Cảm biến từ tính theo dõi chiều dài cơ

Bởi Anne Trafton | Văn phòng Tin tức MIT

Sử dụng một bộ nam châm đơn giản, các nhà nghiên cứu của MIT đã đưa ra một phương pháp tinh vi để theo dõi chuyển động của cơ bắp, mà họ hy vọng sẽ giúp những người bị cụt tay điều khiển chân tay giả dễ dàng hơn.

Trong một cặp bài báo mới, các nhà nghiên cứu đã chứng minh độ chính xác và an toàn của hệ thống dựa trên nam châm của họ, có thể theo dõi chiều dài của các cơ trong quá trình vận động. Các nghiên cứu được thực hiện trên động vật mang lại hy vọng rằng chiến lược này có thể được sử dụng để giúp những người có bộ phận giả điều khiển chúng theo cách giống với cử động chân tay tự nhiên hơn.

“Những kết quả gần đây chứng minh rằng công cụ này có thể được sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm để theo dõi chuyển động của cơ bắp trong quá trình hoạt động tự nhiên, và chúng cũng cho thấy rằng các mô cấy từ tính ổn định và tương thích sinh học và chúng không gây khó chịu”, Cameron Taylor, một MIT cho biết nhà khoa học nghiên cứu và đồng tác giả của cả hai bài báo.

Trong một nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể đo chính xác độ dài của cơ bắp chân gà tây khi chúng chạy, nhảy và thực hiện các chuyển động tự nhiên khác. Trong nghiên cứu khác, họ chỉ ra rằng các hạt từ tính nhỏ được sử dụng cho các phép đo không gây viêm hoặc các tác dụng phụ khác khi được cấy vào cơ.

Hugh Herr, giáo sư khoa học và nghệ thuật truyền thông, đồng giám đốc của K. Lisa cho biết: “Tôi rất vui mừng vì tiềm năng lâm sàng của công nghệ mới này trong việc cải thiện khả năng kiểm soát và hiệu quả của các chi sinh học cho những người bị mất chi. Yang Trung tâm Sinh học tại MIT, và là thành viên liên kết của Viện Nghiên cứu Não bộ McGovern của MIT.

Herr là tác giả cao cấp của cả hai bài báo, xuất hiện trên tạp chí Biên giới trong Kỹ thuật sinh học và Công nghệ sinh học. Thomas Roberts, giáo sư sinh thái học, tiến hóa và sinh vật học tại Đại học Brown, là tác giả chính của nghiên cứu đo lường.

Theo dõi chuyển động

Hiện tại, chân tay giả có trợ lực thường được điều khiển bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận được gọi là điện cơ bề mặt (EMG). Các điện cực được gắn vào bề mặt da hoặc được phẫu thuật cấy vào phần cơ còn lại của chi bị cắt cụt đo tín hiệu điện từ cơ của một người, được đưa vào chân giả để giúp nó di chuyển theo cách mà người đó muốn đeo chi đó.

Tuy nhiên, cách tiếp cận đó không tính đến bất kỳ thông tin nào về chiều dài hoặc vận tốc của cơ, điều này có thể giúp chuyển động chân tay giả chính xác hơn.

Vài năm trước, nhóm MIT đã bắt đầu nghiên cứu một phương pháp mới để thực hiện các loại phép đo cơ bắp đó, sử dụng một phương pháp mà họ gọi là phép đo từ tính. Chiến lược này tận dụng từ trường vĩnh viễn xung quanh các hạt nhỏ được cấy vào cơ. Sử dụng một cảm biến giống như la bàn, có kích thước bằng thẻ tín dụng được gắn vào bên ngoài cơ thể, hệ thống của họ có thể theo dõi khoảng cách giữa hai nam châm. Khi một cơ co lại, các nam châm di chuyển lại gần nhau hơn và khi nó uốn cong, chúng sẽ di chuyển ra xa nhau hơn.

Trong một nghiên cứu được công bố vào năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ thống này có thể được sử dụng để đo chính xác chuyển động của mắt cá chân nhỏ khi các hạt được cấy vào cơ bắp chân của gà tây. Trong một trong những nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã đặt ra để xem liệu hệ thống có thể thực hiện các phép đo chính xác trong các chuyển động tự nhiên hơn trong môi trường không phòng thí nghiệm hay không.

