Kuidas bioniline põlveliiges töötab?

Närvsignaalide töötlemine: lihaste aktiveerimisest liikumisjuhtimiseni

Agoniist-antagonist myoneuraalne liides (AMI) ja loomulik närvijuhtimine

Tänapäevased bioonilised põlved saavad liikuda palju loomulisemalt, kuna need kopeerivad sedaviisi, kuidas meie keha saatke signaale närvide kaudu. On olemas asi nimega agoniist-antagonisti müoneuraalne liides ehk lühidalt AMI, mis hoiab ellu olulisi ühendusi koostöös tegutsevate lihaste vahel. Need, kes neid seadmeid kasutavad, tunnevad oma proteese palju paremini kontrolli all. Mõned eelmisel aastal tehtud uuringud leidsid, et AMI-süsteemid töötlevad ajusignaale tegelikult umbes 34 protsenti kiiremini võrreldes vanemate mudelitega, nagu kirjutas ajakiri Frontiers in Neural Circuits. Selle tehnoloogia eripara on see, et see toimib natuke sarnaselt meie enda seljaaju refleksitegevusele. Süsteem võimaldab inimese allesjäänud lihaste ja kunstliku põlve vahel kahepoolset suhtlust. See tähendab, et amputeeritud inimesed saavad tunda, kus nende jalg asub, ilma et peaksid selle üle mõtlema, ning muuta automaatselt jõudu, millega jalga toetavad, kui nad liikuvad.

Implanteeritud elektroodid täpseks närvide signaalide kinnipidamiseks biooniliste põlvede juhtimisel

Elektroodide massiivi pakitakse tihedalt allesjäänud lihaskoe sisse, et need võiksid kinni püüda need pisikesed mikrovolti signaalid, ja see toimub umbes pooled millisekundi intervalliga. Süsteem kasutab nutikat tarkvara, et eraldada tegelikud liikumisandmed kogu taustal asuva bioloogilise müra hulgast, mis tähendab, et suurem osa olulisest jõuab läbi puhtana. Värske 2023. aastal ajakirjas Frontiers in Neuroscience avaldatud uuringu kohaselt toimib see filtratsiooniprotsess üsna hästi, säilitades umbes 98–99 protsenti algsest signaalikvaliteedist. Traditsioonilise pinnalise EMG-seadmega võrreldes on nende sisestatud andurite jõudlus kasulike signaalide segust eristamisel ligikaudu 60 protsenti parem. See muudab need andurid eriti heaks ka siis, kui tuvastada isegi mitteaktiivsed motoorikonnad keerukate liikumiste ajal, näiteks siis, kui inimene liigub istuvast asendist sirgjoonelise seismisele.

Robootikakontrollerid, mis teisendavad lihassignaalid vedela liigutusena

Uusimad süsteemisisesed protsessorid suudavad muuta ajusignaalid lihasestiilseteks jõuinstruktsioonideks vaid 27 millisekundiga, mis on kiirem kui inimese liigeste loomulik reaktsiooniaeg, mis kestab tavaliselt 50 kuni 100 ms. Need hübridsüsteemid töötavad nutikalt, kombineerides liikumismustrite tuvastamist tavapäraste liikumiste jaoks koos paindlike õppealgoritmidega ebaturvaliste maastikutingimuste korral, võimalustades inimestel vahetada erinevate kõndimiskiirustega märkimisväärselt katkemata. Vastavalt 2023. aastal Neuroinseneritehnoloogia Ajakirjas avaldatud hiljutistele uuringutele õpivad need edasijõudnud süsteemid kasutavad isikud uusi kõndimisstiile umbes 47 protsenti kiiremini kui need, kes toetuvad vanemale müoelektrilisele tehnoloogiale. See kiire kohanemine teeb justkui kõige suurema erinevuse reaalsetes rakendustes, kus reageerimiskiirus on kõige olulisem.

Signaalide edasiandmise tee: neuromuskulaarsest sisendist motoorse vastuse

Bioneerliigese signaalirada peegeldab bioloogilist propriotseptsiooni:

1. Jääklihastes asuvad venitustundlikud ioonikanalid tuvastavad mehaanilise koormuse muutused
2. Toimelained liiguvad AMI-ga säilitatud närvisidemetes
3. Adaptiivsed regulaatorid genereerivad liigesele spetsiifilised momendiprofiilid
   See suletud süsteem saavutab 92% koordineerimistäpsuse bioloogiliste lõimedega asümmeetriliste ülesannete käigus, näiteks trepist alla liikumisel, ületades avatud ahela proteesid 33% võrra (Clinical Biomechanics, 2023).

Otsest koeintegreerimine: bionilise põlve ühendamine luu ja lihasega

Kaasaegsed bionilised põlveliigeste süsteemid saavutavad senisest palju suurema stabiilsuse tänu otsestele bioloogilistele sidemetesse. Teisiti kui traditsioonilised sildeproteesid, mis toetuvad välistele pigistusjõududele, sulandavad järgmise põlvkonna konstruktsioonid sünteetilised komponendid loodusliku koe sees, tagades nii sujuva jõuülekande kui ka närviside ühenduse.

Osteointegreeritud mehhanoneuraalne protees (OMP) ja e-OPRA implantaattehnoloogia

Osteointegreeritud mehhanoneuraalsed proteesid ehk OMP-d toimivad nii, et titaanist implantaate paigaldatakse reieluu jääkinna osa, kus need aja jooksul tegelikult luuga ühinevad osteointegratsiooni nimetatava protsessi kaudu. Uuem süsteem nimega e-OPRA viib selle kontseptsiooni veelgi edasi eriliste sensorite abil, mis on valmistatud materjalidest, mis genereerivad elektrit surve mõjul. Need sensorid tuvastavad, kuidas liikumise ajal luule koormust rakendatakse, võimaldades hetkeparandusi igapäevaste ülesannete käigus, näiteks trepist üles liikumisel. Eelmisel aastal ilmunud uuringu andmeil Smithsonian Magazinis kogevad need täiustatud proteeside kasutajad ligikaudu kolmveerandiga vähem rõhumürkide tekke proteesi kinnituskohas traditsiooniliste meetoditega võrreldes, samuti saavad nad palju paremat tagasisidet oma liikme asendi ja liikumise kohta.

Luusse kinnitatud implantaadid suurepärase stabiilsuse ja koormuse jaotuse jaoks

Luusse kinnitatud proteesid jaotavad rõhu üle luude, mitte koondudes ainult pehmetele kudedele. Hiljutised 2024. aasta uuringud näitasid, et sellised implantaadid suudavad taluda kuni umbes 3,8 njuutonmeetrit kilogrammi kohta keeramisjõudu siis, kui inimene äkitselt suunda muudab – see on ligikaudu kaks korda rohkem kui tavapärased otsekohustuse proteesid. Teine suur eelis tuleneb otsese luukoe kinnitusest, mis eemaldab ärritava pistonefekti, millega enamik inimesi tavaliselt silmitsi seisab. Uuringud näitavad, et umbes kahe kolmandiku põlvest ülespoole amputeeritud inimeste hulgas tekib see probleem regulaarselt tavapäraste proteeside kasutamisel.

Otsene lihase ja luusüsteemi integreerimine biomehaanilise toime parandamiseks

Uusim proteesitehnoloogia ühendab luude sulandumise tehnikad närvi-lihas ühendustega, mis loovad otseste seose robotosade ja jalanäärmete allesjäänud lihaste vahel. Kui need kaks lähenemist toimivad koos, võimaldavad nad paremat koordinatsiooni reielihaste vahel liikumisel. Testid MIT biomehaanika laboris näitavad, et see konfiguratsioon jõuab lähedale normaalsele põlvefunktsioonile, saavutades umbes 89% loomulike liikumismustritest 2025. aasta käimistestides. Ka reaalmaailma tulemused on muljetevaheldavad. Inimesed, kes kasutavad neid täiustatud süsteeme, suudavad trepist üles ronida palju kiiremini kui traditsiooniliste pistikühendusega bioniliste põlvedega inimesed, viimaste kliiniliste uuringute kohaselt ligikaudu 82% suurema kiirusega.

