Implantirani magnetski senzori prate kretanje mišića

Istraživači s američkog tehnološkog instituta MIT, pokazali su da mogu točno pratiti kretanje mišića pomoću sitnih magnetskih kuglica implantiranih u mišić. Ova mjerenja mogla bi olakšati ljudima s određenim vrstama amputacija kontrolu nad protetskim udovima.

Desetljećima istraživači rade na razvoju neuroprotetskih udova, koji koriste neuronske informacije iz mišića preostalih nakon amputacije za vođenje protetskog uda. Mjerenja duljine, brzine i aktivacije mišića mogu se unijeti u kontrolne algoritme koji vode udove, omogućujući osobama s amputacijom noge da hodaju prirodnijim hodom ili onima s amputacijom ruke da učinkovitije manipuliraju predmetima.

Do sada su se ovi uređaji oslanjali na mjerenja mišićne aktivnosti s elektroda postavljenih na površinu kože. Međutim, ta mjerenja nisu se pokazala dovoljno pouzdanima da bi se osigurala sigurnost pri hodanju s neuroprotetskom nogom.

MIT-ov tim se nada da će njihov novi magnetski sustav praćenja, koji nudi točnija mjerenja, omogućiti komercijalni razvoj takvih udova.

U novoj studiji, koja se pojavljuje u časopisu Nature Sensors, istraživači su pokazali točnost magnetskih mjerenja kod tri sudionika s amputacijama ispod koljena.

„Ovo sučelje je minimalno invazivno, tako da bi moglo biti dostupno većem broju ljudi. Postavite dvije kuglice u mišić i imate pristup svim tim bogatim informacijama o dinamici mišića“, kaže Christopher Shallal, diplomirani student MIT-a u Harvard-MIT programu zdravstvenih znanosti i tehnologije i jedan od glavnih autora rada.

Ovim pristupom, poznatim kao magnetomikrometrija, parovi magneta se implantiraju u mišiće. Kada se mišić kontrahira ili isteže, vanjski senzori postavljeni na kožu mogu mjeriti promjenu udaljenosti između magneta, što omogućuje izračun duljine i brzine mišića.

U studiji iz 2021. laboratorij je prvi put demonstrirao  tehniku ​​​​baziranu na magnetima na životinjskim modelima. Nova studija proširuje pristup na ljude s dugoročnim magnetskim implantatima. Za studiju su istraživači regrutirali tri sudionika koji imaju amputacije ispod koljena.

Svi ovi sudionici imali su vrstu amputacije koja stvara ono što se naziva agonist-antagonist mioneuralno sučelje (AMI). Ovim kirurškim postupkom, mišićni parovi se ponovno povezuju tijekom operacije tako da i dalje dinamički komuniciraju jedni s drugima unutar preostalog uda. Ova senzorna povratna informacija, nazvana propriocepcija, pomaže nositelju proteze da odluči kako postaviti i pomicati svoj protetski ud.

Sudionicima su ugrađeni magneti u do četiri mišića gležnja. Operacije su izvedene u bolnici Brigham and Women's u suradnji s plastičnim kirurgom Matthewom Cartyjem, koautorom studije. Kuglice su promjera 3 milimetra, otprilike veličine sjemenke sezama. Magneti su izrađeni od legure neodimija, željeza i bora, te su obloženi zlatom i polimerom nazvanim parilen C kako bi bili biokompatibilni. Magnetski signali mogu se očitavati s dubine do 6 centimetara od površine kože, pomoću prilagođenog vanjskog senzora koji se nosi preko kože, postavljenog preko mišića koji se prate.

Svakom od sudionika ove studije također su ugrađene elektrode u iste mišiće u koje su ugrađene magnetske kuglice. To je istraživačima omogućilo usporedbu točnosti triju različitih vrsta mjerenja: magnetomikrometrije, elektromiografije s ugrađenim elektrodama i elektromiografije s elektrodama na površini kože.

Tijekom eksperimenata, sudionici nisu nosili protetski ud, već su zamoljeni da izvršavaju zadatke poput pomicanja kursora na zaslonu do određene mete pomoću pokreta mišića. Korištenjem svake od tri tehnike mjerenja, signali generirani pokretima mišića prevedeni su u kontrolne signale koji su, u ovom slučaju, pomicali kursor, ali bi se u budućnosti mogli unositi u kontroler robotske proteze za gležanj i stopalo. 

Istraživači sada provode veću studiju u kojoj procjenjuju koliko dobro ljudi mogu kontrolirati protetske udove koristeći mjerenja s magnetskih kuglica.