Để làm được điều đó, họ đã tạo ra một đường dốc vượt chướng ngại vật để gà tây leo lên và những chiếc hộp để chúng nhảy lên và xuống. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng cảm biến từ trường của họ để theo dõi chuyển động của cơ bắp trong các hoạt động này và phát hiện ra rằng hệ thống có thể tính toán chiều dài cơ bắp trong vòng chưa đầy một phần nghìn giây.

Họ cũng so sánh dữ liệu của họ với các phép đo được thực hiện bằng cách tiếp cận truyền thống hơn được gọi là phép đo siêu vi lượng, một loại công nghệ tia X yêu cầu thiết bị lớn hơn nhiều so với phép đo từ vi mô. Các phép đo từ vi lượng thay đổi so với các phép đo được tạo ra bằng phép đo lưu huỳnh trung bình nhỏ hơn một milimet.

“Chúng tôi có thể cung cấp chức năng theo dõi chiều dài cơ của thiết bị X-quang có kích thước trong phòng bằng cách sử dụng một gói nhỏ hơn nhiều, di động và chúng tôi có thể thu thập dữ liệu liên tục thay vì bị giới hạn trong 10 giây. Taylor nói.

Seong Ho Yeon, một sinh viên tốt nghiệp MIT, cũng là đồng tác giả của nghiên cứu đo lường. Các tác giả khác bao gồm Cộng sự Hỗ trợ Nghiên cứu MIT Ellen Clarrissimeaux và cựu postdoc của Đại học Brown Mary Kate O’Donnell.

Tương thích sinh học

Trong bài báo thứ hai, các nhà nghiên cứu tập trung vào khả năng tương thích sinh học của các thiết bị cấy ghép. Họ phát hiện ra rằng nam châm không tạo ra sẹo mô, viêm nhiễm hoặc các tác động có hại khác. Họ cũng chỉ ra rằng các nam châm được cấy ghép không làm thay đổi dáng đi của gà tây, cho thấy chúng không tạo ra cảm giác khó chịu. William Clark, một postdoc tại Brown, là đồng tác giả của nghiên cứu tương hợp sinh học.

Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các bộ phận cấy ghép vẫn ổn định trong 8 tháng, theo thời gian của cuộc nghiên cứu, và không di chuyển về phía nhau, miễn là chúng được cấy ghép cách nhau ít nhất 3 cm. Các nhà nghiên cứu hình dung rằng các hạt, bao gồm một lõi từ tính phủ vàng và một loại polymer gọi là Parylene, có thể tồn tại trong mô vô thời hạn sau khi được cấy ghép.

Taylor nói: “Nam châm không yêu cầu nguồn điện bên ngoài và sau khi cấy chúng vào cơ, chúng có thể duy trì toàn bộ cường độ từ trường trong suốt cuộc đời của bệnh nhân.

Các nhà nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch xin sự chấp thuận của FDA để thử nghiệm hệ thống này ở những người có chân tay giả. Họ hy vọng sẽ sử dụng cảm biến để điều khiển chân giả tương tự như cách EMG bề mặt được sử dụng hiện nay: Các phép đo liên quan đến chiều dài của cơ sẽ được đưa vào hệ thống điều khiển của chân giả để giúp hướng nó đến vị trí mà người đeo dự định.

Taylor cho biết: “Nơi mà công nghệ này đáp ứng được nhu cầu là giao tiếp các chiều dài và vận tốc cơ bắp đó với một robot có thể đeo được, để robot có thể thực hiện theo cách hoạt động song song với con người,” Taylor nói. “Chúng tôi hy vọng rằng phép đo từ tính sẽ cho phép một người điều khiển một robot có thể đeo được với cùng mức độ thoải mái và dễ dàng giống như một người nào đó sẽ điều khiển chân tay của chính họ.”

Ngoài chân tay giả, những robot có thể đeo được này có thể bao gồm bộ xương ngoài robot, được đeo bên ngoài cơ thể để giúp con người di chuyển chân hoặc tay dễ dàng hơn.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Salah, Trung tâm K. Lisa Yang về Sinh học tại MIT, MIT Media Lab Consortia, Viện Y tế Quốc gia và Quỹ Khoa học Quốc gia.