مكوّنات طرف ذراع اصطناعي بيوني - إيثر بيوميديكال

ترتبط الأذرع الاصطناعية البيونية ارتباطًا مباشرًا بأعصاب الجسم وكذلك العضلات. فهي تلتقط الإشارات الكهربائية من الطرف المتبقي لدى المستخدم وتنقلها إلى اليد الاصطناعية لاستخدامها. تستخدم هذه الأذرع الاصطناعية مزيجًا من المستشعرات والمحركات والبطاريات والأقطاب الكهربائية والمكوّنات الاصطناعية لضمان أداء فعّال. وتكون الأقطاب الكهربائية الموجودة داخل تجويف الطرف الاصطناعي مسؤولة عن التقاط الإشارات من الطرف المتبقي، ثم نقل هذه المعلومات إلى متحكّم يقوم بدوره بترجمتها إلى أوامر مناسبة للمحركات الكهربائية الموجودة داخل المكوّنات الاصطناعية لتشغيلها. وفي الحالات التي لا تكون فيها إشارات العضلات قادرة على التحكم بالطرف الاصطناعي، تُستخدم المفاتيح أو لوحات اللمس لتشغيل المكوّنات.

المكوّنات الأساسية لطرف ذراع بيوني اصطناعي

1. المعالجات الدقيقة

2. الأقطاب الكهربائية

3. البطارية

4. المتحكّم أو أنظمة التحكم

5. المكوّنات الاصطناعية

المعالجات الدقيقة

المعالجات الدقيقة هي مكوّنات إلكترونية يستخدمها الحاسوب أو الأنظمة الكهربائية الأخرى لإنجاز عملها. وهي المكوّن المركزي للمعالجة في الوحدة بأكملها، والمسؤولة عن التحكم في أنشطة جميع المكوّنات الأخرى وتنسيقها. في الذراع الاصطناعية البيونية، يتم التحكم بالمكوّنات الاصطناعية العاملة بالطاقة بواسطة محركات وتروس تتلقى الطاقة من البطاريات. وفي هذه الأذرع الاصطناعية، يعمل المعالج الدقيق للنظام كعقل النظام بالكامل، إذ يحدد ويتحكم وينسق جميع الأنشطة.

يمكن أن تحتوي هذه الأنظمة إما على معالج دقيق مركزي واحد قادر على تشغيل جميع المكوّنات ويُثبَّت داخل التجويف، أو يمكن أن توجد معالجات دقيقة منفصلة للتحكم في وظيفة كل مكوّن، وتُثبَّت على المكوّن المحدد أو داخله. تعمل هذه المعالجات الدقيقة عبر خوارزميات تُبرمج من خلال أجهزة شخصية لاسلكية محمولة باليد أو عبر نظام كابلات موصول يتم التحكم به بواسطة حاسوب. وتُبرمج الخوارزميات لضبط معلمات مختلفة للأذرع الاصطناعية البيونية، مثل معلمات اختيار الوضع، وتضخيم إشارة الإدخال وحدودها، وجهود الخرج، والتيارات، إضافة إلى عدد كبير من المعلمات الأخرى. وعند وجود عدة معالجات دقيقة، تصبح البرمجة والضبط أكثر تعقيدًا.

بالنسبة للتعرّف على الأنماط، حيث يتعرّف المعالج الدقيق على نمط وظيفة العضلات ويتعلمه، يُستخدم معالج دقيق منفصل لإرساء التحكم في مكوّنات اصطناعية مختلفة في الوقت نفسه. وتتمثل الميزة الرئيسية لوظيفة التعرّف على الأنماط هذه في أنها توفر تحكمًا مباشرًا بالطرف الاصطناعي بما يتيح نمط استخدام أكثر طبيعية وسهولة.

لذلك، في أي ذراع اصطناعية بيونية، تكون المعالجات الدقيقة مسؤولة عن تنظيم إشارات الإدخال، وإدارة متطلبات الطاقة والقدرة للنظام، وكذلك تنظيم والتحكم في خرج المكوّنات المختلفة.

الأقطاب الكهربائية

الأقطاب الكهربائية في الأذرع البيونية هي حلقة الوصل بين مصدر الإشارة في الطرف المتبقي وأنظمة التحكم. وهي عمومًا أقطاب سطحية (ويُستخدم بعضها أيضًا كأقطاب قابلة للزرع) تُوضَع عادةً في أزواج فوق مجموعات عضلية متقابلة للحصول على إشارات التخطيط الكهربائي للعضلات الناتجة عن انقباض العضلات. تُوضَع الأقطاب داخل التجويف فوق الطرف وتحتوي على وحدة تحكم لمضاعفة الكسب وضبطه (زيادة الإشارة أو تقليلها). وعندما تكتشف الأقطاب الإشارات، فإنها تُدخلها إلى نظام التحكم لإحداث عدم توازن فيه، مما يدفع المكوّنات الاصطناعية إلى أداء وظيفتها المطلوبة.

البطارية

البطارية هي مخزن الطاقة للذراع الاصطناعية البيونية، وتعمل على تزويد المحركات بالطاقة الكهربائية المطلوبة لتشغيل المكوّنات الاصطناعية عند الحاجة. البطاريات قابلة لإعادة الشحن ولها نوعان: (i) بطارية مدمجة داخل الذراع بحيث يجب توصيل الذراع مباشرة لإعادة الشحن، (ii) بطارية قابلة للإزالة يمكن إخراجها للشحن.

وللحصول على مظهر تجميلي جيد، تُدمج البطاريات داخل الأذرع ذات التصميم منخفض البروز. وهذا يوفر غلافًا اصطناعيًا انسيابيًا بمظهر طبيعي. 

المتحكّم

عمومًا، يتكون المتحكّم من مضخّم، ومعالج إشارة، ووحدة منطقية تتخذ جميع قرارات التحكم. يعمل المضخّم على تضخيم الإشارة الكهربائية وزيادة شدتها. والممارسة الشائعة هي استخدام المضخمات التفاضلية لأنها تستطيع بسهولة التمييز بين أي اضطرابات خارجية وفصلها. ويكون معالج الإشارة مسؤولًا عن معالجة الإشارة ويعمل على المتوسط الحسابي لقيمتها المطلقة. تُنتج العضلات تيارًا مترددًا يجب معالجته وتحويله إلى تيار مستمر لكي تتمكن الأقطاب الكهربائية من التقاطه. ثم تُستخدم هذه الإشارة للتحكم بمحركات المكوّنات الاصطناعية.

التحكم بالمفتاح

أبسط نوع من أنظمة التحكم يتكون من مفتاح لتنظيم التيار المتدفق إلى المحرك. تستخدم بعض الأنظمة مفاتيح إلكترونية تُستعمل لوظائف الطرف الاصطناعي. تتميز المفاتيح بالثبات والبساطة وسهولة الاستخدام، وتعمل بآلية الدفع أو السحب. يمكن الضغط على مفتاح دقيق يشبه الزر أو سحب محوّل.

لوحات اللمس

لوحات اللمس هي مقاومات حساسة للقوة تعمل كمفاتيح مؤقتة، وغالبًا ما تكون بديلًا لعمل الأقطاب الكهربائية عندما لا يستطيع المستخدم تقليص عضلات الطرف المتبقي بفاعلية.  

المكوّنات الاصطناعية

التجاويف - اعتمادًا على مستوى البتر، يتم تصنيع التجاويف من خلال التقاط تشريح الطرف المتبقي، وتوضع أقطاب الذراع الاصطناعية البيونية داخل التجويف للحفاظ على تماس كامل. ويُفضَّل أن يكون التجويف مُعلّقًا ذاتيًا أو مثبتًا على الطرف عبر الشفط، بهدف تجنب أي أحزمة إضافية لأنها تعيق الحركة. ويتم تثبيت تجهيزات الذراع/الساعد مع التجاويف، مع مساحة لاستيعاب البطاريات.

الأجهزة الطرفية - تُعد الأجهزة الطرفية في الأذرع الاصطناعية البيونية هي أدوات الإمساك الإرادية الرئيسية التي تؤدي أنشطة القبض والإمساك، مما يمكّن المرضى من أداء مهامهم اليومية. ويُشار إلى الأجهزة الطرفية على أنها «عضلة» النظام لأنها تنفّذ حركات مختلفة. تتكون معظم الأجهزة الطرفية المتقدمة تقنيًا من إبهام وأصابع متقابلة مزودة بمستشعرات تسمح باستخدام أنماط قبض مختلفة. تحتوي الأجهزة الطرفية الإلكترونية على وحدة إلكترونية مع مفتاح ومحرك يسمحان بفتح الجهاز الطرفي وإغلاقه. ويتم توصيل الجهاز الطرفي بالمتحكّم وضبط العتبة والكسب حسب حاجة المستخدم.

وحدات المعصم والمرفق والكتف العاملة بالطاقة - تساعد وحدات المعصم في تموضع الجهاز الطرفي وتتيح أيضًا قابلية تبديل الأجهزة الطرفية، على سبيل المثال - استبدال اليد بخطاف لتنفيذ نشاط محدد. وتمنح المرافق العاملة بالطاقة الذراع الاصطناعية البيونية القدرة على رفع الأجسام، وتكون هذه القدرة محدودة بقوة محرك الوحدة وأنظمة القيادة فيها. ولكي يحقق أي مستخدم أقصى قدرة رفع للنظام، يجب تثبيت المرفق أو قفله.