Giriş: Modern Prosthetics Touch in Modern Prosthetics

Daha düşük protez manzara son yıllarda olağanüstü bir dönüşüm geçirdi, kullanıcı ve yapay uzuvları arasındaki sensör döngüsüne uymayı amaçladı.Bu, görsel veya denetçilere güvenen bir unsurdu, haptik geri bildirim cihazlarının entegrasyonu - baskı, heartics kuvvet ve hatta sıcaklık kontrol altına alınması - diğer cilt kabul eden bölgelerin aksine, diğer bazı şeyleri tamamen görsel veya denetçilere bağlı olarak kabul eden bazı şeyleri düzeltmeye devam ediyor.

Alt ekstremiteye sahip bireyler için, prosthetic ayağından gelen hissin yokluğu, zemin temasını, arazi dokusunu ve uzuv durumunu hissetmeden dolayı önemli bir bilişsel yük oluşturur. Kullanıcılar her adım bilinçli olarak zihinsel yorgunluk ve değiştirilmiş gait kalıplarına yol açmalı.Hazır geri bildirimler, gerçek zamanlı olarak bu bilişsel yükü yükten yükyü yükletmek için vaat eder.

Bu makale, mekanikleri, faydalarını, klinik uygulamaları ve haptik geri bildirimleri alt ekstrem prostezlere taşımanın devam eden zorlukları inceleyeceğiz. Bugün bu sistemlerin nasıl çalıştığını inceleyeceğiz, araştırma onların etkinliği hakkında ortaya koyuyor ve gelecekteki bu dönüştürücü teknoloji için ne tutar.

Prosthetics'teki Haptic Feedback Cihazları Nedir?

Prosthetics'deki geri bildirimler, dış sensör verilerini tactile hislerine dönüştürmek için tasarlanmış elektromekanik sistemlerdir. kullanıcı algılayabilir.The term “haptic” Yunanca kelimelerinden elde edilir; ancak sınırlı ama son derece yararlı bir şekilde kontrol ve güven sağlayan bir set sağlar.

Onun özünde, daha düşük bir uzuv prosthetic için bir haptik geri bildirim sistemi üç ana bileşenden oluşur:

  • [FONT:0]Sensor Dizisi: [Dönetici: CUMH 1) Prosthetic ayağında, soket veya pylon, bu sensörler zemin reaksiyonları, basınç dağılımı, hear kuvvetleri, ortak açı ve bazen sıcaklık veya titreşimler gibi değişkenleri ölçmektedir.
  • [FONT=0) Kontrol Birimi: [Dönetici: [Dönetici: 0 3) Bir mikroişlemci, süreçler sensörü verileri, filtreler gürültüyü ve geri bildirimde nasıl hareket edeceğinizi belirlemek için algoritmaları uygular.Bu birim prosthetic structure veya dışsal olarak evlenebilir.
  • [[Düzücüler (Tactors): Kullanıcıya ve #8217; cilt. Common actionuator türleri eksantrik dönen kütle (ERM) motorlar (örneğin, telefonlarda olanlar gibi), lineer resonant aktüatörler (LRAs), pastazo taşıyıcılar ve ses kutularına genellikle prosthetic soketleri içindeki cilde karşı yerleştirilirler.

Bazı sistemler yaygın olarak değişebilir. Bazı sistemler şöyle kullanır:0)vibrotactile) Uyarı - kısa puls veya sürekli vibrasyonlar, heel grev veya toe-off gibi olayları işaret eder.Diğerleri kullanımlar:2)Ebriter[Dönetici[Döneticiler) Sürekli güç seviyeleri ile ilgili her yöntem, baskı veya tingling.ETHFLT:4)Sustained baskı (FLT:5)

Bu alanda en belirgin araştırma platformlarından biri, kullanıcıların minimum eğitim ile bu simetrik gait ile yorumlayabilmelerini ve risk azaltmayı öğrenmelerini sağlamaktır.

