Kaip mioelektriniai rankų protetiniai įrenginiai keičia gyvenimus

Kaip veikia mioelektrinės rankos: EMG signalai ir raumenų valdymas

Mioelektrinių signalų (EMG) mokslas protezų valdymui

Šiuolaikiniai mioelektriniai protezai veikia nustatydami mažyčius elektrinius signalus, kuriuos mūsų raumenys generuoja susitraukdami. Šie signalai registruojami paviršiniais elektrodais, pritvirtintais prie likusios amputuotos galūnės dalies. Elektrodai gali užfiksuoti labai silpnus impulsus, besiskiriančius nuo apie 0,1 iki 5 milivoltų, kurie ateina iš tiek lankstiklių, tiek ištiesiklių raumenų. Tada seka magiška dalis – šie signalai apdorojami naudojant gana pažangias mašininio mokymosi technologijas, kurios juos paverčia tikrais rankos judesiais, kurių norime atlikti. Pernai žurnale „Nature“ paskelbti naujausi tyrimai taip pat parodė kažką įspūdingo: pasiekta beveik 95 % tikslumo lygis prognozuojant skirtingų tipų gniaužtus, remiantis tik šiais raumenų signalais. Ir tai nėra tik teorija. Pradedame matyti, kad šios technologijos jau pradedamos diegti naujesniuose protezų modeliuose, leidžiančiuose žmonėms valdyti kiekvieną pirštą atskirai, dėl ko kasdieniai uždaviniai tampa daug lengvesni naudotojams.

Kaip raumenų susitraukimai inicijuoja judesį mioelektrinėse protezėse

Žmonės inicijuoja judesį atlikdami specifinius raumenų susitraukimus. Pavyzdžiui, bicepso susitraukimas apie 20 % gali sukelti rankos užsidarymą, o tricepso aktyvumas apie 15 % – atidaryti ją. Sudėtingesnės sistemos iš tikrųjų gali aptikti daugiau nei 14 skirtingų raumenų signalų, kas leidžia vartotojams atlikti sudėtingas užduotis, pvz., pasukti riešą arba pakeisti sugriebimo jėgą. Pagal kai kurias neuroinžinerijos ir rehabilitacijos srityje publikuotas studijas, šiandienos apdorojimo technologija reaguoja maždaug per 50 milisekundžių. Tai beveik tris kartus greičiau nei buvo galima 2019 m., kas rodo didelę pažangą šioje srityje.

Mioelektrinių galūnių palyginimas su tradicinėmis protezėmis

Miotriniai variantai sumažina vartotojo nuovargį 28,6 % lyginant su lynelinių valdymo modeliais (Ponemon, 2023), tačiau reikalauja kas savaitę įkrauti.

Nuolatiniai patobulinimai miotrinėse protezėse padidina patikimumą

Nauji drėgmei atsparūs elektrodai išlaiko 98 % signalo tikslumą net intensyviai fizinės veiklos metu – tai esminis patobulinimas palyginti su senesnių modelių 72 % gedimų rodikliu drėgnose sąlygose. Modulinė konstrukcija dabar leidžia vartotojams keisti pirštus ar jutiklius be visos sistemos perkalinavimo, kas kasmet sutaupo 740 JAV dolerių techninio aptarnavimo išlaidų (NIH, 2024).

Dirbtinis intelektas ir mašininis mokymasis: protingesnis, adaptaciją užtikrinantis miotrinių rankų valdymas

Šiuolaikinės miotrinės rankos dabar sujungia Dirbtinio intelekto valdomas šablonų atpažinimas su paviršutiniais elektromiografijos (sEMG) signalais, siekiant 40 % greitesnio reagavimo laiko lyginant su pirmos kartos modeliais (Journal of Neural Engineering 2023). Šis derinys leidžia protezams prisitaikyti prie atskirų vartotojų raumenų aktyvacijos modelių, o ne remtis iš anksto programuotais gestais.

Kaip pažangūs protezai ir dirbtinis intelektas leidžia protingesnius rankos judesius

Mašininio mokymosi algoritmai dekoduoja subtilius EMG signalų pokyčius, leidžiantys tiksliai perjungti gniaužtus tarp delikatų užduočių (laikyti kiaušinį) ir jėgos užduočių (kelti maisto prekes). Stanfordo neuroprotezų laboratorijos tyrėjai neseniai parodė sistemas, kurios nuolatinio EMG stebėjimo pagalba su 96 % tikslumu klasifikuoja 12 skirtingų rankos judesių.

Prisitaikančios mokymosi algoritmai, kurie laikui bėgant tobulėja

Šie protezai naudoja neuronines tinklus, kurie kasdien naudojantis tobulina judesių prognozes. 2023 m. klinikiniai tyrimai parodė, kad vartotojai pasiekė 72 % pagerėjimą dėl sklandumo per šešis mėnesius, kai algoritmai išmoko jų unikalius raumenų nuovargio modelius bei aplinkos kintamuosius, tokius kaip temperatūra ir drėgmė.

