Бионик өвдөгний шилжүүлэг хэрхэн ажилладаг вэ?

Мэдрэлийн сигнал боловсруулах: Булчингийн идэвхжлээс хөдөлгөөний удирдлагад

Агонт-Антагонист Мёонейрональ Интерфэйс (AMI) ба естөй мэдрэлийн дохиолол

Одоогийн бионик өлөн нь мэдрэлийн дагуу бие махбодьдоо дохио дамжуулах аргыг хуулж авснаар илүү естөй хөдөлдөг. Энэ бол Агонист-Антагонист Мёонейрональ Интерфэйс, эсвэл товчоор AMI гэх зүйл юм. Энэ нь хамтран ажилладаг булчингуудын хоорондын чухал холбоог амьд байлгадаг. Ийм төхөөрөмж ашигладаг хүмүүс өөрт зориулсан хиймэл хэсгээ илүү их удирдаж байна гэж итгэдэг. Өнгөрсөн жилийн зарим судалгаа Frontiers in Neural Circuits сэтгүүлд дурдсанчлан AMI систем нь хуучин загваруудтай харьцуулахад тархины дохиог ойролцоогоор 34 хувиар хурдан боловсруулдаг байна. Энэ технологийг онцлог болгодог зүйл бол тэр нь бидний нурууны рефлексийн ажиллагаатай төстэй ажилладаг. Систем нь хүний үлдсэн булчингууд хиймэл өлөн холбоостойгоо харилцан ярилцах боломжийг олгодог. Энэ нь гэмтсэн хүмүүс хөлний байрлалыг танин мэдрэх, алхаж байх үедээ шахах хүчээ автоматаар тохируулах боломжийг олгодог.

Бионик өлөн удирдах зориулалттай нарийн мэдрэлийн дохиог барьж авах зориулалттай суулгасан электрод

Үлдсэн булчингийн эдэд нягтран багцалсан электродын массивууд тэдгээр жижиг микровольтын дохихуудыг ойролцоогоор хагас миллисекундын интервалтайгаар хүлээн авдаг. Систем нь бодит хөдөлгөөний мэдээллийг арын өнгөрөгч биологийн шуугианаас ялгах ухаалаг програм хангамжийг ашигладаг тул ихэнх чухал зүйл хэвээр нь дамждаг. Өнгөрсөн жилд Frontiers in Neuroscience сэтгүүлд нийтлэгдсэн саяхны судалгааны мэдээллээр, энэ шүүлтүүрийн процесс сайн ажилладаг бөгөөд анхны дохионы чанарын ойролцоогоор 98 эсвэл 99 хувийг хадгалдаг. Энгийн гадаргуугийн EMG тоног төхөөрөмжтэй харьцуулахад эдгээр суулгасан мэдрэгчид хэрэглээтэй дохиог саатуулалтаас ялгахад ойролцоогоор 60 хувиар илүү сайн ажилладаг. Энэ нь хүн суугаад зогсох зэрэг нарийн нянгийн хөдөлгөөнүүдийн үед ч байхгүй булчингийн нэгжийг ч таних чадвартай болгодог.

Булчингийн дохиог шингэн үеийн хөдөлгөөнд хувиргадаг роботын удирдлагын систем

Сүүлийн үеийн суулгасан процессорууд мэдрэлийн дохиог зөвхөн 27 миллисекундын дотор булчингийн хүч чадал болгон хувиргаж чаддаг бөгөөд энэ нь ердийн 50-100 мс-ийн хооронд үргэлжлэх хүний ​​ястай холбооны байгалийн рефлексийн хугацааг давамгайлдаг. Эдгээр гибрид удирдлагын системүүд энгийн хөдөлгөөний хэв маягийг таних замаар энгийн хөдөлгөөнд, танигдахгүй байгаа газрын нөхцөлд уян хатан суралцдаг алгоритмуудыг ашиглан ухаалгаар ажилладаг тул хэрэглэгчид ямар ч хязгаарлалтгүй олон хурдтай алхахад шилжих боломжийг олгодог. 2023 онд Нейроинженерийн сэтгүүлд хэвлэгдсэн саяхны судалгааны байдал ёсоор ийм дэвшилтэт системийг ашигладаг хүмүүс хуучин миоэлектрик технологид тулгуурласнаас 47 хувиар хурдан шинэ алхах арга барилд сурдаг. Ийм хурдан зохицох чадвар нь хариу үйлдэл хамгийн их ач холбогдолтой байдаг бодит ертөнцийн хэрэглээнд маш том ялгааг гаргадаг.

