Ինչպե՞ս է աշխատում բիոնիկ ծնկի հոդը

Նեյրոնային սիգնալների մշակում. մկանային ակտիվացումից շարժման կառավարման մինչև

Agonist-antagonist myoneuronal interface (AMI) և բնական նեյրոնային սիգնալային համակարգ

Այսօր բիոնիկ ծնկները կարող են շարժվել շատ ավելի բնական կերպ, քանի որ նրանք պատճենում են, թե ինչպես է մեր մարմինը նյարդերի միջոցով հաղորդագրություններ ուղարկում: Կա մի բան, որը կոչվում է ագոնիստ-հակագոնիստ միոնեյրոնային ինտերֆեյս, կամ կրճատ՝ AMI, որը հիմնականում պահպանում է այդ կարևոր կապերը այն մկանների միջև, որոնք համատեղ աշխատում են: Այս սարքերն օգտագործող մարդիկ նշում են, որ զգում են արհեստական վերջույթների նկատմամբ շատ ավելի մեծ վերահսկողություն: Նախորդ տարվա որոշ հետազոտություններ ցույց են տվել, որ AMI համակարգերը իրականում 34 տոկոսով ավելի արագ են մշակում ուղեղի հրահանգները՝ համեմատելով հին մոդելների հետ, ըստ Frontiers in Neural Circuits ամսագրի: Այս տեխնոլոգիայի յուրահատկությունն այն է, որ այն աշխատում է մեր ողնուղեղի ռեֆլեքսների նման: Համակարգը թույլ է տալիս, որ մարդու մնացած մկանները փոխադարձ կապ ունենան կեղծ ծնկի հոդի հետ: Սա նշանակում է, որ արմատական վնասվածք ունեցողները կարող են ուղղակի զգալ, թե որտեղ է գտնվում իրենց ոտքը, և ավտոմատ կերպով փոխել քայլելիս ճնշման ուժը:

Տեղադրված էլեկտրոդներ բիոնիկ ծնկի կառավարման համար՝ ճշգրիտ նյարդային սիգնալներ ընդունելու համար

Էլեկտրոդային զանգվածները, խիտ տեղավորված մնացած մկանային հյուսվածքում, կարող են ընկալել այդ փոքրիկ միկրովոլտային սիգնալները՝ մոտավորապես կես միլիվորի ընթացքում: Համակարգը օգտագործում է խելամիտ ծրագրաշար, որը իրական շարժման տվյալները տարանջատում է բիոլոգիական ֆոնի աղմուկից, ինչը նշանակում է, որ մեծամասնությունը կարևոր տվյալներից հասնում է անվնաս: Ինչպես նշված է անցյալ տարի «Ֆրոնտիերս ին Նյուրոսայենս» հրատարակության վերջին ուսումնասիրություններում, այս ֆիլտրման գործընթացը բավականին լավ է աշխատում՝ պահպանելով սկզբնական սիգնալի որակի մոտ 98-99 տոկոսը: Երբ համեմատվում է սովորական մակերեսային EMG սարքավորումների հետ, այս ներմուծված սենսորները 60 տոկոսով ավելի լավ են աշխատում օգտակար սիգնալները խառնաշփոթից տարանջատելու հարցում: Սա նրանց դարձնում է իսկապես լավ այն նույնիսկ ակտիվ չեղած շարժական միավորները հայտնաբերելու հարցում՝ բարդ շարժումների ընթացքում, օրինակ՝ երբ մարդը նստած դիրքից անցնում է ուղղակի կանգնած դիրքի:

Ռոբոտային կառավարիչներ, որոնք մկանային սիգնալները վերածում են հեղուկ հոդի շարժման

Ամբողջական ներդրված պրոցեսորները կարող են իրականացնել ուղեղի հարթակների փոխակերպումը մկանային ուժի հրահանգների ընդամենը 27 միլիվայրկյանում, ինչը ավելի արագ է, քան մարդու հոդերի բնական ռեակցիայի ժամանակը՝ 50-ից 100 միլիվայրկյան: Այս հիբրիդային կառավարման համակարգերը խելացի կերպով աշխատում են՝ միավորելով շարժման ձևավորման հայտնաբերումը սովորական շարժումների համար և ճկուն ուսուցման ալգորիթմները՝ անծանոթ երթևեկելի պայմանների դեպքում, ինչը թույլ է տալիս մարդկանց անցնել տարբեր քայլելու արագությունների միջև՝ առանց նկատելի խանգարումների: Ըստ 2023 թվականին «Journal of Neuroengineering» ամսագրում հրապարակված վերջերս հետազոտությունների՝ այս առաջադեմ համակարգերն օգտագործող անձինք 47 տոկոսով ավելի արագ են սովորում նոր քայլելու ոճեր, քան ավանդական միոէլեկտրական տեխնոլոգիային հենված անձինք: Այս տեսակի արագ հարմարվողականությունը մեծ տարբերություն է անում իրական կյանքի կիրառություններում, որտեղ արձագանքման արագությունը ամենակարևորն է:

Սիգնալի փոխանցման ճանապարհ՝ նյարդամկանային մուտքից մինչև շարժիչ պատասխան

Բիոնիկական հոդի սիգնալային ճանապարհը հիշեցնում է կենսաբանական պրոպրիոցեպցիան

1. Լարվածության զգայուն իոնային անցուղիները մնացորդային մկաններում հայտնաբերում են մեխանիկական բեռի փոփոխություններ
2. Գործողության պոտենցիալները տարածվում են AMI-պահպանված նյարդային ուղիներով
3. Շարժական կառավարիչները ստեղծում են հոդերին բնորոշ տորքի պրոֆիլներ
   Այս փակ համակարգը ձեռք է բերում 92% համակարգվածության ճշգրտություն՝ կենսաբանական վերջույթների հետ ասիմետրիկ խնդիրների ժամանակ, ինչպիսին է սանդուղքների իջնելը, և գերազանցում է բաց օղակի պրոթեզներին 33%-ով (Clinical Biomechanics, 2023)

Ուղղակի հյուսվածքային ինտեգրում. Բիոնիկական ծնկի միացումը ոսկրի և մկանների հետ

Ժամանակակից բիոնիկական ծնկի հոդի համակարգերը հասնում են աննախադեպ կայունության՝ ուղղակի կենսաբանական ինտեգրման շնորհիվ: Փոխարեն ավանդական սոկետային պրոթեզների, որոնք հիմնված են արտաքին սեղմման վրա, հաջորդ սերնդի նախագծերը միաձուլում են սինթետիկ բաղադրիչները բնական հյուսվածքի հետ՝ ապահովելով անմիջական ուժի փոխանցում և նյարդային կապ

Օստեոինտեգրված մեխանոնեյրոնային պրոթեզ (OMP) և e-OPRA իմպլանտացիոն տեխնոլոգիա

Օստեոինտեգրված մեխանոնյութային պրոթեզները, կամ ՕՄՊ-ները, աշխատում են՝ տիտանե իմպլանտներ մնացած ոսկրի մեջ տեղադրելով, որոնք ժամանակի ընթացքում իրականում միանում են ոսկրին՝ այն այնպես կոչված օստեոինտեգրման միջոցով: e-OPRA անվանումով նոր համակարգը այս գաղափարը առաջ է տանում հատուկ սենսորների շնորհիվ, որոնք պատրաստված են նյութերից, որոնք էլեկտրականություն են առաջացնում լարված վիճակում: Այս սենսորները հայտնաբերում են, թե ինչպես է լարվում ոսկրը, երբ մարդը շարժվում է, ինչը հնարավորություն է տալիս անմիջապես կատարել ճշգրտումներ առօրյա խնդիրների ընթացքում, ինչպիսին սանդուղքներ բարձրանալն է: Ինչպես նշված է մեկ տարի առաջ Smithsonian Magazine-ում հրապարակված հետազոտության մեջ, այս առաջադեմ պրոթեզներն օգտագործող հիվանդների մոտ սոկետի տարածքում ճնշման սուրճերը երեք ու կես անգամ պակաս են, քան ավանդական մեթոդների դեպքում, և նրանք շատ ավելի լավ են զգում իրենց վերջույթի դիրքն ու շարժումը:

Ոսկրին ամրացված իմպլանտներ՝ գերազանց կայունության և բեռի բաշխման համար

Ոսկրային անկայուն պրոթեզները ճնշումը բաշխում են ոսկրերի վրա՝ փոխարենը դա հավաքելով ներդաշնակ հյուսվածքների վրա: 2024 թվականի վերջերս հրապարակված հետազոտությունները ցույց են տվել, որ այս տեսակի իմպլանտները կարող են դիմակայել մոտ 3,8 Նյուտոն մետր/կգ ոլորման ուժերի, երբ մարդը հանկարծ փոխում է ուղղությունը, ինչը մոտավորապես երկու անգամ ավելի է, քան ստանդարտ խոռոչային տիպի պրոթեզները: Մեկ այլ մեծ առավելություն առաջանում է ոսկրին անմիջական ամրացման շնորհիվ, որը վերացնում է այն անհարմար պիստոնային էֆեկտը, որը շատերը փորձում են: Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ մոտ երկու երրորդը նրանցից, ովքեր կորցրել են ոտքերը ծնկից վերև, հաճախ են այս խնդրին բախվում հասարակ պրոթեզներ օգտագործելիս:

Անմիջական մկանային և ոսկրային ինտեգրում՝ կենսամեխանիկական արդյունավետությունը բարձրացնելու համար

Ամենատարբերակված պրոթեզային տեխնոլոգիաները միավորում են ոսկրային ֆյուժնի մեթոդները և նյարդ-մկանային կապերը, որոնք ռոբոտային մասերը անմիջապես կապում են ոտքի մկանների մնացորդային հատվածներին: Երբ այս երկու մոտեցումները համատեղ են աշխատում, դրանք հնարավորություն են տալիս թոկի մկանների շարժման ընթացքում ավելի լավ համակարգվել: MIT-ի կենսամեխանիկայի լաբորատորիայի փորձարկումները ցույց են տվել, որ այս կառուցվածքը մոտենում է նորմալ ծնկի գործառույթին՝ 2025 թվականի քայլելու փորձարկումների ընթացքում հասնելով բնական շարժումների օրինակների մոտ 89%-ի: Իրական աշխարհում ստացված արդյունքներն էլ արդեն ցուցադրված են: Այս առաջադեմ համակարգերն օգտագործող մարդիկ ավելի արագ են բարձրանում սանդուղքներով, քան ավանդական սոկետային բիոնիկական ծնկեր օգտագործողները՝ վերջերս իրականացված կլինիկական ուսումնասիրությունների համաձայն՝ ցուցաբերելով մոտ 82% աճ բարձրանալու արագության մեջ:

Վիրահատական նորարարություն. AMI մեթոդը և մկանների զուգավորումը հետադարձ կապի բարելավման համար

AMI վիրահատություն. բնական ագոնիստ-անտագոնիստ մկանային դինամիկայի վերականգնում

Ստանդարտ ամպուտացիոն գործողությունները հատում են կարևոր մկանային խմբեր, որոնք համատեղ աշխատում են շարժում ստեղծելու համար: Այժմ գոյություն ունի նոր՝ ագոնիստ-անտագոնիստ միոնյուրալ ինտերֆեյս (AMI) կոչված վիրահատական մեթոդ, որն իրականում վերականգնում է այդ մկանային խմբերի փոխհարաբերությունները վիրահատությունից հետո վերջույթի մնացած մասում: Սա օգնում է վերականգնել մարմնի բնական կոմունիկացիոն համակարգը, որն վնասվում է սովորական ամպուտացիաների ժամանակ: Երբ մկանները պահպանում են իրենց սովորական երկու ուղղությամբ փոխհարաբերությունը, արհեստական սարքերը կարող են ավելի լավ կերպով կարդալ նյարդային համակարգից եկող իմպուլսները: Լաբորատոր փորձարկումները ցույց են տվել մոտ 92 տոկոսանոց հաջողության մակարդակ այդ իմպուլսները մեկնաբանելու մեջ՝ համաձայն նախորդ տարի Nature Medicine-ում հրապարակված հետազոտության: Այս բուժման մեթոդն ստացող հիվանդները 37% պակաս անհարմար շարժումներ են ապրում համեմատած ավանդական արհեստական վերջույթներ օգտագործող մարդկանց հետ: Ամենակարևորը, նրանք իրական վերահսկողություն են ձեռք բերում ծնկի հոդի ծալման և ուղղման վրա՝ պարզապես որոշակի մկաններ լարելով, աստիճանական փոխարինման փոխարեն, որը մեխանիկորեն փոխակերպում է կորցրած ֆունկցիան:

Ռեակտիվ հստակություն և ինտուիտիվ ղեկավարում ապահովող մկանային ռեակտիվացման տեխնիկաներ

AMI վիրահատությունը աշխատում է մեր մարմնի բնական զգայության հետ՝ պահպանելով մկանային սղոցների և ձգման ընկալիչների միջև կարևոր կապերը: Վիրաբույժները, երբ կրկին միացնում են ջլերը, հատուկ ուշադրությամբ կարգավորում են լարվածությունը, որպեսզի մարմինը ուղարկի ավելի ուժեղ սիգնալներ դեպի ուղեղ: 2024 թվականին MIT-ում կատարված փորձարկումներում պարզվեց, որ այս վիրահատությունն անցած մարդիկ միջինում 0.83 վայրկյանով ավելի արագ են արձագանքում խոչընդոտներով հարթակներում բարդ տեղանքներում շարժվելիս: Երկկողմանի կապը հնարավորություն է տալիս հիվանդներին իրականում զգալ դիմադրությունը, երբ ծնկները ծռում են, ինչը օգնում է նրանց ավելի բնական քայլել, ինչպես աներ մարդը՝ ունենալով ամբողջական նյարդային համակարգ: Այս AMI վիրահատությունն անցած մարդկանց մեծ մասը նշում է, որ իրենց արհեստական վերջույթները շուրջ երեք ամիս անց շատ բնական են զգացվում: Նրանք ավելի վստահ են լինում սանդուղքներով բարձրանալիս և նստած դիրքից կանգնելու դիրք անցնելիս, քան ավանդական մեթոդներ օգտագործողները, ինչպես շատերն էլ հաղորդում:

Տրադիցիոն սոկետային պրոթեզներից առավելագույնը՝ հարմարավետություն, կայունություն և կառավարում

Սոկետային պրոթեզների սահմանափակումները երկարաժամկետ օգտագործման և շարժունակության դեպքում

Սոկետային պրոթեզները դեռևս դժվարանում են ամենօրյա օգտագործման և հարմարավետության խնդիրների դեմ մղված պայքարում: Դրանք կրող մարդկանց մեծ մասը բողոքում է մաշկի քայքայումից կամ սոկետի մարմնին ամուր դիպչելու պատճառով առաջացած վերքերից: Վերջերս կատարված ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ երկարաժամկետ օգտագործողների մոտ երեք քառորդը երկու տարվա ընթացքում արդեն ունեն այդպիսի խնդիրներ: Այս պրոթեզների աշխատանքի սկզբունքը նաև սահմանափակում է հոդերի բնականոն շարժումը, ինչը շատ ամպուտացիա կրածների համար աստիճանական և թեք մակերեսներով շարժվելը դարձնում է հատկապես դժվար: Լիմբի չափսերի փոփոխության հետ կապված խնդիրներ ունի հիվանդների մոտ 6-ից 10-ը, ինչը քայլելիս կամ շարժվելիս կայունությունը պահպանելը դարձնում է ավելի դժվար:

