Kaip veikia bioninis kelių sąnarys?

Neuralinio signalo apdorojimas: nuo raumenų aktyvacijos iki judesio valdymo

Agonisto-antagonisto mioneurinė sąsaja (AMI) ir natūralus nervinis signalizavimas

Šiandien dirbtinės kelnės gali judėti žymiai natūraliau, nes kopijuoja, kaip mūsų kūnas siunčia signalus per nervus. Yra toks dalykas, vadinamas agonisto-antagonisto mioneuronaline sąsaja, arba trumpai AMI, kuris iš esmės palaiko svarbius ryšius tarp raumenų, dirbančių kartu. Žmonės, naudojantys šiuos įrenginius, praneša, kad jaučiasi žymiai labiau kontroliuojantys savo protezus. Kai kurie praėjusiais metais atlikti tyrimai parodė, kad AMI sistemos apdoroja smegenų signalus apie 34 procentais greičiau nei senesni modeliai, teigia žurnale „Frontiers in Neural Circuits“. Tai, kas daro šią technologiją ypatingą, yra tai, kad ji veikia panašiai kaip mūsų nugaros smegenys. Sistema leidžia asmeniui likusiems raumenims bendrauti su dirbtine kelio sąnario dalimi į priekį ir atgal. Tai reiškia, kad amputuoti asmenys gali jausti, kur yra jų koja, net nesusimąstydami apie tai, ir automatiškai keisti, kiek jėgos deda vaikščiodami.

Įmontuoti elektrodai tiksliai užfiksuoti neuroniniams signalams valdant bionines kelnes

Elektrodų masyvai, tankiai supakuoti į likusią raumenų audinį, gali užfiksuoti tuos mažyčius mikrovoltų signalus ir tai daro apie pusės milisekundės intervalais. Sistema naudoja išmanią programinę įrangą, kad atskirtų tikrus judesio duomenis nuo visų fono biologinių triukšmų, kas reiškia, kad dauguma svarbių dalykų praeina nepažeisti. Pagal paskutinius praėjusiais metais paskelbtus tyrimus žurnale „Frontiers in Neuroscience“, šis filtravimo procesas veikia gana gerai, išlaikant apie 98 arba 99 procentus pradinės signalo kokybės. Palyginus su tradicine paviršine EMG įranga, šios implantuotos jutikliai išsiskiria apie 60 procentų geresniais rezultatais, kai reikia atskirti naudingus signalus nuo trikdžių. Dėl to jie puikiai tinka aptikti net neaktyvias motorines vienates sudėtingų judesių metu, pvz., kai žmogus juda iš sėdimo į stovinčią padėtį.

Robotų valdikliai, kurie raumenų signalus verčia sklandžiais sąnarių judesiais

Naujausi įmontuoti procesoriai gali pavirsti smegenų signalus raumenims būdingomis jėgos instrukcijomis vos per 27 milisekundes, kas yra greičiau nei žmogaus sąnarių natūralus reakcijos laikas, kuris paprastai trunka nuo 50 iki 100 ms. Šios hibridinės valdymo sistemos veikia protingai, derindamos judesių šablonų aptikimą įprastiems judesiams su lankstiais mokymosi algoritmais, susiduriant su nepažįstamomis dangos sąlygomis, leidžiančiomis žmonėms perjungti tarp skirtingų vaikščiojimo greičių be pastebimų pertrūkių. Pagal 2023 m. žurnale „Journal of Neuroengineering“ paskelbtus naujausius tyrimus, asmenys, naudojantys šias pažangias sistemas, išmoksta naujų vaikščiojimo stilių apie 47 procentais greičiau nei tie, kurie remiasi senesne mioelektrine technologija. Toks greitas prisitaikymas lemia esminį skirtumą realaus pasaulio taikymuose, kuriuose labiausiai svarbus greitas atsakas.

Signalų perdavimo takas: nuo neuromuskulinio įvesties iki variklinio atsako

Bioninio sąnario signalų takas atspindi biologinę propriocepciją:

1. Laidos jautrūs jonų kanalai liekaninėse raumenyse aptinka mechaninės apkrovos pokyčius
2. Veikos potencialai keliauja per AMI išsaugotus nervinius takus
3. Adaptyvūs valdikliai sukuria sąnariui specifinius sukimo momento profilius
   Ši uždarojo ciklo sistema pasiekia 92 % koordinavimo tikslumą bendradarbiaujant su biologinėmis galūnėmis asimetriniuose uždaviniuose, tokiuose kaip lipimas laiptais žemyn, pranokstant atvirosios kilpos protezes 33 % (Clinical Biomechanics, 2023).

