Очень важно обеспечивать обратную связь посредством точного отслеживания движения и угла наклона мышц, связанных с протезами конечностей, в системах, разработанных для обеспечения определенного уровня контроля со стороны пользователя. Ключевыми параметрами, которые необходимо измерить, являются длина мышцы и скорость сокращения, которые в идеале должны отслеживаться в режиме, близком к реальному времени с обновлениями в десятки миллисекунд и с субмиллиметровым разрешением, чтобы быть полезными для рефлексивного управления этими протезами и экзоскелетами. .

Среди используемых методов - механическое зондирование, измерение химических сигналов мышц, имплантируемые миоэлектрические датчики, а также внутренние электрические сигналы и электрические сигналы поверхности кожи. Однако у каждого из них есть ограничения по производительности или установке.

Теперь команда из Массачусетского технологического института и Гарвардской медицинской школы продемонстрировала отслеживание длины мышц в реальном времени с помощью крошечных имплантированных магнитных шариков и внешнего беспроводного измерения их полей для определения относительного положения, необходимого для критической обратной связи (рис. 1) . Техника, которую они назвали «магнитомикрометрия» (или просто «ММ»), использует относительное положение имплантированных магнитных шариков, чтобы обеспечить непрерывное отслеживание изменений длины мышечной ткани.

1. Управление роботизированным протезом в свободном пространстве с помощью магнитомикрометрии мышц. Пассивные магнитные шарики (желтые), имплантированные в мышцу, можно использовать для беспроводного отслеживания длины мышцы с помощью массива датчиков магнитного поля (синий), установленных снаружи тела.  Выделенная здесь пара магнитных шариков помещается в одну мышцу в соответствии с ориентацией мышечных волокон.  Данные о длине мышц могут передаваться в блок управления, который, в свою очередь, может использоваться для потоковой передачи команд на нейропротезные устройства, такие как экзоскелеты, стимуляторы мышц или показанная здесь рука робота.
1. Управление роботизированным протезом в свободном пространстве с помощью магнитомикрометрии мышц. Пассивные магнитные шарики (желтые), имплантированные в мышцу, можно использовать для беспроводного отслеживания длины мышцы с помощью массива датчиков магнитного поля (синий), установленных снаружи тела. Выделенная здесь пара магнитных шариков помещается в одну мышцу в соответствии с ориентацией мышечных волокон. Данные о длине мышц могут передаваться в блок управления, который, в свою очередь, может использоваться для потоковой передачи команд на нейропротезные устройства, такие как экзоскелеты, стимуляторы мышц или показанная здесь рука робота.

 

Реализация
Магнитные шарики (покрытые париленом для биосовместимости) имеют диаметр всего 3 мм и вставлены на расстоянии не менее 3 см друг от друга - если они находятся ближе, чем это значение, магниты имеют тенденцию перемещаться друг к другу. Используя массив магнитных датчиков, размещенных на внешней стороне ног, исследователи обнаружили, что они могут определять положение магнитов с точностью до 37 мкм, когда они перемещают сустав, и делают это в течение 3 мс.

(Примечание: этот метод измеряет расстояние между двумя магнитными шариками, имплантированными в ткань. Таким образом, размещение магнитных шариков будет влиять на то, будет ли это расстояние использоваться в качестве прокси для общей длины мышцы, длины отдельного волокна или какой-либо другой комбинации мышц. факторы.)

Чтобы почувствовать имплантированные магниты, они построили специальные магниточувствительные матрицы. Как и ожидалось, размер и плотность массива, наряду с силой имплантированных магнитов, влияют на точность отслеживания с компромиссом между размером имплантата и точностью отслеживания.

Команда остановилась на отслеживающем массиве из 96 датчиков, чтобы минимизировать размер имплантата при сохранении приемлемой точности отслеживания, используя датчики магнитного поля LIS3MDL ( STMicroelectronics ) в сетке 6 × 8 с расстоянием между датчиками 4,83 мм. Чтобы охватить всю длину всех мышц, они построили этот массив в виде двух независимых печатных плат, прикрепленных друг к другу с помощью напечатанного на 3D-принтере приспособления и пластиковых винтов (рис. 2) .

2. Массив чувствительности магнитного поля: два 6 & times;  8 сеток датчиков магнитного поля с датчиками с шагом 4,83 мм были специально разработаны и скреплены вместе с помощью напечатанного на 3D-принтере приспособления и нейлоновых гаек и болтов.
2. Матрица датчиков магнитного поля: две сетки датчиков магнитного поля 6 × 8 с датчиками с шагом 4,83 мм были специально разработаны и скреплены вместе с помощью напечатанного на 3D-принтере приспособления и нейлоновых гаек и болтов.


Тестирование и оценка имеют решающее значение для проверки правильности подхода. Их проект вышел за рамки «стендовых» испытаний точности базового датчика. Они протестировали свою систему in vivo на ноге анестезированной индейки в дополнение к исследованию биосовместимости и долговременной стабильности имплантата. Для перекрестной проверки точности схемы зондирования они также установили систему рентгеновской рентгеноскопии и провели одновременные измерения рентгеновских лучей и магнитных шариков (рис. 3) . Результаты очень хорошо согласуются Возможности применения
ММ можно использовать для улучшения мышечного контроля, достигаемого с помощью техники, называемой функциональной электрической стимуляцией, которая теперь используется для восстановления подвижности у людей с травмами спинного мозга. Еще одно возможное применение этого типа магнитного управления - управление экзоскелетами роботов - их можно прикрепить к лодыжке или другому суставу, чтобы помочь людям, перенесшим инсульт или развившим другие виды мышечной слабости.

«С помощью магнитомикрометрии мы напрямую измеряем длину и скорость мышц», - сказал Хью Херр, профессор медиаискусств и наук, руководитель группы биомехатроники в Media Lab и старший автор их статьи. «Посредством математического моделирования всей конечности мы можем вычислить целевые положения и скорости протезных суставов, которыми нужно управлять, а затем простой роботизированный контроллер может управлять этими суставами».

Для контроля протеза конечности эти измерения могут быть введены в компьютерную модель, которая предсказывает, где будет фантомная конечность пациента в пространстве, на основе сокращений оставшейся мышцы. Эта стратегия будет направлять протезное устройство так, как этого хочет пациент, в соответствии с мысленной картиной положения конечностей, которую он имеет. Еще одно преимущество метода ММ в том, что он малоинвазивен. После введения в мышцу бусинки могут оставаться на месте в течение всей жизни без необходимости замены.


Подробности исследования находятся в их статье с однословным названием « Магнитомикрометрия » (что очень необычно), опубликованной в AAAS Science Robotics . Несмотря на то, что он находится за платным доступом, студенческий предварительный оттиск статьи, также содержащий дополнительные материалы с уравнениями, относящимися к магнитным полям, затуханию, источникам шума и ошибок и другим аналитическим соображениям, к счастью, доступен здесь . Кроме того, они также создали это интересное двухминутное видео: