Robotik protez ayak bilekleri ile geliştirilmiş doğal hareket ve stabilite

Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi ve Chapel Hill’deki Kuzey Carolina Üniversitesi tarafından yapılan yeni bir araştırmaya göre, sinir uyarılarıyla kontrol edilen robotik protez ayak bilekleri, ampute kişilerin daha “doğal” hareket etmelerine olanak tanıyor ve stabilitelerini artırıyor.

Çalışmanın ilgili yazarı ve NC Eyaleti ve UNC Biyomedikal Mühendisliği Ortak Bölümü’nde Jackson Ailesi Seçkin Profesörü olan Helen Huang, “Bu çalışma, şaşırtıcı derecede karmaşık olan ‘postüral kontrol’ üzerine odaklandı” diyor.

“Temel olarak, hareketsiz durduğumuzda, vücudumuz bizi sabit tutmak için sürekli ayarlamalar yapıyor. Örneğin, sıraya girdiğimizde biri bize çarptığında bacaklarımız bizim yapmayacağımız çok çeşitli hareketler yapıyor. Hareketsiz duran insanlarla çalışıyoruz. “Alt uzuvlarının amputasyonu ve bize bu tür bir stabiliteyi protez cihazlarla sağlamanın çok zor olduğunu söylüyorlar. Bu çalışma, robotik protez ayak bileklerinin elektromiyografi (EMG) kullanılarak kontrol edildiğini gösteriyor.” ) sinyaller, kullanıcıların bu doğal istikrarı elde etmelerine olanak sağlama konusunda son derece iyidir.” EMG sinyalleri kişinin kaslarından kaydedilen elektrik sinyalleridir.

Yeni çalışma şunlara dayanıyor: Önceki işBu da, güçlendirilmiş protez ayak bileğinin sinirsel kontrolünün, zorlu yüzeylerde ayakta durma ve çömelme de dahil olmak üzere çeşitli yetenekleri geri kazandırabildiğini gösterdi.

Bu çalışmada araştırmacılar, tek bacağı diz altı ampütasyona uğramış beş kişiyle çalıştı. Çalışma katılımcılarına, bacaktaki sensörler tarafından toplanan EMG sinyallerine yanıt veren bir robotik protez ayak bileği prototipi takıldı.

Araştırmanın ortak yazarı ve yakın zamanda doktora yapmış olan Aaron Fleming, “Temel olarak sensörler amputasyon bölgesindeki kasların üzerine yerleştiriliyor” diyor. NC State’den mezun oldu. “Bir çalışma katılımcısı ampute uzuvunu hareket ettirmeyi düşündüğünde, alt uzuvda kalan kaslar aracılığıyla elektrik sinyalleri gönderir. Sensörler bu sinyalleri deri yoluyla alır ve bu sinyalleri protez cihazı için komutlara dönüştürür.”

Araştırmacılar, prototip cihazı kullanarak çalışma katılımcılarına genel bir eğitim düzenlediler, böylece teknolojiye biraz aşina oldular.

Daha sonra çalışma katılımcılarına “beklenen bir tedirginliğe” yanıt verme görevi verildi, bu da onların dengelerini bozabilecek bir şeye yanıt vermeleri gerektiği anlamına geliyordu. Günlük yaşamda bu, top yakalamak veya yiyecek satın almak gibi bir şey olabilir. Ancak çalışma boyunca koşulları doğru bir şekilde kopyalamak için araştırmacılar, katılımcıların stabilitesini zorlayacak şekilde tasarlanmış mekanik bir sistem geliştirdiler.

Çalışma katılımcılarından iki koşul altında beklenen tedirginliğe yanıt vermeleri istendi: normalde kullandıkları protez cihazlarını kullanmak; Ve robotik protezlerin bir prototipinin kullanılması.

Fleming, “Çalışma katılımcılarının otomatik prototipi kullanırken önemli ölçüde daha istikrarlı olduklarını gördük” diyor. “Tökezleme veya düşme olasılıkları daha azdı.”

Huang, “Özellikle robotik model, çalışma katılımcılarının duruş kontrol stratejilerini değiştirmelerine olanak tanıdı” diyor. “Alt ekstremiteleri sağlam olan kişiler için postüral stabilite ayak bileğinde başlar. Alt ekstremitelerini kaybetmiş kişiler için genellikle ayak bileğini kontrol edememe durumunu telafi etmek zorunda kalırlar. EMG sinyallerine yanıt veren robotik bir ayak bileği kullanmanın bunu sağladığını bulduk. kullanıcıların On istikrarını korumak için içgüdüsel tepkilerine geri dönmelerine olanak tanıyor.”

Araştırmanın ayrı bir bölümünde araştırmacılar, katılımcılardan doğal bir protez kullanırken ve robotun protez modelini kullanırken ileri geri sallanmalarını istedi. Çalışmaya katılanlar vücudun alt kısmının tamamındaki kas aktivitesini ölçmek için tasarlanmış sensörlerle donatıldı.

Huang, “İnsanlar iki farklı protez kullandığında alt gövdedeki kas aktivite modellerinin çok farklı olduğunu bulduk” diyor. “Temel olarak, protez prototipi kullanırken oluşan kas aktivasyon modelleri, iki sağlam alt ekstremiteyi tam olarak kullanan insanlarda gördüğümüz modellere çok benziyordu. Bu bize, geliştirdiğimiz prototipin vücudun davranışını ‘normal’e izin verecek kadar yakından taklit ettiğini gösteriyor. ‘ insanlar bunu yapsın.” Sinir kalıplarının geri dönüşü. Bu önemli çünkü teknolojinin kullanıcılar için oldukça sezgisel olacağını gösteriyor.

“Bunun klinik açıdan önemli bir bulgu olduğuna inanıyoruz çünkü postüral stabilite, protez cihazları kullanan kişiler için önemli bir konudur. Teknolojinin etkilerini açıklığa kavuşturmak ve en çok fayda sağlayabilecek kişileri belirlemek için şimdi daha fazla sayıda insanla daha büyük bir deneme yürütüyoruz.” .”

“Nöroprostetik kontrol, ayakta postüral kontrolde neredeyse normatif nöromekaniği geri yükler” başlıklı çalışmayla ilgili bir makale 18 Ekim’de Science Robotics dergisinde yayınlanacak. Bu makalenin ortak yazarı Ph.D. Wentao Liu’dur. Biyomedikal Mühendisliği Ortak Bölümü öğrencisi. Çalışma, F31HD101285 ve R01HD110519 hibeleri kapsamında Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin desteğiyle gerçekleştirildi; ve 1954587 numaralı Hibe kapsamında Ulusal Bilim Vakfı’ndan.