes ist, dass er minimal invasiv ist. Einmal in den Muskel eingeführt, könnten die Perlen ein Leben lang an Ort und Stelle bleiben, ohne dass sie ersetzt werden müssen, sagte Herr. (ANI)
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