Amputees'te Sensör Restorasyonu için Neural Interfaces for Sensöry Restoration in Amputees

Sinir arayüzü teknolojisindeki ilerlemeler, protez manzarasını yeniden şekillendiriyor, gerçek sensör restorasyona doğru basit motor kontrolün ötesine geçiyor. Yapay uzuvların doğrudan sinir sistemine bağlanarak, araştırmacılar doğal hisleri geri almayı hedefliyor - dokunma, basınç, sıcaklık, hatta proprioception - bir uzuvunu kaybeden bireyler.Bu makale, bir bödün prensiplerini, türleri, tasarım göz ardı ediyor ve amputees'te sinir arabirimlerinin gelecekteki yollarını araştırıyor.

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki 2 milyondan fazla insan sadece uzuv kaybıyla yaşar ve birçok kişi sınırlı veya sensörlü geri bildirim sunabilen geleneksel prosthetics'e güvenir.Tahmin olmadan, kullanıcıların prosthetic'i kontrol etmek için görsel cülerlere, yüksek bilişsel yüklere, klişe hareketlerine ve cihazı yüksek bir riskine güvenmelidir.

Prosthetics'deki Sensörsel Geri Dönüşümün Eleştirel Rolü

Sensör geri bildirim lüks değildir - bu geri bildirim olmadan, sensörli-kanıklı prostez ile amputelerin 30-50 daha hızlı ve geleneksel myoelektrik uzuvlarını kullanarak daha az hata gerçekleştirebildiğimiz için.

İki birincil sensörlü modalitenin geri alınması önemlidir: [DÜDÜDÜSTR:0] (Dökme, baskı, vibrasyon, sıcaklık) ve [[DÜyetim:2)proprioception[DÜyetim ve hareketle ilgili bilgi türleri hakkında bilgi edinmek için çalışır.

Neural Interfaces'in Kategoriler

Sensör restorasyonu için neural arabirimleri birkaç geniş kategoriye girer, her biri eşsiz avantaj ve ticaret-offlara bağlıdır. Seçim, amputasyon seviyesine, oturma sinirlerinin durumu ve istenen hissiyatığa bağlıdır.

Peripheral Nerve Interfaces

Bu arayüzler doğrudan, oturmalı uzuvlarda kalan periferik sinirlere bağlanırlar, eksik el veya ayaklardan kaynaklandığı gibi hissedilen hisleri uyandırabilirler.

  • [FONT:0)Longitudinal Intrafascicular (LIFEs): ), Dördün eksen boyunca yer alan İnce teller, bireysel fascicles için iyi bir seçicilik sağlar.
  • [FONT:0)Transverse Intrafascicular Multichannel Elektronlar (TIMEs): ), sinir fascicle transversely'i nüfuz eden diziler, çeşitli hisler için birden fazla temas noktası sunuyor.
  • [FONT:0)Cuff elektrotlar:[Dönetici:[Dönetici] sinirin etrafında, epineurium olmadan, daha az invaziv ama daha düşük seçicilik ile.
  • [FONT:0)Rejeneratif Sieve elektrotlar:[Dönetici:0)[Dönetici:0)))Rejeneratif Sieve elektrotlar:[Dönetici:[Dönetici: 1 )) Sert bir sinirin sonunda yer alan, küçük delikler aracılığıyla sinir yenidenjenleri, elektrotlar yeni axonlarla arayüze bağlanabilir.

Peripheral sinir arabirimleri merkezi olanlardan daha az invaziftir ve oldukça yerelleştirilmiş hisler üretebilirler. Ancak, zamanla sinir dejenerasyonuna tabidirler ve periyodik cerrahi ayarlamalar gerektirebilir.

Önemli bir örnek, HAFTAT:0)Utah Slanted elektro Dizisi[Dönetici 1 ), iki yıl boyunca siniri nüfuz eden, yüksek çözünürlükte uyarıda bulunan bir 2020 çalışmadır.

Central Nervous System Interfaces

Periferik sinirler ağır hasar görmüş veya eksik olduğunda, araştırmacılar beyin veya omurga kordonunu doğrudan hedef alır.Intraortical microelectrode arrays implanted in the somatosensory korteks can evrilmiş ve proprioceptive sans. Bu arayüzler periferik sinir sistemini tamamen atlar ve zengin, doğal-feelasyon geribilitesi sağlayabilir.