Tiesioginis audinių integravimas: dirbtinės kelio sąnario sistemos sujungimas su kaulu ir raumeniu

Šiuolaikinės dirbtinių kelio sąnarių sistemos pasiekia beprecedentį stabilumą dėka tiesioginio biologinio integravimo. Skirtingai nuo tradicinių lizdinių protezų, kurios remiasi išorine kompresija, naujos kartos konstrukcijos sujungia sintetinius komponentus su natūraliu audiniu, užtikrindamos vientisą jėgos perdavimą ir neuroninę komunikaciją.

Kaulą integruota mechanoneurinė protezė (OMP) ir e-OPRA implantacinė technologija

Osteointegruoti mechanoneuraliniai protezai arba OMP veikia taip: į likusią šlaunikaulio dalį įleidžiami titano implantai, kurie laikui bėgant faktiškai susijungia su kaulu dėl to, kas žinoma kaip osteointegracija. Naujesnė sistema, vadinama e-OPRA, šią koncepciją išplečia naudodama specialius jutiklius, pagamintus iš medžiagų, kurios esant apkrovai generuoja elektros energiją. Šie jutikliai fiksuoja, kaip kaulas įsitempia, kai žmogus juda, leisdami akimirksniu atlikti koregavimus kasdienėse užduotyse, pvz., lipant laiptais. Pagal praėjusiais metais paskelbtus tyrimus „Smithsonian Magazine“, pacientai, naudojantys šiuos pažangius protezus, patiria maždaug tris kartus mažiau spaudimo opų lizdo srityje lyginant su tradiciniais metodais, be to, gauna kur kas geresnį atsiliepimą apie savo galūnės padėtį ir judesį.

Kaulą tvirtinantys implantai geresnei stabilumui ir apkrovos pasiskirstymui

Kauluose tvirtinami protezai slėgį paskirsto visame kaulo paviršiuje, o ne perkelia visą apkrovą į minkštąsias audinius. Naujausi 2024 metų tyrimai parodė, kad tokie implantai gali išlaikyti sukimo jėgas, pasiekiančias apie 3,8 Niutono metrų vienam kilogramui, kai žmogus staiga keičia kryptį – tai maždaug dvigubai daugiau nei standartiniai lizdinių tipų protezai. Kitas svarbus pranašumas yra tiesioginis tvirtinimas prie kaulo, kuris pašalina erzinantį „pistono“ efektą, su kuriuo susiduria dauguma naudotojų. Tyrimai rodo, kad apie dvi trečiosios žmonių, netekusių kojos virš kelių, reguliariai patiria šią problemą naudodami tradicinius protezinius įrenginius.

Tiesioginė raumenų ir kaulų sistemos integracija pagerintam biomechaniniam našumui

Naujausia protezavimo technologija sujungia kaulų augimo technikas su nervų-raumenų ryšiais, kurie tiesiogiai jungia robotinius komponentus prie likusių kojos raumenų. Kai šie du požiūriai veikia kartu, jie leidžia geriau koordinuoti šlaunies raumenis judant. Tyrimai MIT biomechanikos laboratorijoje parodė, kad tokia konfigūracija artėja prie normalios kelio funkcijos, pasiekiant apie 89 % natūralių judesių modelių vaikstant, 2025 metų bandymuose. Rezultatai realioje aplinkoje taip pat įspūdingi. Žmonės, naudojantys šias pažangias sistemas, gali lipti laiptais žymiai greičiau nei tie, kurie naudoja tradicinius lizdinius bioninius kelius, rodydami apytiksliai 82 % didesnį lipimo greitį, pagal naujausius klinikinius tyrimus.

Chirurginė inovacija: AMI procedūra ir raumenų poravimas pagerintam atsiliepimui

AMI operacija: natūralių agonistų-antagonistų raumenų dinamikos atkūrimas

Standartinės amputacijos procedūros perkerta svarbias raumenų grupes, kurios kartu dirba judesiui kurti. Šiuo metu egzistuoja nauja chirurginė technika, vadinama Agonisto-Antagonisto Mišerinė Interfisas (AMI), kuri faktiškai atkuria šių raumenų porų ryšį likusioje galūnės dalyje po operacijos. Tai padeda atkurti kūno natūralią komunikacinę sistemą, kuri pažeidžiama atliekant įprastas amputacijas. Kai raumenys išlaiko savo normalų priešpriešinį santykį, protezai gali gerokai efektyviau skaityti nervų sistemos siunčiamus signalus. Laboratoriniai tyrimai parodė apie 92 procentų sėkmės lygį šių signalų interpretavime, kaip buvo paskelbta žurnale „Nature Medicine“ pernai. Pacientai, kurie gauna šią procedūrą, patiria apie 37 % mažiau nevykusių judesių, palyginti su naudojančiais tradicinius protezų lizdus. Svarbiausia, jie įgyja tikrą kontrolę virš kelio sulenkimo ir ištiesimo tiesiog susitraukdami tam tikrus raumenis, o ne remdamiesi mechanine protezo kompensacija prarastos funkcijos atžvilgiu.

Raumenų atkūrimo technikos, leidžiančios grąžinti jutiminį atsaką ir intuityvų valdymą

AMI operacija veikia taip, kaip mūsų kūnai natūraliai jaučia aplinką, išlaikant svarbius ryšius tarp raumenų verpstų ir tempimo receptorius aktyviais. Kai chirurgai vėl prisega saitus, jie atidžiai sureguliuoja įtampą, kad kūnas galėtų stipresnius signalus siųsti atgal į smegenis. 2024 metais MIT atlikti tyrimai parodė, kad žmonės, kuriems buvo atlikta ši procedūra, kliūčių trasose sudėtinguose reljefuose reagavo apie 0,83 sekundės greičiau. Dvimetis ryšys leidžia pacientams iš tikrųjų jausti pasipriešinimą lenkiant kelius, kas padeda vaikščioti labiau normaliai, tiesiog kaip asmenims su sveiku nervų sistema. Dauguma žmonių, kuriems atlikta AMI operacija, teigia, kad jų protezai po apie tris mėnesius po operacijos jaučiasi gana natūraliai. Jie dažniausiai būna žymiai pasitikintys lipdami laiptais ar judėdami iš sėdimo į stovinčią padėtį, palyginti su tradiciniais metodais naudojančiais asmenimis, kaip daugelis nurodo.

Pranašumai prieš tradicinius lizdinius protetinius įtaisus: komfortas, stabilumas ir kontrolė

Lizdinių protetinių įtaisų apribojimai ilgalaikiam naudojime ir mobilumui

Lizdiniai protetiniai įrenginiai vis dar kelia sunkumų kasdieniam naudojimui ir komfortui. Dauguma jų nešiojančių žmonių praneša apie odos dirginimą ar opas, atsirandančias dėl kieto lizdo, kuris liečia jų kūną. Nesenkas tyrimas parodė, kad apie tris ketvirtadalius ilgalaikių vartotojų patiria tokių problemų vos per dvejus metus. Šių protetinių įrenginių veikimo būdas taip pat riboja sąnarių natūralų judesį, dėl ko daugeliui amputuotųjų ypač sunku vaikščioti laiptais ar nuožulnumis. Apie šeši iš dešimties pacientų susiduria su likusios galūnės dydžio pokyčiais per dieną, dėl ko dar labiau sumažėja stabilumas vaikščiojant ar judant.

Geresnė kontrolė ir komfortas su audinius integruotais biologiniais krumpliaratiniais kelio sąnariais

Biologiniai krumpliarčiai, kurie tiesiogiai integruojami su audiniais, išsprendžia daugelį tradicinių protetikos problemų, sujungdami tiek kaulus, tiek raumenis. Naujoji osteointegruota sistema pašalina erzinančius slėgio taškus, atsirandančius dėl lizdų, ir geriau paskirsto svorį per koją. Tyrimai parodė apie 40 procentų pagerėjimą jėgų paskirstyme lyginant su senesniais modeliais. Naujausi 2025 metų tyrimai parodė, kad žmonės, naudojantys šiuos pažangius krumpliarčius, gali vaikščioti beveik tokiais pat judėjimo modeliais kaip natūraliai – tyrimas nustatė apie 92 procentų panašumą. Dar įspūdingiau tai, kad signalai iš jų raumenų pasiekia implantą žymiai greičiau, sumažindami reakcijos laiką iki tik 12 milisekundžių. Tai apie 40 procentų greičiau nei naudojant įprastus lizdų prijungimus. Kadangi viskas veikia taip sklandžiai, vaikščiojant reikia žymiai mažiau kompensacinių judesių. Tai reiškia, kad pacientams ilgainiui žymiai sumažėja rizika susirgti sąnarių problemomis likusiose galūnėse, galbūt net sumažinant šią riziką beveik 40 procentų.

