View
70
Download
6
Category
Preview:
DESCRIPTION
bionička ruka
Citation preview
REKLAMNA STRANICA
1
Sadržaj rada
1. Uvod 3
2. Proteza ruke 4
2.1 Faze osposobljavanja 5
2.2 Vrste proteza za ruku 5
2.3 Djelovi proteze 6
3. Tehnologija bioničke ruke 9
3.1 TMR metoda 10
3.2 Električni signali srca 13
4. Tehnologija upravljanja električnim signalima mozga 16
4.1 Neuroprostetičke postavke 20
4.2 Upravljanje rukom 21
5. Zaključak 23
6. Literatura 24
2
1. Uvod
Biologija nudi odličan model za razvoj mehaničkih alata, računalnih algoritama,
učinkovitih materijala, kao i novih mehanizama i informacijske tehnologije. Prilagođavanjem
mehanizama i sposobnosti iz prirode, znanstveni pristupi su pomogli ljudima da razumiju
povezane pojave i pripadajuća načela kako bi projektirali nove uređaje i poboljšali njihovu
sposobnost. Struktura temeljena na stanici, koja čini većinu bioloških stvorenja, nudi
mogućnost da raste uz toleriranje kvarova i samopopravljanje, čineći sve stvari koje
karakteriziraju biološke sisteme. Stoga, inženjerske konstrukcije koje su izrađene od više
stanica omogućile bi dizajn uređaja i mehanizama koji su nemogući s današnjim
mogućnostima.
Nanotehnologije u nastajanju sve više omogućavanje potencijal takvih struktura. Neke
od komercijalnih implementacija napretka u biomimetici mogu se vidjeti u trgovinama
igračaka, u kojem se igračke pojavljuju i ponašaju poput živih bića (npr., psi, mačke, ptice,
žabe). Ozbiljnije prednosti bionike uključuju razvoj protetičkih implantata i mehanizama za
pomaganje osjetilima koji su povezani sa mozgom kako bi se pomoglo u slušanju, gledanju ili
upravljanju instrumentima.
U ovom seminarskom radu obradio sam tematiku bioničke ruke tj. proteze ruke kojom
možemo da upravljamo putem TMR tehnologije i signalima mozga. U prvom dijelu rada
obrađena je tematika proteze ruke, dok se drugi dio rada bavi robotikom tj. biotikom te
objašnjava pojam i primjenu ove dvije tehnologije.
3
2. Proteza ruke
Zahvaljujući motornoj gipkosti i taktilnoj osetljivosti ruku i pomoću čula čovek
upoznaje spoljni svet, stiče pojmove i znanja, bogati iskustvo, jednom rječju razvija se.
Izuzetno velika pokretljivost u ramenim zgobovima omogućava kretanje izduženih ili
skraćenih poluga ruke, na čijem kraju je šaka, u širokom krugu u svim pravcima.
Zglob lakta može da približi ili maksimalno udalji šaku od korenskog zgloba ruke. Zglobovi
šake i prstiju omogućavaju izuzetnu gipkost, spretnost i preciznost,a po potrebi i dobro
odmerenu snagu. Rotatorni pokreti podlaktice pozicioniraju šaku da u svakom momentu
zauzima najekonomičnije (ergonomske) uglove pri izvođenju aktivnosti.
Na distalnim falangama nalaze se jagodice prstiju, sa mnogobrojnim nervnim
završecima i taktilnim elementima i predstavljaju „oči i uši“ ruke. Ta motorna gipkost,
spretnost, funkcionalnost i senzorna osetljivost čine gornji ekstremitet.
Amputacijom bilo kojeg segmenta ruke navedene karakteristike se najvećim djelom
gube, a preostale drastično redukuju, sa predpostavkom da je teško moguće, bar približno,
bilo kojom protezom nadoknaditi.
Osobi o kojoj je riječ amputirana je ruka do ramena, poslije saobraćajne nesreće.
Danas, posle ugradnje bioničke proteze, ona može, recimo, da otvori ormar kada pomisli u
sebi „otvori ormar“. Takođe, može da kontroliše brojne složene pokrete, što otvara mnoge
mogućnosti onima koji su ostali bez ekstremiteta. Sve ovo ostvarivo je simbiozom hirurgije i
tehnologije.
4
2.1 Faze ospsoobljavanja
Od idealne ručne proteze se očekuje funkcija šake i prstiju, a takođe i određeni stepen
osjeta za veličinu pritiska. Lako je imitirati oblik i izgled, a mnogo teže funkciju. Ruka je
vrijedna onoliko koliko je funkcionalna. Isto se odnosi i na protezu za ruku.
