Existem três tipos de próteses.
- Próteses mioelétricas são próteses controladas por sinais gerados pela contração muscular. Essas contrações são lidas usando sensores eletromiográficos (EMG). Você também pode encontrar outro nome para próteses mioelétricas - biônica ou bioelétrica com uma fonte de energia externa.
- As próteses cosméticas são próteses incontroláveis que desempenham apenas uma função decorativa.
- Próteses de tração - próteses cujo controle é realizado por meio de hastes e são totalmente controladas pelo próprio esforço da própria pessoa, sem nenhum aparelho eletrônico. Essas próteses permitem que a mão artificial seja comprimida devido à tração mecânica do ombro oposto (alongamento - enfraquecimento do cabo).
Atualmente, na Rússia, até 7 mil pacientes são anualmente protéticos com próteses de membro superior. Basicamente, são próteses cosméticas ou de tração com a função mais simples de segurar a mão. No exterior, a participação das próteses mioelétricas, nas quais os potenciais elétricos dos músculos antagonistas são a fonte dos sinais de controle, é de 50%, em nosso país é de apenas 2-3%.
Os antagonistas dos músculos são dois músculos (ou dois grupos de músculos) de uma articulação que, quando contraídos, puxam em direções opostas. A flexão do antebraço é realizada pelo músculo bíceps do ombro, e a extensão do antebraço é realizada pelo músculo tríceps do ombro. Esses dois músculos são antagônicos porque puxam em direções opostas em relação à articulação do cotovelo. Um músculo (bíceps braquial) é responsável pela flexão e o outro (tríceps braquial) é responsável pela extensão.
As próteses biônicas não ganharam popularidade na Rússia, pois são muito caras. Além disso, visualmente, tal dispositivo é uma coleção de conexões e fios de metal, enquanto os processos cosméticos repetem quase exatamente a imagem de uma mão humana. Além disso, não existem muitos especialistas no país que possam ajustar adequadamente esse tipo de prótese: faça as impressões necessárias, coloque sensores.
Deve-se também ter em mente que as possibilidades de controle mioelétrico da prótese são limitadas pelo nível de amputação, ou seja, o número de músculos restantes em funcionamento. Para a reabilitação de pacientes com amputação de braço acima do cotovelo, o uso do controle mioelétrico é impraticável. Nesses casos, neuropróteses (interface cérebro-computador) ou tecnologia de reinervação do músculo alvo (TMR) são usadas. O método TMR consiste no fato de que os nervos que antes eram responsáveis pelas ações funcionais do braço são levados para outros músculos preservados após a amputação, e a partir deles os sensores sensoriais recebem o sinal e o enviam para o processador que controla os motores elétricos que colocar a prótese em movimento.
Como funcionam as dentaduras
Ao desenvolver dispositivos biotécnicos bio ou neurocontrolados, em primeiro lugar, é necessário determinar o método de obtenção de informações sobre o movimento que está sendo executado. Nos meios biotécnicos modernos, como os sistemas de interação homem-computador (Human Computer Interaction - HCI), os biossinais são usados: eletroencefalogramas (EEG), eletromiogramas (EMG), eletroneurogramas (ENG), eletrooculogramas (EOG).
O mais comum é o uso de um eletromiograma.
São as próteses mioelétricas que permitem controlar diversos movimentos funcionais. Por exemplo, nas modernas próteses de antebraço comerciais, o paciente pode controlar dois movimentos (preensão e rotação) e controlar a velocidade de sua execução. Porém, mesmo esses movimentos simples precisam ser aprendidos, para isso foi desenvolvido um programa de oito aulas, onde estudam “seu novo corpo” e tentam utilizá-lo.
O início da contração muscular é iniciado por impulsos elétricos nos troncos nervosos que entram nas fibras musculares. Esses impulsos despolarizam a membrana das células musculares, como resultado do qual um potencial de ação é criado nas fibras musculares, que rapidamente se espalha ao longo da fibra nervosa e leva à sua contração. Além disso, a redução só é iniciada por esse potencial de ação, e o próprio processo de redução é muito mais longo. Por meio de eletrodos de agulha (invasivos) ou de superfície, é possível registrar a soma dos potenciais de ação de todas as células envolvidas no processo.
Para executar a função "agarrar-abrir", é necessário dobrar-desdobrar a mão. Ou seja, o controle da prótese não é natural (antropomórfico) e será necessário um treinamento adicional do paciente, que leva semanas. O atuador se move "de ponta a ponta" sem posições intermediárias - isso se deve ao fato de que o sinal EMG não reflete os parâmetros mecânicos de contração muscular. A única coisa que o paciente pode controlar é controlar proporcionalmente a velocidade do movimento.
Falta de métodos existentes
A desvantagem de todos os métodos conhecidos de controle eletromiográfico de próteses é que os sinais de despolarização de músculos estimulados simultaneamente são sobrepostos, portanto, é extremamente difícil receber um sinal EMG sobre a atividade de um determinado músculo. Além disso, a influência do ruído de diafonia (interferência) dos músculos adjacentes aumenta com o aumento da distância entre os eletrodos de medição.
A alternância entre os dois movimentos é feita mecanicamente ou com um interruptor oculto. Se houver muitas funções - codificação especial em código Morse ou etiquetas RFID, coladas em todo o apartamento.
