Bonik Prosthetics'deki Son Araştırmalar

Son on yılda, prosthetics alanı, kullanıcıların dokunmasına, baskıya, sıcaklıka ve hatta dokuya izin veren derin bir dönüşüme maruz kalıyor.Bu gelişmeler temel olarak sadece fiziksel işlevsellik sunmak, ancak yenilenen bir embodiment ve bağımsızlık duygusu sunmak anlamına geliyor.

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki yaklaşık 2 milyon insan sadece limb kaybıyla yaşıyor ve bu sayı, yaşlanan popülasyonlar ve diyabet ve damar hastalığının artışları nedeniyle dramatik bir şekilde yükselerek, geleneksel prosthetics'in öncelikle eksik olan uzuvlar için bir yedek sağlama üzerine odaklandığına göre, yapay geri bildirim yokluğunun doğal bir boşluk olarak kaldığını bildiriyor. Kullanıcılar genellikle yabancı nesneler gibi hissetmelerini talep ediyorlar, sürekli görsel dikkat gerektiren, duyusal geri bildirimin entegrasyonu bu boşluğun kapatılmasına odaklanır.

Bu makale, biyonik prosthetic uzuvlarında duyusal geri bildirimle ilgili en son gelişmeleri araştırıyor, bu sistemlerin nasıl çalıştığını, hangi atılımların elde edildiğini, hangi zorlukların kaldığını ve alanın bir sonraki nereye gittiğini açıklıyor.

Biyonik Prosthetic Limbs Nedir?

Biyonik prosthetic uzuvlar, mikroişlemciler, elektrik motorları, sensörler ve sofistike kontrol algoritmaları gibi aktif bileşenleri içerir. Bu cihazlar biyolojik olarak gelişmiş bir uzuvun şeklini ve işlevini anlamak, pinching,k rotasyon gibi karmaşık hareketleri ve hatta bireysel parmak sanatları içerir.

Tipik bir biyografik uzuv birkaç anahtar alt sistemden oluşur:

  • [FONT:0]Structural şasi[[Dönetici s.) ve #8211; karbon fiber, titanyum ve aşırı ağırlık olmadan güç sağlayan hafif, dayanıklı malzemeler.
  • [FONT:0] Yöncüler ve motorlar & #8211; ortak hareketleri yönlendiren kompakt, yüksek performanslı elektrikli motorlar.Zengin olmayan DC motorlarında son gelişmeler ve harmonik sürücüler dramatik olarak geliştirilmiş verimlilik ve gürültüyü azaltmışlardır.
  • [FONT=0) Kontrol arayüzü[[Dönetici:0) ve #8211; Kullanıcının limbi komutları kullandığı yöntem elektromiyografik (EMG) kas sözleşmelerini tespit eden elektromografi (EMG) elektromografi (imzit myoelektrik sensörleri (IMES) ve periferik sinir bozucu jöpektif arayüzler gibi doğrudan sinir bozucu arayüzler içerir.
  • [FONT:0]Sensors[DÜDÜT:1) & #8211; baskı sensörleri, su ölçümleri, hız ölçerler, tırtometreler ve sıcaklık sensörleri, limb’ hakkında verileri toplayan; çevre ile etkileşim.
  • [FONT:0)Feedback sistemi[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici Sistemi[Dönetici:0)[Dönetici:0)) ve #8211; sensör verileri, genellikle periferik sinirlerin elektrik uyarıları yoluyla algılanan veya hedefli sensör rekreasyonları ile algılayan mekanizma.

En yeni biyonik uzuvlarının nesli, kontrol ve geri bildirim döngülerinin sıkı bir entegrasyonudur. Kullanıcı sadece limbe değil aynı zamanda prosthetic el veya ayak dokunan şey hakkında gerçek zamanlı bilgi alır, doğal insan sensörlü motor döngüsünü aynalar.

Sensörin Geri Bildiriminin Eleştirel Rolü

On yıllardır, prosthetic tasarımının birincil amacı motor fonksiyonunu geri yüklemekti: Bir kişinin kavramasına, yürümesine veya ulaşmalarına izin vermek için bir kişinin göz ardı edilmesine izin verildi, çünkü teknik olarak motorlardan yararlanılması zordu.

