گامی بزرگ در توسعه پروتزهای کنترل شونده با ذهن

پژوهشگران دانشگاه میشیگان به پیشرفتی بزرگ در توسعه پروتزهای کنترل شونده توسط ذهن دست یافتند. آنها سیگنال‌های ضعیف عصب بازو را ضبط و تقویت کردند تا بتوانند در لحظه انگشتان دست رباتیک را کنترل کنند. پژوهشگران برای دستیابی به این هدف راهی برای مهار انتهای عصب‌ها، جدا کردن دسته‌های عصبی ضخیم و تبدیل آنها به رشته‌های کوچکتر توسعه دادند که کنترل دقیق‌تری دارند. آنها همچنین سیگنال‌های موجود در عصب‌ها را تقویت می‌کنند. این رویکرد شامل پیوندهای عضلانی کوچک و الگوریتم‌های یادگیری ماشین است که از زمینه رابط مغز و ماشین وام گرفته شده است. با مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

جو همیلتون، یکی از شرکت کنندگان پژوهش RPNI دانشگاه میشیگان که به طور طبیعی از ذهن خود برای کنترل یک پروتز دست  و برداشتن یک بلوک کوچک استفاده می‌کند. اعتبار:  Evan Dougherty/University of Michigan Engineering

Paul Cederna پروفسور جراحی پلاستیک در دانشکده پزشکی دانشگاه میشیگان و همچنین استاد مهندسی زیست پزشکی معتقد است: «این بزرگترین پیشرفت در کنترل حرکتی برای افراد مبتلا به قطع عضو است. ما روشی ارائه دادیم تا بتوان با استفاده از اعصاب موجود در اندام باقیمانده بیمار، انگشتان دستگاه پروتز را به طور مجزا کنترل کنیم. با این روش ما توانسته‌ایم پیشرفته‌ترین پروتز کنترل شده جهان را توسعه دهیم».

Cederna این پژوهش را با Cindy Chestek، دانشیار مهندسی زیست پزشکی در کالج مهندسی دانشگاه میشیگان رهبری می‌کند. در مقاله‌ای که در ۴ مارس در مجله Science Translational Medicine منتشر شده است، آنها نتایج آزمایش روی چهار شرکت کننده را با استفاده از بازوی رباتیک Mobius Bionics LUKE شرح می‌دهند.

جو همیلتون، یک شرکت کننده در مطالعه RPNI دانشگاه میشیگان، به طور طبیعی از ذهن خود برای کنترل یک دست پروتز و گرفتن یک زیپ کوچک استفاده می‌کند. اعتبار: Evan Dougherty/University of Michigan Engineering

کنترل ذهنی پروتز با نخستین تلاش

Chestek معتقد است: «شما می‌توانید یک پروتز دست برای انجام بسیاری از کارها بسازید، اما این بدان معنی نیست که فرد به طور ذاتی آن را کنترل کند. تفاوت روش ما این است که وقتی اولین بار آن را امتحان می‌کنید تنها با فکر کردن کار می‌کند. این چیزی است که رویکرد ما ارائه می‌دهد. در نخستین باری که ما آن را امتحان کردیم، جواب داد و کار کرد. هیچ یادگیری برای شرکت کنندگان وجود ندارد. همه یادگیری‌ها در الگوریتم‌های ما اتفاق می‌افتد. این است تفاوت ما با روش‌های دیگر».

در حالی که هنوز به شرکت کنندگان در این مطالعه اجازه داده نشده است که بازو را به خانه ببرند، آنها در آزمایشگاه توانستند بلوک‌هایی را با چنگ زدن به دست گیرند. انگشت شست خود را مداوم حرکت دهند، نه اینکه مجبور باشند از دو موقعیت یکی را انتخاب کنند. اشیای کروی شکل را بلند کنند. و حتی نسخه‌ای از سنگ، کاغذ، قیچی را بازی کنند.

جو همیلتون، یکی از شرکت کنندگان این پژوهش، که دستش را در سال ۲۰۱۳ در یک حادثه آتش بازی از دست داد، گفت: «مثل این است که شما دوباره دست خود را داشته باشید. تقریباً می‌توانید هر کاری را که با دست واقعی انجام میدادید با آن انجام دهید. این فناوری شما را به عقب برمیگرداند، یک حس طبیعی بودن».

یک روش پیشرفته مایوالکتریک از مهندسین و پزشکان دانشگاه میشیگان که کنترل واقعی پروتزهای دست با ذهن را در دراز مدت ممکن می‌کند. اعتبار: University of Michigan Engineering

تبدیل یک پیوند عضلانی کوچک به یک تقویت کننده سیگنال عصبی

یکی از بزرگترین موانع پروتزهای کنترل شونده با ذهن، بهره‌برداری از یک سیگنال عصبی قوی و پایدار برای تغذیه اندام بیونیک است. برخی از گروه‌های پژوهشی -کسانی که در زمینه رابط ماشین و مغز کار می‌کنند- همه راه را به سمت منبع اصلی یعنی مغز می‌روند. این کار هنگام کار با افرادی که فلج هستند ضروری است. اما تهاجمی و پرخطر است.

برای مبتلایان به قطع عضو، اعصاب محیطی – شبکه‌ای که از مغز و نخاع خارج می‌شود- جالب توجه بوده‌اند، اما آنها به دلایل مختلف هنوز به راهکار طولانی مدت نرسیده‌اند: سیگنال‌های عصبی که آنها حمل می‌کنند ضعیف هستند و ثبت آنها بسیار دشوار است. این «میخ زدن به اعصاب»، همانطور که پژوهشگران گاهی به آنها اشاره می‌کنند، به اسکار در بافت منجر می‌شود، که با گذشت زمان سیگنال‌ها را ضعیف می‌کنند.

گروه دانشگاه میشیگان راه بهتری ارائه داد. آنها پیوندهای عضلانی ریزی را به دور قسمت انتهایی عصب بازوی شرکت‌کنندگان پیچیدند. «رابط‌های احیا کننده عصب محیطی» یا RPNIها، اعصاب قرار گرفته در بافت جدید را در کنار هم قرار می‌دهد. این مانع از رشد توده‌های عصبی به نام نوروم می‌شود که علت درد اندام فانتوم هستند. و اعصاب را به یک مگافون می‌دهد. پیوندهای عضلانی سیگنال‌های عصبی را تقویت می‌کنند. دو بیمار الکترودهایی در پیوند عضلات خود داشتند. این الکترودها قادر به ضبط سیگنال‌های عصبی بودند و در لحظه آنها را به یک پروتز دست منتقل می‌کردند.

رابط احیا کننده عصب محیطی دانشگاه میشیگان یا RPNI، سیگنال‌های عصبی بازو را تقویت می‌کند تا ثبت شود و برای کنترل یک پروتز پیشرفته دست استفاده شود. اعتبار: Steve Alvey/University of Michigan Engineering

Chestek خاطرنشان کرد: «ما بزرگترین ولتاژ ضبط شده از عصب را مشاهده کردیم. در رویکردهای پیشین، شما ممکن است ۵ میکروولت یا ۵۰ میکروولت دریافت کنید، سیگنال‌هایی بسیار کوچک. ما برای نخستین بار سیگنالی در حد میلی‌ولت مشاهده کردیم. درنتیجه اکنون ما می‌توانیم به سیگنال‌های مرتبط با حرکت شست و دیگر انگشتان به طور مجزا دست پیدا کنیم. این امر دنیای کاملاً جدیدی را برای افرادی که از پروتز اندام فوقانی استفاده می‌کنند، باز می‌کند». همچنین رابط آنها سال‌ها دوام دارد. برخی دیگر به دلیل بافت اسکار در عرض چند ماه تخریب می‌شوند.

آینده پژوهش‌ها و صنعت پروتز

Chestek که تخصص آن در الگوریتم‌های یادگیری ماشین است، گفت: «آنچه اکنون به آن دست پیدا کردیم، سیگنال‌های عصبی به اندازه کافی خوب و قوی است تا بتوانیم همه چیزهایی را که درمورد الگوریتم‌های کنترل مغزی و کنترل عصبی آموخته‌ایم را بکار ببریم».

روش ایجاد رابط احیا کننده عصب محیطی دانشگاه میشیگان یا RPNI شامل ایجاد برش تمیز در انتهای عصب، بخیه زدن آن به یک پیوند عضلانی کوچک، پیچیدن پیوند به دور عصب و بخیه آن می‌باشد. اعتبار: Steve Alvey/University of Michigan Engineering

این روش سیگنال‌هایی را برای حرکات ظریف‌تر از آنچه پروتزهای دست امروزی قادر به تولید هستند، ایجاد می‌کند.

Philip Vu، نویسنده اول مقاله و عضو این پژوهش گفت: «گروه‌های پژوهشی دیگری نیز در این امر نقش داشته‌اند، اما ما توانایی دست‌های پروتز را که در حال حاضر موجود است، توسعه دادیم. من فکر می‌کنم این انگیزه قوی برای پیشرفت‌های بیشتر شرکت‌های توسعه دهنده پروتز دست است».

Cederna گفت: «بسیاری از اوقات، کارهایی که در یک آزمایشگاه پژوهشی انجام می‌دهیم به دانش موجود در این زمینه می‌افزاید، اما شما هرگز فرصتی پیدا نمی‌کنید تا ببینید چطور چنین چیزی روی زندگی یک فرد تأثیر می‌گذارد. وقتی شما می‌توانید یک فرد را با پروتز تماشا کنید  و او کاری را انجام می‌دهد که ۱۰ سال پیش غیرقابل تصور بود بسیار خوشحال کننده است. من برای شرکت کنندگانمان بسیار خوشحالم و حتی برای همه مردم در آینده خوشحالم».

یک بیمار با رابط جدید که انگشت شست پروتز را کنترل می‌کند. اعتبار: P.P. Vu et al., Science Translational Medicine (2020


بیشتر بخوانید:

>> کمک به راه رفتن افراد پاراپلژی با اسکلت بیرونی کنترل شونده با مغز

>> دستیابی به رابط های غیرتهاجمی مغز و رایانه برای کنترل اندام رباتیک

>> کنترل صندلی چرخدار، وسایل نقلیه و رایانه با یک رابط مغز و ماشین پوشیدنی


منبع: medicalxpress.com

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *