Hay tres tipos de prótesis.
- Las prótesis mioeléctricas son prótesis controladas por señales generadas por la contracción muscular. Estas contracciones se leen mediante sensores electromiográficos (EMG). También puede encontrar otro nombre para las prótesis mioeléctricas: biónicas o bioeléctricas con una fuente de energía externa.
- Las prótesis cosméticas son prótesis incontrolables que realizan solo una función decorativa.
- Prótesis de tracción: prótesis en las que el control se realiza mediante varillas y están completamente controladas por los esfuerzos de la propia persona sin ningún tipo de electrónica. Dichas prótesis permiten que la mano artificial se comprima debido a la tracción mecánica del hombro opuesto (estiramiento - debilitamiento del cable).
En la actualidad, en Rusia, hasta 7 mil pacientes son anualmente protésicos con prótesis de miembros superiores. Básicamente, se trata de prótesis cosméticas o de tracción con la función más sencilla de agarrar la mano. En el extranjero, la proporción de prótesis mioeléctricas, en las que los potenciales eléctricos de los músculos antagonistas son la fuente de las señales de control, es del 50%, en nuestro país es solo del 2-3%.
Los antagonistas de los músculos son dos músculos (o dos grupos de músculos) de una articulación que, cuando se contraen, tiran en direcciones opuestas. La flexión del antebrazo se realiza mediante el músculo bíceps del hombro y la extensión del antebrazo se realiza mediante el músculo tríceps del hombro. Estos dos músculos son músculos antagónicos porque tiran en direcciones opuestas en relación con la articulación del codo. Un músculo (bíceps braquial) es responsable de la flexión y el otro (tríceps braquial) es responsable de la extensión.
Las prótesis biónicas no han ganado popularidad en Rusia, ya que son muy caras. Además, visualmente, dicho dispositivo es una colección de conexiones y cables metálicos, mientras que los procesos cosméticos repiten casi exactamente la imagen de una mano humana. Además, no hay muchos especialistas en el país que puedan ajustar adecuadamente este tipo de prótesis: hacer las impresiones necesarias, colocar sensores.
También hay que tener en cuenta que las posibilidades de control mioeléctrico de la prótesis están limitadas por el nivel de amputación, es decir. el número de músculos funcionales restantes. Para la rehabilitación de pacientes con amputación de brazo por encima del codo, el uso del control mioeléctrico no es práctico. En tales casos, se utilizan neuroprótesis (interfaz cerebro-computadora) o tecnología Target Muscle Reinnervation (TMR). El método TMR consiste en que los nervios que antes eran responsables de las acciones funcionales del brazo son llevados a otros músculos conservados tras la amputación, y desde ellos sensores sensoriales reciben la señal y la envían al procesador que controla los motores eléctricos que Ponga la prótesis en movimiento.
Cómo funcionan las dentaduras postizas
Al desarrollar dispositivos biotécnicos bio o neurocontrolados, en primer lugar, es necesario determinar el método para obtener información sobre el movimiento que se realiza. En los medios biotécnicos modernos como los sistemas de interacción humano-ordenador (Human Computer Interaction - HCI), se utilizan bioseñales: electroencefalogramas (EEG), electromiogramas (EMG), electroneurogramas (ENG), electrooculogramas (EOG).
El más extendido es el uso de un electromiograma.
Son las prótesis mioeléctricas las que permiten controlar diversos movimientos funcionales. Por ejemplo, en las prótesis de antebrazo comerciales modernas, el paciente puede controlar dos movimientos (agarre y rotación) y controlar la velocidad de su ejecución. Sin embargo, incluso estos sencillos movimientos necesitan ser aprendidos, para ello se ha desarrollado un programa de ocho lecciones, donde estudian “su nuevo cuerpo” e intentan utilizarlo.
El inicio de la contracción muscular se inicia por impulsos eléctricos en los troncos nerviosos que ingresan a las fibras musculares. Estos impulsos despolarizan la membrana de las células musculares, como resultado de lo cual se crea un potencial de acción en las fibras musculares, que se extiende rápidamente a lo largo de la fibra nerviosa y conduce a su contracción. Además, la reducción solo se inicia con este potencial de acción, y el proceso de reducción en sí es mucho más largo. Usando electrodos de aguja (invasivos) o de superficie, es posible registrar la suma de los potenciales de acción de todas las células involucradas en el proceso.
Para realizar la función "agarrar-abrir", es necesario doblar y desenrollar la mano. Es decir, el control de la prótesis no es natural (antropomórfico) y será necesaria una formación adicional del paciente, lo que lleva semanas. El actuador se mueve "de borde a borde" sin posiciones intermedias; esto se debe al hecho de que la señal EMG no refleja los parámetros mecánicos de la contracción muscular. Lo único que el paciente puede controlar es controlar proporcionalmente la velocidad del movimiento.
Falta de métodos existentes
La desventaja de todos los métodos conocidos de control electromiográfico de prótesis es que se superponen señales de despolarización de músculos estimulados simultáneamente, por lo que es extremadamente difícil recibir una señal EMG sobre la actividad de un músculo en particular. Además, la influencia del ruido de diafonía (interferencia) de los músculos adyacentes aumenta al aumentar la distancia entre los electrodos de medición.
El cambio entre los dos movimientos se realiza de forma mecánica o con un interruptor oculto. Si hay muchas funciones: codificación especial en código Morse o etiquetas RFID, pegadas en todo el apartamento.