Mašininio mokymosi vaidmuo prognozuojant vartotojo ketinimus

Pažangios sistemos dabar numato veiksmus naudodamos kontekstui jautrią apdorojimo technologiją – automatiškai perjungia į stiprų gniaužtį, aptikus žemyn nukreiptą rankos judesį link vandens butelio, tada atsipalaiduoja aptikus vertikalų kėlimą. Ši gebėjimas prognozuoti sumažina kognityvinę apkrovą, interpretuodama judesių sekas, o ne atskirus įsakymus.

Atvejo tyrimas: dirbtinių protų valdomų mioelektrinių rankų našumas realiomis sąlygomis

12 mėnesių lauko tyrimas stebėjo 45 vartotojus, atliekančius standartizuotus miklumo testus. Dalyviai, naudojantys adaptacinius dirbtinio proto modelius, atliko sudėtingas užduotis (mygtukų užsegimą, naudojimąsi dėžutėmis) 2,3 karto greičiau palyginti su tradiciniais mioelektriniais rankomis, o 89 % pranešė apie sumažėjusį raumenų nuovargį atliekant veiklas, pvz., ilgai naudojantis.

Lietimo pojūčio atkūrimas: taktilinis atsiliepimas ir neuroninė integracija

Kaip taktilinis atsakas atkuria lytėjimo jausmą

Šiuolaikiniai mioelektriniai protezai vis dažniau naudoja taktilinio atsako mechanizmus. Šie mechanizmai padeda suteikti lytėjimo jausmą per tokius elementus kaip:

• Jėgos moduliacija (čiaupiamo slėgio aptikimas)
• Proprioceptiniai signalai (galūnių padėties suvokimas be vaizdinio įvesties)
• Šiluminis suvokimas (temperatūros skirtumų jautimas)
• Tekstūros atsakas (paviršių tekstūrų aptikimas)

Klinikinio tyrimo, paskelbto Neuroinžinerijos žurnale pabrėžiama, kad taktilinis atsakas gali svarbiai prisidėti prie amputuotųjų funkcinio gebėjimo ir gyvenimo kokybės gerinimo, padarydamas objektų sąveiką intuityvesnę.

Neuralinės integracijos technikos, imituojančios natūralius pojūčius

Naujos neuroninės sąsajos technologijos leidžia protezams imituoti natūralius pojūčius naudojant implantuotus elektrodus. Šie gali iššifruoti silpnus nervų signalus, perduodant slėgio ir tekstūros pojūčius. Tyrimai rodo, kad pacientai dažnai atpažįsta ir skiria objektus su dideliu tikslumu po to, kai perkala savo smegenis interpretuoti stipresnius jutiminius duomenis.

Emocinio ryšio revoliucija su pažangiais protezais

Asmenys, naudojantys šiuolaikinius mioelektrinius protezus, pažymi reikšmingą pagerėjimą gebėjime bendrauti socialinėse situacijose ir atkurti įgūdžius kasdienėms užduotims atlikti. Atsiliepimai pabrėžia ryškų skirtumą socialinio pasitikėjimo srityje: naudotojai aktyviau dalyvauja socialinėse sąveikose, jaučiasi mažiau nepilnavertiški ir nurodo pagerėjusią gyvenimo kokybę. Vienas iš tėvų pastebėjo, kad jo vaikui daugiau nebereikia slėpti savo protezinės rankos, kas ženkliai padidino jos pasitikėjimą savimi.

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Kas yra mioelektriniai protezai?

Mioelektriniai protezai – tai pažangūs dirbtiniai galūnių protezai, kurie naudoja elektrinius signalus iš vartotojo likusių raumenų, kad valdytų judesius ir palengvintų jų atlikimą.

Kaip veikia mioelektriniai protezai?

Šie protezai naudoja mažyčius elektrinius signalus iš dalinai susitraukusių raumenų, kuriuos aptinka paviršiniai elektrodai. Signalai apdorojami mašininio mokymosi algoritmais, kad būtų sukurti pageidaujami rankos judesiai.

Kaip dirbtinis intelektas tobulina mioelektrinius protezus?

Dirbtinis intelektas patobulina mioelektrinius rankų protезus, leidžiant greitesnius reakcijos laikus, adaptuojamą raumenų aktyvacijos modelių atpažinimą ir gebėjimą mokytis iš naudotojo unikalių raumenų aktyvacijos modelių, todėl judesiai tampa protingesni ir intuityvesni.

Kas yra taktilinis atsakas mioelektrinėse rankose?

Taktilinis atsakas mioelektrinėse rankose suteikia naudotojams lytėjimo jausmą per tokius mechanizmus kaip jėgos moduliavimas, proprioceptiniai signalai, šilumos detekcija ir vibracinis taktilinis atsakas, imituojant natūralius pojūčius.

Kaip mioelektriniai protezai skiriasi nuo tradicinių protezų?

Mioelektriniai protezai valdomi raumenų signalais, o tradiciniai kūnu varomi protezai naudoja lynų ir pavarų mechanizmus. Šiuolaikiniai mioelektriniai protezai siūlo daugiau gniaužimo tipų, automatinį jėgos reguliavimą ir paprastai reikalauja mažiau kasdienio paruošimo laiko nei tradiciniai modeliai.