كيف يعمل المفصل الركبي البائني؟

معالجة الإشارات العصبية: من تنشيط العضلات إلى التحكم في الحركة

واجهة عضلية-عصبية متضادة (AMI) والإشارات العصبية الطبيعية

يمكن للركبتين الاصطناعيتين اليوم الحركة بشكل طبيعي أكثر بكثير لأنها تحاكي الطريقة التي تُرسل بها أجسامنا الإشارات عبر الأعصاب. هناك ما يُعرف بواجهة العضلات والأعصاب المتضادة والمتآزرة، أو AMI باختصار، والتي تبقي الروابط المهمة حية بين العضلات التي تعمل معًا. ويُبلغ الأشخاص الذين يستخدمون هذه الأجهزة عن شعورهم بمزيد من التحكم في أطرافهم الاصطناعية. وجدت بعض الأبحاث الصادرة العام الماضي أن أنظمة AMI تعالج إشارات الدماغ أسرع بنسبة 34 بالمئة مقارنةً بالطرازات القديمة وفقًا لمجلة Frontiers in Neural Circuits. ما يجعل هذه التكنولوجيا خاصة هو أنها تعمل نوعًا ما مثل الانعكاسات الشوكية في أجسامنا. إذ تتيح المنظومة للعضلات المتبقية من جسم الشخص التحدث وتواصل ثنائي الاتجاه مع المفصل الاصطناعي للركبة. وهذا يعني أن الأشخاص البتر يمكنهم معرفة مكان تواجد ساقهم دون الحاجة إلى التفكير بذلك، ويمكنهم تغيير قوة دفعهم تلقائيًا أثناء المشي.

أقطاب كهربائية مزروعة لالتقاط إشارات عصبية دقيقة في التحكم بالركبة الاصطناعية

يمكن لمصفوفات الأقطاب الكهربائية المعبأة بكثافة في الأنسجة العضلية المتبقية التقاط تلك الإشارات الصغيرة جدًا التي تقاس بالمايكرو فولت، وتقوم بذلك بفترات زمنية تبلغ حوالي نصف ميلي ثانية. يستخدم النظام برمجيات ذكية لفصل بيانات الحركة الحقيقية عن كل الضوضاء البيولوجية الخلفية، ما يعني أن معظم الإشارات المهمة تمر بشكل سليم. وفقًا لدراسات حديثة نُشرت في مجلة Frontiers in Neuroscience العام الماضي، تعمل عملية التصفية هذه بشكل جيد إلى حدٍ ما، حيث تحافظ على جودة الإشارة الأصلية بنسبة تتراوح بين 98 و99 بالمئة. عند مقارنتها بمعدات كهربائية عضلية سطحية تقليدية، فإن أداء هذه المستشعرات المزروعة أفضل بنحو 60 بالمئة من حيث القدرة على التمييز بين الإشارات المفيدة والتداخلات. مما يجعلها فعّالة جدًا في اكتشاف الوحدات الحركية غير النشطة حتى أثناء الحركات المعقدة، مثل الانتقال من وضعية الجلوس إلى الوقوف المستقيم.

متحكمات روبوتية تترجم إشارات العضلات إلى حركة سلسة للمفاصل

يمكن لأحدث المعالجات المدمجة أن تحوّل إشارات الدماغ إلى تعليمات قوة شبيهة بالعضلات في غضون 27 ميلي ثانية فقط، وهي أسرع من زمن التفاعل الطبيعي للمفاصل البشرية الذي يستغرق عادةً ما بين 50 إلى 100 ميلي ثانية. تعمل أنظمة التحكم الهجينة هذه بذكاء من خلال دمج كشف نمط الحركة للحركات المنتظمة مع خوارزميات تعلُّم مرنة عند مواجهة ظروف أرضية غير مألوفة، مما يسمح للأشخاص بالتبديل بين سرعات مشي مختلفة دون انقطاع ملحوظ. وفقًا لدراسات حديثة نُشرت في مجلة الهندسة العصبية الحيوية عام 2023، فإن الأفراد الذين يستخدمون هذه الأنظمة المتقدمة يتعلمون أساليب المشي الجديدة أسرع بنسبة 47 بالمئة تقريبًا مقارنةً بأولئك الذين يعتمدون على تقنيات كهربائية عضلية قديمة. يجعل هذا النوع من التكيّف السريع فرقًا كبيرًا في التطبيقات الواقعية حيث يكون الاستجابة أمرًا بالغ الأهمية.

