Магнитни сензори проследяват дължината на мускула

изображение: малък подобен на мънисто магнит, използван по нов начин за измерване на мускулната позиция.
Мнение Повече ▼

Кредит: MIT

Кеймбридж, Масачузетс – Използвайки прост набор от магнити, изследователи от Масачузетския технологичен институт излязоха с усъвършенстван метод за наблюдение на мускулните движения, който се надяват да улесни хората с ампутирани крайници да контролират своите протези.

В нов чифт статии изследователите демонстрират точността и безопасността на тяхната базирана на магнит система, която може да проследява дължината на мускулите по време на движение. Проучванията върху животни дават надежда, че тази стратегия може да се използва, за да помогне на хората с протези да ги контролират по начин, който имитира по-точно естественото движение на крайниците.

„Тези най-нови резултати показват, че този инструмент може да се използва извън лабораторията за проследяване на движението на мускулите по време на нормална дейност и също така показват, че магнитните импланти са стабилни, биосъвместими и не причиняват дискомфорт“, казва Камерън Тейлър, MIT. Научен сътрудник и съавтор на двете статии.

В едно проучване изследователите показаха, че могат точно да измерят дължината на прасеца на пуйка, докато бягат, скачат и извършват други естествени движения. В другото проучване те показаха, че малките магнитни перли, използвани при измерванията, не причиняват възпаление или други неблагоприятни ефекти, когато се имплантират в мускула.

казва Хю Хер, професор по медийни изкуства и науки, съдиректор на Центъра за биоелектроника К. Янг в Масачузетския технологичен институт и асоцииран член на Института Макгавърн за изследване на мозъка на MIT.

Хеър е водещ автор и на двете статии, публикувани днес в списанието Граници в биоинженерството и биотехнологиите. Томас Робъртс, професор по екология, еволюция и биология на организмите в университета Браун, е водещ автор на изследването за мащабиране.

проследяване на движението

Понастоящем електрическите протези обикновено се контролират с помощта на подход, известен като електромиография (ЕМГ). Електроди, прикрепени към повърхността на кожата или хирургически имплантирани в останалия мускул на ампутирания крайник, измерват електрически сигнали от мускулите на човека, които се вмъкват в протезата, за да й помогнат да се движи по начина, по който лицето, носещо крайника, е възнамерявало.

Въпреки това, този подход не взема под внимание никаква информация за дължината или скоростта на мускулите, което може да помогне да се направят движенията на протезите по-точни.

Преди няколко години екипът на MIT започна да работи върху нов начин за извършване на тези видове мускулни измервания, използвайки подход, който те наричат ​​магнитометрия. Тази стратегия се възползва от постоянните магнитни полета, обграждащи малките перли, имплантирани в мускула. Използвайки сензор с размер на кредитна карта като компас, прикрепен към външната страна на тялото, тяхната система може да проследява разстоянията между двата магнита. Когато мускулът се свие, магнитите се приближават един до друг, а когато се огъва, те се раздалечават.

в проучване Изследователите, публикувани миналата година, показаха, че тази система може да се използва за точно измерване на малки движения на глезена, когато перлите се имплантират в мускулите на прасеца на пуйка. В едно ново проучване изследователите се заеха да видят дали системата може да прави точни измервания по време на естествени движения в нелабораторна среда.

За да направят това, те създадоха стръмна писта от препятствия, по които пуйките да се катерят, и кутии, от които да скачат и от които да слизат. Изследователите са използвали своя магнитен сензор за проследяване на движенията на мускулите по време на тези дейности и са открили, че системата може да изчисли дължината на мускулите за по-малко от милисекунда.

Те също така сравняват своите данни с измервания, направени с помощта на по-традиционен подход, известен като флуорометрия, вид рентгенова техника, която изисква много по-голямо оборудване от магнитометрията. Точните магнитни измервания се различават от тези от флуоресцентната микроскопия средно с по-малко от милиметър.

„Ние сме в състояние да осигурим функционалност за проследяване на мускулната дължина на рентгеново оборудване с размер на стая, използвайки много по-малък преносим лъч, и сме в състояние да събираме данни непрекъснато, вместо да се ограничаваме до 10-секундни изблици, до които е ограничено измерването на флуоромикроита,“ Тейлър казва.

Seong Ho Yeon, завършил студент в Масачузетския технологичен институт, също е съавтор на изследването за измерване. Други автори включват Илейн Кларисимо, сътрудник в подкрепа на изследванията в MIT, и бивш постдокторант в университета Браун, Мери-Кейт О’Донъл.

биосъвместимост

Във втората статия изследователите се фокусираха върху биосъвместимостта на имплантите. Те установиха, че магнитите не предизвикват белези, възпаления или други вредни ефекти. Те също така показаха, че имплантираните магнити не променят походката на пуйките, което показва, че не причиняват никакъв дискомфорт. Уилям Кларк, постдокторант в университета Браун, е съавтор на изследването за биосъвместимост.

Изследователите също показаха, че имплантите остават стабилни в продължение на осем месеца, продължителността на изследването, и не мигрират един към друг, стига да са имплантирани на поне 3 сантиметра един от друг. Изследователите предвиждат, че мънистата, които се състоят от позлатено магнитно ядро ​​и полимер, наречен Парилен, могат да останат в тъканите за неопределено време, след като бъдат имплантирани.

„Магнитите не изискват външен източник на енергия и след като бъдат имплантирани в мускула, те могат да поддържат пълната сила на своето магнитно поле през целия живот на пациента“, казва Тейлър.

Сега изследователите планират да получат одобрение от Американската администрация по храните и лекарствата, за да тестват системата върху хора с протези. Те се надяват да използват сензора, за да контролират протезата, подобно на начина, по който сега се използва повърхностната ЕМГ: измерванията на дължината на мускулите ще бъдат въведени в контролната система на протезата, за да я насочат към позицията, която носещият възнамерява.

„Когато тази технология удовлетворява необходимостта, е да съобщи дължини и скорости на мускулите на носим робот, така че роботът да може да работи по начин, който работи в тандем с човек“, казва Тейлър. „Надяваме се, че електромагнитното измерване ще даде възможност на човек да управлява носим робот със същото ниво на комфорт и лекота, както някой, който контролира крайниците си.“

В допълнение към протезите, тези носими роботи могат да включват роботизирани екзоскелети, които се носят извън тялото, за да помогнат на хората да движат краката или ръцете си по-лесно.

###

Изследването е финансирано от Фондация Салах, Центъра за електроника K Lisa Yang в Масачузетския технологичен институт, Консорциума на MIT Media Lab, Националния институт по здравеопазване и Националната научна фондация.