Najvažniji kriterijumi kod preskripcije proteze su rezidualne biomehaničke
karakteristike amputacionog patrljka i susednih segmenata, mentalna sposobnost, realnost
očekivanja, sposobnost za učenje novog, motorna koordinacija, želje pacijenata, zahtjevi
životne i radne sredine.
Ljekar, na osnovu kliničkog pregleda i konsultacijama sa drugim članovima
protetičkog rehabilitacionog tima, prepisuje protezu nabrajajući sve njene elemente i
materijale od kojih je izrađena: tip proteze, vrstu ležišta, terminalni nastavak, skeletni dio,
vještačke zglobove (lakat i rame), kontrolni mehanizam i suspenzioni mehanizam.
2.2 Vrste proteza za ruku
Prema nivou amputacije: nadlakatne, podlakatne, za dezartikulaciju nekog zgloba.
Prema funkcionalnosti: funkcionalne i estetske.
Prema konstrukciji: endoskeletne(modularne) i egzoskeletne(konvencionalne).
Prema trajanju: privremene i definitivne.
Prema kontrolnom mehanizmu: mehaničke, pneumatske, električne, bioelektrične i
hibridne.
5
Djelovi proteze za gornje ekstremitete
1. Ležište proteze,
2. Skeletni dio,
3. Terminalni nastavak,
4. Protetički zglob,
5. Kontrolni mehanizam,
6. Suspenzioni sistem.
2.3 Djelovi proteze
Slika 1. Primjer proteze ruke
Ležište proteze za patrljak treba da bude anatomski oblikovano prema obliku i
veličini patrljka. Pošto ležište intimno obuhvata patrljak, ono mora biti izuzetno precizno
izrađeno, kako bi pritisak, pri nošenju proteze i korišćenju u aktivnostima dnevnog života, bio
raspoređen na celu površinu amputacionog patrljka. Višak materijala, neravnine unutrašnjeg
zida ležišta ostavljaju negativan otisak (diskoloracija na koži), pri dužem nošenju i irtaciju, a
kod dugotrajnog delovanja mogu nastati oštećenja kože. Otisak za ležište se uzima pomoću
gipsanog zavoja, na osnovu kojeg se izrađuje pozitiv od gipsa. Taj model patrljka sadrži sve
informacije o obliku i veličini ptrljka i pogodan je za pravljenje definitivnog ili priremenog
ležišta proteze. Materijali koji se koriste za izradu ležišta su drvo, plastika, koža i silikon.
6
Suspenzije služe da obezbjede retenciju proteze na patrljku, kako u fazi nošenja tako i
savladavnje otpora pri radu, ujedno je i dio kontrolnog mehanizma. Suspenzija može biti u
obliku osmice ili polu-osmice(aksilatorno-deltoidna petlja).
Skeletni dio - bilo da zamjenjuje nadlakatnu ili podlakatnu polugu može imati
spoljašnji skelet(plastični) ili unutrašnji skelet (modularni). Egzoskeletna nadoknada je lagana
i izdržljiva, ali kruta, sporije se izrađuje, teže ju je podesiti i više košta. Skeletna nadoknada se
serijski izrađuje od duraluminijuma, uz pomoć adaptera lako se centrira. Veoma brzo se
sklapa i može da koristi i u privremenoj protezi. Oblaganjem penastom gumom dobija
mekoću i karakteristični oblik segmenta koji zamenjuje.
Terminalni nastavci su nadoknada za šaku. Kod proteza čija je funkcija samo da
poprave izgled, estetske-kozmetičke prteze bez funkcije hvatanja, koristi se kozmetička
rukavica. Estetske protez mogu da se izrađuju za sve nivoe amputacija gornjih ekstremiteta.
Da bi se pojačao utisak o autentičnosti, na proteze se navlače plastične estetske rukavice. U
ovu grupu mogu se ubrajati posturalne proteze, koje služe da uspostave ravnotežu izgubljenu
zbog amputacije jedne ruke. Radne proteze imaju nadoknade šake koje imaju zadatak
hvatanje i ispuštanje predmeta, ili kao vrsta specifičnih alatki. Hvataljke imaju oblik povijene
štipaljke. Izrađene su od čelika. Veoma su jake i izdržavaju veliko opterećenje. Za razliku od
protetičkih šaka, hvataljke ostavljaju prilično otvoreno vidno polje, pomoću kojeg se
kontroliše preciznost hvata. Može da se reguliše jačina hvata premještanjem opruge na drugu
polugu. Terminalni nastavak kao specifična alatka je pogodan za ljude koji zanatski rade neki
posao, pri kojem se upotrebljvaju neke ručne alatke. Terminalni nastavak se jednostavno
montira i demontira(pritiskom na polugu i uvlačenjem u za to određenu rupu u adapteru na
distalnom kraju podlakatnog dijela proteze). Protetička šaka je estetski znatno prihvatljivija
od hvataljke, ali je funkcionalno inferiornija. Protetička šaka omogućava palmarni hvat sa
tripodnom akcijom prstiju.
Kontrolni sistem, koji pokreće terminalni nastavak, pokrete i položaje u lakatnom
zglobu, čini sistem sajli povezan sa suspenzijom proksimalno i efektorom distalno. U sistemu
kontrole, najčešće se koristi modifikovana aksilarno-deltoidna petlja, koja preko sistema pull-
a i standardnog Bovdenovog kabla upravlja naizmenično lakatnim zglobom kontrolišući
položaj podlakatnog dela proteze i radom terminalnog nastavka. Kočeći mehanizam
lakta,preko posebnog kabla vezanog za suspenziju, održava lakat u željenom položaju
7
stabilno. Oba kontrolna sistema rade nezavisno. Upravljanje se odvija u sekvencama.
Simultani pokreti su nemogući.
Pokretanje protetičke podlaktice obavlja se na sledeći način:
Pokretanje protetičke podlaktice se dobija pomoću skapularne abdukcije validne ruke,
čija se sanga, od momenta amputacije druge ruke, kineziterapijskim vežbama održava
i jača.
Elevacija nadlaktice, protruzija ramena, ekstenzija nadlaktice protetisane strane
dovodi do ukočenja lakta.
Elevacija ramena protetisane strane sa fleksijom nadlaktice dovodi do otkočenja
lakatnog zgloba.
Lakatni zglob može biti u vidu pasivno pokretnog pregiba ili jednoosovinskog ugloba
koji se može fiksirati u razlićitim položajima. Funkciju lakta,promenu položaja, protetičke
podlaktice i funkciju šake omogućuje povlačenje sajle pokretima ramena. Pravilnim
postavljanjem sajle moguće je izvesti sve tri funkcije sa tri različita pokreta ramena.
Uglavnom se koriste: funkcionalni lakatni zglob OTTO-BOCK, spoljni lakatni zglob pasivni,
spoljni lakatni zglob sa kočnicom i spoljni lakatni policentrični zglob.
8
3. Tehnologija bioničke ruke
Tehnologija „bioničke ruke“ je moguća uz pomoć dvije činjenice. Prva je postojanje
motornog centra u mozgu (oblast koja kontroliše voljne pokrete mišića) koji uvijek šalje
kontrolne signale, pa i u slučaju da ne postoje mišići koji se mogu kontrolisati. Drugi faktor se
zasniva na činjenici da se, prilikom amputacije, ne odstranjuju svi nervi koji su kontrolisali
pokrete ruke.
Prema tome, i kada se ruka amputira, ostaju živi nervni završeci koji se završavaju u
ramenu i koji jednostavno nemaju gdje da pošalju informacije. Ako se ovi nervni završeci
preusmjere na aktivne mišićne grupe, tada osoba pomisli na komandu „otvori ormar“ i mozak
pošalje odgovarajuće signale nervima koji bi trebalo da komuniciraju sa rukom. Ovi signali se
završavaju na grupi aktivnih mišića umjesto na dijelu koji je, uslovno rečeno, mrtav.
Postupak preusmjeravanja nije jednostavan. Zato je razvijena procedura koja se zove
ciljana mišićna reinervacija (targeted muscle reinnervation - TMR).
Slika 2. Model robotske ruke koja se
kontroliše mislima
9
U osnovi, hirurzi pristupaju nervnim završecima koji se nalaze u ramenu i koji
kontrolišu pokrete ruke. Zatim, bez oštećenja nerva, preusmjeravaju završetke na aktivnu
mišićnu grupu. U slučaju opisane bioničke ruke, hirurzi sa RIC-a spajaju nervne završetke na
grupu grudnih mišića. Potrebno je nekoliko mjeseci da se nervi povežu sa pomenutim
mišićima i postanu integrisana celina. Krajnji rezultat je preusmerenje kontrolnih signala:
motorni centar u mozgu odašilje signale za ruku preko nervnih puteva, kao što je uvijek i bilo.
Ali, umjesto da se ovi signali završavaju u ramenu, završavaju se na grudima.
Da bi se ovi signali iskoristili za kontrolu bioničke ruke, postavljaju se elektrode na
površini grudnih mišića. Svaka od elektroda kontroliše jedan od šest motora koji pokreću
zglobove proteze. Kada se pomisli na komandu „otvori šaku“, mozak šalje signal „otvori
šaku“ odgovarajućem nervu koji je sada lociran na grudima. Kada nervni završetak primi
signal, aktivira se mišić na grudima na koji je spojen tako što se skupi.
