बायोनिक नील का संयुक्त कैसे काम करता है?

न्यूरल सिग्नल प्रोसेसिंग: मांसपेशी सक्रियण से गति नियंत्रण तक

एगोनिस्ट-एंटागोनिस्ट मायोन्यूरोनल इंटरफ़ेस (AMI) और प्राकृतिक न्यूरल सिग्नलिंग

आज के बायोनिक घुटने बहुत अधिक प्राकृतिक तरीके से गति कर सकते हैं क्योंकि वे हमारे शरीर द्वारा तंत्रिकाओं के माध्यम से संकेत भेजने की प्रणाली की नकल करते हैं। एक चीज़ है जिसे ऐगोनिस्ट-एंटागोनिस्ट मायोन्यूरोनल इंटरफ़ेस, या संक्षेप में AMI कहा जाता है, जो मूल रूप से उन महत्वपूर्ण संबंधों को बनाए रखता है जो साथ में काम करने वाली मांसपेशियों के बीच होते हैं। इन उपकरणों का उपयोग करने वाले लोग अपने कृत्रिम अंगों पर बहुत अधिक नियंत्रण का अनुभव करते हैं। पिछले साल के कुछ शोध में पाया गया कि AMI प्रणाली पुराने मॉडलों की तुलना में दिमाग के संकेतों को लगभग 34 प्रतिशत तेज़ी से संभालती है, जैसा कि 'फ्रंटियर्स इन न्यूरल सर्किट्स' जर्नल में बताया गया था। इस तकनीक को विशेष बनाने वाली बात यह है कि यह हमारी रीढ़ की हड्डी की प्रतिवर्त प्रणाली की तरह काम करती है। यह प्रणाली व्यक्ति की शेष मांसपेशियों को कृत्रिम घुटने के साथ आदान-प्रदान करने की अनुमति देती है। इसका अर्थ है कि अंग विच्छेदित व्यक्ति बिना सोचे यह बता सकते हैं कि उनका पैर किस स्थिति में है और चलते समय स्वचालित रूप से वे कितना दबाव डाल रहे हैं, उसे बदल सकते हैं।

बायोनिक घुटने के नियंत्रण में सटीक न्यूरल सिग्नल कैप्चर के लिए प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोड

शेष मांसपेशी ऊतक में घने ढंग से पैक किए गए इलेक्ट्रोड ऐरे उन सूक्ष्म माइक्रोवोल्ट संकेतों को पकड़ सकते हैं, और वे लगभग आधे मिलीसेकंड के अंतराल पर ऐसा करते हैं। यह प्रणाली पृष्ठभूमि की जैविक गड़बड़ी से वास्तविक गति डेटा को अलग करने के लिए चतुर सॉफ्टवेयर का उपयोग करती है, जिसका अर्थ है कि अधिकांश महत्वपूर्ण बातें बिना क्षति के गुजर जाती हैं। पिछले साल 'फ्रंटियर्स इन न्यूरोसाइंस' में प्रकाशित हालिया अध्ययनों के अनुसार, इस फ़िल्टरिंग प्रक्रिया का परिणाम काफी अच्छा होता है, जो मूल संकेत गुणवत्ता का लगभग 98 या 99 प्रतिशत बनाए रखता है। पारंपरिक सतही EMG उपकरणों के सापेक्ष तुलना करने पर, ये प्रत्यारोपित सेंसर उपयोगी संकेतों को हस्तक्षेप से अलग करने के मामले में वास्तव में लगभग 60 प्रतिशत बेहतर प्रदर्शन करते हैं। इससे जटिल गतिविधियों जैसे कि किसी व्यक्ति द्वारा बैठी स्थिति से सीधा खड़ा होने के दौरान भी निष्क्रिय मोटर इकाइयों को पहचानने में ये बहुत अच्छे साबित होते हैं।