Kirurgiline innovatsioon: AMI-protseduur ja lihaste paigutamine täiustatud tagasiside saavutamiseks

AMI-kirurgia: loodusliku agonisti-antagonisti lihaste dünaamika taastamine

Amputatsioonid lõikavad läbi oluliste lihasrühmade, mis töötavad koos liikumise loomiseks. Nüüd on olemas uus kirurgiline tehnika, mida nimetatakse agonist-antagonist muoneuraalseks liideks (AMI), mis tegelikult ühendab need lihased operatsiooni järel järelejäänud jäsemetega. See aitab taastada keha loomulikku side süsteemi, mis on regulaarsete amputatsioonide ajal kahjustatud. Kui lihased hoiavad oma normaalset suhet edasi-tagasi, saavad proteesid palju paremini lugeda närvisüsteemi signaale. Laboratoorsed testid näitavad, et nende signaalide tõlgendamisel on 92 protsenti edu, vastavalt eelmisel aastal Nature Medicine'is avaldatud uurimustele. Patsiendid, kes saavad selle ravi, kogevad umbes 37% vähem ebamugavaid liigutusi võrreldes inimestega, kes kasutavad traditsioonilisi proteesid. Kõige tähtsam on see, et nad saavad tõelise kontrolli oma põlvedel painutamise ja sirgekspanemise üle, lihtsalt pigistades teatud lihased, selle asemel et loota proteesiseadmele, mis korvab mehaaniliselt kaotatud funktsiooni.

Lihasühenduse taastamise tehnikad, mis võimaldavad sensoorset tagasisidet ja intuitiivset juhtimist

AMI-kirurgia toimib sellega, kuidas meie keha loomulikult asju tunneb, sest see hoiab aktiivsed olulised ühendused lihaskiudude ja venitusretseptorite vahel. Kui kirurgid kinnitavad kõhre uuesti, reguleerivad nad tähelepanuväärselt pinge, et keha saadaks tugevamaid signaale tagasi ajju. MIT-i testid 2024. aastal leidsid, et inimesed, kellel on selline protseduur tehtud, reageerisid umbes 0,83 sekundit kiiremini, kui liikusid raskete takistustega rajal. Kahepoolne suhtlus võimaldab patsientidel tunda takistust, kui nad painutavad oma jalgu, mis aitab neil liikuda loomulisemalt, just nagu inimesel, kellel on täielik närvisüsteem. Enamik inimesi, kes on saanud AMI-kirurgiat, ütlevad, et nende proteesid tunduvad päris loomulikud umbes kolm kuud pärast operatsiooni. Nad tunduvad palju kindlamad trepist üles liikumisel ja istumisest seismisele üleminekul võrreldes traditsioonilisi meetodeid kasutavate inimestega, nagu paljud on aruandeid andnud.

Eelised traditsiooniliste otsesamblike proteeside ees: mugavus, stabiilsus ja kontroll

Otsesambal põhinevate proteeside piirangud pikaajalisel kasutamisel ja mobiilsusel

Otsesambal põhinevad proteesid kogevad endiselt igapäevase kasutuse ja mugavuse probleeme. Enamik neid kandvaid inimesi teatavad nahakahjustustest või haavanditest, mis tekivad keha vastu suruvast kõvast otsesambast. Hiljutise uuringu kohaselt kogeb umbes kolmveerand pikaaegsetest kasutajatest just selliseid probleeme vaid kahe aasta jooksul. Nende proteeside toimimise viis piirab ka liigeste loomulikku liikumist, mistõttu on paljudel amputeeritud inimestel eriti raske treppe ja tõususid liikuda. Umbes 60 protsendil patsientidest tekib päeva jooksul muutusi nende järeljäägi liikme suuruses, mis muudab liikumisel või käigul hoidumise veelgi raskemaks.

Ületähtsaim kontroll ja mugavus koeintegreeritud biooniliste põlveliigeste süsteemidega

Bionilised põlveliiged, mis integreeruvad otse koesse, lahendavad paljusid traditsiooniliste proteeside probleeme, ühendades nii luud kui ka lihased. Uus luudega kasvav süsteem eemaldab need tüütud rõhapunktid, mis tekivad torustike abil, ja jaotab kaalu paremini jalal. Testid näitasid umbes 40 protsendi võrra paremat jõu jaotust võrreldes vanemate mudelitega. Hiljutine 2025. aasta uuring leidis, et inimesed, kes kasutavad neid täiustatud põlvi, suutsid liikuda peaaegu loomulikul viisil, uuringu kohaselt umbes 92% nii. Veel muljetavaldavam on, et nende lihaste signaalid jõudsid implandile palju kiiremini, vähendades reageerimisaega vaid 12 millisekundini. See on ligikaudu 40% kiirem kui tavaliste torustike puhul. Kuna kõik toimib nii sujuvalt, on käigus kompenseerivate liikumiste vajadus oluliselt väiksem. See tähendab, et patsientidel on oluliselt väiksem tõenäosus, et nende allesjäänud jäsemete liigesprobleeme areneb aja jooksul, võib-olla isegi ligikaudu 40% väiksem.