La tarea global a la que se enfrentan los científicos de todo el mundo es lograr una clasificación cruzada, es decir, proporcionan la capacidad de agarrar / abrir y girar simultáneamente sin conmutación auxiliar.
El equipo de desarrollo del departamento de "Técnica biomédica" BMT-2 de la Universidad Técnica Estatal de Moscú tenía la misma tarea: implementar el control de dos movimientos (agarre y rotación de la mano), pero al mismo tiempo lograr no solo la proporcionalidad de control, sino para preservar el antropomorfismo de estos movimientos. El antropomorfismo se entiende como la ejecución de precisamente aquellos movimientos en los que el paciente piensa en tiempo real. Los científicos de Bauman participan en esta tarea: empleados del departamento BMT-2.
Desarrollo y sus características
El objetivo técnico de la presente invención es brindar la posibilidad de obtener una señal estable y de alta calidad, que al ser controlada por un dispositivo técnico, permita realizar acciones de control proporcionales al grado de contracción muscular con un retraso de no más de 120 ms.
Para resolver este problema, los desarrolladores aplicaron un enfoque combinado, cuya esencia es el registro conjunto de un electromiograma y un componente activo de impedancia eléctrica de un sistema de un solo electrodo. La miografía de impedancia eléctrica se basa en la medición de los cambios en la impedancia eléctrica de los músculos que se producen durante las contracciones musculares.
Se suministra una corriente alterna de amplitud estable a los electrodos de sondeo y se registra el voltaje de los electrodos de medición, que, después de la separación de frecuencia de los canales, se convierte en EMG y la resistencia activa del área del cuerpo, reflejando el proceso Contracción muscular mecánica. Se ha establecido experimentalmente que la contracción muscular conduce a un cambio proporcional en la resistencia activa registrada en la proyección de este músculo.
Prótesis fabricada por PJSC RSC Energia
Principio de funcionamiento
El resultado técnico en este caso es brindar la posibilidad de obtener una señal de control basada en el registro de la contracción muscular en el tiempo.
En este caso, fue posible rastrear, registrar y convertir en una señal de control "el movimiento mismo del músculo" en el tiempo, mientras que los métodos conocidos para eliminar biopotenciales de un músculo usando mio-sensores solo registran el comienzo de la contracción.
Para el control se utilizan dos sistemas de electrodos, que se ubican en el muñón en la proyección de los músculos antagonistas, al igual que en una prótesis mioeléctrica. Por lo tanto, no se viola la tecnología protésica establecida.
Se utiliza una señal de impedancia eléctrica como señal electrofisiológica.
La figura superior muestra el registro sincrónico de una señal electrofisiológica - impedancia eléctrica y una señal de electromiograma (EMG) de electrodos ubicados en la superficie de la piel sobre el músculo flexor de los dedos al realizar el movimiento de "agarre manual". Los desarrolladores de la Universidad Técnica Estatal de Moscú lograron lograr una señal tan clara que permite lograr la posibilidad de realizar movimientos antropomórficos.
Para implementar el método, los autores han desarrollado un diagrama de bloques del dispositivo que se muestra arriba, donde TE es un electrodo de corriente, IE es un electrodo de medición y MT es un transductor de medición.
Los autores también desarrollaron sistemas de electrodos, que son una base (hecha de goma o plástico), sobre la que se fijan cuatro electrodos. A través de estos electrodos, se suministra corriente (electrodos de corriente) y el voltaje se mide como la diferencia de potencial entre los electrodos (electrodos de potencial). Este método se implementa de acuerdo con el diagrama estructural que se presenta a continuación.
La señal EMG está separada de la señal de impedancia eléctrica por un filtro de paso de banda con un ancho de banda de 50 Hz a 400 Hz (filtro de canal EMG). La señal de impedancia eléctrica modulada en amplitud se separa de la señal EMG mediante un filtro de paso de banda con una banda de paso de 10 kHz a 1 MHz (filtro de canal de impedancia) y se detecta mediante un detector síncrono. Para operar el detector síncrono como frecuencia portadora de referencia, el microprocesador genera la misma señal de referencia que para la fuente de corriente correspondiente. Después de una amplificación adicional, ambos canales se digitalizan mediante un convertidor de analógico a digital (ADC). Así es como se recibe una señal de control de un músculo.
Sin embargo, para obtener una señal de control mejor y más estable para un dispositivo técnico, se debe utilizar el segundo canal del dispositivo, que, trabajando de manera similar, registra la señal de impedancia eléctrica y la señal EMG del segundo músculo - el músculo antagonista.
Para eliminar la influencia mutua de los dos canales de impedancia eléctrica, se utiliza la separación de fase o tiempo de los canales.
Una de las posibles opciones para utilizar el método propuesto es un dispositivo para el control biónico de una prótesis de mano, que consta de: dos sistemas de electrodos tetrapolares; transductor de medida de impedancia de dos canales; unidad de procesamiento; unidad de control y actuador - prótesis de mano, como se muestra en la figura.
Este abordaje sin alteración puede usarse no solo para controlar el miembro superior, sino también el inferior.
Perspectivas adicionales
Otra dirección de la investigación en esta área es la implementación de movimientos antropomórficos complejos (por ejemplo, agarre y rotación simultáneos de la mano). Al mismo tiempo, el número de sistemas de electrodos y el área de su ubicación deben seguir siendo los mismos para no interrumpir la tecnología protésica establecida.