עיצוב צומת נייר לשיקום חיישנים ב Amputees

ההתקדמות בטכנולוגיית ממשק עצבי מעצבת מחדש את הנוף של אסתטיקה, מעבר לשליטה מוטורית פשוטה לקראת שיקום חושי אמיתי. על ידי חיבור גפיים מלאכותיות ישירות למערכת העצבים, החוקרים שואפים לשחזר תחושות טבעיות - עק, לחץ, טמפרטורה, אפילו proprioception - לאנשים שאיבדו איבר. מאמר זה חוקר את העקרונות, הסוגים, השיקולים העיצוביים, וכיוונים עתידיים של ממשקים עצביים עבור משוב חושיים.

יותר מ-2 מיליון אנשים בארצות הברית לבדם חיים עם אובדן גפיים, ורבים מסתמכים על אסתטיקה קונבנציונלית המציעה משוב סנסציוני מוגבל או ללא תחושה, משתמשים צריכים להסתמך על רמזים חזותיים כדי לשלוט על האסתטיקה שלהם, המוביל לעומס קוגניטיבי גבוה, תנועות קלומנטליות, וסיכון גבוה יותר של הטלת אובייקטים או להזיק למכשיר. Reאחסון מחדש של מגע יכול לשפר באופן דרמטי את הסטיות, הבטיחות, ואת הקשר הרגשי של המשתמש לגופנימי.

התפקיד הקריטי של משככי חושיים ב Proאסתטיקה

משוב חושי אינו מותרות - הוא מרכיב בסיסי של שליטה מוטורית טבעית.כאשר אנו אוספים חפץ עדין כמו ביצה או כוס מים, המוח שלנו מתאמת כל הזמן כוח אחיזה המבוסס על רמזים tactile.ללא משוב זה, אפילו משימות פשוטות להיות קשה. מחקרים הראו כי מזהמים עם אסתטיקה חושית ניתן לבצע משימות במהירות של 30–50%, עם פחות שגיאות בהשוואה לאלה עם גפיים מסורתיות.

אחסון שני מודולים חושיים עיקריים הוא מפתח:0exteroceptionFLT:1 (מגע, לחץ, רטט, טמפרטורה) ו-FLT:2proprioceptionFLT 3: 3 (מודעות של מיקום ותנועה) בעוד מגע הוא לעתים קרובות המוקד, משוב proprioceptive - לדעת היכן מלאכותי הוא שטח ללא חיפוש - הוא חשוב באותה מידה עבור סוגי מידע מתקדמים על ידי מחזור.

קטגוריות של Neural Interfaces

ממשקים עצביים לשיקום חושי נופלים לקטגוריות רחבות, כל אחת עם יתרונות ייחודיים וחילופי מסחר.הבחירה תלויה ברמת הכריתה, מצב העצבים השוכנים, והנאמנות הרצויה של תחושה.

המונחים: spaceve Interfaces

ממשקים אלה מתחברים ישירות אל העצבים הפריפריה שנותרו בגום השונה.על ידי גירוי סיבי העצב, הם יכולים לעורר תחושות שמרגישות כאילו הם מקורם מן היד או הרגל החסרה.

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Transverse Intrafascicular Multichannels (TIMEs): Flat, Flodle-like מערךים ש חודרים את העצב בצורה הפוכה, המציעים מספר נקודות מגע עבור תחושות מגוונות.
  • (ב) ויקרא: ויקרא י"א): "וְעֹאֱמַר לְךָ מְהָעָשָׂה אִם עַלְתָּעָה" (בראשית כ"ד)
  • (FLT:0) Regenerative Sieve אלקטרודות:FreaLT:1) ממוקם בסוף העצב החמור; כמו עצב regenerates דרך חורים קטנים, אלקטרודות יכול ממשק עם אקסונים חדשים.

ממשקי עצב היקפיים הם פחות פולשניים ממרכזיים ויכולים לייצר תחושות מקומיות מאוד.עם זאת, הם כפופים ל ניוון עצבי לאורך זמן ועשויים לדרוש התאמות ניתוחיות תקופתיות.

דוגמה בולטת לכך היא ה- 0 (Utah Slanted Electrode ArrayFelotrated 1:0), אשר חודר את העצב מהצד, ומאפשר גירוי רב-אישיות גבוהה. A 2020 שפורסם ב-FLT:2 הנדסה ביו-רפואית Biomedical EngineeringFLT:3 הראה כי מערך זה יכול לשחזר תחושה מגע מותנית בקרב בני אדם במשך יותר מ מאתיים שנה.

מערכת העצבים המרכזית

כאשר עצבים היקפיים פגומים או חסרים, החוקרים מכוונים למוח או חוט השדרה ישירות. ⁇ מיקרואלקטרוניקה Intracortical microelectrode מושתלים ב ⁇ somatosensory יכול לעורר תחושות מגע ו proprioceptive. אלה ממשקים לעקוף את מערכת העצבים היקפית לחלוטין ויכול לספק משוב עשיר, טבעי.

לדוגמה, הקונסטל:0 (BrainGateFancy:1 , קונסורציום הראה כי גירוי קליפת המוח של אנשים משותקים יכול לליש תחושות של מגע ביד. A 2021 נייר ב FLT:2ScienceFLT 3: 3 דיווחו כי המשתתפים יכולים להרגיש לחץ ומרקם באמצעות מיקרו-דמיון תוך ורידי, עם זאת, ארוך טווח ארוך טווח של יציבות נותרת של רקמות משמעותי.

גירוי חוט השדרה הוא גישה מרכזית נוספת, מיקוד עמודות הדורסאליות - הנתיב החושי העיקרי. כי חוט השדרה מקבל קלט מאזורי גפיים מרובים, שיטה זו יכולה לשחזר תחושה של לימוזינה עם פחות אלקטרודות. ניסויים מוקדמים שיקפו תחושה proprioceptive לאחר פגיעה חוט השדרה, ועקרונות דומים נבדקים עבור אפוטנטים.

« פולשים משטחים

אלקטרודות משטח (SEMG) יכולות לאסוף אותות מיואלקטריים משרירים שאריות, אבל כאשר נעשה שימוש הפוך - כמו ממריצים - הם יכולים גם לעורר תחושות tactile באמצעות גירוי עצבי טרנזיס (TENS) אלקטרודות אלה הן לא פולשניות, זולות, ויכולים להיות מיושם ללא ניתוח, מה שהופך אותם אידיאליים עבור שיקום ראשוני או עבור משתמשים שאינם יכולים לעבור השתלה.

ההגבלה היא החלטה מרחבית ירודה ואיכות תחושה לא עקבית.אלקטרודות משטח לא יכול לכוון סיבים עצביים בודדים, כך התחושה הנלהבת היא לעתים קרובות דיפוזה או tingling.עדיין, מאגרי אלקטרודה גבוהים מודרניים בשילוב עם למידת מכונה הם שיפור זיהוי דפוס ונאמנות משוב. A 2022 סקירה ב FLT:0Frontiers in NeuroscienceFLT:1 ציין כי ניתן למזער תפקוד מגומים.

עקרונות עיצוב עבור צומת ניאל

תכנון ממשק עצבי מוצלח דורש איזון תאימות ביולוגית עם דיוק הנדסי.העקרונות הבאים מנחים את הפיתוח הנוכחי:

זמינות ובטיחות לטווח ארוך

כל חומר מושתל בגוף חייב לא לעורר תגובה דלקתית כרונית. Gold, פלטינה, ו-iridium תחמוצת הם חומרים אלקטרודה נפוצים כי הם אינפורט ויכולים לספק מטען בבטחה. עם זאת, את המכשיר, את חוטי להוביל, ואת שכבות encapsulation צריך גם להתנגד קורוזיה ולהימנע מפגיעה בחומרים רעילים.

תגובת גוף זר נותרה המכשול הגדול ביותר: צלקות גליות יכולות לבודד אלקטרודות, להגביר את החסימה ולהפחתת איכות האותות במשך חודשים.חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים בוחנים ציפויים (למשל, dexamethasone) ועיצובים "מיקרו-מיש" גמישים שנעים עם הרקמה, מחקים את התכונות המכאניות של רקמות העצביות כדי להפחית את הצלקות.

אות גבוה פידלנות ובחירתיות

כדי לעורר תחושה טבעית, הממשק חייב להפעיל סיבי עצב ספציפיים באופן קבוע, חוזר על עצמו.זה דורש אימפולס נמוך, יחס אות גבוה ל-noise, וערוצי גירוי עצמאיים רבים. ממשקים מודרניים לעתים קרובות תכונה 32, 64, או אפילו 256 ערוצים, כל אחד יכול לספק דופקים דו-phasic הנוכחי עם דיוק מיקרו-שני.

חיישנים הם אתגר נפרד: זה לא מספיק כדי לעורר את העצב; דפוס הדופק חייב לחקות דפוסי ירי טבעיים.לדוגמה, כדי לדמות את התחושה של נגיעה קלה על פני השטח, מאמת במהירות ממכונאים יירה פרץ של דחפים, בעוד קולטן להסתגל לאט לאט לאט יאש ללא הרף.

מיניטורל ו ארגונומיה

מערכת ממשק עצבית כוללת את השתל, מחבר טורף (או מערכת שידור אלחוטית), ואלקטרוניקה לעיבוד חיצוני.השתל חייב להיות קטן מספיק כדי להתאים ליד הגפיים השונית מבלי לגרום לאי נוחות, בעוד המרכיבים החיצוניים צריכים להיות עישולים ולא מובנים.ההתקדמות האחרונה ב-FLT:0application-specific-Integrated Circles (ASICs)FLT:1 אפשרו לחוקרים לכווץ את גודל האלקטרוניקה.

חשמל אלחוטי והנתונים שידור קריטיים עבור קבלה לטווח ארוך של מטופלים.קישורים אינדוקטיביים הפועלים ב-13.56 M יכול לשדר את הנתונים כוח ו דו-הרץ על פני העור, תוך חיסול הצורך בצריפים חד-צדדיים המוכנים לזיהום.מחקר 2023 בFLT:0 תחזיות על הנדסה ביו-רפואית 1LT:1) הראה תחליף אלחוטי המופעל עבור ממשק בעל חיים גדול ללא מודל כוח.

ניהול כוח יעיל

אלקטרוניקה לא משתנה חייב לפעול על מילימטר של כוח כדי למנוע חימום רקמות. בעוד קוצר פסיבי מתנועת הגוף או ביופוטנטיל הוא אזור מחקר פעיל, רוב הממשקים הנוכחיים משתמשים סוללות נטענות עם טעינה אלחוטית.המערכת חייבת גם להיות מסוגלת לספק הדופקי גירוי של עד כמה מ"ממפרסים במחזורים נמוכים - ציפויים מהירים שיכולים לאחסן ללא דליפת יתר על פני זמן.

גישה אחת מתפתחת היא (FLT:0) העברת כוח ultrasonic Power transferveFLT:1), אשר יכול לחדור עמוק יותר מאשר אינדוקציה מגנטית. על ידי המרת גלי אולטרסאונד לאנרגיה חשמלית באמצעות מקלט אדזואלקטרי, השתל יכול להיות קטן יותר ומוצב עמוק יותר.

יישומים קליניים ומחקרים

המעבר ממעבדה לקליניקה הוא מאיץ, עם כמה מחקרים פיילוט המדגימים תועלת פונקציונלית.ה-FLT:0 (Modular Prosthetic Limb (MPL) LILT:1 שפותחה על ידי מעבדת הפיזיקה יישומית בג'ונס הופקינס נשלטת על ידי שתלים קורטיים ומספק 24 מעלות של חופש יחד עם משוב חושי.