Sensör Restorasyonunun Yapısal Faydaları

Haptik geri bildirimlerin birden fazla alanda uzatılmasının faydaları: Biyomekanik, psikolojik ve klinik.Birkaç makale daha ayrıntılı bir inceleme, bu avantajların nasıl bağlantıya girdiğini ve neden uzun vadeli sağlık sonuçları için çok kritik olduklarını ortaya koyar.

Geliştirilmiş Sensör Perception ve Doğal Gait

Geri bildirim olmadan, amputees zemini duymak, uzuv pozisyonlarını görmek veya tekrarlayıcı güçleri soket aracılığıyla hissetmek için güvenmektedir.Bu cues yavaş ve eksiktir.Hazırlık geri bildirimler, hareketlerinin ve daha doğal bir ayak izi korumak için doğrudan bilgi sağlar. Örneğin, bir vibratörü oel temas anında sönüllüce ilerleyebilir ve faz sırasında farklı bir frekans veya yere geçebilir.

Uygulamada kullanılan ve uygulama ile ilgili olarak yapılan araştırmalar, transfemoral (above-knee) belirli bir yanlışlık ile ilgili olarak, otomatikliği artırmak için belirli bir boşlukta olan bir iç model geliştirmektedir.

Geliştirilmiş Denge ve İstikrar

Denge bozukluğu, alt amputees arasında düşmenin önde gelen bir nedenidir. Bitki hissi yokluğu küçük perturbasyonları tespit etme ve buna göre duruş ayarlama yeteneği azaltır. Haptic geri bildirim, dış bir sensörsel augmentasyon sistemi olarak hareket edebilir. Örneğin, sensörler ayağın daha sonraki tarafında aşırı baskı tespit ederse (daha sonra bir ruloyu gösteren potansiyel bir ayak izi azaltır), bir titreşimin karşılık gelen tarafında bir düşüş meydana gelmeden önce kullanıcıyı uyarmaya çalışır.

Aletli koşu bantları ve perturbed yürüyüş protokolleri kullanarak çalışmalar, haptik geri bildirimin kullanıcı ve #8217'yi tamamladığını buldu. Bu, özellikle de normal arazide veya düşük ışık koşullarında görsel girişin tehlikeye attığında değerli.

Tound Hasar ve Skin Breakdown Riskini Azladı

Alt amputes için en ciddi komplikasyonlardan biri, prosthetic soketi içinde baskı ülserleri veya cilt tahrişidir. Çünkü kullanıcı aşırı baskı veya hear kuvvetleri hissedebilir, onlar uzun süreli yüksek strese tabi olabilirler. Bu, ağrıya, deri bozulmasına ve hatta enfeksiyona yol açabilir, sık sık sık sık sık prostez takmaktan kaçınır.

Haptic geri bildirimler cihazları bunu sürekli izleme arayüzü baskı ile ele geçirebilir. Basınç bir eşiği aştığında, sistem uyarı hissi sunar - güçlü ve daha yerelleştirilmiş - kullanıcılarını ağırlıklarını değiştirme veya hizalamalarını ayarlamasını sağlar. Bazı araştırma prototipleri doğrudan eylemcilerle iletişim kurabilen soketleri içerir.Bu gerçek zamanlı geri bildirim döngüsü, kullanıcıların kendi soketlerini dinamik olarak, klinik ziyaretlerini azaltmasını sağlar ve zamanlarını uzatmayı sağlar.

Artan Güven ve Bilişsel Yükü Azladı

Psikolojik faydalar genellikle prosthetic teknolojisi tartışmalarında göz ardı edilir, ancak eşit derecede önemlidir. Zemin raporu ile temas hissi kazananlar eşit derecede daha güvenli ve daha az endişeli olmayan yüzeyler, merdivenler, ya da kalabalıklarda. Bu güven daha yüksek aktivite seviyelerine, daha büyük topluluk katılımına ve yaşam kalitesini döndürür.

Bilişsel yük - hareketi izlemek için gerekli olan zihinsel çaba - haptik geri bildirimin mevcut olduğu önemli ölçüde azaltılır.Her adım hakkında bilinçli bir şekilde düşünmek yerine, kullanıcılar tüm dikkatleri bir ortama ayırabilir veya bir sohbet yürütürken, bu otomatiklik doğal motor kontrolü ile bir salon işaretidir ve pasif protez tasarımı kullanarak daha az zihinsel çaba rapor edilir.

Teknoloji Nasıl Çalışır: Sensörden Sensation

Haptik geri bildirim prostez arkasındaki mühendisliği tamamen takdir etmek için, her aşamadaki sinyal yolunu takip etmek yardımcı olur.Bu bölüm bir vibrasyon veya baskı cue hissediyor.

Sensör Seçimi ve Yeriment

Sensörler seçilmiş belirli geri bildirim hedeflerine bağlıdır. gait faz algılaması için, [[0) Kuvvetli direniciler (FSRs)), heel ve forefoot of prosthetic ayaklar ortaktır.Bu ölçümde, ayağın yüklendiği veya yüklenmemiş olduğu zaman tespit edilen bir gerilime izin verir.

[FONTS:0)Inertial ölçüm birimleri (IMUs)) bir hız ölçer ve gyroskoplar içeren bir hızlandırıcı veya optik sensörler[Döneticiler ve arazi eğimleri ile birlikte, baskı verileri ile birleştirilmeleri durumunda, sistemin zeminde yürümeleri, tırmanma merdivenleri veya bir rampaları ayırt edebilmeleri için daha az yaygındır.

Kontrol Algoritma: Veriler Anlamlı Cues

Kontrol ünitesi gelen sensör verilerini parseleyen algoritmaları çalışır ve haptik çıktı parametrelerine haritalar. Bu haritalama kritiktir. Basit bir yaklaşım her gait olayı için sabit bir titreşim modelini tetikler. Örneğin:

  • [FONT:0]Heel grevi:[Dönder:[Dönderin 1] Kısa titreşim, ikamet eden uzuvun bir parçasında patlama
  • [FONT:0)Mid-stance:[Dönetici:[Dönetici:[Dönüşük Fırkalık:0)
  • [FONT:0)Toe-off:[Dönem:[Dönem: 1] Arka kısımdaki Double nabız
  • [FONT=0)Bölüm: [Dönem:[Dönem:)

Daha sofistike sistemler sürekli kuvvet titreşim yoğunluğu veya frekansına doğru doğrultmaktadır. Örneğin, kullanıcı adımlarını daha güçlü olan vibrasyona verir.Bu orantılı geri bildirimler, kullanıcıların uygulamalarını ne kadar zor kullandıklarını gösterir, bu da yumuşak yüzeyleri müzakere etmek veya aşırı etki önlemek için çok önemlidir.

Makine öğrenme teknikleri haritayı optimize etmek için giderek daha fazla kullanılıyor. Bir sinir ağı her kullanıcı ve#8217'den gait verilere otomatik olarak eğitim edilebilir; sonra prosthetic’ bu modele mümkün olduğunca yakın bir şekilde uyum sağlayan haptik çıktı.

Akışkan Teknoloji: Dokunuşturma

Zincirdeki son bağlantı, tactile hissi üreten eylemcidir.Arapator seçimi kaliteyi, yoğunluklarını ve geri bildirim yerini etkiler.

  • [FONT:0]Ecsantrik Rotating Mass (ERM) Motors:[Dönetici:[Dönetici:0) Bunlar ucuz ve güçlü vibrasyonlar üretilir, ancak yavaş bir yanıt süresi vardır (örneğin, 50-100 ms başlangıç / duraklama) ve frekansı hassaslığı yoktur.
  • [FONT:0)Linear Resonantatörler (LRAs):[Dönetici:0) Bu vibrate belirli bir resonant frekansında (tipik olarak 150-300 Hz) ve ERM'lerden daha hızlı yanıt ve daha düşük enerji tüketimi sunabilirler.
  • [FONT:0)Piezoelektrikli Akışlar: [Dönder:[Dönetici: 0,0)Piezoelektrikli Akışkanlar: [Dönder: [Dönder: 0,4] Bu kullanım malzemeleri, bir gerilim uygulanırken değişebilir. çok geniş frekanslar üretebilirler (basınmış gibi hissediyorum düşük frekanslar dahil) ve son derece hızlı yanıt süreleri (mikrosaniyeler).
  • [FONT:0)Voice Bantlılar: [Döncüler için benzer, bu bir kütle geri hareket eder ve manyetik bir alan kullanarak güçlü, hassas titreşimler üretebilirler.
  • [FONT:0]Squeeze-Based Mechanisms:[[Döntilmiş) Bazı sistemler, vibrasyondan ziyade sürekli baskı uygulamak için pnömatik perdeler veya form-memory alaşımları kullanır.Bu, zemin kontak veya soket baskı gibi sinyalleşmiş devletler için kullanışlıdır.

Davranışçıların yerleşmesi de kritiktir. soketin içindeki oturma süresi genellikle sınırlı bir alana sahiptir ve hassas alanlara sahip olabilir.Aksiyel haritalama) - eksik ayaklara ve #8217; sensör bölgelerine ait bazı tasarımları - kullanıcı ve/veya işlemleri doğru bir şekilde geliştirmek için uygun bir şekilde bilgi gerektirir.

Kablosuz Transkript ve Güç Tahminleri

Sensörler ve eylemciler arasında telkin edilen erken haptik sistemler, kablo hasarının karmaşıklığını ve riskini ekledi. Modern tasarımlar giderek Bluetooth Low Energy (sol) veya özel RF bağlantıları gibi kablosuz protokolleri giderek daha fazla kabul etti. Bu, sensörlerin ayak ve hareketleyicilerin bir yere yerleştirilmesine izin verir, hatta soketin dışında.

Güç yönetimi başka bir engeldir. Sensörler, kontrolörler ve hareketçiler tüm mevcut jeneratörleri çizer ve bataryalar prosthetic yapısına sığacak kadar küçük olmalıdır. Isıtma lityum-iyon hücreleri standarttır, ancak gerekli olan günlük ücretlerin sayısı, yürüyüş hareketini araştırıyor, pastazoyu kullanarak veya elektromanyetik jeneratörler kullanarak, batarya hayatını takviye etmek için.

Mevcut Araştırma ve Klinik Kanıt

Dünya çapında birkaç araştırma grubu aktif olarak gelişmektedir ve haptik geri bildirimler prostez test etmektedir. Kanıt seviyesi daha büyük, kontrollü denemelere yönelik küçük pilot çalışmalardan ilerliyor. İşte bazı önemli bulgular.

Gait Symmetry İyileştirmeler

Michigan Üniversitesi'nden 2022 çalışması, geri bildirim olmadan yürürken transtibial (daha düşük) amputasyonlar, vibrotactile geri bildirim ile yapılan her bir cihazın farklı yerinde ölçülmüş güçlerle etkinleştirilen dört LRA’dan elde edilen geri bildirimde yüzde 12 oranında azalma gösterdi.

Sonbahar Önleme ve Denge

Hollanda'daki Twente Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, ot veya kum gibi uyumlu yüzeylere sürekli bir titreşim sağlayan bir sistem geliştirdiler.