مسار نقل الإشارة: من المدخلات العصبية العضلية إلى الاستجابة الحركية

مسار إشارة المفصل الاصطناعي يُقلّد الإحساس الحيوي البيولوجي:

1. تكتشف القنوات الأيونية الحساسة للتمدد في العضلات المتبقية تغيرات الحمل الميكانيكي
2. تسافر الجهدات الفعلية عبر المسارات العصبية المحفوظة بواسطة AMI
3. تُولِّد وحدات التحكم التكيفية ملفات عزم محددة للمفصل
   يحقق هذا النظام المغلق دقة تنسيق تبلغ 92٪ مع الأطراف البيولوجية أثناء المهام غير المتماثلة مثل النزول على الدرج، متقدماً على الأطراف الصناعية ذات الحلقة المفتوحة بنسبة 33٪ (Clinical Biomechanics، 2023).

التكامل المباشر مع النسيج: ربط الركبة الاصطناعية بالعظام والعضلات

تُحقِق أنظمة المفاصل الاصطناعية الحديثة للركبة استقراراً غير مسبوق من خلال التكامل البيولوجي المباشر. وعلى عكس الأطراف الصناعية التقليدية التي تعتمد على الضغط الخارجي، فإن التصاميم الجديدة تدمج المكونات الاصطناعية مع الأنسجة الطبيعية لنقل القوى والتواصل العصبي بسلاسة.

الطرف الميكانيوني العصبي المُدمج عظمياً (OMP) وتكنولوجيا زرع e-OPRA

تعمل الأطراف الصناعية الميكانيكية العصبية المُدمجة عظميًا، أو ما يُعرف بـ OMPs، من خلال وضع زرعات تيتانيوم في الجزء المتبقي من عظمة الفخذ، حيث ترتبط فعليًا بالعظام مع مرور الوقت عبر عملية تُعرف باسم التكامل العظمي. ويأخذ نظام أحدث يُسمى e-OPRA هذا المفهوم خطوة أبعد باستخدام مستشعرات خاصة مصنوعة من مواد تُنتج الكهرباء عند تعرضها للإجهاد. وتلتقط هذه المستشعرات مدى إجهاد العظم أثناء حركة الشخص، مما يتيح إجراء تعديلات فورية خلال المهام اليومية مثل صعود السلالم. ووفقًا لبحث نُشر في مجلة Smithsonian العام الماضي، فإن المرضى الذين يستخدمون هذه الأطراف الاصطناعية المتطورة يعانون من قرح ضغط أقل بنسبة ربع ثلاثة أرباع تقريبًا في منطقة القِصبة مقارنة بالطرق التقليدية، بالإضافة إلى تلقيهم تغذية راجعة أفضل بكثير حول وضع وأداء طرفهم الاصطناعي.

الزرعات المثبتة على العظم من أجل ثبات فائق وتوزيع أفضل للحمل

تُوزع الأطراف الصناعية المثبتة على العظام الضغط على طول العظام بدلاً من تركيز كل الإجهاد على الأنسجة الرخوة. وجدت أبحاث حديثة من عام 2024 أن هذا النوع من الزرع يمكنه تحمل قوى الالتواء التي تصل إلى حوالي 3.8 نيوتن متر لكل كيلوغرام عند تغيير الاتجاه فجأة، وهي تقريبًا ضعف ما تستطيع الأطراف الاصطناعية التقليدية من نوع القابس. وميزة كبيرة أخرى تأتي من الربط المباشر مع العظم، مما يلغي تأثير التذبذب المزعج الذي يعانيه معظم المستخدمين. تشير الدراسات إلى أن نحو ثلثي الأشخاص الذين فقدوا أرجلهم فوق الركبة يواجهون هذه المشكلة بانتظام أثناء استخدام الأجهزة الاصطناعية التقليدية.