A tarefa global que os cientistas enfrentam em todo o mundo é conseguir uma classificação cruzada, ou seja, fornecem a capacidade de segurar / abrir e girar simultaneamente sem comutação auxiliar.
A equipe de desenvolvimento do departamento de "Técnica Biomédica" BMT-2 da Universidade Técnica do Estado de Moscou tinha a mesma tarefa - implementar o controle de dois movimentos (pegada e rotação da mão), mas ao mesmo tempo alcançar não apenas a proporcionalidade de controle, mas para preservar o antropomorfismo desses movimentos. O antropomorfismo é entendido como a execução justamente daqueles movimentos que o paciente pensa em tempo real. Os cientistas Bauman estão engajados nesta tarefa - funcionários do departamento BMT-2.
Desenvolvimento e seus recursos
O objetivo técnico da presente invenção é proporcionar a possibilidade de obtenção de um sinal estável e de alta qualidade que, quando controlado por um dispositivo técnico, possibilite formar ações de controle proporcionais ao grau de contração muscular com um retardo de não mais de 120 ms.
Para resolver este problema, os desenvolvedores aplicaram uma abordagem combinada, cuja essência é o registro conjunto de um eletromiograma e um componente ativo de impedância elétrica de um sistema de eletrodo único. A miografia de impedância elétrica é baseada na medição das mudanças na impedância elétrica dos músculos que ocorrem durante as contrações musculares.
Uma corrente alternada de amplitude estável é fornecida aos eletrodos de sondagem, e a tensão é registrada a partir dos eletrodos de medição, que, após a separação da frequência dos canais, é convertida em EMG e na resistência ativa da área corporal, refletindo o processo de contração muscular mecânica. Foi estabelecido experimentalmente que a contração muscular leva a uma mudança proporcional na resistência ativa registrada na projeção desse músculo.
Prótese fabricada pela PJSC RSC Energia
Princípio da Operação
O resultado técnico, neste caso, é proporcionar a possibilidade de se obter um sinal de controle baseado no registro da contração muscular no tempo.
Nesse caso, tornou-se possível rastrear, registrar e transformar em sinal de controle "o próprio movimento do músculo" no tempo, enquanto os métodos conhecidos de remoção de biopotenciais de um músculo por meio de miossensores registram apenas o início da contração.
Para o controle, são utilizados dois sistemas de eletrodos, que se localizam no coto na projeção dos músculos antagonistas, assim como em uma prótese mioelétrica. Assim, a tecnologia protética estabelecida não é violada.
Um sinal de impedância elétrica é usado como um sinal eletrofisiológico.
A figura superior mostra o registro sincronizado de um sinal eletrofisiológico - impedância elétrica e um sinal de eletromiograma (EMG) de eletrodos localizados na superfície da pele acima do músculo flexor dos dedos ao realizar o movimento de "pegada". Os desenvolvedores da Universidade Técnica do Estado de Moscou conseguiram um sinal tão claro que possibilita a realização de movimentos antropomórficos.
Para implementar o método, os autores desenvolveram um diagrama de blocos do dispositivo mostrado acima, onde TE é um eletrodo de corrente, IE é um eletrodo de medição e MT é um transdutor de medição.
Os autores também desenvolveram sistemas de eletrodos, que são uma base (de borracha ou plástico), sobre a qual são fixados quatro eletrodos. Por meio desses eletrodos, a corrente é fornecida (eletrodos de corrente), e a tensão é medida como a diferença de potencial entre os eletrodos (eletrodos de potencial). Este método é implementado de acordo com o diagrama estrutural apresentado a seguir.
O sinal EMG é separado do sinal de impedância elétrica por um filtro passa-banda com uma largura de banda de 50 Hz a 400 Hz (filtro de canal EMG). O sinal de impedância elétrica modulado em amplitude é separado do sinal EMG por um filtro passa-banda com uma banda passante de 10 kHz a 1 MHz (filtro de canal de impedância) e detectado por um detector síncrono. Para operar o detector síncrono como uma frequência de referência de portadora, o microprocessador gera o mesmo sinal de referência que para a fonte de corrente correspondente. Após a amplificação adicional, ambos os canais são digitalizados por um conversor analógico-digital (ADC). É assim que um sinal de controle é recebido de um músculo.
Porém, para se obter um sinal de controle melhor e mais estável para um dispositivo técnico, deve-se utilizar o segundo canal do dispositivo, que, funcionando de forma semelhante, registra o sinal de impedância elétrica e o sinal EMG do segundo músculo - o músculo antagonista.
Para eliminar a influência mútua dos dois canais de impedância elétrica, é usada a separação de fase ou tempo dos canais.
Uma das opções possíveis de utilização do método proposto é um dispositivo para controle biônico de uma prótese de mão, que consiste em: dois sistemas de eletrodos tetrapolares; transdutor de medição de impedância de dois canais; unidade de processamento; unidade de controle e atuador - prótese de mão, conforme figura.
Essa abordagem sem alteração pode ser utilizada não só para controlar o membro superior, mas também o inferior.
Perspectivas adicionais
Uma outra direção de pesquisa nesta área é a implementação de movimentos antropomórficos complexos (por exemplo, agarrar e girar a mão simultaneamente). Ao mesmo tempo, o número de sistemas de eletrodos e a área de sua localização devem permanecer os mesmos para não atrapalhar a tecnologia protética estabelecida.