Prosthetic aracılığıyla hisat hissi çok fazla avantaj sunuyor:

Doğal Sensasyon

Basınç, doku ve sıcaklık kullanıcının ve #8217'yi dönüştürebilme yeteneği, Chicago Üniversitesi'nde araştırmacılar ve Pittsburgh Üniversitesi'nde bir kişinin kırılgan bir nesneyi tutmaları gerektiğini ifade ettiklerinde, ellerinin ısısını otomatik olarak optimize edebildikleri zaman, kullanıcı memnuniyetini hissedebiliyorlar.

Phantom Limb Ağrısını Yeniden Üretin

Phantom uzuv ağrı (PLP) amputasyonları olan bireylerin% 60-80'ini etkiler. Tam mekanizmalar tam olarak anlaşılamaz, ancak bir lider teori beyin ve #8217; eksik uzuv için kortical haritası aktif kalır, ancak sensörlü girişleri doğrulayamaz, kronik PLP'nin prosthetic girişlerinden gelen geri bildirimleri, beyindeki olumlu bir şekilde azaltılabilir.

Dengeyi ve Gait'i geliştirmek

Daha düşük ampirikler için, prosthetic ayağından gelen duyusal geri bildirimler veya birkle dengelemeyi sürdürmek ve farklı arazilere adapte etmek için önemlidir.Promensthetic ayaklarından gelen duyusal bilgiler, kullanıcıların eşitsiz yüzeylere daha fazla güvenebilmelerine yardımcı olur.

Modern Cihazlarda Sensör Geri Dönüşüm Nasıl Çalışıyor

Fiziksel etkileşimden bilinçli algıya kadar boru hattı üç ana aşamayı içerir: algılama, kodlama ve sinir uyarıları.

Sensörlerin türleri

Modern bir bionik el, onlarca sensör içerebilir. Yaygın olarak kullanılan sensör türleri şunlardır:

  • [FONT:0)Force-sensitive direnççiler (FSRs)) ve #8211; temas basıncı ölçmek için parmak uçlarına ve avuçlara yerleştirildi.
  • [FONT=0]Strain ölçümler[Dönetici: 1 ) ve #8211; bükme ve tok tespit etmek için yapıda gömülü.
  • [FONT=0)Temperyatür sensörleri (daha fazla çift veya saldırganlar)) ve #8211; sıcak ve soğuk yüzeyleri tespit etmek.
  • [FONT:0]Accelerometreler ve gyroskoplar[Döncüm:0) ve #8211; yönlendirme ve hareket algılaması için.
  • [FONT=0]Texture sensörler [DÜDÜT:1) & #8211; Parmak uçlarının bir yüzeyde sürüklendiğini tespit edebilecek mikrofonlar veya hızlar kullanarak, kumaşların, ahşap veya metalin ayrımına izin verir.

Gelişmiş laboratuvarlar, DARPA finanse edilen HAPTIX programı gibi, insan derisindeki mekanik ilkelerin yoğunluğunu taklit eden yüzlerce bireysel algılama elementiyle sensör dizilerini gösterdiler.

Neural Interfaces ve Signal Encoding

Sensör verileri, kullanıcının yorumlayabildiği sinir sinyallerine dönüştürülmelidir. Birkaç yaklaşım etkili olduğu gösterilmiştir:

  • [FONT:0]Targeted Sensöry Reinnertion (TSR)[[Dönetici:0)[0]|SR)[Döneticileri ve elektriksel elektrotları ilk olarak verilen sinirler, tırnakları veya omuzda deriye yönlendirmektedir.
  • [FONT:0)Peripheral Nerve Cuff elektrotlar[[DÜT:1) ve #8211; Kol ve ulnar sinirlerin etrafında monte edilen elektrotlar, belirli sinir lifleri işe yarayan elektrik pulsları teslim eder. Farklı olarak, hız ve pul pulbi, araştırmacılar bu teknolojiyi kullanan sistemleri üretebilirler.
  • [FONT:0]Intraneural Implants[[Dönetici:0] & #8211; daha gelişmiş arayüz, doğrudan sinir fascicles'e eklenmiş olan ultrafine telleri kullanarak. Bunlar daha yüksek çözünürlük ve daha doğal hisler sağlar.

