Magnetische sensoren bieden verhoogde precisie voor controle prosthetische ledematen

Voor mensen met prosthetische ledematen is een van de grootste uitdagingen het controleren van de prothese zodat hij op dezelfde manier beweegt als een natuurlijke ledemaat. Meeste prosthetische ledematen worden gecontroleerd met behulp van elektromyografie — een manier om elektrische activiteit van de spieren op te nemen — maar deze benadering biedt slechts beperkte controle van de prothese.

Onderzoekers hebben een alternatieve benadering ontwikkeld die veel meer nauwkeurige controle van prosthetische ledematen kan bieden. Na het invoegen van kleine magnetische kralen in spierweefsel binnen de geamputeerde rest, kunnen ze de lengte van een spier meten terwijl hij samentrekt en deze feedback kan binnen milliseconden aan een bionische prothese doorgegeven worden. De strategie, magnetomicrometrie (MM) genoemd, kan snelle en nauwkeurige spiermetingen leveren.

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

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

Voor controle van een prosthetische ledemaat, kunnen deze metingen in een computermodel worden ingevoerd dat voorspelt waar de patiënt's fantasma-ledemaat in de ruimte zou zijn, gebaseerd op de samentrekkingen van de overgebleven spier. Deze strategie zou het prosthetische apparaat sturen om te bewegen zoals de patiënt wil, overeenkomend met het mentale plaatje dat ze van hun ledemaatpositie hebben. Door wiskundige modellering van de gehele ledemaat, kunnen de onderzoekers doelposities en snelheden van de prosthetische gewrichten berekenen die gecontroleerd moeten worden, en dan kan een eenvoudige robotcontroller die gewrichten controleren.

De onderzoekers verasten dat de sensoren gebruikt om de prosthetische ledematen te controleren, op kleding geplaatst kunnen worden, aan het oppervlak van de huid bevestigd, of aan de buitenkant van een prothese bevestigd.

MM kan ook gebruikt worden om de spiercontrole te verbeteren die bereikt wordt met een techniek genaamd functionele elektrische stimulatie, die nu gebruikt wordt om mobiliteit te herstellen bij mensen met ruggenmergletsels. Een ander mogelijk gebruik voor dit soort magnetische controle zou zijn om robotische exoskeletten te sturen, die aan een enkel of een ander gewricht bevestigd kunnen worden om mensen te helpen die een beroerte hebben geleden of andere soorten spierzwakte hebben ontwikkeld.

Essentieel fungeren de magneten en het exoskelet als een kunstmatige spier die de uitvoer van de biologische spieren in de beroerte-gestoorde ledemaat versterkt. Een ander voordeel van de MM-benadering is dat het minimaal invasief is. Eenmaal in de spier geïnsereerd, kunnen de kralen voor een levensduur op hun plek blijven zonder vervangen te hoeven worden.