Reaalmaailma funktsionaalsus: Toitega biooniliste põlveliigeste toimivus igapäevaste tegevuste käigus

Treppide, tammide ja takistustega liikumine adaptiivse bioonilise põlveliigese juhtimisega

Tänapäevased bioonilised põlveliiged on üsna muljetavaldavad, kui tegemist on igapäevaste olukordadega. Vastavalt hiljuti, 2023. aastal ajakirjas Nature Medicine ilmunud uuringule tegid need uued koeintegreeritud süsteemid kasutavad inimesed umbes 73 protsenti vähem ebamugavaid kohandusi trepist üles ja alla liikumisel võrreldes vanema tüüpi soki proteeside kasutajatega. Põhjus? Need täiustatud põlved on varustatud robotojuhtimisega, mis kohandab liigese takistust umbes 50 korda sekundis. See võimaldab neil sujuvalt üle minna ühelt pinnalt teisele märkimisväärse viivitusega. Iga põlve sees on pisikesed andurid, mida nimetatakse giroskoopideks ja kiirendusanduriteks, ja mis peaaegu loevad ära selle nurga, millel inimene liigub. Seejärel kohandatakse jõudu, et hoida asju tasakaalus, mis aitab eriti hästi vältida libastumist, näiteks niiskel kattel või raskel maastikul, nagu killusteed.

Dünaamilised liikumisvõimed käimise, jooksu ja üleminekutegevuste ajal

Toitega biotrukkide põlved kordavad loomulikku biomehhaanikat kolme võtmetehnoloogia kaudu:

• Muutuva amortisatsiooniga aktuaatorid mis vähendavad löögi koormust kandil 40% võrra
• Prognoosivad algoritmid ennustavad liikumisfaaside üleminekuid 98% täpsusega
• Pöördemomendi tugevdamine võimaldab kiirendusjooksul tugevdada kuni 2,5-kordset kehakaalu

2025. aasta Science'i publikatsioonis rõhutati, et luudega kinnitatud süsteemide kasutajad suutsid rikkalise 15° kaldpinnal liikuda 92% usaldusväärsusega, samas kui traditsiooniliste proteesidega see oli 58%. Adaptiivsed juhtimissüsteemid võimaldavad automaatse ülemineku käigult (0,6–1,8 m/s) jooksurežiimile (2,4–4,5 m/s) ilma käsitsi seadeteta, järgides bioloogilisi põlveliigese reflekse.

Need edusammud lahendavad alumiste ekstremitätide proteeside põhiprobleeme, kombineerides närvisüsteemi integreerimist ja mehaanilist täpsust, et taastada loomulik liikuvusmuster.

KKK

Mis on Agonist-Antagonist Myoneuronal Interface (AMI)?

AMI on süsteem, mis ühendab koos töötavad lihased, võimaldades loomulikku signaalide edastamist ja paremat kunstjäsemete juhtimist.

Kuidas töötavad implanteeritud elektroodid bioloogilistes põlvedes?

Implanteeritud elektroodid kinnivad närvisignaale jäänud lihaskoest, tagades täpse juhtimise, eristades kasulikke signaale bioloogilisest müra.

Millised eelised pakub luusse integreeritud mehhanoneuraalne protees (OMP)?

OMP tagab suurema stabiilsuse ja koormuse jaotuse, kinnitades proteesiosad otse luule, kaotades välja kruvikaupade seotud probleemid.

Kuidas parandab bioloogiline põlveliiges operatsioon liikuvust?

Bioloogiline põlveliiges operatsioon, sealhulgas AMI-protseduurid, taastab loomuliku lihaste dünaamika, võimaldades paremat sensoorset tagasisidet ja proteesiseadmete juhtimist.

Millised on koeintegreeritud proteeside eelised kruvikaupa põhiste proteeside ees?

Koeintegreeritud süsteemid pakuvad paremat komforti, stabiilsust ja kontrolli, kaotades rõhukohad ja võimaldades loomulikke liikumismustreid.