التكامل المباشر للعضلات والهيكل العظمي لتحسين الأداء البيوميكانيكي

تجمع أحدث تقنيات الأطراف الصناعية بين تقنيات دمج العظام وتوصيلات العضلات والأعصاب التي تربط الأجزاء الروبوتية مباشرةً بالعضلات المتبقية في الساق. وعندما تعمل هاتان الطريقتان معًا، فإنهما تتيحان تنسيقًا أفضل بين عضلات الفخذ أثناء الحركة. تُظهر الاختبارات التي أجريت في مختبر البيوميكانيكا بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أن هذا التصميم يقترب من الوظيفة الطبيعية للركبة، حيث يصل إلى نحو 89٪ من أنماط الحركة الطبيعية في اختبارات المشي لعام 2025. كما أن النتائج الميدانية مثيرة للإعجاب أيضًا. إذ يستطيع الأشخاص الذين يستخدمون هذه الأنظمة المتطورة صعود السلالم بشكل أسرع بكثير مقارنةً بمن يستخدمون الركبتين الببليونيتين التقليديتين القائمتين على المقعد، ويُظهر ذلك زيادة بنسبة 82٪ تقريبًا في سرعة الصعود وفقًا لأحدث الدراسات السريرية.

الابتكار الجراحي: إجراء AMI وزوج العضلات من أجل تعزيز التغذية المرتدة

جراحة AMI: استعادة الديناميات الطبيعية للعضلات المتضادة والمتآزرة

تقطع الإجراءات القياسية للبتر مجموعات عضلية مهمة تعمل معًا على إحداث الحركة. هناك الآن تقنية جراحية جديدة تُسمى واجهة العضلات المتضادة-المتآزرة (AMI)، والتي تقوم في الواقع بإعادة توصيل هذه المجموعات العضلية داخل الجزء المتبقي من الطرف بعد الجراحة. ويساعد هذا على استعادة النظام الطبيعي للتواصل في الجسم، والذي يتضرر أثناء عمليات البتر التقليدية. وعندما تحافظ العضلات على علاقتها الطبيعية المتداخلة، يمكن للأجهزة الاصطناعية قراءة الإشارات الصادرة من الجهاز العصبي بشكل أفضل بكثير. وتُظهر الاختبارات المعملية معدل نجاح يبلغ حوالي 92 بالمئة في تفسير هذه الإشارات وفقًا لبحث نُشر في مجلة Nature Medicine العام الماضي. ويُلاحظ أن المرضى الذين يتلقون هذا العلاج يواجهون حركات غير مرغوبة بنسبة أقل بحوالي 37% مقارنةً بالأشخاص الذين يستخدمون مقابس الأطراف الاصطناعية التقليدية. والأهم من ذلك، أنهم يكتسبون تحكمًا حقيقيًا في ثني وتمديد ركبهم بمجرد انقباض عضلات محددة، بدلًا من الاعتماد على الجهاز الاصطناعي ليُعوّض ميكانيكيًا عن الوظيفة المفقودة.

تقنيات إعادة الاتصال العضلي التي تتيح التغذية المرتدة الحسية والتحكم البديهي

تعمل جراحة AMI مع الطريقة التي يشعر بها أجسامنا بشكل طبيعي من خلال الحفاظ على الروابط المهمة بين الأنسجة العضلية الحسية ومستقبلات التمدد نشطة. عندما يقوم الجراحون بإعادة ربط الأوتار، فإنهم يضبطون التوتر بعناية بحيث يرسل الجسم إشارات أقوى إلى الدماغ. وجدت اختبارات أجريت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في عام 2024 أن الأشخاص الذين خضعوا لهذا الإجراء استجابوا بسرعة أكبر بحوالي 0.83 ثانية عند التنقل في التضاريس الصعبة ضمن مسارات عقبات. تتيح الاتصالات الثنائية للمرضى الشعور فعليًا بالمقاومة عند ثني ركبهم، مما يساعدهم على المشي بشكل أكثر طبيعية، تمامًا كما يفعل شخص لديه جهاز عصبي كامل. يُذكر أن معظم الأشخاص الذين يتلقون جراحة AMI يشعرون بأن أطرافهم الاصطناعية تبدو طبيعية نسبيًا بعد حوالي ثلاثة أشهر من العملية. وغالبًا ما يكونون أكثر ثقة عند صعود السلالم والانتقال من وضعية الجلوس إلى الوقوف مقارنةً بأولئك الذين يستخدمون الطرق التقليدية، وفقًا لما أبلغ عنه الكثيرون.

