Sinne och magnet

Människor som använder proteser efter en amputation kämpar ofta för att få dem att röra sig naturligt. Nu erbjuder en ny teknik baserad på små magneter potentialen för mycket mer exakt och intuitiv kontroll.

Idag kontrolleras de flesta proteser via elektromyografi (EMG), som använder elektroder – antingen implanterade kirurgiskt eller placerade på huden – för att registrera elektriska signaler från hjärnan som säger åt musklerna i den kvarvarande extremiteten att dra ihop sig. Men detta fångar inte vad muskeln faktiskt gör. Magnetomikografi (MM), det experimentella alternativet som utvecklats av forskare i Hugh Herrs mekatronikgrupp vid MIT Media Lab, förlitar sig istället på par av magnetiska pärlor inbäddade i vävnaden. Genom att mäta hur magneterna rör sig i förhållande till varandra kan forskarna beräkna exakt hur mycket och hur snabbt musklerna drar ihop sig. Denna feedback kan vidarebefordras till protesen med kort fördröjningstid.

Par av magneter används för att beräkna hur musklerna i en amputerads kvarvarande lem rör sig, med feedback vidarebefordrad till en protes på millisekunder.

MED TILLSTÅND AV FORSKARNA

Mätningarna kan sedan matas in i en datormodell som förutsäger var patientens fantomlem skulle vara i rymden, baserat på muskelns sammandragningar. En patient skulle kunna styra enheten att röra sig som önskat, med resultaten som matchar en mental bild av extremitetspositionen.

Med magnetomikrometri mäter vi direkt muskelns längd och hastighet, säger Herr. Genom matematisk modellering av hela lemmen kan vi beräkna målpositioner och hastigheter för de protesleder som ska kontrolleras, och sedan kan en enkel robotstyrning styra dessa leder.

I en nyligen publicerad artikel om arbetet, som använde tre-millimeters magnetiska pärlor som satts in i vadmusklerna på kalkoner, fann forskarna att de kunde använda magnetiska sensorer placerade på utsidan av benen för att bestämma magneternas position med en precision på 37 mikron (ungefär samma bredd som ett människohår) när de flyttade kalkonernas fotleder. Dessa mätningar kunde erhållas inom tre millisekunder.

Inom de närmaste åren hoppas forskarna kunna göra en liten studie på människor med amputationer under knät. Sensorerna som används för att kontrollera den bioniska lemmen kan placeras på kläder, fästas på huden eller fästas på utsidan av protesen.

MM kan också användas för att förbättra muskelkontrollen som uppnås med en teknik som kallas funktionell elektrisk stimulering, som nu används för att återställa rörligheten hos personer med ryggmärgsskada. Och det kan potentiellt styra robotexoskelett, som kan fästas på en fotled eller en annan led för att hjälpa människor med muskelsvaghet som ett resultat av en stroke eller något annat hälsoproblem.

I grund och botten fungerar magneterna och exoskelettet som en konstgjord muskel som kommer att förstärka produktionen av de biologiska musklerna i den stroke-skadade extremiteten, säger Herr. Det är som servostyrningen som används i bilar.

Vår förhoppning är att MM kommer att ersätta elektromyografi som det dominerande sättet att koppla det perifera nervsystemet till bioniska lemmar, säger Herr. Han tillägger att när de väl har satts in i muskeln kan pärlorna sitta kvar på plats under en livstid utan att behöva bytas ut.

Dölj