Örneğin,BrainGate[DÜDÜDÜDÜDÜDÜ) konsorsiyumu, paralı bireylerin sosyo-döve korteklerini teşvik eden ve doku formasyonlarının yetersizliğinin önemli engellendiğini göstermiştir.

Spinal kablo uyarısı başka bir merkezi yaklaşımdır, dorsal sütunları hedeflemek – ana sensör yol kenarında. Çünkü omur kablo birden fazla uzuv alanından girdi alır, bu yöntem potansiyel olarak daha az elektrotla tüm-limb hissi geri getirebilir. Erken denemeler omur yaralanmadan sonra tekrarlanabilir ve benzer ilkeler amputeler için test edilir.

Invasive Surface elektros

Yüzey elektromiyografi (sEMG) elektromi, retorik kaslardan myoelektrik sinyalleri alabilir, ancak ters olarak kullanılırken – faimulatörler olarak da kokpital elektrik sinir uyarıları yoluyla tactile hisleri uyandırabilirler (TENS). Bu elektrotlar invazif, ucuz ve cerrahi olmadan uygulanabilir, onları ilk rehabilitasyon için ideal hale getirebilir veya implantasyona maruz kalan kullanıcılar için.

Sınırlama, uzaysal çözünürlük ve tutarsız his kalitesidir. Yüzey elektrotları, sinir liflerini hedefleyemez, bu nedenle buharlı his genellikle dağınık veya füzyonu azaltılır. Yine de, modern yüksek çözünürlükte elektrot dizilerini bir araya getirerek birlikte makine öğrenimi ile birlikte geliştirme, desen tanıma ve geri bildirimde bulunur.

Neural Interfaces için Temel Tasarım İlkeleri

Başarılı bir sinir arayüzü tasarımı, mühendislik hassasiyeti ile biyolojik uyumluluk dengeleme gerektirir. Aşağıdaki ilkeler mevcut gelişimi kılavuz:

Biocompatability ve Uzun Süreli Güvenlik

Vücutta implante edilen herhangi bir malzeme kronik bir enflamatuar yanıt vermemelidir. Altın, platin ve iridium oksit yaygındır, çünkü bunlar inert ve şarj edilebilir. Ancak, cihaz konut, liderlik telleri ve encaplar da mekanik esnekliği korumak için doku reaksiyonunu azaltmak için araştırılır.

Yabancı vücut cevabı en büyük engel olmaya devam ediyor: glial kıvrımlar dokuyla hareket eden elektrotlar, sinir dokusunun mekanik özelliklerini aylar boyunca azaltırlar. Araştırmacılar ilaç toplama kaplamalarını araştırıyorlar (örneğin, dexamethasone) ve ultra esnek “mikro-mesh” tasarımları, yaraları azaltmak için sinir dokusunun mekanik özelliklerini taklit eder.

Yüksek Signal Fidelity ve Seçiciliği

Doğal bir his uyandırmak için, arayüz belirli sinir liflerini bir derecede etkinleştirmelidir, tekrarlanabilir bir şekilde gerektirir. Bu düşük dürtü oranı gerektirir, yüksek sinyal-to-noise oranı ve birçok bağımsız uyarı kanalları. Modern arayüzler genellikle 32, 64 veya hatta 256 kanal, her biri mikrosaniye hassasiyetle biyofaşist akım puls teslim edebilir.

Sensörler ayrı bir meydan okumadır: Siniri uyarmak için yeterli değildir; pulbiyörün desenleri sürekli olarak doğal yangın uyarılamalı) algoritmalarının bu kalıpları yeniden üretmesi ve erken denemelerin kullanıcıların bu şekilde algılayabilmeleri için kaydedilen sinirsel artış trenlerini kullanarak.

Miniaturization and Ergonomi

Bir sinir arayüzü sistemi implantı, transkütanöz bir bağlantı (veya kablosuz iletim sistemi), ve dış işleme elektronikleri içerir. implant, dışsal bir uzlaşıcı elektroniklerin boyutuna neden olmadan yeterince küçük olmalıdır.

Kablosuz güç ve veri iletimi uzun süreli hasta kabul için kritiktir. 13.56 MHz'de çalışan endüktif bağlantılar hem güç hem de iki yönlü verileri ciltte aktarabilir, enfeksiyona eğilimli olan percutaneli konektörler için ihtiyaç duyulan ihtiyacı ortadan kaldırır.