Realios Pasaulio Funkcionalumas: Varomųjų Bioninių Kelių Sąnarių Našumas Kasdienėse Veiklose

Lipimas Į Laiptus, Kalnus ir Kliūtys su Prisitaikančiu Bioninių Kelių Valdymu

Šiandienos bioninės kelių sąnarių sistemos yra gana įspūdingos, susiduriant su kasdienėmis situacijomis. Pagal neseniai, 2023 m., žurnale „Nature Medicine“ paskelbtą tyrimą, žmonės, naudojantys šias naujas audinius integruojančias sistemas, lipdami ir lipti nuo laiptų darė apie 73 procentais mažiau nevykusių kūno judesių lyginant su senesnio tipo lizdinių protetinių prietaisų naudotojais. Kodėl? Šiuose pažangiuose kelių sąnariuose yra robotiniai valdikliai, kurie kiekvieną sekundę apie 50 kartų reguliuoja varžą sąnaryje. Tai leidžia jiems sklandžiai perjungti tarp skirtingų paviršių be jokio pastebimo vėlavimo. Kiekviename kelyje yra mažyčiai jutikliai – giroskopai ir akcelerometrai, kurie iš esmės nuskaito kampą to paviršiaus, kuriuo žmogus vaikšto. Tada jie sureguliuoja reikiamą jėgą, kad išlaikytų pusiausvyrą, kas labai padeda išvengti slydimų, ypač svarbu susiduriant su šlapiu asfaltu ar sudėtingu reljefu, tokiu kaip žvyro takeliai.

Dinaminės judėjimo galimybės vaikštant, bėgant ir atliekant perėjimo užduotis

Varomosios bioninės keliai atkurią natūralią biomechaniką naudodami tris pagrindinius naujovės sprendimus:

• Kintamojo slopinimo aktuatoriai kurie sumažina smūgio jėgas per 40 %, kai pėda paliečia žemę
• Prognozuojantys algoritmai numatydamas judesio fazių perėjimus su 98 % tikslumu
• Stiprinti sukimo momentą palaikant iki 2,5 karto didesnį nei kūno svoris sprinto metu

2025 m. leidinyje „Science“ pateikti duomenys parodė, kad naudotojai, naudojantys kaulą įtvirtintas sistemas, su 92 % tikrumu įveikė 15° nuolydį, palyginti su 58 %, naudojant tradicines protetines galūnes. Pritaikomi valdikliai leidžia automatiškai perjungtis tarp vaikščiojimo (0,6–1,8 m/s) ir bėgimo (2,4–4,5 m/s) režimų be jokių rankinių reguliavimų, imituojant biologinius kelio refleksus.

Šios pažangos sprendžia pagrindines apatinių galūnių protezų problemas, derindamos nervų sistemą su mechanine tikslumu, kad būtų atkurta natūrali judėjimo dinamika.

DUK

Kas yra agonisto-antagonisto mieneuronalinis sąsaja (AMI)?

AMI – tai sistema, kuri sujungia raumenis, dirbančius kartu, leidžiant natūraliai perduoti signalus ir geriau valdyti dirbtines galūnes.

Kaip veikia implantuoti elektrodai bioniniuose keliuose?

Implantuoti elektrodai užfiksuoja neuroninius signalus iš likusios raumenų audinio dalies, tiksliai valdydami naudingus signalus, atskirdami juos nuo biologinio triukšmo.

Kokias privalumus suteikia osteointegruota mechanoneurinė protезė (OMP)?

OMP užtikrina geresnę stabilumą ir apkrovos pasiskirstymą, tvirtindama protezines dalis tiesiai prie kaulo, pašalindama lizdo susijusias problemas.

Kaip bioninės kelio chirurgija pagerina judumą?

Bioninė kelio chirurgija, įskaitant AMI procedūras, atkuria natūralią raumenų dinamiką, leidžiant geresnį jutiminį atgarsį ir protezinių prietaisų valdymą.

Kokie yra audiniu integruotų protezų privalumai lyginant su lizdu pagrįstomis sistemomis?

Audiniu integruotos sistemos siūlo geresnį komfortą, stabilumą ir valdymą, pašalindamos slėgio taškus ir leisdamos natūralius judesių modelius.