Естественные движения и стабильность, улучшенные роботизированными протезами лодыжек.

Согласно новому исследованию Университета штата Северная Каролина и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, роботизированные протезы лодыжки, управляемые нервными импульсами, позволяют людям с ампутированными конечностями двигаться более «естественно», улучшая их стабильность.

«Эта работа была сосредоточена на «позном контроле», который на удивление сложен», — говорит Хелен Хуанг, автор исследования и заслуженный профессор семьи Джексонов на объединенном факультете биомедицинской инженерии в штатах Северная Каролина и Университете Северной Каролины.

«По сути, когда мы стоим на месте, наши тела постоянно приспосабливаются, чтобы сохранять устойчивость. Например, если кто-то врезается в нас, когда мы стоим в очереди, наши ноги совершают широкий диапазон движений, которые мы бы не сделали. «Мы работаем с людьми, которые стоят на месте». Им ампутируют нижние конечности, и они говорят нам, что добиться такой стабильности с помощью протезов очень сложно. Это исследование показывает, что роботизированные протезы лодыжек контролируются с помощью электромиографии (ЭМГ). ) сигналы исключительно хороши, позволяя пользователям достичь этой естественной стабильности». Сигналы ЭМГ — это электрические сигналы, записанные от мышц человека.

Новое исследование основано на Предыдущая работаЭто продемонстрировало, что нейронный контроль механизированного протеза лодыжки может восстановить ряд способностей, включая стояние на сложных поверхностях и приседание.

В этом исследовании исследователи работали с пятью людьми, перенесшими ампутацию одной ноги ниже колена. Участникам исследования был предоставлен прототип роботизированного протеза лодыжки, который реагировал на сигналы ЭМГ, улавливаемые датчиками на ноге.

«По сути, датчики размещаются над мышцами в месте ампутации», — говорит Аарон Флеминг, соавтор исследования и недавний доктор философии. Он окончил штат Северная Каролина. «Когда участник исследования думает о перемещении ампутированной конечности, он посылает электрические сигналы через оставшиеся мышцы нижней конечности. Датчики улавливают эти сигналы через кожу и преобразуют их в команды для протезного устройства».

Исследователи провели общее обучение участников исследования использованию прототипа устройства, чтобы они в некоторой степени ознакомились с технологией.

Затем участникам исследования было поручено отреагировать на «ожидаемое возмущение», то есть они должны были отреагировать на что-то, что могло вывести их из равновесия. В повседневной жизни это может быть что-то вроде ловли мяча или покупки продуктов. Однако, чтобы точно воспроизвести условия в ходе исследования, исследователи разработали механическую систему, призванную бросить вызов стабильности участников.

Участников исследования попросили отреагировать на ожидаемое возмущение при двух условиях: использовать протезы, которые они обычно используют; И использование прототипа роботизированного протезирования.

«Мы обнаружили, что участники исследования были значительно более стабильны при использовании автоматизированного прототипа», — говорит Флеминг. «У них было меньше шансов споткнуться или упасть».

«В частности, роботизированная модель позволила участникам исследования изменить свою стратегию контроля позы», — говорит Хуанг. «Для людей с неповрежденными нижними конечностями постуральная стабильность начинается с лодыжки. Людям, потерявшим нижние конечности, обычно приходится компенсировать неспособность контролировать лодыжку. Мы обнаружили, что использование роботизированной лодыжки, реагирующей на сигналы ЭМГ, позволяет пользователям вернуться к своей инстинктивной реакции, чтобы поддерживать стабильность работы».

В отдельной части исследования исследователи просили участников исследования покачиваться вперед и назад при использовании естественного протеза и при использовании протезной модели робота. Участники исследования были оснащены датчиками, предназначенными для измерения мышечной активности во всей нижней части тела.

«Мы обнаружили, что структура мышечной активности в нижней части тела сильно различалась, когда люди использовали два разных протеза», — говорит Хуанг. «По сути, паттерны активации мышц при использовании прототипа протеза были очень похожи на паттерны, которые мы наблюдаем у людей, полностью использующих две неповрежденные нижние конечности. Это говорит нам о том, что разработанный нами прототип достаточно точно имитирует поведение тела, чтобы позволить «нормальному» «людям это сделать». Возвращение нейронных паттернов. Это важно, поскольку указывает на то, что технология будет достаточно интуитивно понятной для пользователей.

«Мы считаем, что это клинически важное открытие, поскольку стабильность позы является важной проблемой для людей, использующих протезы. Сейчас мы проводим более масштабное исследование с большим количеством людей, чтобы прояснить эффекты этой технологии и выявить людей, которые могут получить наибольшую пользу. ».

Статья об исследовании под названием «Нейропротезный контроль восстанавливает почти нормативную нейромеханику при постуральном контроле стоя» будет опубликована 18 октября в журнале Science Robotics. Соавтором этой статьи является Вэньтао Лю, доктор философии. Студент Объединенного факультета биомедицинской инженерии. Работа выполнена при поддержке Национальных институтов здравоохранения по грантам F31HD101285 и R01HD110519; и от Национального научного фонда по гранту № 1954587.