Специалисты Массачусетского технологического института (MIT) показали, как можно отслеживать работу мышц при помощи небольших вживленных магнитов. Такой прием, по их мнению, дает шанс людям с удаленными конечностями управлять роботизированными протезами естественнее, чем сейчас. Данный метод способен обойти те рамки, которые сегодня задают действующие системы передачи сигналов от мышц.
Ирина Медведева
Иллюстративное изображение протезирования. Источник: MIT
Методику проверили на трех пациентах, у которых нога ампутирована ниже колена; она способна снять те ограничения, что присущи существующим системам считывания мышечных сигналов.
Подход назвали магнитомикрометрией: он фиксирует, как меняется дистанция между магнитными шариками, вживленными в мышечную ткань. Как отмечают авторы, подобные замеры дают более точные и устойчивые сведения о работе мышцы по сравнению с обычными электродами, которые крепятся на поверхности кожи.
Публикация результатов в журнале Nature Sensors опирается на многолетние разработки интерфейсов, благодаря которым протезы могли бы реагировать так же, как живые конечности.
Отслеживание мышечной активности посредством магнитов
В большинстве действующих протезных систем, которыми управляют мышцы, применяется электромиография (ЭМГ): она регистрирует электрическую активность, сопутствующую сокращению мышц. Электроды на коже улавливают такие сигналы, а программное обеспечение переводит их в команды для роботизированной конечности.
При этом электрическая активность не отражает напрямую механику мышцы — ни ее длину, ни скорость движения, ни параметры, связанные с усилием. Надежность сигналов падает и в ряде других случаев: когда мышцы долго остаются сокращенными, когда на электроды попадает пот или когда датчики замечают активность соседних мышц.
Магнитный метод Массачусетского технологического института призван снять эти трудности, поскольку измеряет движение мышцы напрямую.
В мышечную ткань вживляют пары крошечных магнитов, а на кожу помещают внешние датчики. При сокращении или растяжении мышцы дистанция между магнитами изменяется. Отслеживая такие сдвиги, система вычисляет длину и скорость сокращения мышцы — на основе этих данных контроллер протеза задает движение конечности.
Магниты, чей диаметр составляет примерно 3 миллиметра, сделаны из сплава неодима, железа и бора. Сверху нанесены золото и парилен С — полимер, который улучшает биосовместимость. По словам исследователей, магнитные сигналы удается уловить в тканях на глубине до 6 сантиметров.
Проверка системы на людях с ампутированными конечностями
Методику испытали на трех участниках с ампутацией голени, которым провели процедуру агонист-антагонистного мионейрального интерфейса (AMI). Данная хирургическая техника восстанавливает связь между противоположными мышечными группами, чтобы те могли и дальше динамически взаимодействовать внутри культи.
Такая связь способствует сохранению проприоцепции — умения организма чувствовать положение и перемещение своих конечностей. Если обратная связь сохраняется, пользователи могут точнее управлять протезами.
Участникам вживили магнитные имплантаты в четыре мышцы, отвечающие за движение голеностопного сустава. После этого исследователи сопоставили магнитомиометрию с двумя привычными способами измерений: электродами, вживленными в мышцы, и электродами, закрепленными на поверхности кожи.
В ходе экспериментов участники управляли курсором на экране за счет движений мышц. Сигналы каждой измерительной системы исследователи превращали в управляющие команды, чтобы сравнить, насколько точно и стабильно разные интерфейсы решают поставленную задачу.
При этом в экспериментах участники не пользовались протезом с магнитным управлением. Вместо этого они выполняли задание с курсором — оно служило проверкой базового интерфейса управления.
Особенности процедуры AMI
Процедура AMI, примененная в испытаниях, сама по себе предполагает хирургическое вмешательство, поэтому магнитомиометрия не является полностью неинвазивной альтернативой. Однако в сравнении с имплантацией электродов в мышцы она может оказаться менее травматичной: магнитным шарикам не нужны провода, выходящие через кожу, и не требуется постоянное электропитание внутри тела.
Внешние датчики считывают положение магнитов через кожу на глубине до 6 сантиметров, что упрощает конструкцию интерфейса и снижает риск инфекций.
С практической точки зрения важна и простота использования системы. Электроды на поверхности кожи требуют тщательного размещения и часто сбиваются при смещении или загрязнении. Магнитный метод, измеряющий механику мышцы напрямую, меньше зависит от качества контакта с кожей и от электрических помех. Если дальнейшие испытания подтвердят эти преимущества, настройка протеза может стать проще, а сам интерфейс — устойчивее к повседневным условиям.
В перспективе магнитомикрометрия может найти применение не только в протезировании. Точные данные о длине и скорости сокращения мышц полезны для реабилитации после травм, для контроля восстановления после операций и для исследований двигательной функции.
Однако авторы подчеркивают, что говорить о широком внедрении преждевременно: предстоит подтвердить безопасность, надежность и результативность системы, а также отработать процедуру имплантации и калибровки для разных групп пациентов.
Путь к более естественным движениям протеза
Эта работа продолжает более ранние исследования команды Массачусетского технологического института: в 2021 году они показали магнитомикрометрию на животных. Помимо этого, исследователи создавали протезные системы с вживленными электродами, включая роботизированное колено, чей контроль должен был улучшиться за счет более точных замеров мышечной активности.
Магнитный подход может оказаться менее инвазивной заменой имплантации электродов. Среди возможных сфер применения — роботизированные протезы голеностопного сустава и стопы, которые отзываются на движения пользователя более естественно.
Сейчас исследователи ведут более масштабное исследование: они хотят оценить, насколько успешно люди управляют протезами при помощи магнитных датчиков. Чтобы понять безопасность, долговечность и результативность системы при повседневных задачах, понадобятся дальнейшие испытания.
Следующий этап работы команды связан с переходом от лабораторных испытаний к практике. В текущем исследовании участники управляли курсором, а не протезом, поэтому ключевой вопрос — насколько хорошо магнитомиометрия покажет себя в реальной работе роботизированной конечности — еще предстоит изучить.
Исследователи планируют более масштабное испытание с участием людей, которые будут пользоваться протезами голеностопного сустава и стопы в повседневных условиях: при ходьбе по ровной поверхности, подъемах по лестнице, изменении темпа. Именно в таких сценариях проявляются ограничения существующих систем, связанные с усталостью мышц, потоотделением и перекрестными помехами от соседних мышечных групп.
Если эти исследования дадут положительный результат, магнитомикрометрия поможет сократить разрыв между движениями, которые человек намеревается совершить, и теми, что его протез способен надежно воспроизвести.
Отдельного внимания требует вопрос долговечности имплантатов. Магниты диаметром около 3 миллиметров, покрытые золотом и париленом С, должны оставаться в мышечной ткани в течение многих лет, не смещаясь и не вызывая воспалительных реакций.
Исследователям нужно подтвердить, что биосовместимое покрытие выдерживает постоянные механические нагрузки, а положение магнитов относительно друг друга сохраняется настолько стабильно, чтобы калибровка системы не сбивалась со временем. Эти данные будут собираться в рамках длительного наблюдения за участниками.