Գերազանց կառավարում և հարմարավետություն հյուսվածք-ինտեգրված բիոնիկական ծնկի հոդերի համակարգերով

Բիոնիկական ծնկի հոդերը, որոնք անմիջապես ինտեգրվում են հյուսվածքի հետ, լուծում են շատ խնդիրներ, որոնք հանդիպում են ավանդական արհեստական վերջույթների դեպքում՝ միացնելով ինչպես ոսկրերը, այնպես էլ մկանները: Նոր օստեոինտեգրված համակարգը վերացնում է խցանման այդ անհարմար կետերը, մինչդեռ կշիռը ավելի լավ է բաշխվում ոտքի վրա: Փորձարկումները ցույց տվեցին, որ ուժերի բաշխման մեջ կա մոտ 40 տոկոսի չափով բարելավում՝ համեմատած հին մոդելների հետ: 2025 թվականին կատարված վերջերս հետազոտությունները ցույց տվեցին, որ այս առաջադեմ ծնկերն օգտագործող մարդիկ կարող էին քայլել շարժման այնպիսի օրինաչափությամբ, որը գրեթե նույնն էր, ինչ բնականը՝ հետազոտության համաձայն՝ մոտ 92% նմանություն: Ավելի հիանալի է այն փաստը, որ մկաններից ստացված սիգնալները ավելի շուտ էին հասնում իմպլանտին՝ կրճատելով ռեակցիայի ժամանակը մինչև 12 միլիվայրկյան: Սա մոտ 40%-ով ավելի արագ է, քան ինչը տեսնում ենք սովորական խցանների դեպքում: Քանի որ ամեն ինչ այդքան հարթ է աշխատում, քայլելիս փոխադրման շարժումների կարիքն էլ ավելի քիչ է լինում: Սա նշանակում է, որ հիվանդների մնացած վերջույթներում հոդային խնդիրներ առաջանալու հնարավորությունը զգալիորեն նվազում է, ինչ-որ կերպ նույնիսկ կրճատելով այդ ռիսկը մոտ 40%-ով:

Իրական աշխարհի գործառույթը՝ էլեկտրամատակարարվող բիոնիկական ծնկի հոդերի աշխատանքը առօրյա գործողությունների ընթացքում

Լուսամուտների, բարձրացողների և խոչընդոտների հետ աշխատանքը հարմարվող բիոնիկական ծնկի կառավարման միջոցով

Այսօրվա բիոնիկ ծնկի հոդերը շատ տպավորիչ են, քանի որ հիանալի են առաջացող իրավիճակներին հարմարվում: Ըստ 2023 թվականին Nature Medicine-ում հրապարակված վերջերս հետազոտության՝ այս նոր հյուսվածքների ինտեգրված համակարգերն օգտագործող մարդիկ շարժվելիս 73 տոկոսով պակաս էին կատարում անհարմար կարգավորումներ հին խոռոչային պրոթեզներ օգտագործողների համեմատ: Ինչո՞ւ: Այս առաջադեմ ծնկերն ունեն ռոբոտային կառավարիչներ, որոնք մեկ վայրկյանում 50 անգամ կարգավորում են հոդի դիմադրությունը: Սա նրանց թույլ է տալիս հարթ անցում կատարել մեկ մակերևույթից մյուսին՝ ցածր լատենտությամբ: Յուրաքանչյուր ծնկի ներսում տեղադրված են փոքրիկ սենսորներ՝ գիրոսկոպներ և արագացման սենսորներ, որոնք հիմնականում կարդում են այն մակերևույթի անկյունը, որի վրա մարդը քայլում է: Դրանից հետո նրանք կարգավորում են հավասարակշռությունը պահպանելու համար անհրաժեշտ ուժի քանակը, ինչը շատ կարևոր է սահող մակերևույթների կամ փոշոտ ճանապարհների նման դժվարին տեղանքներում սահուներից խուսափելու համար:

Շարժման դինամիկ հնարավորություններ քայլելիս, վազելիս և անցումներ կատարելիս

Էլեկտրաշարժիչներով աշխատող բիոնիկ ծնկները օժտված են բնական բիոմեխանիկայով՝ հիմնված երեք հիմնարար նորարարությունների վրա.