Verimli Güç Yönetimi

Implantable elektronik, düşük görev döngüsünde veya biyopotansiyelden gelen pasif hasattan kaçınmak için miliwattlar üzerinde çalışmalıdır.En güncel arayüzler şarj ile şarj edilebilir bataryalar kullanır. Sistem aynı zamanda birkaç miliamperyazarlıklarını düşük görev döngüsüne teslim edebilir - çok fazla zaman içinde depolayamayan kapasitörler şarj edebilir.

Gelişen bir yaklaşım, ultrasony uyarıları için daha derin bir şekilde elde edilebilir.Bir odyoksielektrik alıcısı aracılığıyla ultrasonal enerjiye ultrasonları dönüştürmekle, implant daha küçük ve daha derinden yerleştirilebilir. Erken prototipler, çubuk modellerinde sensör uyarıları için yeterli güce sahip olabilir.

Mevcut Klinik Uygulamalar ve Araştırma

Laboratuardan klinike geçiş hızlanıyor, birkaç pilot çalışma fonksiyonel fayda gösteriyor.Ağuk Prosthetic Limb (MPL)), Johns Hopkins'deki Uygulamalı Fizik Laboratuvarı tarafından geliştirilen ve sensörlü geri bildirimlerle 24 derece özgürlük sağlıyor.

İsveç araştırmacıları Melbourne'daki Biyonik Enstitü'nün (Dönetici) her parmağını bağımsız olarak algılama yeteneğinde (FINEs) kullanılarak, yukarıdaki amputasyonlara olan kişilere hissi geri yüklemesi için.Bu elektrotlar, bulanık görevler sırasında nesnel ve yüzeysel dokular tespit edebilir.

Açık kodlar gibi açık kaynak girişimleri:0) AçıkMote) ve [[FONT:2)Neuralink'in N1), motor korteksünün temel hedefi, mevcut periferik implantlarla rekabet eden neuralink'in bilgisayar destekli iletişimsel uyarıları gösterir.

Araştırma dışında, Avrupa Birliği'nde kullanılmak üzere bir avuç şirket düzenleyici onaylar elde etti.TheETHFLT:0)SensorStim[[Dönetici: 1) Made myoelektrik elleriyle entegre edilmiş cuff elektrotlar için uygun bir percutaneous stimulator.

Overcoming Major Challenges

Immune Response and Foreign Body Encapsulation

En biyoakontucu malzemeler bile sonunda makrofages ve fibroblasts işe yarar, bu da implantın etrafında bir fibrous kapsülü oluşturur.Bu kapsül, elektrotoksit verimliliğini azaltır. Araştırmacılar, uyarılı vizektomileri test eder:0anti-inflamatuar kaplamalar).

2022 yılında, silikon cuffs, doğru malzeme kombinasyonunun yapıldığı ve esnekliğin aktif bir bilimsel alan olduğunu tespit ederken en az fibroz üretti.

Kronik Stability ve Lead Migration

Peripheral sinirler vücutla hareket eder ve 0,5 mm'yi değiştirirken, şarj edilebilir silikon veya sıvı metal alaşımlarının kalitesini değiştirebilir. Bu iletkenler sinir dokusunu kaybetmeden% 50 oranında kırılabilir.

Fixasyon yöntemleri de önemlidir: epineurium'a bir cuff atmak mekanik stabilite sağlar, ancak travmayı arttırır. Yeni öz-yaratıcı malzemeler, van der Waals kuvvetlerine veya biyoadhesives'a güvenen yeni malzemeler sutures olmadan güvenli bir ek sağlayabilir.

Sensörler Encoding ve Doğal Perception

Mükemmel elektrotlarla bile, beyin gelen sinyalleri doğal hisler olarak yorumlanmalıdır. Erken klinik araştırmalar doğal olmayan “büzleme” veya “pins ve iğneler” hissi üreten, ancak asla doğal dokunuş gibi hissetmemelidir.

Modern yaklaşımlar, bir ışık dokunuşunu iletmek için, bir Merkel hücresinin ateş hızını ve modelini yeniden üretmek için kullanılır. [FONTT:2). Biomedical Engineering, bu tür bir uyarıda bulunan "parlak uyarı", ancak sürekli reseptörler ile karşılaştırıldığında, her zaman kapalı geri bildirim sistemi oluşturmak için kullanılan "parçalı uyarıları", her zaman "parlak uyarıları oluşturmak için kullanılan "parçalı uyarıları", ancak sürekli olarak "teyerek" ile karşılaştırır.