रोबोटिक नियंत्रक जो मांसपेशी संकेतों का तरल संधि गति में अनुवाद करते हैं

नवीनतम एम्बेडेड प्रोसेसर महज 27 मिलीसेकंड में मस्तिष्क संकेतों को मांसपेशी जैसे बल निर्देश में बदल सकते हैं, जो मानव जोड़ों के प्राकृतिक प्रतिक्रिया समय (आमतौर पर 50 से 100 मिलीसेकंड) से तेज है। ये संकर नियंत्रण प्रणाली नियमित गति के लिए गति प्रतिरूप का पता लगाने के साथ-साथ अपरिचित भूमि की स्थिति के सामने आने पर लचीले सीखने के एल्गोरिदम को जोड़कर स्मार्ट तरीके से काम करते हैं, जिससे लोग विभिन्न चलने की गति के बीच बिना किसी ध्यान देने योग्य खलल के स्विच कर सकते हैं। 2023 में न्यूरोइंजीनियरिंग जर्नल में प्रकाशित हालिया अध्ययनों के अनुसार, इन उन्नत प्रणालियों का उपयोग करने वाले व्यक्ति पुरानी मायोइलेक्ट्रिक तकनीक पर निर्भर लोगों की तुलना में नए चलने के तरीके लगभग 47 प्रतिशत तेजी से सीखते हैं। वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में जहाँ प्रतिक्रियाशीलता सबसे अधिक महत्वपूर्ण होती है, इस तरह के त्वरित अनुकूलन का सबसे बड़ा अंतर होता है।

सिग्नल प्रसारण मार्ग: न्यूरोमस्कुलर इनपुट से मोटर प्रतिक्रिया तक

बायोनिक जोड़ का सिग्नल मार्ग जैविक गहन संवेदना की नकल करता है:

1. अवशिष्ट मांसपेशियों में स्ट्रेच-संवेदनशील आयन चैनल यांत्रिक भार परिवर्तन का पता लगाते हैं
2. क्रिया विभव AMI-संरक्षित तंत्रिका मार्गों के माध्यम से यात्रा करते हैं
3. अनुकूली नियंत्रक जोड़-विशिष्ट टोक़ प्रोफ़ाइल उत्पन्न करते हैं
   इस बंद-लूप प्रणाली में सीढ़ियों की अवरोहण जैसे असममित कार्यों के दौरान जैविक अंगों के साथ 92% समन्वय शुद्धता प्राप्त होती है, जो खुले-लूप प्रोस्थेसिस से 33% बेहतर प्रदर्शन करती है (क्लिनिकल बायोमैकेनिक्स, 2023)।

प्रत्यक्ष ऊतक एकीकरण: बायोनिक घुटने को हड्डी और मांसपेशी से जोड़ना

आधुनिक बायोनिक घुटने के जोड़ प्रणाली प्रत्यक्ष जैविक एकीकरण के माध्यम से बेमिसाल स्थिरता प्राप्त करती हैं। पारंपरिक सॉकेट प्रोस्थेसिस के विपरीत, जो बाहरी संपीड़न पर निर्भर करते हैं, अगली पीढ़ी के डिज़ाइन सिंथेटिक घटकों को प्राकृतिक ऊतक के साथ एकीकृत करते हैं ताकि बल स्थानांतरण और तंत्रिका संचार में बिना किसी अंतर के काम हो सके।

ऑसिओइंटीग्रेटेड मैकेनोन्यूरल प्रोस्थेसिस (OMP) और ई-OPRA इम्प्लांट तकनीक

अस्थि-एकीकृत यांत्रिक तंत्रिका प्रत्यारोपण या OMP समय के साथ ऑसियोइंटीग्रेशन नामक प्रक्रिया द्वारा अस्थि के साथ बंधन बनाने के लिए फीमर के शेष हिस्से में टाइटेनियम प्रत्यारोपण लगाकर काम करते हैं। e-OPRA नामक एक नई प्रणाली तनाव में आने पर बिजली उत्पन्न करने वाली सामग्री से बने विशेष सेंसरों के साथ इस अवधारणा को आगे बढ़ाती है। ये सेंसर उस तरह से अस्थि पर तनाव डाले जाने का पता लगाते हैं जैसे कोई व्यक्ति चारों ओर घूमता है, जिससे सीढ़ियों पर चढ़ने जैसे दैनिक कार्यों के दौरान तुरंत समायोजन किया जा सके। पिछले साल स्मिथसोनियन मैगज़ीन में प्रकाशित शोध के अनुसार, इन उन्नत प्रत्यारोपणों का उपयोग करने वाले रोगियों में पारंपरिक तरीकों की तुलना में लगभग तीन चौथाई कम दबाव घाव सॉकेट क्षेत्र में होते हैं, और उन्हें अपने अंग की स्थिति और गति के बारे में बहुत बेहतर प्रतिक्रिया मिलती है।