Sinyal kodlama stratejileri kritiktir. Basit bir yaklaşım, uyarımma amplity için sensör basıncı haritalamaktır, ancak bu genellikle doğal olmayan, buzzing sans. Newer algoritmaları bu zamansal uyarılarla ilişkili desenleri kullanarak, kullanıcılar hissiyatın doğal dokunuşlardan ayırt edilebilir olduğunu rapor ederler. Örneğin, hızlı-adapting type I (FA-I) nöronlar yüzeysel kabalık ile ilişkili kalıplar tarafından dokuya cevap verir.

Key Technological Breakthroughs

Birkaç yeni gelişme alanı önemli ölçüde ileri itti:

Geliştirilmiş Neural Interface Longevity

En büyük engellerden biri, elektrot-tkon arayüzünün zaman içinde bozulması, inflamasyona, yara doku oluşumuna ve sinyal kalitesi kaybına yol açan elektrot-tkontrat arayüzlerinin bozulmasıydı. Kaliforniya Üniversitesi'nde araştırmacılar, San Francisco gelişmiş ve#8220;soft & #8221; elektrot dokuya zarar vermeden elektrot polimerler yaptı.

Kablosuz İletişim

Erken sistemler, percutaneous teller için riskli enfeksiyon ve sınırlı hareketlilik gerektirir. Modern bionik uzuvlar, sensör verilerini ve uyarı komutlarını gönderen kablosuz transceivers birleştirir. Örneğin, [[Üyetim:0)SpaceSuit Laboratuvarları sistemi, cilt üzerinden güç ve verileri transfer etmek için yakın alan manyetik darbe kullanır, fiziksel konektörler için gerekli olan ihtiyacı ortadan kaldırır.

Gelişmiş Malzemeler Gelişmiş Malzemeler

Yeni kompozit malzemeler, biyonik ellerin ağırlığının 300 gram altında azaltıldığını, doğal bir elin ağırlığıyla karşılaştırılabilir olduğunu azaltmıştır. 3D-printed titanyum lattice yapıların kullanımı mükemmel ve iyi bir konfor sağlayan özel, hafif soketler için izin verir.

Kişiselleştirilmiş Kontrol için Makine Öğrenme

Yapay zeka, EMG veya sinir sinyallerinden daha büyük doğrulukla kodlanmak için kullanılır. Derin öğrenme modelleri bireysel kas modellerine adapte edilebilir, bir kullanıcının limb sıvısını kontrol etmesi için gerekli olan eğitim süresini azaltır.Kaynaklar gibi Şirketler[Döntme kaynağı değiştir]

Klinik Uygulamalar ve Kullanıcı Deneyimleri

Dünyadaki araştırma kurumları ve klinikler şimdi, Johns Hopkins Uygulamalı Fizik Laboratuvarı tarafından geliştirilen ve ilk kolda 26 derece özgürlük sağlamak için daha fazla hasta kaydetti.

Kullanıcılar dramatik gelişmeler rapor ediyor. Bir katılımcı, kolunu endüstriyel bir kazada kaybeden bir elektrikçi, dedi ve #8220; Elimde bakmadan önce bir sodanın benim elinize bakarak, ağladım.

Bir başka önemli örnek, 2015 yılında ilk kronik sensör geri bildirim sistemini tanıttıran Case Western Reserve Üniversitesi'nde Dr. Dustin Tyler'ın çalışmasıdır ve geri bildirimin onu ezemeyen bir domates alacağını rapor etti.