Etik ve Düzenlemeler

Sinir arayüzleri daha sofistike hale geldiğinde, mahremiyet, ajans ve adillik hakkında sorular gündeme getiriyorlar.Bir implant, veriye sahip olan sinir sinyalleri kaydedebilir mi? FDA gibi düzenleyici organlar, siber-bilgisayar arayüzleri için belirli bir onay için kılavuzlar geliştiriyor ve bilgilendirilebilir. uzun vadeli takipler için gerekli olan bir çalışma, bu cihazların 20 yıl sonra nasıl davranacağını bilmiyor olabilir?

Accessability başka bir endişedir. Çoğu sensör-bebek prosthetics on binlerce dolara mal olur ve düşük kaynak sistemlerinde kullanılabilir olan düşük maliyetli diskler geliştirmeyi amaçlar, ancak finansman ve üretim kapasitesi sınırlı kalır.

Future Yol Tarifi

KapalıLoop ve Adaptive Systems

Nihai sinir arayüzü sadece uyarmayacaktır; doğal bir omur refleksi gibi, bu tür sistemler, motor korteksten veya efferent sinir liflerinden kayıt ederek, sistem nesnenin düşmesinden önce sıkı bir güç ayarlayabilir - bir yapay omur refleksi gibi.Son laboratuvar gösterilerde, bu tür sistemler konuşma sırasında aksaklık bir su tutmadan önce amputes to hold afronlar izin verdi.

Programlama öğrenme algoritmaları, kullanıcı memnuniyetini en üst düzeye çıkarmak için uyarı parametrelerini ayarlayabilir. Kullanıcı, duyuyu bilinçli olarak değerlendirmeli; hangi desenlerin başarılı bir şekilde iş tamamlaması ve güçlendirdiği algoritmalar.Bu tür bir denetim periyodik manuel kalibrasyonu değiştirebilir ve limbin kullanıcı tarafından daha “kendi” hissetmesi gerekebilir.

Gelişmiş Malzemeler: Graphene ve Davranışlı Polimerler

Grafiksel elektrolar son derece düşük yetersizlik ve yüksek şarj kapasitesi sunar, daha yüksek çözünürlük için daha küçük siteler sağlar. PEDOT:PSS gibi iletken polimerler esnek, biyo uyumlu ve esnek substratlara yazdırılabilirler.Bu malzemeler hala deneyseldir, ancak mevcut cihazları sınırlamaya söz verirler.

Şekil değiştirme malzemeleri – ısıya tepki veren şeklin alaşımları gibi – elektrotların katı bir durumda eklenmelerine izin verir ve sonra dokuyu çevreleyen saç dökülmesine, hareket sırasındaki hear hasarını azaltır.

Biyonik Yeniden İnşa ve Hedeflenen Kas Reinnertion

Saf bir sinir arayüzü olmasa da, duyusal geri bildirimle birleştirildiğinde TMR yeniden düzenlenmiş kas reinnertasyonu (TMR)) yenidenroutes ağır sinirler yerel kaslara, kullanıcı myoelektrik kontrolüne verir.

Birkaç merkez, TMR'yi sensör fascicles'te implante edilmiş cuff elektrotlarla birleştirir. Sonuç, kullanıcının kendi kaslarıyla hareket ettirilebilir bir uzuvdur, parmak uçlarında hissedebilirsiniz. A 2023 cohort study at the University of Chicago, katılımcıları bu kombinasyonu kullanarak ayakkabı bağdaştırabilir ve görsel geri bildirim olmadan para toplayabilir - daha önce geleneksel protezlerle ulaşılamaz bir dönüm noktası.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sensör restorasyonu için sinir arabirimleri tasarlamak, biyomedikal mühendisliğindeki en heyecan verici sınırlardan biridir. Alan, laboratuvar curiosities'den tekrar hissetme yeteneğine sahip klinik çözümlere taşınmıştır. Peripheral sinir arabirimleri, bu engellerin daha az invaziv bir şekilde üstesinden gelirken, her yaklaşım temel tasarım zorluklarını ele almalıdır -biyomsuzluk, sinyal sadakati, minimasyon ve güç - ancak son malzemeler ve hesaplama yenilikleri sürekli olarak bu engellerin üstesinden gelir.

Önümüzdeki yol sözlerle doludur: Öğrenilen kapalı sistemler, vücut ile hareket eden malzemeler ve sorumlu dağıtım sağlamak için etik çerçeveler.Bu teknolojiler olgun olarak, kendini doğal bir uzatma gibi hissettiren prosthetic uzuv rüyası sadece bir bağlantı değil - aynı zamanda dokunmayı sağlayan bir köprüdür.