श्रेष्ठ स्थिरता और भार वितरण के लिए अस्थि-आधारित प्रत्यारोपण

हड्डी में लगने वाले प्रोस्थेटिक्स दबाव को मांसपेशियों के ऊतकों पर सभी तनाव डालने के बजाय हड्डियों में फैला देते हैं। 2024 के हालिया शोध में पाया गया कि इस तरह के इम्प्लांट लगभग 3.8 न्यूटन मीटर प्रति किलोग्राम तक के मरोड़ बल को संभाल सकते हैं, जब कोई अचानक दिशा बदलता है, जो मानक सॉकेट प्रकार के प्रोस्थेटिक्स द्वारा संभाले जाने वाले बल का लगभग दोगुना है। सीधे हड्डी से जुड़े होने का एक और बड़ा फायदा यह है कि इससे अधिकांश लोगों को होने वाली पिस्टनिंग प्रभाव की परेशानी खत्म हो जाती है। अध्ययनों से पता चलता है कि घुटने के ऊपर से पैर खो चुके लगभग दो-तिहाई लोग पारंपरिक प्रोस्थेटिक उपकरणों का उपयोग करते समय नियमित रूप से इस समस्या का अनुभव करते हैं।

बेहतर जैवयांत्रिक प्रदर्शन के लिए सीधा मांसपेशी और कंकाल समाकलन

नवीनतम आंगिक प्रौद्योगिकी अस्थि संलयन तकनीकों को नस-मांसपेशी कनेक्शन के साथ जोड़ती है, जो रोबोटिक भागों को सीधे टाँग की मांसपेशियों के शेष हिस्से से जोड़ता है। जब ये दोनों दृष्टिकोण एक साथ काम करते हैं, तो वे गति के दौरान जांघ की मांसपेशियों के बीच बेहतर समन्वय की अनुमति देते हैं। एमआईटी की जैवयांत्रिकी प्रयोगशाला में परीक्षण दिखाते हैं कि चलने के परीक्षण में यह व्यवस्था सामान्य घुटने के कार्य के करीब पहुँच जाती है, जो 2025 के चलने के परीक्षणों में प्राकृतिक गति पैटर्न का लगभग 89% तक पहुँचती है। वास्तविक दुनिया के परिणाम भी प्रभावशाली हैं। इन उन्नत प्रणालियों का उपयोग करने वाले लोग पारंपरिक सॉकेट-आधारित बायोनिक घुटनों वालों की तुलना में सीढ़ियाँ बहुत तेजी से चढ़ सकते हैं, जो हाल के नैदानिक अध्ययनों के अनुसार उनकी चढ़ाई की गति में लगभग 82% की वृद्धि दर्शाता है।

शल्य चिकित्सा नवाचार: बढ़ी हुई प्रतिक्रिया के लिए AMI प्रक्रिया और मांसपेशी युग्मन

AMI शल्य चिकित्सा: प्राकृतिक उत्तेजक-प्रतिरोधी मांसपेशी गतिशीलता को बहाल करना

मानक अंगच्छेदन प्रक्रियाएं गति उत्पन्न करने के लिए साथ काम करने वाले महत्वपूर्ण मांसपेशी समूहों को काट देती हैं। अब एक नई शल्य चिकित्सा तकनीक है, जिसे ऐगोनिस्ट-एंटागोनिस्ट मायोन्यूरल इंटरफ़ेस (AMI) कहा जाता है, जो वास्तव में शल्य चिकित्सा के बाद अंग के शेष भाग के अंदर इन मांसपेशी समूहों को फिर से जोड़ती है। इससे शरीर की प्राकृतिक संचार प्रणाली को बहाल करने में मदद मिलती है, जो सामान्य अंगच्छेदन के दौरान क्षतिग्रस्त हो जाती है। जब मांसपेशियाँ अपने सामान्य आगे-पीछे के संबंध को बनाए रखती हैं, तो प्रोस्थेटिक उपकरण तंत्रिका तंत्र से संकेतों को बहुत बेहतर ढंग से पढ़ सकते हैं। प्रयोगशाला के परीक्षणों में पिछले वर्ष नेचर मेडिसिन में प्रकाशित शोध के अनुसार इन संकेतों की व्याख्या करने में लगभग 92 प्रतिशत सफलता दर देखी गई। इस उपचार से गुजरने वाले मरीजों को पारंपरिक प्रोस्थेटिक सॉकेट का उपयोग करने वाले लोगों की तुलना में लगभग 37% कम अजीब हरकतें महसूस होती हैं। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि वे विशिष्ट मांसपेशियों को सिकोड़कर बस घुटने को मोड़ने और सीधा करने पर वास्तविक नियंत्रण प्राप्त कर लेते हैं, बजाय इसके कि खोई हुई क्रिया के लिए यांत्रिक रूप से प्रोस्थेटिक उपकरण पर निर्भर रहें।

संवेदी प्रतिक्रिया और सहज नियंत्रण को सक्षम करने वाली मांसपेशी पुनर्संयोजन तकनीक

AMI सर्जरी हमारे शरीर के प्राकृतिक रूप से चीजों को महसूस करने के तरीके के साथ काम करती है, जो मांसपेशी स्पिंडल और स्ट्रेच रिसेप्टर्स के बीच महत्वपूर्ण कड़ियों को सक्रिय रखती है। जब सर्जन टेंडन को फिर से जोड़ते हैं, तो वे ध्यानपूर्वक तनाव को समायोजित करते हैं ताकि शरीर मस्तिष्क को मजबूत संकेत वापस भेज सके। 2024 में MIT में किए गए परीक्षणों में पाया गया कि इस प्रक्रिया से गुजरने वाले लोग बाधा पथ पर कठिन इलाके में नेविगेट करते समय लगभग 0.83 सेकंड तेजी से प्रतिक्रिया करते थे। द्वि-तरफा संचार से रोगी को घुटने मोड़ते समय वास्तव में प्रतिरोध महसूस होता है, जिससे उनकी चलने की आदत सामान्य हो जाती है, ठीक वैसे जैसे कोई पूर्ण तंत्रिका तंत्र वाला व्यक्ति करता है। अधिकांश लोग जिन्हें AMI सर्जरी करानी पड़ती है, संकल्पना के तीन महीने बाद अपने प्रोस्थेटिक्स को काफी प्राकृतिक महसूस करते हैं। पारंपरिक तरीकों का उपयोग करने वालों की तुलना में वे सीढ़ियों पर ऊपर जाने और बैठी हुई स्थिति से खड़े होने के दौरान अधिक आत्मविश्वास महसूस करते हैं, जैसा कि कई लोगों ने बताया है।

पारंपरिक सॉकेट प्रोस्थेसिस के लाभ: आराम, स्थिरता और नियंत्रण

दीर्घकालिक उपयोग और गतिशीलता में सॉकेट-आधारित प्रोस्थेटिक्स की सीमाएं

सॉकेट आधारित प्रोस्थेटिक्स अभी भी दैनिक उपयोग और आराम की समस्याओं से जूझ रहे हैं। जिन लोगों ने इन्हें पहना है, उनमें से अधिकांश बताते हैं कि उनकी त्वचा पर सॉकेट के कठोर होने के कारण जलन या छाले पड़ जाते हैं, जो शरीर के संपर्क में रहता है। एक हालिया अध्ययन में पाया गया कि लगभग तीन-चौथाई दीर्घकालिक उपयोगकर्ता केवल दो वर्षों के भीतर ऐसी समस्याओं का अनुभव करते हैं। इन प्रोस्थेटिक्स के कार्य करने के तरीके से यह भी सीमित हो जाता है कि जोड़ कितनी प्राकृतिक तरह से चल सकते हैं, जिससे सीढ़ियों और ढलानों पर चलना अधिकांश अपांगों के लिए विशेष रूप से मुश्किल हो जाता है। लगभग 6 में से 10 रोगी दिनभर में अपने अवशिष्ट अंग के आकार में बदलाव का सामना करते हैं, जिससे चलते या घूमते समय स्थिर रहना और भी मुश्किल हो जाता है।

