بهبود عمل‌کرد پاهای مصنوعی با استفاده از سیگنالهای EMG

emg-powered-prosthetic-legs

بنا بر گزارشی که اخیراً در مجلۀ انجمن پزشکی آمریکا (JAMA) منتشر شده است، پاهای مصنوعی فعال هنگامی که توسط سیگنالهای الکتریکی تولید شده توسط ماهیچه‌ها کنترل می‌شوند عمل‌کرد بهتری دارند. یافته‌ها نشان می‌دهند که افزودن داده‌های الکترومایوگرافی (EMG) و الگوریتمهای ترجمۀ آن‌ها به پاهای مصنوعی دارای حسگرهای مکانیکی، کنترل حرکتها را به شکل چشمگیری بهبود می‌دهد.
در این پژوهش گروههایی از مؤسسه‌های بازتوانی دانشگاههای شیکاگو و Northwestern، سیستم خود را بر روی هفت نفر از افراد قطع عضو شده از بالای زانو آزمودند. ۹ حسگر EMG بر روی ران و نشیمنگاه بیماران نصب شد و به رایانه متصل گردید. بیماران یک پای مصنوعی شامل زانو و قوزک پا را پوشیدند که دارای ۱۳ حسگر مکانیکی بود و برای اندازه‌گیری اینرسی، بار، موقعیت، زاویه، شتاب، سرعت و گشتاور زانو و مفاصل قوزک پا استفاده می‌شد. این پای مصنوعی توسط Michael Goldfarb، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه Venderbilt توسعه داده شده بود.
از داوطلبان خواسته شد تا محیطهای مختلفی را (مانند سطوح شیب دار، پله و زمین صاف) بپیمایند. پروتزی که تنها از حسگرهای مکانیکی استفاده می‌کرد در ۱۴٫۱ درصد از مواقع دچار خطا می‌شد. اما هنگامی که از داده‌های EMG نیز کمک گرفته شد، خطا به حدود نیمی از آن یعنی ۷٫۹ درصد کاهش یافت.
Levi Hargrove پژوهشگر مرکز پزشکی زیست سازه در مؤسسۀ توانبخشی شیکاگو که رهبری این پژوهش را بر عهده داشته است معتقد است این مقدار کاهش خطا بسیار قابل توجه است. همۀ هفت نفر داوطلب این پژوهش از زمان استفاده از داده‌های EMG خبر نداشتند اما خودشان هنگام انجام آزمایش متوجه تغییر قابل توجهی در عمل‌کرد سامانه می‌شدند. وی می‌گوید: «ما در پایان آزمایشها از داوطلبان می‌پرسیدیم کدامیک از دو وضعیت را ترجیح دادید؟ و آن‌ها هر بار وضعیت استفاده از EMG را ترجیح می‌دادند.»
این پیشرفت، خبر بسیار خوبی برای افراد قطع عضو از ناحیۀ بالای زانو است. طراحی اندام مصنوعی برای این افراد بسیار پیچیده است چرا که اندام طراحی شده نیازمند هماهنگی دقیق میان حرکات زانو و قوزک پاست. به طور خاص، بخش دشوار کار، جابجایی میان حالتهای مختلف راه رفتن (مانند راه رفتن بر روی سطوح صاف و بالا رفتن از پله ها) است.
در حال حاضر تنها دو محصول پروتز زانوئی فعال در بازار وجود دارد. اولی که تنها حرکت مفصل زانو را فراهم می‌کند، Ossur نام دارد و توسط یک شرکت ایسلندی تولید می‌شود. دومی که Biom نام دارد، دارای قوزک قابل حرکت است و توسط گروه Hugh Herr در MIT توسعه داده شده است. در حال حاضر پروتزهایی که دارای مفاصل قابل حرکت در دو ناحیۀ زانو و قوزک پا هستند هنوز در مرحلۀ ساخت نمونه‌های اولیه قرار دارند.
مشکلی که در این نمونه‌های اولیه وجود دارد آن است که طراحی آن‌ها انعطاف‌پذیری لازم را برای برداشتن گامهایی با طولهای مختلف ندارد و کاربر ناچار است ابتدا توقف کرده و حرکت بدنی خاصی را انجام دهد یا به وسیلۀ یک دستگاه کنترل از راه دور به پای مصنوعی بگوید چه کاری باید انجام دهد. این حرکت غیر طبیعی و ناشیانه است و حتی می‌تواند برای کاربر نیز خطرناک باشد.
هدف گروه Hargrove آنست که بتواند راه رفتن را برای افراد دارای پای مصنوعی طبیعی‌تر و امن‌تر کند. دکتر Hargrove می‌گوید: «ما می‌خواهیم آن‌ها بتوانند همانطور که ما راه می‌رویم و از پله ها بالا و پایین می‌رویم، این کارها را انجام دهند.»
باید گفت که بازوهای مصنوعی بسیار پیشرفته‌تر از پاهای مصنوعی هستند. مثلاً Luke Arm که توسط شرکت پژوهش و توسعۀ DEKA ساخته شده است، از اطلاعات EMG بخشهای باقیمانده از ماهیچه‌های بازوی افراد قطع عضو شده استفاده می‌کند و امکان انجام حرکات همزمان و پیچیدۀ مچ و انگشتان اندام مصنوعی را برای در دست گرفتن اجسام فراهم می‌سازد. این وسیله سال گذشته تأییدیۀ FDA را دریافت کرد. دکتر Hargrove و همکاران وی در توسعۀ این دستگاه نقش داشتند و اقدام به تجاری سازی الگوریتمهای کنترل پروتزهایی مانند Luke Arm یا هر بازوی مصنوعی متکی به تشخیص الگوی EMG کرده‌اند.
اما سیستمهای ویژۀ پاهای مصنوعی و به ویژه پروتزهای زانو – قوزک پا همچنان مهجور مانده اند. از گذشته تمرکز پژوهشهای کلینیکی بیشتر بر روی بازوها بوده است تا پاها. علاوه بر این چالشهای موجود در حوزۀ فناوری نیز به این مسأله دامن می‌زند. ساختن موتورها و محرکهایی با توان، وزن و بازدهی کافی به طوری که بتواند افراد را در طول روز بدون نیاز به شارژ کردن باتریها حمل کند دشوار بوده است. اما این وضعیت در حال تغییر است.
Hargrove و گروهش با همکاری دانشگاه Vanderbilt و ارتش آمریکا، اکنون در حال آزمایش سیستمهایی بر روی ۱۵ داوطلب در شرایط خانگی هستند. دکتر Hargrove می‌گوید: «این یک آزمایش واقعی است و ما می‌خواهیم ببینیم آیا این سیستمها در دنیای واقعی برای مردم مفید هستند یا نه.»
منبع: IEEE Spectrum

پاسخ دهید

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

ما را در تلگرام دنبال کنید!

مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی

عضویت در کانال تلگرام
بستن