Компоненти біонічного протеза руки - Aether Biomedical

Біонічні протезні руки безпосередньо пов’язані з нервами та м’язами тіла. Вони вловлюють електричні сигнали з залишкової кінцівки пацієнта та передають їх до протезної кисті для використання. Для ефективної роботи ці протезні руки використовують поєднання датчиків, моторів, батарей, електродів і протезних компонентів. Електроди, розташовані всередині протезної гільзи, відповідають за зчитування сигналів із кукси, передаючи цю інформацію до контролера, який потім перетворює її на команди, придатні для електродвигунів, розташованих у протезних компонентах, для їхньої роботи. У ситуації, коли м’язові сигнали не можуть керувати протезом, для керування компонентами використовують перемикачі або сенсорні майданчики.

ОСНОВНІ КОМПОНЕНТИ БІОНІЧНОГО ПРОТЕЗА РУКИ

1. Мікропроцесори

2. Електроди

3. Акумулятор

4. Контролер або системи керування

5. Протезні компоненти

Мікропроцесори

Мікропроцесори — це електронні компоненти, які використовуються комп’ютером або іншими електричними системами для виконання своєї роботи. Вони є центральним обчислювальним компонентом усього пристрою, відповідальним за керування та координацію діяльності всіх інших компонентів. У біонічному протезі руки приводні протезні компоненти керуються двигунами та шестернями, які живляться від батарей. У цих протезних руках мікропроцесор системи виконує роль мозку всієї системи, оскільки він визначає, керує та координує всю діяльність.

Ці системи можуть мати або один центральний мікропроцесор, який може керувати всіма компонентами та розміщується всередині гільзи, або окремі мікропроцесори для керування функцією кожного компонента, які монтуються на конкретному компоненті або всередині нього. Ці мікропроцесори працюють за алгоритмами, які програмуються через ручні бездротові персональні пристрої або через кабельну систему інтерфейсу, керовану комп’ютером. Алгоритми програмуються для налаштування різних параметрів біонічних протезних рук, наприклад параметрів вибору режиму, підсилення вхідного сигналу та порогових значень, вихідних напруг і струмів, а також безлічі інших параметрів. Коли задіяно кілька мікропроцесорів, програмування та налаштування стають складнішими.

Для розпізнавання образів, коли мікропроцесор розпізнає та вивчає патерн роботи м’язів, використовується окремий мікропроцесор для одночасного керування різними протезними компонентами. Головна перевага цієї функції розпізнавання образів полягає в тому, що вона забезпечує пряме керування протезом, роблячи використання більш природним і легким.

Отже, у будь-якому біонічному протезі руки мікропроцесори відповідають за регулювання вхідних сигналів, керування будь-якими потребами системи в потужності та енергії, а також за регулювання й контроль виходу різних компонентів.

Електроди

Електроди в біонічних руках є з’єднанням між джерелом сигналу в залишковій кінцівці та системами керування. Зазвичай це поверхневі електроди (деякі також використовують імплантовані електроди), які зазвичай розміщують попарно над протилежними групами м’язів для отримання електроміографічних сигналів, що виникають під час скорочення м’язів. Електроди розміщуються всередині гільзи над кінцівкою і мають блок керування для множення та регулювання коефіцієнта підсилення (збільшення або зменшення сигналу). Коли електроди виявляють сигнали, вони подають їх до системи керування, змінюючи її стан, що змушує протезні компоненти виконувати потрібну функцію.

Акумулятор

Акумулятор є сховищем енергії біонічного протеза руки та забезпечує подачу необхідної електричної потужності до двигунів для роботи протезних компонентів у міру потреби. Акумулятори є перезаряджуваними і бувають 2 типів — (i) акумулятор вбудований у руку, яку потрібно підключати безпосередньо для заряджання, (ii) знімний акумулятор, який можна вийняти для заряджання.

Для гарного косметичного вигляду акумулятори вбудовують у руки з низькопрофільною конструкцією. Це забезпечує природний на вигляд, обтічний протезний корпус. 

Контролер

Зазвичай контролер складається з підсилювача, обробника сигналу та логічного блока, який ухвалює всі рішення керування. Підсилювач виконує функцію збільшення величини електричного сигналу. Зазвичай використовують диференціальні підсилювачі, оскільки вони легко розрізняють і відокремлюють будь-які зовнішні завади. Обробник сигналу відповідає за обробку сигналу та працює із середнім значенням його абсолютної величини. М’язи генерують змінний струм, який необхідно обробити та перетворити на постійний струм, щоб його могли зчитати електроди. Потім цей сигнал використовується для керування моторами протезних компонентів.

Керування перемикачем

Найпростіший тип системи керування складається з перемикача, який регулює струм, що подається до двигуна. Деякі системи використовують електронні перемикачі для протезних функцій. Перемикачі стабільні, прості та зручні у використанні й працюють за принципом натискання або потягування. Можна натиснути мікроперемикач, схожий на кнопку, або потягнути перетворювач.

Сенсорні майданчики

Сенсорні майданчики — це резистори, чутливі до сили натискання, які працюють як тимчасові перемикачі та часто замінюють функцію електродів, коли пацієнт не може ефективно скорочувати м’язи залишкової кінцівки.  

Протезні компоненти

Гільзи — Залежно від рівня ампутації, гільзи виготовляють, відтворюючи анатомію залишкової кінцівки, а електроди біонічного протеза руки розміщують усередині гільзи, щоб забезпечити повний контакт. Бажано робити гільзу самопідтримуваною або фіксувати її на кінцівці за допомогою вакуумного прилягання, щоб уникнути будь-яких додаткових ремінних кріплень, оскільки вони обмежують рух. Конструкції для руки/передпліччя кріпляться до гільз, із простором для розміщення батарей.

Кінцеві пристрої — Кінцеві пристрої біонічних протезних рук є основними довільними захоплювальними пристроями, які виконують дії захоплення та утримання, даючи пацієнтам змогу виконувати щоденні завдання. Кінцеві пристрої називають «м’язом» системи, оскільки вони виконують різні рухи та дії. Більшість технологічно просунутих кінцевих пристроїв складаються з протиставних великих пальців і пальців, оснащених датчиками, які дають змогу використовувати різні типи хвату. Електронні кінцеві пристрої мають електронний блок із перемикачем і мотором, що забезпечують відкривання та закривання кінцевого пристрою. Кінцевий пристрій підключається до контролера, а поріг і підсилення налаштовуються відповідно до потреб пацієнта.

Приводні блоки зап’ястя, ліктя та плеча — Блоки зап’ястя допомагають позиціонувати кінцевий пристрій і також дають змогу взаємозамінювати кінцеві пристрої, наприклад — замінити кисть гачком для виконання певної діяльності. Приводні ліктьові вузли надають біонічному протезу руки здатність підіймати предмети, і ця здатність обмежується потужністю двигуна та приводних систем вузла. Щоб будь-який пацієнт досяг максимальної вантажопідіймальної здатності системи, лікоть має бути зафіксований або заблокований.