ऊतक-एकीकृत बायोनिक घुटने के जोड़ प्रणालियों के साथ उत्कृष्ट नियंत्रण और आराम

ऊतकों के साथ सीधे एकीकृत होने वाले बायोनिक घुटने के जोड़ पारंपरिक कृत्रिम अंगों में पाई जाने वाली कई समस्याओं को हड्डियों और मांसपेशियों दोनों को जोड़कर सुलझाते हैं। नया ऑसियोइंटीग्रेटेड तंत्र सॉकेट से आने वाले परेशान करने वाले दबाव बिंदुओं को खत्म कर देता है और वजन को पैर के सहारे बेहतर ढंग से वितरित करता है। परीक्षणों में पुराने मॉडलों की तुलना में बल के वितरण में लगभग 40 प्रतिशत से अधिक सुधार देखा गया। 2025 के हालिया शोध में पता चला कि इन उन्नत घुटनों का उपयोग करने वाले लोग प्राकृतिक गति के लगभग समान, अध्ययन के अनुसार लगभग 92% समान गति पैटर्न के साथ चल सकते हैं। और भी आश्चर्यजनक बात यह है कि उनकी मांसपेशियों के संकेत इम्प्लांट तक बहुत तेज़ी से पहुँचते हैं, जिससे प्रतिक्रिया का समय घटकर केवल 12 मिलीसेकंड रह जाता है। यह सामान्य सॉकेट जुड़ाव की तुलना में लगभग 40% तेज़ है। चूंकि सब कुछ इतने सुचारु तरीके से काम करता है, चलते समय किसी कमी की भरपाई के लिए अतिरिक्त गतियों की आवश्यकता भी काफी कम हो जाती है। इसका अर्थ है कि रोगियों को समय के साथ अपने शेष अंगों में जोड़ संबंधी समस्याएं होने की संभावना काफी कम हो जाती है, शायद इन जोखिमों को लगभग 40% तक कम कर दिया जा सकता है।

वास्तविक दुनिया की कार्यक्षमता: दैनिक गतिविधियों में सशक्त बायोनिक घुटने के जोड़ों का प्रदर्शन

अनुकूली बायोनिक घुटने नियंत्रण के साथ सीढ़ियों, ढलानों और बाधाओं पर चलना

आज के बायोनिक घुटने के जोड़ रोजमर्रा की स्थितियों से निपटने में काफी प्रभावशाली हैं। 2023 में नेचर मेडिसिन में प्रकाशित एक हालिया अध्ययन के अनुसार, पुराने सॉकेट प्रकार के आर्थ्रोप्लास्टिक्स की तुलना में इन नए ऊतक एकीकृत प्रणालियों का उपयोग करने वाले लोग सीढ़ियों पर ऊपर-नीचे जाते समय लगभग 73 प्रतिशत कम अजीब ढंग से समायोजन करते थे। इसका कारण? इन उन्नत घुटनों में रोबोटिक नियंत्रक होते हैं जो प्रत्येक सेकंड में लगभग 50 बार जोड़ पर प्रतिरोध को समायोजित करते हैं। इससे उन्हें किसी भी ध्यान देने योग्य देरी के बिना एक सतह से दूसरी सतह पर स्मूथ तरीके से स्विच करने में सहायता मिलती है। प्रत्येक घुटने के अंदर छोटे सेंसर होते हैं जिन्हें जाइरोस्कोप और एक्सेलेरोमीटर कहा जाता है, जो मूल रूप से उस सतह के कोण को पढ़ते हैं जिस पर कोई व्यक्ति चल रहा है। फिर वे चीजों को संतुलित रखने के लिए आवश्यक बल की मात्रा को समायोजित करते हैं, जो खासकर गीले फुटपाथ या बजरी वाले रास्तों जैसे जटिल इलाकों से निपटते समय फिसलने से बचने में वास्तव में मदद करता है।

चलने, दौड़ने और कार्यों में संक्रमण के दौरान गतिशील गतिविधि क्षमताएं

तीन प्रमुख नवाचारों के माध्यम से स्वाभाविक जैव-यांत्रिकी की नकल करने वाले संचालित बायोनिक घुटने:

• चर-अवमंदन एक्चुएटर जो एड़ी के प्रहार के दौरान 40% तक प्रभाव बल को कम करते हैं
• ऐल्गोरिदम पूर्वानुमान गति चरण संक्रमण की 98% सटीकता के साथ भविष्यवाणी करना
• टॉर्क विस्तार दौड़ते समय शरीर के वजन का 2.5 गुना तक समर्थन करना

2025 के एक साइंस प्रकाशन में उपयोगकर्ताओं द्वारा हड्डी-आधारित प्रणालियों के साथ 15° झुकाव वाली चढ़ाई 92% आत्मविश्वास के साथ पूरी करने की बात कही गई, जबकि पारंपरिक कृत्रिम अंगों के साथ यह आत्मविश्वास केवल 58% था। अनुकूली नियंत्रक चलने (0.6–1.8 मी/से) और दौड़ने (2.4–4.5 मी/से) के मोड के बीच मैन्युअल समायोजन के बिना स्वचालित रूप से स्विच करने में सक्षम होते हैं, जो जैविक घुटने की प्रतिक्रियाओं की नकल करते हैं।

ये उन्नति निचले अंगों के कृत्रिम अंगों की मूल चुनौतियों को संबोधित करती हैं, जो स्वाभाविक गतिशीलता प्रतिरूपों को बहाल करने के लिए तंत्रिका एकीकरण और यांत्रिक सटीकता को जोड़ती हैं।

सामान्य प्रश्न

उत्तेजक-प्रतिरोधी मायोन्यूरोनल इंटरफेस (AMI) क्या है?

AMI एक ऐसी प्रणाली है जो उन मांसपेशियों को जोड़ती है जो साथ में काम करती हैं, जिससे प्राकृतिक संकेत संचरण और कृत्रिम अंगों के बेहतर नियंत्रण की अनुमति मिलती है।

बायोनिक घुटनों में प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोड कैसे काम करते हैं?

प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोड शेष मांसपेशी ऊतक से न्यूरल संकेतों को पकड़ते हैं, जो जैविक शोर से उपयोगी संकेतों को अलग करके सटीक नियंत्रण प्रदान करते हैं।

ऑसिओइंटीग्रेटेड मैकेनोन्यूरल प्रोस्थेसिस (OMP) के क्या लाभ हैं?

OMP प्रोस्थेटिक घटकों को सीधे हड्डी से जोड़कर उत्कृष्ट स्थिरता और भार वितरण प्रदान करता है, जिससे सॉकेट से संबंधित समस्याएं खत्म हो जाती हैं।

बायोनिक घुटने की सर्जरी गतिशीलता में सुधार कैसे करती है?

AMI प्रक्रियाओं सहित बायोनिक घुटने की सर्जरी प्राकृतिक मांसपेशी गतिशीलता को बहाल करती है, जिससे प्रोस्थेटिक उपकरणों को बेहतर संवेदी प्रतिक्रिया और नियंत्रण प्राप्त होता है।

सॉकेट-आधारित प्रोस्थेसिस की तुलना में ऊतक-एकीकृत प्रोस्थेसिस के क्या लाभ हैं?

ऊतक-एकीकृत प्रणालियाँ दबाव बिंदुओं को खत्म करके और प्राकृतिक गति प्रतिरूपों को सक्षम करके सुधारित आराम, स्थिरता और नियंत्रण प्रदान करती हैं।