Alana meydan okumalar

Bu başarılara rağmen, sensör geri bildirimler prosthetics henüz yaygın olarak mevcut değildir. Birkaç önemli zorluk kalır:

Neural Interfaces'in Uzun Süreli Stability of Neural Interfaces

Yıllardır implante edilen elektrotlar bozulabilir veya sinir hasarına neden olabilir. Araştırmacılar biyofouling'e karşı direnen malzemelere odaklanır ve en aza travmayı en aza indiren cerrahi tekniklere odaklanırlar.En son çalışma karbon nanotüp-kodlu elektrotlar söz verir, ancak uzun süreli insan verileri sparse.

Sensör geri bildirim çözümü

Mevcut arayüzler genellikle sadece birkaç ayrı yoğunluk seviyesini aktarabilir. İnsan eli binlerce tactile cues ayırabilir. Kararı geliştirmek daha fazla uyarı kanalları gerektirir, daha sofistike enkülasyonlar ve beyin süreçleri yapay olarak elif hislerin nasıl algılandığını daha iyi anlamak.

Affordability and Accessability

Sensör geri bildirimleriyle özel bir bionik el 20.000 $ ile 10.000 $ arasında mal olabilir. Birçok sigorta planı gelişmiş sensör özellikleri kapsamaz, bunları deneysel olarak sınıflandırmak ve sosyoekonomik gruplar arasındaki eşit erişim sağlamak önemli bir meydan okumadır.

Düzenleme

FDA, dış sensörlerle birlikte aktif implantatif sinir arabirimlerini değerlendirmek için henüz net yollar oluşturmadı. Geliştiriciler karmaşık düzenleyici gereklilikleri, pazara zaman ayırmalı.

Future Yol Tarifi

Önümüzdeki sefere, bir sonraki inovasyon dalgası, birkaç konvering bölgesinden gelmek muhtemel:

Bio uyumlu, Self-Healing Materials

Doğal doku mekanik özelliklerini taklit eden malzemeler ve hasardan sonra kendini ayrıştırabilir elektrotlar. Araştırmacılar hidrogels ve sıvı metal kompozitleri keşfederler.

Kapalı-Loop Beyin-Bilgisayar Interfaces

Mevcut sistemler periferik sinirleri teşvik ederken, doğrudan kortical arayüzler bile zengin geri bildirim sağlayabilir. BeyinGate konsorsiyumu, bu yüzdenmattosensory korteksini beyindeki bu hisleri elicit tactile hissis ile bütünleştirmek için çalışıyor ve bunu motor komutları ile bütünleştirmek için çalışıyor.

Adaptif Geri Bildirim için Makine Öğrenme

Örneğin, kullanıcı ağır bir nesne toplarken, sistem iyi doku geri bildirimlerini bastırabilir ve baskıyı vurgulayabilir. Bu uyum seviyesi bir araştırma meydan okuması kalır.

Widespread Commercialization

Çabalar ölçek ve gelişmiş üretim ekonomileri aracılığıyla maliyetleri düşürmek için otoyol altındadır.Üye Olmayanlar:0)Youbionic[DD baskı ile mevcut olan ikionik eller, ancak bu araştırma-grad sistemleri arasındaki bu eksikliğin eksikliğine rağmen. Ottobock ve Ossur gibi şirketler arasındaki ortaklıklar, önümüzdeki beş ila on yıl içinde kitle piyasa protezlerine geri bildirim getirmeyi amaçlamaktadır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sensörlerin bionik prosthetic uzuvlarına geri dönüşleri rehabilitasyon mühendisliğinde bir paradigma değişikliği temsil eder. Bir zamanlar bilim kurgu şu anda klinik bir gerçekliktir: amputasyonlar olan bireyler bir kez daha bir bardak kahvenin baskısını hissedebilirler, ya da bir yaprak dokusu.

Araştırma, sinir arayüzlerini geliştirmeye devam ettikçe, sensör çözünürlüğünü geliştirir, maliyetleri azaltır ve düzenleyici onayı kolaylaştırır, gerçekten biyolojik birden ayırt edilebilir bir protez uzuv vizyonu daha yakınlaşır. gelecekteki vaatler sadece daha iyi bir teknoloji değil, aynı zamanda dünya çapında milyonlarca insan için daha büyük bir özerklik ve yaşam kalitesi.