ELEKTRONIKA

Pripremio: N. Arsenijević

Bionička ruka
Mašina koja se kontroliše mislima

Kako neko može kontrolisati mašinu pomoću misli? Američki institut za rehabilitaciju (Rehabilitation Institute of Chicago - RIC) nedavno je predstavio javnosti ženu kojoj je ugrađena veštačka, bionička ruka

Osobi o kojoj je reč amputirana je ruka do ramena, posle saobraćajne nesreće. Danas, posle ugradnje bioničke proteze, ona može, recimo, da otvori orman kada pomisli u sebi „otvori orman“. 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.

Tehnologija „bioničke ruke“ je moguća uz pomoć dve činjenice. Prva je postojanje motornog centra u mozgu (oblast koja kontroliše voljne pokrete mišića) koji uvek 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 gde da pošalju informacije. Ako se ovi nervni završeci preusmere na aktivne mišićne grupe, tada osoba pomisli na komandu „otvori orman“ i mozak pošalje odgovarajuće signale nervima koji bi trebalo da komuniciraju sa rukom. Ovi signali se završavaju na grupi aktivnih mišića umesto na delu koji je, uslovno rečeno, mrtav.

Postupak preusmeravanja nije jednostavan. Zato je razvijena procedura koja se zove ciljana mišićna reinervacija (targeted muscle reinnervation - TMR).

Mišići i elektrode

U osnovi, hirurzi pristupaju nervnim završecima koji se nalaze u ramenu i koji kontrolišu pokrete ruke. Zatim, bez oštećenja nerva, preusmeravaju završetke na aktivnu mišićnu grupu. U slučaju opisane bioničke ruke, hirurzi sa RIC-a spajaju nervne završetke na grupu grudnih mišića. Potrebno je nekoliko meseci 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 uvek i bilo. Ali, umesto 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.

Kada se mišić na grudima, posle poruke „otvori šaku“, kontrakuje, elektrode na tom mišiću detektuju da je aktiviran i prosleđuju komandu odgovarajućem motoru da otvori šaku na protezi. Pošto je svaki nervni završetak integrisan u različiti deo grudnog mišića, osoba sa bioničkom protezom može da pokreće svih šest motora istovremeno, što proizvodi prilično verno kretanje proteze. Osoba na sl.1 tvrdi da može da pokreće lakat gore-dole i da otvara i zatvara šaku jednostavno, kad god pomisli da to treba da uradi. Nedostatak je u činjenici da je proteza teška, što je posledica dodatnih motora koji omogućavaju veći stepen slobode pokreta.

Zanimljiv je podatak da, ako se dodirne deo kože na grudima tamo gde su preusmereni nervi za ruku, osoba oseća da joj je dodirnuta ruka!

Gotovo prirodni pokreti

Osoba sa bioničkom rukom

Sledeći korak je razvoj načina da se signali sa prstiju na protezi dovedu prema nervima na grudima i dalje, prema mozgu tako da se mogu osetiti pritisak, hladnoća ili toplota.

Pored već pomenute proteze, drugom pacijentu je bio ugrađen prototip bioničke ruke (sl. 2), na kojoj su kasnije izvršena dodatna poboljšanja. Projekat veštačke ruke izrađen po nalogu Agencije za napredne odbrambene istraživačke projekte (DARPA), pod nazivom „revolucionarni projekat za proteze 2009“ (Revolutionizing Prosthetics 2009-RP). Tim naučnika je proizveo prvu integrisanu protezu za ruku koja se može kontrolisati na prirodan način, koja daje senzorsku povratnu spregu i koja obezbeđuje osam stepena slobode, što je daleko ispred danas najsavremenijih rešenja u pogledu izrade udova proteza (ovo se odnosi na SAD).

Pomenuti inženjerski centar je kompletirao sistem veštačkih ekstemiteta, u koji je uključeno i rešenje za obuku pacijenata koji koriste ove dodatke (tzv. virtualna okolina), kao i sistem beleženja pokreta i kontrolnih signala za vreme kliničkih ispitivanja. Sve ovo je dovelo do poboljšanja prilikom funkcionalnih provera, kao što je mogućnost repozicioniranja prstiju prilikom raznih zahvata - na primer, uzimanja kreditne kartice iz džepa ili slobodnog kretanja ekstremiteta nalik na prirodan hod.

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 deo u blizini povrede. Sa TMR tehnikom, nervi se prenose sa ramena na grudni koš pacijenta. Sa elektrodama na reinerviranim mestima moguća je prirodna kontrola proteze. Ovo daje mnogo prirodniji način kontrole proteze i prirodan osećaj dodira ili jačine stiska objekta. Osmišljen je i tzv. ubrizgavajući mišićno-električni senzor (Injectable MyoElectric Senzor - IMES). On se koristi kod sledeće generacije proteza. Reč je o hirurški ugrađenim senzorima za merenje mišićne aktivnosti na samom izvoru iste, što daje izolaciju signala a otuda i bolje performanse nasuprot napred opisanim površinskim senzorima - elektrodama na koži.

Navedeni napredni sistemi će se znatno poboljšati korišćenjem IMES uređaja. Sada se intenzivno radi na sledećoj 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.

DARPA je, inače, program za proteze i veoma ambiciziozan napor da se stvore najsloženije medicinske i rehabilitacione tehnologije u korist ljudi. U svakom slučaju, na mestu je izjava jednog od naučnika koji je istakao da je počastvovan, kao lekar i kao naučnik, time što je deo tima koji ima mogućnost da pozitivno utiče na kvalitet života onih koji su, sticajem okolnosti, ostali bez ruku ili šaka.

N. Arsenijević