• Փոփոխական դամփինգի ակտուատորներ որոնք 40% կրճատում են հետևի կողմի հարվածի ժամանակ առաջացած ազդեցության ուժը
• Կանխատեսող ալգորիթմներ որոնք 98% ճշգրտությամբ կանխատեսում են քայլելու փուլերի փոփոխությունները
• Թոքի ամրապնդում աջակցում է մինչև 2,5 անգամ մարմնի քաշին հավասար ծանրությանը սպրինտի ընթացքում

2025 թ. Science հրատարակությունը նշել է, որ ոսկրին ամրացված համակարգերի օգտագործման դեպքում օգտագործողները 15° թեքությամբ բարձրացումներ են կատարել 92% վստահությամբ, իսկ համակարգային պրոթեզների դեպքում՝ 58%: Ռեժիմների ադապտիվ կառավարումը թույլ է տալիս ավտոմատ անցում քայլելու (0,6–1,8 մ/վ) և վազելու (2,4–4,5 մ/վ) ռեժիմների միջև՝ առանց ձեռքով կարգավորումների, ինչը նման է կենսաբանական ծնկի ռեֆլեքսներին:

Այս նվաճումները լուծում են ոտքի պրոթեզների հիմնական խնդիրները՝ միավորելով նյարդային ինտեգրումը և մեխանիկական ճշգրտությունը՝ վերականգնելով բնական շարժունակության ձևանմուշները:

Հաճախ տրամադրվող հարցեր

Ո՞րն է ագոնիստ-հակագոնիստ միոնեյրոնային ինտերֆեյսը (AMI):

AMI-ն մի համակարգ է, որը միացնում է միմյանց հետ աշխատող մկանները՝ թույլատվելով բնական սիգնալների փոխանցում և արհեստական վերջույթների լավ կառավարում:

Ինչպե՞ս են աշխատում իմպլանտավորված էլեկտրոդները բիոնիկական ծնկի մոտ

Իմպլանտավորված էլեկտրոդները գրառում են նյարդային սիգնալները մնացած մկանային հյուսվածքներից՝ ճշգրիտ կառավարում ապահովելով՝ օգտակար սիգնալները կենսաբանական աղմուկից տարբերելով:

Ի՞նչ առավելություններ է տալիս Ոսկրին ինտեգրված Մեխանոնյարդային Պրոթեզը (OMP)

OMP-ն ապահովում է գերազանց կայունություն և բեռի բաշխում՝ պրոթեզային մասերը ուղղակիորեն միացնելով ոսկրին և վերացնելով սոկետին բնորոշ խնդիրները:

Ինչպե՞ս է բիոնիկական ծնկի վիրահատությունը բարելավում շարժունակությունը

Բիոնիկական ծնկի վիրահատությունը, ներառյալ AMI միջամտությունները, վերականգնում է մկանների բնական դինամիկան՝ ապահովելով լավ զգայունական հետադարձ կապ և պրոթեզային սարքերի կառավարում:

Ինչո՞ւ են հյուսվածքին ինտեգրված պրոթեզները ավելի լավ սոկետայիններից

Հյուսվածքին ինտեգրված համակարգերը առաջարկում են բարելավված հարմարավետություն, կայունություն և կառավարում՝ վերացնելով ճնշման կետերը և թույլատվելով բնական շարժումների ձևավորում: