Elementy bionicznej protezy ramienia – Aether Biomedical

Bioniczne protezy ramion są bezpośrednio powiązane z nerwami oraz mięśniami ciała. Odbierają sygnały elektryczne z pozostałej części kończyny użytkownika i przekazują je do protezy dłoni w celu ich wykorzystania. Te protezy ramion wykorzystują połączenie czujników, silników, baterii, elektrod oraz elementów protezowych do skutecznego działania. Elektrody umieszczone wewnątrz leja protezowego odpowiadają za wychwytywanie sygnałów z kikuta, przekazywanie tych informacji do kontrolera, który następnie tłumaczy je na polecenia odpowiednie dla silników elektrycznych znajdujących się w elementach protezowych, aby mogły działać. W sytuacji, gdy sygnały mięśniowe nie są w stanie sterować protezą, do obsługi elementów stosuje się przełączniki lub panele dotykowe.

PODSTAWOWE ELEMENTY BIONICZNEJ PROTEZY RAMIENIA

1. Mikroprocesory

2. Elektrody

3. Bateria

4. Kontroler lub systemy sterowania

5. Elementy protezowe

Mikroprocesory

Mikroprocesory to elementy elektroniczne używane przez komputer lub inne systemy elektryczne do wykonywania ich pracy. Są centralnym elementem przetwarzającym całego układu, odpowiedzialnym za sterowanie i koordynowanie działań wszystkich pozostałych komponentów. W bionicznej protezie ramienia zasilane elementy protezowe są sterowane przez silniki i przekładnie, którym energię dostarczają baterie. W tych protezach mikroprocesor systemu działa jak mózg całego układu, ponieważ wyznacza, steruje i koordynuje wszystkie działania.

Systemy te mogą mieć jeden centralny mikroprocesor, który obsługuje wszystkie komponenty i jest zamontowany wewnątrz leja, albo mogą mieć oddzielne mikroprocesory do sterowania funkcją każdego komponentu, zamontowane na danym komponencie lub w jego wnętrzu. Mikroprocesory te działają w oparciu o algorytmy programowane za pomocą ręcznych, bezprzewodowych urządzeń osobistych lub przez system kablowy współpracujący z komputerem. Algorytmy programuje się w celu dostosowania różnych parametrów bionicznych protez ramion, na przykład parametrów wyboru trybu, wzmocnienia sygnału wejściowego i progów, napięć oraz prądów wyjściowych, wśród wielu innych parametrów. Gdy zaangażowanych jest wiele mikroprocesorów, programowanie i regulacje stają się bardziej złożone.

W przypadku rozpoznawania wzorców, gdzie mikroprocesor rozpoznaje i uczy się wzorca pracy mięśni, stosuje się oddzielny mikroprocesor, aby jednocześnie ustanowić kontrolę nad różnymi elementami protezowymi. Główną zaletą funkcji rozpoznawania wzorców jest to, że zapewnia bezpośrednią kontrolę protezy, co daje bardziej naturalny i łatwy sposób użytkowania.

Dlatego w każdej bionicznej protezie ramienia mikroprocesory odpowiadają za regulację sygnałów wejściowych, zarządzanie zapotrzebowaniem systemu na moc i energię, a także za regulację i kontrolę wyjścia różnych komponentów.

Elektrody

Elektrody w bionicznych ramionach stanowią połączenie między źródłem sygnału w kikucie a systemami sterowania. Zwykle są to elektrody powierzchniowe (niektóre systemy używają także elektrod implantowalnych), które zazwyczaj umieszcza się parami nad przeciwstawnymi grupami mięśniowymi, aby uzyskać sygnały elektromiograficzne wytwarzane podczas skurczu mięśni. Elektrody umieszcza się wewnątrz leja nad kończyną i posiadają jednostkę sterującą do mnożenia i regulacji wzmocnienia (zwiększania lub zmniejszania sygnału). Gdy elektrody wykryją sygnały, przekazują je do systemu sterowania, zaburzając jego równowagę, co powoduje, że elementy protezowe wykonują pożądaną funkcję.

Bateria

Bateria jest magazynem energii bionicznej protezy ramienia i służy do dostarczania wymaganej mocy elektrycznej do silników, potrzebnej do pracy elementów protezowych. Baterie są akumulatorowe i występują w 2 typach – (i) bateria jest wbudowana w ramię, a ramię musi być podłączone bezpośrednio do ładowania, (ii) bateria wyjmowana, którą można wyjąć do ładowania.

Dla dobrego efektu kosmetycznego baterie są wbudowane w ramiona o niskoprofilowej konstrukcji. Zapewnia to naturalnie wyglądającą, opływową osłonę protezową. 

Kontroler

Zazwyczaj kontroler składa się ze wzmacniacza, procesora sygnałowego i jednostki logicznej, która podejmuje wszystkie decyzje sterujące. Wzmacniacz służy do wzmacniania i zwiększania amplitudy sygnału elektrycznego. Powszechną praktyką jest stosowanie wzmacniaczy różnicowych, ponieważ mogą one łatwo rozróżniać i oddzielać wszelkie zakłócenia zewnętrzne. Procesor sygnałowy odpowiada za przetwarzanie sygnału i opiera się na średniej wartości bezwzględnej. Mięśnie wytwarzają prąd przemienny, który musi zostać przetworzony i zamieniony na prąd stały, aby mógł zostać wychwycony przez elektrody. Sygnał ten jest następnie wykorzystywany do sterowania silnikami w elementach protezowych.

Sterowanie przełącznikiem

Najprostszy typ systemu sterowania składa się z przełącznika regulującego przepływ prądu do silnika. Niektóre systemy wykorzystują elektroniczne przełączniki używane do funkcji protezowych. Przełączniki są niezawodne, proste i łatwe w użyciu oraz działają na mechanizmie nacisku lub pociągnięcia. Przyciskowy mikroprzełącznik można nacisnąć, a przetwornik można pociągnąć.

Panele dotykowe

Panele dotykowe to rezystory czułe na siłę nacisku, które działają jak przełączniki chwilowe i często zastępują działanie elektrod, gdy użytkownik nie może skutecznie napinać mięśni kikuta.  

Elementy protezowe

Leje – W zależności od poziomu amputacji leje są wykonywane poprzez odwzorowanie anatomii kikuta, a elektrody bionicznej protezy ramienia umieszcza się wewnątrz leja, aby utrzymać pełny kontakt. Zaleca się, aby lej był samonośny lub utrzymywany na kończynie dzięki podciśnieniu, aby uniknąć dodatkowych uprzęży, ponieważ ograniczają one ruch. Zestawy ramienia/przedramienia są mocowane do lejów, z miejscem na baterie.

Elementy końcowe – Elementy końcowe bionicznych protez ramion to główne, dobrowolnie sterowane chwytaki wykonujące czynności chwytania i ściskania, umożliwiające pacjentom wykonywanie codziennych zadań. Elementy końcowe określa się jako „mięśnie” systemu, ponieważ wykonują różne ruchy i czynności. Większość zaawansowanych technologicznie elementów końcowych składa się z przeciwstawnego kciuka i palców wyposażonych w czujniki, które pozwalają stosować różne wzorce chwytu. Elektroniczne elementy końcowe mają jednostkę elektroniczną, z przełącznikiem i silnikiem umożliwiającymi otwieranie i zamykanie elementu końcowego. Element końcowy jest połączony z kontrolerem, a próg i wzmocnienie są regulowane zgodnie z potrzebami użytkownika.

Napędzane jednostki nadgarstka, łokcia i barku – Jednostki nadgarstkowe pomagają w ustawianiu elementu końcowego i umożliwiają również wymienność elementów końcowych, na przykład – zastąpienie dłoni hakiem w celu wykonania określonej czynności. Napędzane łokcie zapewniają bionicznej protezie ramienia zdolność podnoszenia przedmiotów, a zdolność ta jest ograniczona mocą silnika i układów napędowych jednostki. Aby użytkownik mógł osiągnąć maksymalny udźwig systemu, łokieć musi być unieruchomiony lub zablokowany.