חוקרים שוודיים במכון מלבורןFLT:0(Bionics Institute in מלבורןtureFLT) 1 משתמשים באלקטרודות של ממשק שטוח (FINEs) כדי לשחזר תחושה לאנשים עם מעל-אלבו ⁇ .אלקטרודות אלה ממוקמות סביב החצין, ulnar, ועצבי רדיו קשיחים, נותן למשתמשים את היכולת לתפוס קשר על כל אצבע באופן עצמאי, שפורסם ב-F:2 לינוקס, הראה בהצלחה משתתפים עם פני השטח, וגילויים, וגילויים של תרופות טקסטומים, אשר יכלו לזהות בהצלחה, ופוסט-מדומים, ופעולות טקסטורות, אשר יכלו לזהות בהצלחה, וסרטן, וסרטן, אשר ניתן לזהות בהצלחה, אשר ניתן לזהות את פני השטח, ופעולות טקסטומים, וגילויים, ופעולות טקסטורות, וסרטן, ופעולות טקסטומים, אשר ניתן לזהות בהצלחה, ודמיוניים, אשר ניתן לזהות בהצלחה, אשר ניתן לזהות בהצלחה, אשר ניתן לזהות באופן עצמאי.

יוזמות קוד פתוח כמו N1IRLT:0 (OpenMoteFearLT:1 ו-FLT:2Neuralink's N103FLT 3: 3) מניעות עלויות ומורכבות. בעוד המטרה של Neuralink היא מחשב המוח בין שיתוק, חוטי אלקטרודה אולטרה גבוהה שלה יכולים בסופו של דבר להיות מותאם עבור משוב חושיים ב amputer, אשר הוכחו על ידי מבחנים עצביים, אם הם יכולים להתחרות עם יכולות עצביים, אם הם יכולים להתחרות עם גירוי עצביים, אם הם יכולים להתחרות עם חומרים עצביים, אם הם יכולים להיות מבדיקות עצביים, אם הם מסוגלים לחיקוי, אם הם יכולים להתחרות עם חומרים עצביים, אם הם יכולים להתחרות עם חומרים אלקטרודות, אם הם יכולים להתחרות עם חומרים עצביים, אם הם יכולים, אם הם יכולים, אם הם יכולים להיות מבדיקות עצביים, אם הם יכולים להתחרות עם מיפוי עצביים, אם הם יכולים להתחרות עם חומרים עצביים, אם הם יכולים להיות מסורקים, אם הם יכולים להיות מסורקים, עם חומרים עצביים, אם הם יכולים להיות מרשימות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות גבוהה, אם הם יכולים להיות מרשימות, אם הם יכולים להיות מרשימות, אם הם יכולים להיות מרשימות, אם הם יכולים להיות

מחוץ למחקר, קומץ חברות קיבלו אישורים רגולטוריים.ה-FLT:0 [SensorStimofFLT] מערכת 1 על ידי ריפל נוירו הוא ממריץ חד-משמעי שאושר לשימוש באיחוד האירופי, וכמה מרפאות מציעים כעת את משוב חושי של חצי-החמושים עבור מאחזים מתחת ל-elbow באמצעות אלקטרודות משולבות עם הידיים המסחריות שלי.

אתגרים גדולים

תגובה חיסונית וגוף זר

אפילו החומרים התואמים ביותר בסופו של דבר לגייס מקרופילים ופיברבסטולס, אשר מהווים קפסולת פיברוס סביב השתל.ה זו מגדילה את האלקטרודה על ידי פקודות גודל, צמצום יעילות הגירוי.החוקרים בודקים את FLT:0אנטי-דלקתיים הציפוי של תאי עצב או מחסנים נוספים, כלומר, מחסנים-F2 LT3, אשר מונעים תאים חשמליים נוספים.

אנליזה של 2022 של מחקרים למניעת השתלים כרוניים מצאה כי שרוולים עשויים מ-FLT:0polyimideFLT:1 הפיק את הפיברוזיס הקטן ביותר, בעוד ששרוולי סיליקון היו בעלי שיעור הכישלון הגבוה ביותר עקב דלקת.

יציבות כרונית וההגירה

עצבים היקפיים נעים עם הגוף, ואלקטרודה כי שינויים אפילו 0.5 מ"מ יכול לשנות את איכות תחושה מעוררת השראה. חוטי מוביל יכולים לפרוץ תחת התכה חוזרת חוזרת על עצמה.כדי לטפל בזה, מהנדסים מעצבים את FLT:0 מוליכים נצפים מוליכים מצופים 1:1 באמצעות סיליקון או סגסוגת נוזלית.

שיטות תיקון גם משנה: הפעלת שרוול לאפיירוניום מבטיחה יציבות מכנית אבל מגבירה את הטראומה.חומרים חדשים-עצמיים שמבוססים על כוחות ואן דר וואלים או ביומדשטיבים עשויים לספק החזקות מאובטחות ללא תבעות.

חיישנים מתחדשים ואפקטים טבעיים

אפילו עם אלקטרודות מושלמות, המוח חייב לפרש את האותות הבאים כתחושות טבעיות.ניסויים קליניים מוקדמים השתמשו בדופקים קבועים- ⁇ שיצרו "מבול" טבעי או "מונים ו מחטים" שמשתמשים למדו לנצל אך מעולם לא הרגישו כמו מגע טבעי.

גישות מודרניות להשתמש (FLT:0) דפוס זמני של LT:1 המבוסס על רכבות ספייק טבעי שנרשמו עצבים שלמים.לדוגמה, כדי להעביר מגע אור, הממריץ משכפל את שיעור הירי ואת התבנית של קולטן תאים מרקל. A 2021 מחקר ב FLT:2 Biomedical EngineeringFLT 3 הראה כי המשתתפים דיווחו "להרגיש את המרקם של חול" באופן קבוע, בהשוואה ל"אפקטים"מדבקות, אשר נעשה שימוש ב" באופן קבוע, לעומת "לידיעה" (Digative EngineeringFLT) עם גירוי יחיד, כלומר, הוא רק על ידי גירוי יחיד, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הוא רק על ידי גירוי, "מתאים, "מתאים באופן קבוע," (Date in auto-" (Dual EngineeringFLT) עם גירוי, "מחדש," (Digitalicual EngineeringFLT) עם גירוי, "מחדש," (Dateual EngineeringFLT 3, "מחדש," (D) עם גירוי," (Dateual EngineeringFLT:2) עם גירוי, לעומת שימוש ב" (D) של מערכת למידה, לעומת "מתאים, "מחדש, "מחדש," (Dua) עם גירוי יחיד, "

שיקולים אתיים והמשפטיים

כאשר ממשקים עצביים הופכים ליותר מתוחכם, הם מעלים שאלות על פרטיות, סוכנות והגינות.אם שתל יכול להקליט אותות עצביים, מי הבעלים של הנתונים האלה?יצרנים יכולים לשנות באופן מרחוק את התחושה? ⁇ גופם כמו ה- FDA מפתחים הנחיות לאבטחת סייבר והסכמה ספציפית לממשקי מחשב מושתלים במוח.הצורך במחקרים מעקב לטווח ארוך מסבך את האישור הקליני, שכן אף אחד לא יודע איך מכשירים אלה יתנהגו לאחר 20 שנה.

נגישות היא דאגה נוספת.התקדמות הנקה הסנסורית עולה עשרות אלפי דולרים ודורשת צוותים כירורגיים מיוחדים. מיזמים גלובליים, כגון FLT:0 אסתטיקה פתוחה ProjectirFLT:1, במטרה לפתח ממשקים עצביים בעלות נמוכה, קוד פתוח שניתן להשתמש בהם בהגדרות קוד נמוך, אך יכולת מימון וייצור נותר מוגבל.

כיוונים עתידיים

מערכות סגורות והתאמה

ממשק עצבי האולטימטיבי לא רק לעורר; הוא יקשיב.מערכות קוסגר-לופ משלבות גירוי חושי עם זיהוי כוונות מוטוריות. על ידי הקלטת מ ⁇ מוטורי או סיבי עצב קשים, המערכת יכולה להתאים את כוח האחיזה לפני שהאובייקט יימחק - כמו רפלקס טבעי של תרד, אך הוא נחקק על ידי מעבד AI. בהפגנות מעבדה האחרונות, מערכות כאלה אפשרו לקטועים להחזיק כוס מים חלקה ללא אחיזה במהלך שיחה.

אלגוריתמים של למידה מחדש יכולים לכוון פרמטרים לגירוי כדי למקסם את שביעות הרצון של המשתמשים.המשתמש לא צריך להעריך במודע את התחושה; האלגוריתם לומד אילו דפוסים מובילים להשלמת משימה מוצלחת ומחזק אותם.סוג זה של שליטה הסתגלות יכול להחליף את המשקעים ידניים תקופתיים ולהפוך את הגפיים להרגיש יותר "בעל" על ידי המשתמש.

חומרים מתקדמים: Graphene ו-מוליכים פולימרים

אלקטרודות Graphene מציעים מאוד אימפולס נמוך ויכולת פיזור גבוה, המאפשר אתרים קטנים יותר עבור פתרון גבוה יותר. פולימרים מוליכים כמו PEDOT:PSS הם גמישים, ביו-תואמים, וניתן להדפיס על תת-שכבות גמישות.חומרים אלה עדיין ניסיוניים, אבל הם מבטיחים להפחית את היקף המסחר המגביל את המכשירים הנוכחיים.

חומרים ממושכים צורה – כגון ⁇ צורה-זיכרון שמשנים נוקשות בתגובה לטמפרטורה – עשויים לאפשר לאלקטרודות להיות מוכנסות במצב נוקשה ולאחר מכן לרכך כדי להתאים לרקמות הסובבות, להפחית את הנזק הראר במהלך התנועה.

שיקום ביולוגי ושיקום שרירים ממוקדים

בעוד לא ממשק עצבי טהור, FLT:0 [מחדש] שרירים מתחדשים (TMR)ראהים 1 נתיבים מחדש של עצבים חמורים לשרירים מקומיים, נותן למשתמש שליטה מיואלקטרית.כאשר בשילוב עם משוב חושי, TMR יכול לספק אותות proprioceptive באמצעות השרירים המוחזרים.

כמה מרכזים משלבים את TMR עם אלקטרודות שרוול מושתלים על המראות החושיים.התוצאה היא איבר שמרגיש כאילו הוא מועבר על ידי שריריו של המשתמש עצמו, עם תחושה מגע על קצות האצבעות. מחקר בן 2023 באוניברסיטת שיקגו דיווח כי המשתתפים באמצעות שילוב זה יכול לקשור נעלים להרים מטבעות ללא משוב חזותי - אבן דרך שלא ניתן להשיג קודם לכן עם אסתטיקה מסורתית.

מסקנה

תכנון ממשקים עצביים לשיקום חושי הוא אחד הגבולות המרגשים ביותר בהנדסה ביו-רפואית.השדה עבר מתחנות מעבדה לפתרונות קליניים קיימא, אשר נותנים למציינים את היכולת להרגיש שוב.ממשקים עצביים היקפיים מציעים מסלול פחות לתחושה עשירה, בעוד ממשקי מערכת העצבים המרכזית נשארים אופציה חזקה עבור אלה עם נזק עצבי נרחב.

הדרך קדימה מלאה בהבטחה: מערכות כישרונות סגורות שמלמדות, חומרים שנעים עם הגוף, ומסגרות אתיות המבטיחות פריסה אחראית.כפי שטכנולוגיות אלה בוגרות, חלום של גוף אסתטי שמרגיש כמו הרחבה טבעית של העצמי יהפכו למציאות עבור מיליונים.ממשק העצבי אינו רק מחבר – זהו גשר שמשחזר לא רק לתפקד אלא גם את החוויה האנושית הבסיסית של מגע.