المزايا مقارنة بأطراف التوصيل التقليدية: الراحة والاستقرار والتحكم

محدوديات الأطراف الصناعية القائمة على القابس في الاستخدام طويل الأمد والتنقل

ما زالت الأطراف الصناعية القائمة على القابس تعاني من مشكلات في الاستخدام اليومي ونقص في الراحة. يُبلغ معظم من يرتدونها عن مشكلات تتعلق بتعرض بشرتهم للتقرحات أو التهيج الناتج عن القابس الصلب الملامس لجسمهم. وجدت دراسة حديثة أن حوالي ثلاثة أرباع المستخدمين على المدى الطويل يعانون من هذه المشكلات خلال عامين فقط. كما أن طريقة عمل هذه الأطراف الصناعية تحد من الحركة الطبيعية للمفاصل، مما يجعل صعود السلالم أو المنحدرات أمرًا صعبًا بشكل خاص بالنسبة لكثير من البترية. ويواجه حوالي 6 من كل 10 مرضى تغيرات في حجم الطرف المتبقي لديهم خلال اليوم، مما يجعل الحفاظ على الثبات أثناء المشي أو الحركة أكثر صعوبة.

تحكم وراحة فائقان مع أنظمة المفصل الركبي البايولوجي المتكامل مع النسيج

تمكّن المفاصل الركبة الاصطناعية التي تتصل مباشرة بالأنسجة من معالجة العديد من المشكلات الموجودة في الأطراف الصناعية التقليدية من خلال ربط العظام والعضلات معًا. يُلغي النظام الجديد المدمج عظميًا (osseointegrated) نقاط الضغط المزعجة الناتجة عن الجيوب، ويوزع الوزن بشكل أفضل على طول الساق. أظهرت الاختبارات تحسنًا بنسبة 40٪ تقريبًا في توزيع القوى مقارنةً بالنماذج القديمة. وجد بحث حديث أجري في عام 2025 أن الأشخاص الذين يستخدمون هذه الركبتين المتطورة يستطيعون المشي بأنماط حركة شبيهة جدًا بالحركة الطبيعية، حيث بلغ التشابه نحو 92٪ وفقًا للدراسة. والأكثر إثارةً هو أن الإشارات الصادرة من عضلاتهم تصل إلى الزرع بسرعة أكبر بكثير، مما يقلل زمن الاستجابة إلى 12 جزءًا من الألف من الثانية فقط. وهذا أسرع بنحو 40٪ مقارنةً بما نراه مع الروابط التقليدية المستخدمة في الجيوب. وبما أن جميع العناصر تعمل معًا بانسيابية كبيرة، يصبح هناك حاجة أقل للحركات التعويضية أثناء المشي. وهذا يعني أن المرضى يواجهون احتمالات أقل بكثير لتطور مشكلات مفصلية في أطرافهم المتبقية مع مرور الوقت، وقد يقل هذا الخطر حتى بنسبة قريبة من 40٪.

الوظيفة الواقعية: أداء المفاصل الركبة الاصطناعية المدعمة بالطاقة في الأنشطة اليومية

