Movimento naturale e stabilità migliorati con caviglie protesiche robotiche

Secondo un nuovo studio della North Carolina State University e dell’Università della Carolina del Nord a Chapel Hill, le caviglie protesiche robotiche, controllate da impulsi nervosi, consentono agli amputati di muoversi in modo più “naturale”, migliorando la loro stabilità.

“Questo lavoro si è concentrato sul” controllo posturale “, che è sorprendentemente complesso”, afferma Helen Huang, autrice corrispondente dello studio e professoressa distinta della famiglia Jackson presso il Dipartimento congiunto di ingegneria biomedica presso NC State e UNC.

“Fondamentalmente, quando stiamo fermi, i nostri corpi apportano costantemente aggiustamenti per mantenerci stabili. Ad esempio, se qualcuno ci urta mentre siamo in fila, le nostre gambe fanno una vasta gamma di movimenti che non faremmo “. Stiamo lavorando con persone che stanno ferme. “Amputazione dei loro arti inferiori, e ci dicono che raggiungere questo tipo di stabilità con dispositivi protesici è molto impegnativo. Questo studio dimostra che le caviglie protesiche robotiche controllate mediante elettromiografia (EMG ) i segnali sono eccezionalmente efficaci nel consentire agli utenti di raggiungere questa stabilità naturale.” I segnali EMG sono i segnali elettrici registrati dai muscoli di un individuo.

Il nuovo studio si basa su lavoro precedenteCiò ha dimostrato che il controllo neurale di una caviglia protesica motorizzata può ripristinare una serie di abilità, tra cui stare in piedi su superfici difficili e accovacciarsi.

In questo studio, i ricercatori hanno lavorato con cinque persone che avevano subito amputazioni sotto il ginocchio su una gamba. Ai partecipanti allo studio è stato dotato un prototipo di caviglia protesica robotica che rispondeva ai segnali EMG captati dai sensori sulla gamba.

“Fondamentalmente, i sensori sono posizionati sopra i muscoli nel sito dell’amputazione”, afferma Aaron Fleming, coautore dello studio e recente dottorato di ricerca. Si è laureato alla NC State. “Quando un partecipante allo studio pensa di muovere l’arto amputato, invia segnali elettrici attraverso i muscoli rimanenti dell’arto inferiore. I sensori raccolgono questi segnali attraverso la pelle e li traducono in comandi per il dispositivo protesico.”

I ricercatori hanno condotto una formazione generale per i partecipanti allo studio utilizzando il dispositivo prototipo, in modo che acquisissero una certa familiarità con la tecnologia.

Ai partecipanti allo studio è stato quindi assegnato il compito di rispondere a una “perturbazione prevista”, nel senso che dovevano rispondere a qualcosa che avrebbe potuto farli perdere l’equilibrio. Nella vita di tutti i giorni, potrebbe essere qualcosa come prendere una palla o fare la spesa. Tuttavia, per replicare accuratamente le condizioni nel corso dello studio, i ricercatori hanno sviluppato un sistema meccanico progettato per mettere alla prova la stabilità dei partecipanti.

Ai partecipanti allo studio è stato chiesto di rispondere alla perturbazione attesa in due condizioni: utilizzare i dispositivi protesici che utilizzano normalmente; E l’utilizzo di un prototipo di protesi robotiche.

“Abbiamo scoperto che i partecipanti allo studio erano significativamente più stabili quando utilizzavano il prototipo automatizzato”, afferma Fleming. “Avevano meno probabilità di inciampare o cadere.”

“In particolare, il modello robotico ha consentito ai partecipanti allo studio di modificare la loro strategia di controllo della postura”, afferma Huang. “Per le persone con gli arti inferiori intatti, la stabilità posturale inizia dalla caviglia. Per le persone che hanno perso gli arti inferiori, in genere devono compensare l’incapacità di controllare la caviglia. Abbiamo scoperto che utilizzando una caviglia robotica che risponde ai segnali EMG consente agli utenti di tornare alla loro risposta istintiva per mantenere la stabilità On. “

In una parte separata dello studio, i ricercatori hanno chiesto ai partecipanti allo studio di oscillare avanti e indietro mentre utilizzavano una protesi naturale e mentre utilizzavano un modello protesico robotico. I partecipanti allo studio erano dotati di sensori progettati per misurare l’attività muscolare nell’intera parte inferiore del corpo.

“Abbiamo scoperto che i modelli di attività muscolare nella parte inferiore del corpo erano molto diversi quando le persone utilizzavano due protesi diverse”, afferma Huang. “Fondamentalmente, i modelli di attivazione muscolare durante l’utilizzo del prototipo protesico erano molto simili ai modelli che vediamo nelle persone che hanno il pieno utilizzo di due arti inferiori intatti. Questo ci dice che il prototipo che abbiamo sviluppato imita il comportamento del corpo abbastanza da consentire un “normale” ‘ persone a farlo.” Ritorno di schemi neurali. Questo è importante perché indica che la tecnologia sarà abbastanza intuitiva per gli utenti.

“Riteniamo che questa sia una scoperta clinicamente importante, perché la stabilità posturale è un problema importante per le persone che utilizzano dispositivi protesici. Stiamo ora conducendo uno studio più ampio con un numero maggiore di persone per chiarire gli effetti della tecnologia e identificare gli individui che potrebbero trarne maggior beneficio .”

Un articolo sullo studio intitolato “Il controllo neuroprotesico ripristina la neuromeccanica quasi normativa nel controllo posturale in piedi” sarà pubblicato il 18 ottobre sulla rivista Science Robotics. Questo articolo è stato scritto in collaborazione con Wentao Liu, Ph.D. Studente presso il Dipartimento Paritetico di Ingegneria Biomedica. Il lavoro è stato eseguito con il sostegno del National Institutes of Health, con le sovvenzioni F31HD101285 e R01HD110519; e dalla National Science Foundation con la sovvenzione n. 1954587.