Magneten verbeteren de controle over prothetische ledematen

Voor mensen met prothetische ledematen is een van de grootste uitdagingen het controleren van de prothese zodat deze op dezelfde manier beweegt als een natuurlijk ledemaat. De meeste prothetische ledematen worden aangestuurd met behulp van elektromyografie - een manier om elektrische activiteit van de spieren vast te leggen - maar deze benadering biedt slechts beperkte controle over de prothese.

Onderzoekers ontwikkelden een alternatieve benadering die een veel nauwkeurigere controle van prothetische ledematen zou kunnen bieden. Na het inbrengen van kleine magnetische bolletjes in spierweefsel binnen het geamputeerde residu, kunnen ze nauwkeurig de lengte van een spier meten terwijl deze samentrekt en deze feedback kan binnen milliseconden worden doorgegeven aan een bionische prothese. De strategie, magnetomicrometrie (MM) genaamd, kan snelle en nauwkeurige spiermetingen opleveren.

Met bestaande prothetische apparaten worden elektrische metingen van de spieren van een persoon verkregen met behulp van elektroden die ofwel aan het huidoppervlak kunnen worden bevestigd of chirurgisch in de spier kunnen worden geïmplanteerd. De laatste procedure is zeer invasief en kostbaar, maar biedt enigszins nauwkeurigere metingen. In beide gevallen biedt elektromyografie (EMG) alleen informatie over de elektrische activiteit van de spieren, niet over hun lengte of snelheid.

De nieuwe strategie is gebaseerd op het idee dat als sensoren zouden kunnen meten wat spieren doen, die metingen een nauwkeurigere controle van een prothese zouden bieden. Om dat te bereiken, plaatsten de onderzoekers paren magneten in spieren. Door te meten hoe de magneten ten opzichte van elkaar bewegen, kunnen ze berekenen hoeveel de spieren samentrekken en hoe snel ze samentrekken.

Voor de controle van een prothetisch ledemaat zouden deze metingen kunnen worden ingevoerd in een computermodel dat voorspelt waar het fantoomledemaat van de patiënt zich in de ruimte zou bevinden, op basis van de samentrekkingen van de resterende spier. Deze strategie zou ervoor zorgen dat het prothetische apparaat beweegt zoals de patiënt het wil, passend bij het mentale beeld dat ze hebben van hun ledemaatpositie. Door middel van wiskundige modellering van het hele ledemaat kunnen de onderzoekers doelposities en snelheden van de te besturen prothesegewrichten berekenen en vervolgens kan een eenvoudige robotbesturing die gewrichten besturen.

De onderzoekers stellen zich voor dat de sensoren die worden gebruikt om de prothetische ledematen te controleren, op kleding kunnen worden geplaatst, aan het huidoppervlak of aan de buitenkant van een prothese kunnen worden bevestigd.

MM kan ook worden gebruikt om de spiercontrole te verbeteren die wordt bereikt met een techniek die functionele elektrische stimulatie wordt genoemd en die nu wordt gebruikt om de mobiliteit van mensen met ruggenmergletsel te helpen herstellen. Een ander mogelijk gebruik voor dit soort magnetische besturing is het geleiden van robotachtige exoskeletten, die aan een enkel of een ander gewricht kunnen worden bevestigd om mensen te helpen die een beroerte hebben gehad of andere vormen van spierzwakte hebben ontwikkeld.

In wezen werken de magneten en het exoskelet als een kunstmatige spier die de output van de biologische spieren in het ledemaat met een beroerte zal versterken. Een ander voordeel van de MM-aanpak is dat deze minimaal invasief is. Als de kralen eenmaal in de spier zijn ingebracht, kunnen ze een leven lang op hun plaats blijven zonder dat ze hoeven te worden vervangen.