Сигнал дамжуулах зам: сэрээ булчингийн оролтноос хөдөлгүүрийн хариу үйлдэл хүртэл

Бионик үе чөмөгний сигнал дамжуулах зам нь бие махбодийн байршлын мэдрэмжийг тусгадаг:

1. Үлдэгдэл булчингийн рашааны даавууртай ионы зам нь механик ачааллын өөрчлөлтийг илрүүлдэг
2. Үйлдлийн потенциал AMI-хадгалагдсан мэдрэлийн замаар дамждаг
3. Адаптив хяналтын систем нь үе тус бүрт тохирсон эргэх моментийн профайлыг үүсгэдэг
   Энэ хаалттой систем нь шатны доошоо спираль хөдөлгөөн зэрэг тэгш бус даалганы үед биологийн гишүүдтэй харьцуулахад 92% нарийвчлалд хүрч, нээлттэй протезийг 33%-иар даван туушаасан (Clinical Biomechanics, 2023).

Шууд эдийн интеграц: Бионик өвдөгийг яс, булчинтэй холбох

Орчин үеийн бионик өвдөгний системүүд шууд биологийн нэгдэлээр дамжуулан урьд нь байгаагүй түвшний тогтвортой байдлыг олж авдаг. Гадна талын шахалтанд тулгуурладаг устлан бэхлэх протезийг өөрөөр солихдоо дараагийн үеийн загварууд нь хиймэл хэсгүүдийг натурал эдтэй нэгтгэж, хүч чадлыг зөөх, мэдрэлийн холбоо хийх боломжийг бүрэн хангана.

Оссеоинтеграцчилсан Механонейрон протез (OMP) ба e-OPRA суурилуулах технологи

Ясанд бүрэх остеоинтеграцид суурилсан механонейрон протез, эсвэл OMP нь ясны үлдэгдэл хэсэгт титаны имплант суулгаж, хугацаа өнгөрөх тутам ястайгаа биологийн замаар холбогдох зарчим дээр суурилдаг. e-OPRA гэж нэрлэгдэх шинэ систем нь хүчдэл үүсгэдэг материал ашигласан тусгай мэдрэгчдийг ашиглан энэ ойлголтыг илүү өргөтгөдөг. Эдгээр мэдрэгчид хүн хөдөлгөөн хийх үед ясанд учирч буй ачааллыг тодорхойлж, шат ахиах зэрэг өдөр тутмын үйлдлүүдийн үеэр мөчдийг мэдээллийн үндсэн дээр немж засварлах боломжийг олгодог. Өнгөрсөн жил Smithsonian Magazine-д нийтлэгдсэн судалгаагаар харахад, эдгээр дэвшилтэт протезийг ашигладаг өвчтөнүүд нь хэвтээний хэсэгт даралтаас үүсэх цоорхой үүсэх магадлалыг хуучин арга хэмжээнд харьцуулахад дөрөвний гурваар бууруулдаг байна. Мөн тэд мөчдийн байршил, хөдөлгөөний талаар илүү нарийвчлалтай мэдээлэл авдаг.

Ясанд бэхлэгдсэн имплант: Илүү их тогтвортой байдал, ачааллыг илүү сайн тараах

Ясанд суурилсан протез нь зөөлөн эдэд бүх ачааллыг тавихын оронд ясны дагуу даралтыг тараана. 2024 оны саяхны судалгаа нь ийм төрлийн суулгуур нь хэн нэгэн чигээ гэнэт өөрчлөх үед килограмм бүрт ойролцоогоор 3.8 Ньютон метр хүртэлх эргүүлэх хүчийг даах боломжтой байдгийг тогтоожээ. Энэ нь ердийн цоргоны төрлийн протезоор авч чаддаг хэмжээний ойролцоогоор хоёр дахин их юм. Шууд ясанд бэхлэгдсэнээс үүдэх өөр нэг том давуу тал нь хүмүүсийн ихэнхдээ тулгардаг зовиуртай поршень эффектээс салган авдагт оршино. Газар хөлгүй болсон хүмүүсийн ойролцоогоор гуравны хоёр нь тогтмол протез ашиглах үед энэ асуудалд тогтмол хандах болдог гэж судалгаа зааж байна.

Биомеханик ажиллагааг сайжруулахын тулд шууд булчин ба ясны интеграци

Хамгийн сүүлийн үеийн протезийн технологи нь ясны нэгдэлтийн арга техникийг мэдрэлийн-булчингийн холболтуудтайгаар нэгтгэж, роботын хэсгүүдийг шууд хөлний үлдсэн булчинд холбодог. Эдгээр хоёр арга зам зэрэг ажиллавал хөдөлгөөний үед өвдөгний булчингуудын хоорондын координацийг сайжруулдаг. MIT-ийн биомеханикийн лабораторид хийсэн туршилтуудад энэ систем нь хэвийн өвдөгний үйл ажиллагаатай ойролцоо бөгөөд 2025 оны алхах туршилтын үед натурал хөдөлгөөний загварын ойролцоогоор 89%-ийг хангасан байна. Бодит ертөнцийн үр дүнгүүд ч гайхалтай байна. Сүүлийн үеийн эдгээр дэвшилтэт системийг ашигладаг хүмүүс нь харинвааны суурьтай уламжлалт биональ өвдөгтэй харьцуулахад шаталж гарах хурдаараа илүү байх бөгөөд саяхны эмнэлзүйн судалгаагаар тэдний шатаар гарах хурд ойролцоогоор 82%-иар сайжирсан байна.

Мэс заслын инноваци: AMI аргачлал ба хариу холбоо сайжруулахын тулд булчингийн хослол

AMI мэс засал: ердийн агонист-антагонист булчингийн динамикийг сэргээх

Хэвийн ампутацийн үед хөдөлгөөнийг бий болгодог чухал булчингуудыг таслан огтлодог. Одоо Агонист-Антагонист Мёнональ Интерфэйс (AMI) гэх шинэ мэс заслын арга байгаа бөгөөд энэ нь мэс заслын дараа үлдсэн хэсэгт хамтран ажилладаг булчингуудыг дахин холбож өгдөг. Энэ нь хэвийн ампутацийн үед гэмтдэг биеийн дотоод харилцааны системийг сэргээхэд тусалдаг. Булчингүүд харьцангуй хөдөлгөөнтэй байршилдаа хадгалж чадвал протезын багаж төв мэдрэлийн системээс илүү сайн дохио унших боломжтой болдог. Өнгөрсөн жилийн Nature Medicine сэтгүүлд нийтлэгдсэн судалгаагаар лабораторийн туршлагууд нь эдгээр дохиог ойлгох 92 орчим хувийн амжилттай байсан гэж заасан. Энэхүү эмчилгээ хийлгэсэн өвчтөнүүд нь уламжлалт протезны цорго ашигладаг хүмүүстэй харьцуулахад ойролцоогоор 37% бага тооны тохироогүй хөдөлгөөнүүдийг переживанийн тусламжийн үед илэрхийлэлтэй байдаг. Хамгийн чухал нь, тэд механик байдлаар алдагдсан үйлдлийг нөхөхийн оронд протезын төхөөрөмжид тулгуурлахгүйгээр тодорхой булчинг агшилгаж, өвдөгнөө нугалах, шулуун болгохын төлөө бодитой хяналт тавих боломжтой болдог.

Мэдрэхүйн хариу урвал болон интуитив удирдлагаийг боломж болгодог булчингийн дахин холболтын аргачлал

AMI хагалгаа нь булчны шүргэвч болон сунгалтын хүлээн авагчийн хоорондох чухал холбоосыг идэвхтэй байлгах замаар бидний бие махбодь юмыг ердийн байдлаар яаж мэдрэхийг ашигладаг. Эмч нар сэртэнг дахин холбох үед тэд эдгээр холбоосыг идэвхжүүлэхийн тулд таталтыг анхааралтайгаар тохируулдаг. 2024 онд MIT-д хийсэн судалгаанд AMI хагалгаа хийлгэсэн хүмүүс саад тотгорын замаар явах үедээ дунджаар 0.83 секундын хурдан урвал үзүүлсэн байна. Хоёр чиглэлтэй харилцаа холбоо нь өвдөгний үеэ нугалах үед эсэргүүцлийг мэдрэх боломжийг олгох бөгөөд энэ нь тэдэнд бүрэн мэдрэлийн системтэй хүн шиг илүү естөй алхахад тусалдаг. Хагалгааны дараа гурван сарын дотор ихэнх хүмүүс протез нь маш естөй мэт санагддаг гэж хэлдэг. Илүү их хандлагаар шатаар дээш гарах, сууснаас зогсох байдал руу шилжих үедээ өмнөх аргуудыг ашигладаг хүмүүсээс илүү итгэл найдвар ихтэй байдаг байна.

Традицийн шүдний протезийн давуу тал: Амар зөөлөн, тогтвортой байдал ба удирдлага

Урт хугацаанд ашиглах, хөдөлгөөнт чадварын хувьд шүдтэй протезийн дутагдал

Шүдтэй протез нь одоог хүртэл өдөр тутмын амьдрал ба амар зөөлөн байдлын асуудалд тулгардаг. Ихэнх хэрэглэгчид биеийнхээ хэсэгт шүдний хатуу хэсэг шахаж, арьс цэврүүтэж, цоорол үүсэх зэрэг асуудалд ордог гэж илэрхийлдэг. Саяхны судалгаагаар урт хугацааны хэрэглэгчдийн ойролцоогоор гурван хувь нь зөвхөн хоёр жилийн дотор ийм төрлийн асуудалд тулгардаг байна. Эдгээр протезийн ажиллах зарчим нь үе мөчний естөй хөдөлгөөнийг хязгаарладаг тул ихэнх гэмтэлтэй хүмүүст шат, налуу газарт явих нь тусгай хэцүү байдаг. Хэрэглэгчдийн талаас нь 6-н нэг нь өдрийн турш үлдэгдэл мэдээллийн хэмжээ өөрчлөгдөх асуудалд орж, алхах эсвэл шилжих үедээ тогтвортой байх нь илүү хэцүү болдог.

Эд эсийн интеграцлагдсан бионик өвдөгний системийн давуу тал: илүү нарийвчлалтай удирдлага ба амар зөөлөн байдал

Шинээр хөгжүүлсэн бионик өвдөгний шилжүүлэн суулгах систем нь яс, булчинг холбож, арьсны доорх даралт багасгаж, хөл рүү жин тэгш тархахад туслана. Энэхүү оссеоинтеграцлагдсан систем нь хуучин загваруудтай харьцулахад хүчийг тархуулах чадварыг ойролцоогоор 40%-иар сайжруулсан гэж туршилтууд харуулсан. 2025 оны саяхны судалгаа нь ийм дэвшилтэт өвдөг ашигласан хүмүүсийн хөлөө хөдөлгөх хэв маяг нь бие махбодийнхтой бараг ижил байгааг, судалгаагаар хэлэхэд ойролцоогоор 92% төстэй байгааг илрүүлжээ. Илүү гайхамшигтай зүйл бол тэдний булчингийн дохио шилжүүлэн суулгасан багаж руу маш хурдан хүрч очиж, хариу үйлдлийн хугацааг зөвхөн 12 миллисекунд болтол багасгасан юм. Энэ нь энгийн арьсан доорх холболтоос ойролцоогоор 40%-иар хурдан юм. Бүх зүйл хамтдаа ийнхүү зөв ажилладаг тул алхах үед нөхөх хөдөлгөөний шаардлага багасдаг. Үүний дүнд үлдсэн мембертэй холбоотой үеийн эрүүл мэндийн асуудал үүсэх магадлал ихэд багасч, мэдээж тийм эрсдэлийг ойролцоогоор 40%-иар бууруулах боломжтой.

Бодитоор Ажиллах Чадвар: Цахилгаан Хөдөлгүүрт Бионик Тавхайнуудын Өдөр Тутмын Үйл Ажиллагаанд Үзүүлэх Үр Дүн

Зохицох Бионик Тавхайн Хяналтаар Шат, Гээр, Саад Устгах

Өнөөгийн бионик өвдөгний шилжүүрүүд нь өдөр тутмын нөхцөл байдлыг хэрхэн зохицуулахад маш сайн ажилладаг. 2023 онд Nature Medicine сэтгүүлд нийтэлсэн саяхны судалгаагаар хуучин цоргоны төрлийн протез ашигладаг хүмүүстэй харьцуулахад эдгээр шинэ эдийн системийг ашигладаг хүмүүс шатан дээр дээш доош явах үед ойролцоогоор 73 хувийн бага тохируулга хийдэг байна. Шалтгаан нь юу вэ гэвэл эдгээр дэвшилтэт өвдөгний шилжүүрүүд нь холбоосын эсэргүүцлийг секунд тутамд ойролцоогоор 50 удаа засварладаг робот техникийн удирдлагатай байдаг. Энэ нь тэдгээрийг ямар ч мэдэгдэхүйц хоцрогдолгүйгээр нэг гадаргуугаас нөгөөд гладаг шилжих боломжийг олгодог. Хаждан бүрт жижиг гироскоп, хурдны хэмжигчийн датчик байдаг бөгөөд эдгээр нь хүн ямар гадаргуу дээр алхаж байгааг илүү нарийвчлан тодорхойлдог. Дараа нь тэнцвэрийг хадгалахад шаардагдах хүчийг тохируулдаг бөгөөд нарзан зам эсвэл чулуут зам зэрэг найралдашгүй газарт явж байх үед гулсахаас сэргийлэхэд ихэвчлэн тусалдаг.

Алхах, гүйх, хөдөлгөөн шилжих үеийн динамик хөдөлгөөний чадавх

Хүчээр ажилладаг бионик өлөн нь гурван гол шинэчлэлтээр байгалийн биеийн механикийг хуулбарлана:

• Хувьсах шахалтын актюатор тахилтын үед дарагдлын хүчийг 40%-иар бууруулдаг
• Урьдчилан таамаглаж буй алгоритм алхах үе шатын шилжилтийг 98% нарийвчлалтайгаар урьдчилан таамаглана
• Моментын нэмэгдүүлэлт гишгэх үед биеийн жингээс 2.5 дахин ихийг дэмждэг

2025 оны Science сэтгүүлд ясанд бэхэлсэн систем ашигласан хэрэглэгчид 15° налуугаар явж 92% итгэл найдвартай байсныг, харин агуулах протез ашигласан тохиолдолд зөвхөн 58% байсныг онцолсон. Зохицуулагчид алхах (0.6–1.8 м/с) ба гишгэх (2.4–4.5 м/с) горимуудын хооронд гарын авлага шаардамгүйгээр автоматаар шилжих боломжийг олгох бөгөөд биологийн өлөнгийн рефлексийг дуурайлгана.

Эдгээр ахиц нь доод мөчний протезийн үндсэн дутагдалтой талуудад шийдэл олгох бөгөөд сүлжээний интеграци болон механик нарийвчлалыг нийлүүлж, байгалийн хөдөлгөөний загварыг сэргээдэг.

Түгээмэл асуулт

Агонист-Антагонист Мёонейрон интерфэйс (AMI) гэж юу вэ?

AMI нь хамтран ажилладаг булчингуудыг холбосон систем юм. Энэ нь хиймэл хөл гарыг илүү сайн удирдах боломжийг олгох зорилгоор, ердийн дохио дамжуулалтыг боломжжуулдаг.

Бионик өвдөгт суурилуулсан электрод яаж ажилладаг вэ?

Суурилуулсан электрод нь үлдсэн булчингийн эдээс мэдрэлийн дохиог барих бөгөөд биологийн шуугианаас хэрэгцээтэй дохиог ялгаж, нарийвчлалтай удирдлагыг хангана.

Ясанд суурилсан механо-мэдрэлийн протез (OMP) ямар давуу талуудыг санал болгодог вэ?

OMP нь протезийн хэсгүүдийг шууд ястай холбох замаар илүү сайн тогтвортой байдлыг болон ачааллыг тэгш хуваарилах боломжийг олгоно. Ингэснээр цавины асуудлыг бүрэн арилгадаг.

Бионик өвдөгний мэс засал хөдөлгөөний чадварыг хэрхэн сайжруулдаг вэ?

AMI мэс засал хийх включая бионик өвдөгний мэс засал нь булчингийн ердийн динамикийг сэргээж, протезийн төхөөрөмжийг илүү сайн мэдрэх, удирдах боломжийг олгоно.

Цавинтай протезийн системтэй харьцуулахад эд эсийн интеграцлагдсан протезийн давуу талууд юу вэ?

Эд эсийн интеграцлагдсан систем нь дарах цэгүүдийг арилгаж, ердийн хөдөлгөөний загварыг боломжжуулах замаар тааламж, тогтвортой байдал, удирдлагыг сайжруулдаг.