Kullanıcı Kabul ve Öğrenme

Bir ortak endişe, haptik geri bildirimlerin sinir bozucu olabileceği, dikkat edilmesi veya yorumlamak zor olduğu ortaya çıkıyor. Araştırmalar çoğu kullanıcının birkaç saat içinde adapte olacağını, özellikle de eğitim kumarlanmış bir uygulama ile sağlanırken, 30 amputes araştırmasının% 85'inin yardımcı olduğunu buldu ve% 70'inin güvenilir, düşük bakımlı bir tasarımla mevcut olacağını belirtti.

Pasif ve Microprocessor-Controlled Prosthetics ile Karşılaştırma

Haptik geri bildirim prostezleri sadece pasif (sensorized) cihazlarla değil, aynı zamanda bazı bağlamlarda otomatik olarak adapte edilen mikroişmanlar kullanıcı geri bildirimlerini sağlarken, mikroişlemciler gait verimliliğini geliştirirken, neural sistemler ve Rehabilitasyon Mühendisliği üzerindeki sensörleri geri yüklemezler[TFLT) ile otomatik olarak bir araya gelir.

Klinik Kabul Yolunda Zorluklar ve Sınırlar

Söz konusu rağmen, birçok önemli engel haptik geri bildirim prostez ana akım haline gelmeden kalır. Bu zorluklara hitap etmek, malzemeler bilimi, elektronik, klinik rehabilitasyon ve kullanıcı merkezli tasarım için işbirliği gerektirir.

Miniaturization and Durability

Sensörler, eylemciler ve elektronikler günlük kullanım sert ortamı hayatta olmalıdır: yürüyüşte görülen yükleri ve sıcaklık aşırılıkları hala büyük ve ağır bir şekilde azaltabilecektir.T:0)Blix Biomechatronics notları eklemek için de gereklidir, ticarileştirme, mevcut tüm prosthetic sensörlerine karşı sorunsuz bir şekilde entegre edilmesi gerekir.

Güç Yönetimi

Prosthetic kullanıcıları genellikle bir cihazın en az 12-16 saat boyunca tamamen bir batarya şarjını beklerler. haptik sistemler için, eylemciler yüksek güç patlamaları için özellikle de sürekli baskı geri bildirimleri kullanılırsa, ancak düşük güç elektronik ve enerji hasatlarında önemli akımlar bile gereklidir. Bazı araştırmalar yüksek güç patlamaları için süper kapasiteleri keşfediyor.

Güvenilir Kablosuz Data Transmission

Sensörler ayağında ve alt hızlarda hareket eden eylemler olduğunda, kablosuz bağlantılar düşük gecikmeli olan ikinci yüz bit enerjide veri oranlarının düşük gecikmeli olması gerekir. Bluetooth Low Energy birçok uygulama için kabul edilebilir ancak kalabalık ortamlarda müdahale edebilir.

Sensör İşlemede Bireysel Variability

Tüm kullanıcılar aynı şekilde haptik geri bildirime cevap vermez. Oturmalı uzuv duyarlılığı (gösterme değişikliklerinin deri değişiklikleri için) bilişsel yeteneği ve önceki prosthetic deneyimi, bir kullanıcının cuları yorumlamayı nasıl öğrenebilir.Mevcut olmayan limbal yol yollarının bazı bireyler vibrasyonları çok yüksek olsa bile, kişiselleştirilmiş kalibrasyonu çok yüksek.

Maliyet ve Sigorta Kapak

Haptik geri bildirim bileşenleri kaçınılmaz olarak, daha az düşüş, daha az cilt kesintisi veya daha yüksek aktivite seviyeleri gibi prosthetic uzuvlarının maliyetini artırır - ABD'de ve başka yerlerdeki uzun vadeli araştırmalar bu tür gelişmiş geri bildirim sistemleri deneysel olarak, dolayısıyla kapsamalıdır. yaygın olarak kabul edilebilir, üreticiler net klinik faydaları göstermelidir - daha az düşüş, daha az deri bozulması veya daha yüksek aktivite seviyelerinin düşmesi gibi - ikincil sağlık maliyetlerinde azalmaları haklı çıkarır.

