В новой паре работ исследователи продемонстрировали точность и безопасность своей системы на основе магнитов, которая может отслеживать длину мышц во время движения. Исследования, проведенные на животных, дают надежду на то, что эта стратегия может быть использована, чтобы помочь людям с протезами управлять ими таким образом, чтобы они более точно имитировали естественные движения конечностей.

"Эти недавние результаты демонстрируют, что этот инструмент можно использовать вне лаборатории для отслеживания движения мышц во время естественной активности, и они также предполагают, что магнитные имплантаты стабильны и биосовместимы и что они не вызывают дискомфорта", - говорит Кэмерон Тейлор, научный сотрудник Массачусетского технологического института и соавтор обеих работ.

В одном из исследований исследователи показали, что они могут точно измерить длину икроножных мышц индеек, когда птицы бегают, прыгают и выполняют другие естественные движения. В другом исследовании они показали, что маленькие магнитные шарики, используемые для измерений, не вызывают воспаления или других побочных эффектов при имплантации в мышцу.

"Я очень взволнован клиническим потенциалом этой новой технологии для улучшения контроля и эффективности бионических конечностей у людей с потерей конечностей", - говорит Хью Герр, профессор медиа-искусств и наук, содиректор K. Центр бионики Лизы Янг Массачусетского технологического института и ассоциированный член Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института.

Герр является старшим автором обеих статей, которые сегодня публикуются в журнале Рубежи в биоинженерии и биотехнологии. Томас Робертс, профессор экологии, эволюции и биологии организмов в Университете Брауна, является старшим автором исследования измерений.

Отслеживание движения

В настоящее время протезирование конечностей с электроприводом обычно контролируется с помощью подхода, известного как поверхностная электромиография (ЭМГ). Электроды, прикрепленные к поверхности кожи или хирургически имплантированные в остаточную мышцу ампутированной конечности, измеряют электрические сигналы от мышц человека, которые подаются в протез, чтобы помочь ему двигаться так, как намеревается человек, носящий конечность.

Однако этот подход не учитывает никакой информации о длине или скорости мышц, которая могла бы помочь сделать движения протеза более точными.

Несколько лет назад команда Массачусетского технологического института начала работать над новым способом проведения такого рода измерений мышц, используя подход, который они называют магнитомикрометрией. Эта стратегия использует преимущества постоянных магнитных полей, окружающих маленькие шарики, имплантированные в мышцу. Используя датчик размером с кредитную карту, похожий на компас, прикрепленный к внешней стороне корпуса, их система может отслеживать расстояния между двумя магнитами. Когда мышца сокращается, магниты сближаются, а когда она сгибается, они отдаляются друг от друга.

В исследовании, опубликованном в прошлом году, исследователи показали, что эта система может быть использована для точного измерения небольших движений лодыжки, когда шарики были имплантированы в икроножные мышцы индеек. В одном из новых исследований исследователи задались целью выяснить, сможет ли система проводить точные измерения во время более естественных движений в условиях, не связанных с лабораторией.

Для этого они создали полосу препятствий с пандусами, по которым индюки могли взбираться, и ящиками, на которые они могли прыгать и с которых спрыгивали. Исследователи использовали свой магнитный датчик для отслеживания движений мышц во время этих занятий и обнаружили, что система может вычислять длину мышц менее чем за миллисекунду.

Они также сравнили свои данные с измерениями, проведенными с использованием более традиционного подхода, известного как флюоромикрометрия, разновидность рентгеновской технологии, которая требует гораздо большего оборудования, чем магнитомикрометрия. Результаты магнитомикрометрических измерений отличались от результатов флуоромикрометрии в среднем менее чем на миллиметр.

"Мы можем обеспечить функциональность отслеживания длины мышц рентгеновского оборудования комнатного размера, используя гораздо меньший портативный пакет, и мы можем собирать данные непрерывно вместо того, чтобы ограничиваться 10-секундными вспышками, которыми ограничена флюоромикрометрия", - говорит Тейлор.

Сон Хо Ен, аспирант Массачусетского технологического института, также является соавтором исследования измерений. Среди других авторов - сотрудник отдела поддержки исследований Массачусетского технологического института Эллен Кларриссимо и бывший постдок Университета Брауна Мэри Кейт О'Доннелл.

Биосовместимость

Во второй статье исследователи сосредоточились на биосовместимости имплантатов. Они обнаружили, что магниты не вызывают рубцевания тканей, воспаления или других вредных воздействий. Они также показали, что имплантированные магниты не изменяли походку индеек, предполагая, что они не вызывали дискомфорта. Уильям Кларк, постдок в университете Брауна, является соавтором исследования биосовместимости.

Исследователи также показали, что имплантаты оставались стабильными в течение восьми месяцев, продолжительности исследования, и не мигрировали навстречу друг другу, пока они были имплантированы на расстоянии не менее 3 сантиметров друг от друга. Исследователи предполагают, что шарики, состоящие из магнитного сердечника, покрытого золотом, и полимера под названием парилен, могут оставаться в ткани неопределенно долго после имплантации.

"Магниты не требуют внешнего источника питания, и после имплантации их в мышцу они могут поддерживать полную силу своего магнитного поля на протяжении всей жизни пациента", - говорит Тейлор.

В настоящее время исследователи планируют получить одобрение FDA для тестирования системы на людях с протезами конечностей. Они надеются использовать датчик для управления протезами аналогично тому, как сейчас используется поверхностная ЭМГ: измерения длины мышц будут подаваться в систему управления протезом, чтобы помочь направить его в положение, которое намеревается использовать владелец.

"Место, где эта технология удовлетворяет потребность, заключается в передаче этих длин мышц и скоростей носимому роботу, чтобы робот мог работать в тандеме с человеком", - говорит Тейлор. "Мы надеемся, что магнитомикрометрия позволит человеку управлять носимым роботом с тем же уровнем комфорта и той же легкостью, с какой кто-то управлял бы своей собственной конечностью".

В дополнение к протезам конечностей, эти носимые роботы могли бы включать роботизированные экзоскелеты, которые надеваются вне тела, чтобы помочь людям легче двигать ногами или руками.

Исследование финансировалось Фондом Салаха, Фондом К. Центр бионики Лизы Янг Массачусетского технологического института, консорциумы MIT Media Lab, Национальные институты здравоохранения и Национальный научный фонд.