3.1 TMR metoda
Slijedeći korak je razvoj načina da se signali sa prstiju na protezi dovedu prema
nervima na grudima i dalje, prema mozgu tako da se mogu osjetiti pritisak, hladnoća ili
toplota
Ovakvo prirodno ponašanje i integrisana senzorska povratna sprega su ostvareni
pomoću napred opisane TMR metode. Treba znati da se ova metoda temelji na transferu
preostalih nerava sa amputirane ruke na nekorišćeni mišićni dio u blizini povrede. Sa TMR
tehnikom, nervi se prenose sa ramena na grudni koš pacijenta. Sa elektrodama na
reinerviranim mjestima moguća je prirodna kontrola proteze. Ovo daje mnogo prirodniji način
kontrole proteze i prirodan osjećaj dodira ili jačine stiska objekta. Osmišljen je i tzv.
ubrizgavajući mišićno - električni senzor (Injectable MyoElectric Senzor - IMES). On se
koristi kod slijedeće generacije proteza. Riječ je o hirurški ugrađenim senzorima za mjerenje
mišićne aktivnosti na samom izvoru iste, što daje izolaciju signala a otuda i bolje performanse
nasuprot naprijed opisanim površinskim senzorima - elektrodama na koži.
10
Navedeni napredni sistemi će se znatno poboljšati korišćenjem IMES uređaja. Sada se
intenzivno radi na slijedećoj generaciji prototipa tzv. PROTO 2, koji će imati više od 26
stepena slobode i jačinu i brzinu pokreta koji su približni mogućnostima ljudske ruke. Ovo je
kombinovano sa više od 80 pojedinačnih senzorskih elemenata koji služe kao povratna sprega
za dodir, temperaturu i položaj ruke. Takođe, treba pomenuti i novu konstrukciju ramena i
jedinicu za pokrete zgloba šake, što sve treba integrisati u novu protezu.
Funkcionalna dijagnostika je dio Medicinske elektronike, koji se bavi električnim
registrovanjem i analizom određenih parametara u cilju dobijanja podataka o funkcionisanju
pojedinih organa i dijelova organizma. Funkcionalna dijagnostika se dijeli na tri oblasti:
Elektrografija - električno registrovanje biostruja i biopotencijala u ljudskom
organizmu,
Električno registrovanje neelektričnih parametara - važnih za funkcionisanje ljudskog
organizma
Endometrija i radio(tele)metrija, koja se bavi registrovanjem parametara u šupljinama
ljudskog organizma, direktno ili na daljinu
Biopotencijali se, kako smo videli, javljaju u ćelijama, tkivima i organima kao rezultat
životnih funkcija (membranski potencijal). Promjene ovih veličina se manifestuju kao
kratkotrajni impulsi stalnog ili promenljivog znaka i nazivaju se akcioni potencijali ili
potencijali dejstva. Potencijali pojedinih ćelija se sabiraju i formiraju zajedničku potencijalsku
razliku, koja se može mjeriti između pojedinih tačaka organa ili tkiva. Registrovanje
vremenskih promena ovih potencijala i njihova analiza daju vrijedne podatke o funkcionisanju
pojedinih organa ili tkiva (mišića). Na ovaj način se mogu registrovati promjene
biopotencijala mišića (elektromiografija - EMG), srca (elektrokardiografija - EKG) i mozga
(elektroencefalografija - EEG), mrežnjače ili retine (elektroretinografija -ERG), pomjeranja
oka (elektrookulografija - EOG).
11
Jedan od načina da se dobiju dijagnostičke informacije o funkcionisanju mišića je
mjerenje njegove električne aktivnosti. Akcioni potencijal, prilikom svoje transmisije sa
aksona na mišićna vlakna, izaziva mišićnu kontrakciju. Snimak promene potencijala mišića u
toku kontrakcije i relaksacije naziva se elektromiogram, ili EMG.
Mišić se sastoji od velikog broja mišidnih vlakana. Zavisno od vrste mišića, određen broj
vlakana (od 25 do 2000) povezan je preko jednog nerva sa mozgom ili kičmenom moždinom,
formirajudi motornu jedinicu prikazanu na slici 3. Svako vlakno je u kontaktu sa jednom
granom nerva preko nervnog završetka u obliku pločice (tzv. motorička pločica).
Slika 3. Električni
signali mišića
Snimanje akcionog potencijala jednog mišićnog vlakna prikazano je na slici 3. Referentna
elektroda je u obliku metalne pločice, dok se za drugu elektrodu koristi mikroelektroda. U
praksi se rijetko snima akcioni potencijal jednog mišićnog vlakna. Obično se registruje
električna aktivnost velikog broja vlakana istovremeno, kada je i druga elektroda u obliku
metalne pločice.
12
Senzorski receptor
Motorna jedinica
Kičmena moždina
Mišićna vlakna
Pločice
3.2. Električni signali srca
Srce se može posmatrati kao dvostruka pumpa. Sastoji se od četiri komore, lijevog i
desnog atrijuma i lijevog i desnog ventrikula. Desni atrijum prima krv iz tela kroz gornju
šuplju venu, kontrahuje se i pumpa krv u desni ventrikul. Kontrakcijom desnog ventrikula
pumpa se krv u plućni krvotok. U plućima se krv oksigenizuje, a zatim vrada u lijevi atrijum.
Kontrakcija lijevog atrijuma potiskuje krv u lijevi ventrikul, koji se kontrahuje i pumpa krv u
sistemski krvotok i to prvo kroz aortu, arterije i arteriole, zatim kroz kapilare svih organa i na
kraju kroz vene odakle se vrada u desni atrijum.
Kontrakcija lijevog i desnog atrijuma je sinhronizovana, a isto tako i kontrakcija
lijevog i desnog ventrikula. Ritmička aktivnost srca inicirana je i kontrolisana električnim
signalom, koji se generiše u specijalizovanim mišićnim ćelijama. Ove delije formiraju
sinoatrijski (SA) čvor, koji predstavlja prirodni pejsmejker. U SA čvoru se generiše akcioni
potencijal (oko 72 puta u minuti) i prostire duž cijelog srčanog mišića po tačno definisanom
putu, izazivajući depolarizaciju mišićnih ćelija.
Slika 4. Građa srca
13
Depolarizacioni talas putuje kroz mišićno tkivo atrijuma brzinom približno 1 m/s i
izaziva simultanu kontrakciju lijevog i desnog atrijuma i pumpanje krvi u ventrikule. Iza toga
nastaje repolarizacija i relaksacija mišića atrijuma. Depolarizacioni talas stiže do dijela koji
odvaja atrijume od ventrikula. Taj dio sačinjava uglavnom fibrozno vezivno tkivo, koje nije
provodno.
Jedina provodna struktura je atrioventrikulski (AV) čvor. Kada električni signal stigne
do atrioventrikulskog čvora, on inicira dalje prostiranje depolarizacionog talasa duž provodnih
vlakana (Hisovog snopa) i izaziva kontrakciju levog i desnog ventrikula pradenu pumpanjem
krvi u sistemski, odnosno pulmonalni krvotok. Nakon toga dolazi do relaksacije mišića
ventrikula i njihove, a zatim počinje novi ciklus.
Očigledno je da su električna aktivnost srca i njegovo mehaničko kretanje usko
povezani. Naime, svaki mišić srca može da se kontrahuje jedino pod dejstvom električne
struje koja kroz njega protiče. To znači da praćenjem i registrovanjem vremenske promene
potencijala mogu dobiti dragocjeni podaci o mehaničkom funkcionisanju srca.
Električni dipol je svako tijelo koje na krajevima ima -q i +q naelektrisanja iste
apsolutne vrednosti. Moment dipola je vektor ql (q - apsolutna vrijednost naelektrisanja, l -
dužina dipola). U električnom polju oko dipola svaka tačka ima određenu vrijednost
potencijala. Površine, na kojima su vrijednosti potencijala u svakoj tački iste, su
ekvipotencijalne površine. U presjeku ekvipotencijalnih površina i neke zamišljene ravni
dobijaju se ekvipotencijalne linije, koje povezuju tačke istih vrijednosti potencijala.
14
Slika 5. Srce kao dinamički dipol
Srce se može posmatrati kao dinamički dipol (tj. dipol koji u prostoru mijenja svoj
položaj I moment). Potencijali pojedinih ćelija srca se mogu sabirati, pa je srce, posmatrano u
cjelini, na jednom kraju (osnova srca) negativno naelektrisano, a na drugom kraju (vrh srca)
pozitivno naelektrisano. To znači da se oko srca formiraju ekvipotencijalne površine sa
vrijednostima potencijala koje se mogu mjeriti na površini grudnog koša.
Razlika potencijala između odabranih tačaka u kojima su postavljene elektrode
odgovara položaju dipola srca u jednom trenutku. Usljed mehaničke aktivnosti srca, pri kojoj
se samo vrh srca pomjera (kontrakcije i relaksacije atrijuma i ventrikula), položaj pozitivnog
kraja dipola se neprekidno mijenja, pa samim tim i pravac i veličina samog dipola. To dovodi
do promjene vrijednosti potencijala između elektroda. Zapis koji se dobija snimanjem
promjena vrijednosti potencijala između dvaju fiksiranih tačaka na tijelu u toku vremena
naziva se elektrokardiogram (ili skradeno EKG).
Tipičan elektrokardiogram dobijen snimanjem promjene intenziteta jedne projekcije
dipola srca na papir, koji se krede brzinom v u naznačenom smeru, ima oblik prikazan na slici
5. U toku jednog ciklusa rada srca vector dipola se mijenja tako da početak vektora zadržava
isti položaj, dok vrh vektora opisuje tri krive PQ, QRS i ST, za koje se može uzeti da leže
približno u istoj (frontalnoj) ravni. Promjena položaja vrha vektora zapravo prati pomjeranje
vrha srca po pomenutim krivama pri kontrakciji atrijuma i ventrikula.
15
4. Tehnologija upravljanja električnim signalima mozga
Elektroencefalogram (ili skraćeno EEG) predstavlja snimak električne aktivnosti
pretežno neurona u korteksu mozga. Mozak sadrži nekoliko milijardi neurona koji generišu i
propuštaju električne signale. Ukupna električna aktivnost rezultira signalima, koji se mogu
detektovati i zabiljležiti izvan mozga.
Slika 6. Položaj bioničke ruke u ležištu
Električna aktivnost mozga se manifestuje kao slabi kompleksni električni signali, koji
se mogu registrovati pomodu elektroda, čiji je mogući raspored prikazan na slici 8.7.
Elektrode su najčešće u obliku malih diskova, napravljenih od srebrohlorida. Njihov raspored
zavisi od dijela mozga koji se želi ispitivati. Referentna elektroda je obično postavljena na
jedno od dva uha .
16
Amplitude potencijala u elektroencefalogramu su male i iznose oko 50 μV. Zbog toga
je preciznost snimanja često ugrožena uticajem spoljnih električnih signala ili nevoljnim
pokretima tijela (pomjeranje oka, na primjer). Frekvencije signala su niske i različite. Prema
vrijednosti frekvencije signali se dijele na spore (Δ - talasi; 0,5 – 4 Hz), umjereno spore (θ -
talasi; 4-8 Hz), α - talase (8 - 13 Hz) i β talase (iznad 13 Hz).
Mnogi električni mjerni aparati imaju veliku osjetijivost pa su pogodni za mjerenje
malih promjena neelektričnih veličina. To je mogude učiniti pod uslovom da su elektrode
zamjenjene dijelom aparature koji se naziva pretvarač (transdjuser, transduktor). Pomoću
njega se promjena ma koje fizičke veličine pretvara u njoj odgovarajući električni impuls.
Ovom metodom se u medicini i biologiji mjeri veliki broj neelektričnih parametara kao što su:
pritisak krvi, puls, temperatura, srčani šumovi, veličina kontrakcije mišida i slično. Zavisno
od vrste parametara koji se pretvaraju u električne impulse, pretvarači mogu biti konstruisani
na razne načine. Navešdemo neke od pretvarača:
mehanički - pretvaraju mehanička kretanja u električne signale,
zvučni - pretvaraju promjenu intenziteta zvuka u električne signale,
toplotni - pretvaraju promjenu količine toplote u električne signale,
optički - pretvaraju promenu intenziteta svjetlosti u električne signale.
17
Upravljanje rukom TMR (Target Muscle reinnervation) tehnologijom
U prethodnom dijelu na osnovu mjerenja koja smo izvršili možemo zaključiti da se u
ljudskom organizmu javljaju različite promjene prilikom obavljanja neke od operacija, sve te
promjene prouzrokuju pojavu odgovarajućih signala. Na osnovu tih signala (el. Signal mišica,
el. Signal mozga itd.) možemo preko senzora ostvariti upravljivost mehatroničke ruke,
odnosno robotske ruke koja je pogonjena preko različitih servo motora. Na ovaj način
omogućila bi se nova šansa ljudima koji su izgubili jedan od dijelova tijela, naravno sve
zahvaljujući naprednoj tehnologiji.
Proteza ruka sa TMR tehnologijom kombinuje bioinžinjering, mašinstvo, informatiku i
elektroniku. Svaki od navedenih dijelova ima svoju ulogu kako bi proteza ruke bila potpuno
funkcionalna i upotrebljiva. Mašinstvo je potrebno da bi se uspostavila potrebna mehanike
proteze. Elektronika je zadužena za električne interakcije koje se odvijaju i pokreću ruku.
Inoformatika je zadužena za interakcije tijela i proteze ruke preko mikrokontrolera.
Bioinžinjering je pristuan da bi se objezbjedilo da proteza radi na način kao i ljudska ruka.
Sve počinje sa slanjem signala od mozga preko nervima do krajeva koji se nalaze na grudima.
Odavde, elektrode detektuju signale i šalju ih do proteze ekstremiteta. Ovi signali se prevode
pomoću mikrokontrolera. Mikorokontroler šalje komande svakom dijelu proteze ruke,
pokrečući motor što rezultira kretanjem određenih dijelova ruke (proteze).
TMR tehnologija povećava količinu mišićnih informacija, kako bi se omogućila
višestruka kontrola proteze ruke. Ova tehnika se zasniva na činjenici da lokomotorne
komande ekstremiteta koji nedostaje nastavljaju da putuju do rezidualnih nerava nakon
amputacije. Prvi korak kod ovog projekta je bio oživljavanje mrtvih nerava na kraju ostatka
ruke. Pacijent biva podvrgnut operaciji ponovne inervacije ciljanih mišida (TMR), kod ove
operacije se uspostavi veza nerava ruke sa potiljkom što omogući protok električnih signala
put nerava. Upotrijebe se električni signali koji idu prema udu koji nedostaje i premoste se u
preostale mišiće na kraju uda. Kada pacijent uobičajno pomisli na kretanje uda koji nedostaje,
on zgrči preostali mišić i senzori su u mogućnosti da prikupe te signale i preoblikuju ih u
poruke za protetski ud. To pomjeranje (kontrakcija) mišića se može registrovati pomoću EMG
18
elektroda, te na taj način se kontroliše proteze ekstremiteta koji nedostaje. Svaki EMG signal
je kreiran pomoću male hemijske reakcije kada se određeni mišić grči ili opušta nakon što
mozak pošalje signal tom određenom mišiću. Raspon EMG signala je oko 20 mikrovolti.
Elektrode na grudima ( mjesto gdje su živci ponovo spojeni ) detektuju ove EMG signale i
šalju ih do mikrokontrolera. Mikrokontroler obrađuje i preusmjereva taj signal do mjesta gdje
je namjenjen da se šalje. Mali elektromotor sa baterijom, smješten je na unutar proteze i
pokreće se, pomjera potreban dio ruke i gasi se.
TMR uzima živce koje prethodno provode signale za pokrete ruke, ručnog zgloba i
lakta , i postavlja ih u mišiće na prsima. Nove EMG stanice su kontrolirane s jasnim i
intuitivnom kontrakcijom mišića, od kojih se neki mogu pojaviti istovremeno. Trenutno,
električne protetske komponente koje su komercijalno dostupni daju tri stepena slobode :
lakat fleksije / proširenje, ručni pronacije / supination i terminala uređaja ( ruke ili kuka)
otvaranje / zatvaranje. U većini mioelektričnih sistema, ovi stepeni slobode se ne kontroliraju
jedna po jedna, nego istovremen . TMR hirurški pristup nudi pacijentu jedinstvenu sposobnost
da istodobno kontroliše više stepeni slobode, potencijalno s manje mentalnog napora .
Rezultat je visok nivo intuitivne kontrole, koja mogže značajno poboljšati funkcionalno
korištenje proteze.
Međutim, postizanje najviše intuitivanog nadzor ovisi o pacijentu koji prima
odgovarajuću terapiju pri osposobljavanju.Znanstvenici i stručnjaci i proizvođači ulažu
ogromne napore u stvaranju dodatnih stupnjeve slobode u umjetnim sistemima. Kao bi što
više komponenti s tim napretkom postalo dostupno, dosljedan i pouzdan ulaza će biti potrebna
za kontrolu. Intuitivne metode kontrole će biti presudne za omogućavanje pacijentima da u
potpunosti ostvare što veću složenost i sposobnost tih sistema.
19
Slika 7. Proteza ruke sa TMR tehnologijom
4.1 Neuroprostetičke postavke
Jezgra neuralnih prostetika je u procesiranju aktivnosti djela mozga koji je zadužen za
planiranje i izvršenje pokreta u datom dijelu tijela.
Slika 8. Prikazuje neuroprostetičku postavku, gdje se prostetički ud pokreće preko
moždanih signala. Prvi korak u stvaranju dobre neuro-prostetičke veze jeste ostvarenje dobrih
valova tj. binarnog signala koje će procesor filtrirati i pretvoriti u filtrirane podatke. Kad
analitika ulaznih podataka detektuje izboje onda adresira bazi šablona izboja koji su naučnici
kreirali za određeni pokret.
Slika 8. Neuro-prostetička postavka i dijagram prepoznavanja izboja
20
4.2 Upravljanje rukom
Ove proteze rade tako što se elektrode postave na kožu kako bi primale nervne signale,
koji bi se u normalnim okolnostima slali iz mozga ka udovima. Algoritam nakon toga
konvertuje signale i šalje instrukcije motorima unutar vještačkog uda.
Slika 9. Diagram upravljanja proteze ruke preko električnog signala mozga
Izvršavanje pokreta pomoću proteze zahtjeva seriju komplesknih aktivnosti u mozgu,
od procjene vizialnih ulaza preko planiranja pokretanja motora i izvršavanja na kraju. Ključ
ovih proteza leži u detekciji i procesuiranju aktivnosti mozga uključujući planiranje i
izvršavanje namjernih pokreta Na slici 9. je prikazan neuroprotetički put, gdje proteza uda se
kontroliše aktvinostima različitih neuronama, kako bi se izvršuila željena akcija. Prvi i
21
najvažniji korak jeste u bilo kojem neuroprotetičkom sistemu da se osiguraju pouzdana
očitavanja iz određene domene interesovanja. Interfejsi za takva očitavanja su u konstantom
razvoju kako bi se osigurali senzorski sistemi za dugim životnim vijekom i viskom
kvalitetom signala. Zatim se očitani signali procesiraju sa spike sorting algoritmima
( algoritmi sortiranja prema ekstermima), koji će osgurati identifikaciju ekstrema pojedinih
nerava. Aktivnosti ovih nerava, daju nam ulaze u algoritam za dekodiranje, koji procesuiraju
ove informacije kako bise poslale informacije o željenom kretanju proteze ruke. Dakle,
pacijent može da planira kretanja, ali ne može da ih izvršava.
Slika 10. Elbosoft softver za rekonfiguraciju i kalibraciju signala za bioničku ruku
Ta očitavanja planirane putanje mogu se dobiti pomoću mnoštvo mikroelektroda
smješteni u korteksu mozga. Ovi implanti ne samo da detektuju aktivnosti nervnih ćelija, oni
mogu da prenose ove signale bežično do nekog eksternog uređaja. Implanti mogu biti
postavaljeni na razne lokacije i oni očitavaju namjeru ili neke druge kognitivne varijable
subjekta. Zatim algoritmi za dekodiranje prevode značanje tih signala. Ovi algoritmi
dekodiranja mogu biti inkapsulirani u hardver implanta ili nekog eksternog uređaja.
22
Dekodirani signali se dalje transformišu kako bi se dobili kontrolni signali za upravlajnje
pomoćnih uređaja odnoso proteza.
5. Zaključak
Nakon oštećenja ili uklanjanja tkiva i kostiju koji sačinjavaju određeni dio tijela nervi i
djelovi mozga koji su upravljali njime nastavljaju da funkcionišu. Ljudima koji se suočavaju
sa ovakvim problemima elektronika i naučnici izlaze u susret zamjenjujući nedostatke
njihovog tijela neuralnim protezama odnosno bionicima.
U zavisnosti od toga koji je dio tijela oštećen razlikuje se i princip ugradnje i
funkcionisanja bioničkog mehanizma. U daljem tekstu biće obrađeni neki od njih.
Osim pomenutih proteza naučnici danas razvijaju motorizovane šake, stopala,
kompjuterizovana koljena, zglobove, sklopove sa elektrodama koji omogućavaju
kvadriplegičarima da pokreću udove, bioničku kožu koja bi mogla u budućnosti da registruje
temperaturu i dodir i još mnogo toga koristeći elektroniku da pomognu ljudima da i nakon
oštećenja nekog od djelova tijela nastave što normalnije da funkcionišu.
Medicina se vjekovima oslanjala na nagađanja, travare, „puštanje krvi“ i slične
metode, sve dok Vilijam Harvi nije otkrio cirkulaciju krvi kroz organizam 1628. godine.
Danas se savremena medicina oslanja na elektronske naprave pri obradi nalaza,
uspostavljanju dijagnoze i laboratorijskim ispitivanjima.
Sve do 1907. godine mjerenje krvnog pritiska i srčanog ritma oslanjalo se na ljudsku
procjenu, sa otkrićem nerava, mišića, srca i mozga razvijeni su elektromagnetski uređaji za
njihovo mjerenje. 1820. njemački naučnik Johan Švager konstrusao je sklop za pojačanje
magnetne komponente električnog kola i time napravio prvi električni instrument za mjerenje
- galvanometar na kojem se temeljila kontrukcija ampermetara i voltmetara.
Nakon otkrića nervnog impulsa kao osnovnog mehanizma prenošenja informacija u
nervnom sistemu pojavljuju se instrumenti sa elektrodama. 1887. godine Avgustus Valer je
konstrusao prvi elektrokardiogram (ECG) i time omogućio mjerenje električnog pulsa
23
ljudskog srca. Sredinom 20. vijeka Hans Berger konstruiše prvi elektroencefalograf (EEG).
Danas, u 21. vijeku naučnici konstruišu proteze koje zamjenjuju ljudske udove i oštećene
djelove tijela.
6. Literatura
1. Mitrašinović, D. Protetika i ortotika, Beograd 2010.
2. Marković, P. Protetika i ortotika, Skripta za potrebe praktične nastave,Beograd 2010.
3. Vlatko Dolaček, Isak karabegović, Robotika, univerzitetska knjiga, Tehnički fakultet,
Bihać, 2002
4. Ivan Petrović, Mobilna robotika-predavanja, Fakultet elektrotehnike i računarstva
sveučilišta u Zagrebu,2004/5.
24
Recommended