Future: Bu Teknoloji Nerede Başlıyor?

Haptik geri bildirimler prostez alanı, esnek elektronik, yapay zeka ve sinir-makin arayüzleri ile yapılan ilerlemeler ile hızlanıyor. Önümüzdeki nesil sistemlere yönelik birkaç trend noktası.

Neural Interfaces ile entegrasyon

Sensör geri bildiriminin nihai formu doğrudan sinir uyarıları ile, cilt tabanlı eylemciler tamamen gelişmektedir. Araştırmacılar, sciaatik sinir veya dallarına bağlanmak, prostheelasyonlarının uzayda ve hatta ortak pozisyondaki hislerini dile getirebilme yeteneğine sahip implantasyon ve uzun vadeli biyokompresyon ile birlikte önemli zorluklarla bir araya gelir.

Adaptasyon ve Context-Aware Feedback

Future sistemleri, kullanıcı ve #8217'ye dayanan geri bildirim parametrelerini otomatik olarak ayarlamayı öğrenecektir; örneğin, sistem, icy sidewalks sırasında güçlü, sık geri bildirimler sağlayabilir, ancak sessiz kapalı yürüyüş sırasında geri bildirimde bulunabilir. Context sınıflandırması, kullanıcıyı ezici bir şekilde yönlendirmek için geri bildirimde bulunabilir.

Yumuşak ve çizilebilir Elektronik

Geleneksel katı elektronik, rahatsızlığa ve limit soketine neden olabilir. Gelişen devrelerde, esnek sensörler ve tekstil tabanlı eylemciler tüm geri bildirim sistemine soket içinde entegre edilmesine izin verecekler.Bu sistemler tam olarak kullanıcı ve#8217; uzuvlar, daha doğal uyaran dağıtım ve baskı noktaları sağlamak.

Invasive ve Non-Invasive Sensing ile Kapalı-Loop Kontrolü

Görme sadece geri bildirim sağlamadığı bir protezdir, ancak aynı zamanda kullanıcı ve #8217'ye cevap verir; motor amacı. elektromiyografi (EMG) mevcut uzuvlarda sensörleri kullanarak, sistemin hangi kasların sözleşmeye çalıştığını ve buna uygun olarak yardımcı olabileceğini tespit edebilir.

Uygun Açık Kaynak Platformları

Geliştirmeyi hızlandırmak için, bazı araştırma grupları haptik prosthetic bileşenler için açık kaynak tasarımları salıveriyor. Örneğin, Open Prosthetics Project ve Michigan Üniversitesi ’ Open Prosthetics Lab CAD dosyaları, devre şematiği ve sensörler için bilgisayar destekli ayaklar ve haptik eylemciler için bilgisayar destekli.

Sonuç: Gerçek Bütünleşme Vakfı Olarak Dokun

Haptik geri bildirimler cihazlarının alt protezleri daha teknik bir yükseltmeden daha fazlasını temsil eder; bu, vücut ve #8217'yi geri yüklemeye yönelik temel bir değişimdir; dünya ile hala araştırma ve erken klinik aşamalarda etkileşim kurma yeteneği, kanıtlar büyük ölçüde yanlış bir şekilde denge, güvenlik ve kullanıcı güvenini arttırır.

Klinikçiler için, mesaj, ortaya çıkan haptik sistemler hakkında bilgi edinmek ve sadece geleneksel biyomekanik sonuçlarla birlikte sensör restorasyonu içeren klinik çalışmalar için savunuculuk yapmak. Araştırmacılar için önümüzdeki on yıl bu sistemleri günlük kullanım için yeterince sağlam hale getirmek ve geri bildirimin doğal hareket arka planına sokulması konusunda bilgi sahibi olmak.For users, the promise is open: a prosthetic that not only move but also feel, restore the important connection that was about make these systems strong for daily use and sezgisel enough that the feedback remove.