التغلب على السلالم، المنحدرات، والعوائق باستخدام تحكم ركبة اصطناعية تكيفي

إن مفاصل الركبة الاصطناعية الحديثة مثيرة للإعجاب بحق في التعامل مع المواقف اليومية. وفقًا لدراسة حديثة نُشرت في مجلة Nature Medicine عام 2023، قام الأشخاص الذين يستخدمون هذه الأنظمة المتكاملة مع الأنسجة بإجراء تعديلات غير مريحة بنسبة أقل بـ 73 بالمئة تقريبًا عند الصعود والنزول على السلالم مقارنةً بأولئك الذين يستخدمون الأطراف الاصطناعية القديمة من نوع الجيب. والسبب؟ تمتلك هذه الركبتين المتقدمتين وحدات تحكم روبوتية تقوم بتعديل مقاومة المفصل حوالي 50 مرة في الثانية الواحدة. وهذا يسمح لها بالانتقال بسلاسة من سطح إلى آخر دون أي تأخير ملحوظ. وتحتوي كل ركبة من الداخل على مستشعرات صغيرة تُعرف باسم الجيروسكوبات ومقاييس التسارع، والتي تقوم عمليًا بقراءة زاوية السطح الذي يمشي عليه الشخص. ثم تقوم بتعديل كمية القوة المطلوبة للحفاظ على التوازن، مما يساعد فعليًا في تجنب الانزلاقات، وهي نقطة مهمة جدًا عند التعامل مع الأرصفة المبللة أو التضاريس الصعبة مثل الطرق الحصوية.

قدرات الحركة الديناميكية أثناء المشي، والجري، ومهمات الانتقال

تُقلد الركبتان البايונية المدعومتان الحركة البيولوجية الطبيعية من خلال ثلاث ابتكارات رئيسية:

• مشغلات ذات تخميد متغير تقلل قوى التأثير بنسبة 40٪ أثناء اصطدام الكعب بالأرض
• خوارزميات تنبؤية التنبؤ بانتقال مراحل المشي بدقة تصل إلى 98٪
• تضخيم العزم يدعم ما يصل إلى 2.5 مرة من وزن الجسم أثناء الجري السريع

سلطت مجلة Science لعام 2025 الضوء على قدرة المستخدمين على صعود منحدرات بزاوية 15° باعتماد بنسبة 92٪ باستخدام الأنظمة المثبتة على العظام، مقابل 58٪ مع الأطراف الصناعية التقليدية. وتتيح وحدات التحكم التكيفية التحول التلقائي بين وضعيات المشي (0.6–1.8 م/ث) والركض (2.4–4.5 م/ث) دون الحاجة إلى تعديلات يدوية، مما يُحاكي استجابات الركبة البيولوجية.

تُعالج هذه التطورات التحديات الأساسية للأطراف الصناعية للطرف السفلي، حيث تجمع بين الدمج العصبي والدقة الميكانيكية لاستعادة أنماط الحركة الطبيعية.

الأسئلة الشائعة

ما هي واجهة العضلات والعصب المتضادة والمتقابلة (AMI)؟

AMI هو نظام يربط بين العضلات التي تعمل معًا، مما يسمح بنقل إشارات طبيعية والتحكم الأفضل في الأطراف الاصطناعية.

كيف تعمل الأقطاب الكهربائية المزروعة في الركبتين الاصطناعيتين؟

تلتقط الأقطاب الكهربائية المزروعة الإشارات العصبية من أنسجة العضلات المتبقية، وتوفر تحكمًا دقيقًا من خلال التمييز بين الإشارات المفيدة والضوضاء البيولوجية.

ما الفوائد التي يوفرها الطرف الصناعي العظمي الميكانيكي العصبي (OMP)؟

يوفر الطرف الصناعي العظمي الميكانيكي العصبي (OMP) ثباتًا متفوقًا وتوزيعًا أفضل للحمل من خلال تثبيت مكونات الطرف الاصطناعي مباشرةً بالعظام، مما يلغي المشكلات المرتبطة بالمقعدة.

كيف تحسن جراحة الركبة الاصطناعية الحركة؟

تحسن جراحة الركبة الاصطناعية، بما في ذلك إجراءات AMI، ديناميكية العضلات الطبيعية، مما يتيح تغذية راجعة حسية أفضل والتحكم في الأجهزة الاصطناعية.

ما فوائد الأطراف الاصطناعية المتكاملة مع الأنسجة مقارنةً بتلك المعتمدة على المقعدة؟

تقدم الأنظمة المتكاملة مع الأنسجة راحة وثباتًا وتحكمًا محسّنين من خلال القضاء على نقاط الضغط وتمكين أنماط الحركة الطبيعية.