bionička ruka

34
REKLAMNA STRANICA 1

Upload: tkesni

Post on 25-Dec-2015

65 views

Category:

Documents


6 download

DESCRIPTION

bionička ruka

TRANSCRIPT

Page 1: Bionička Ruka

REKLAMNA STRANICA

1

Page 2: Bionička Ruka

Sadržaj rada

1. Uvod 3

2. Proteza ruke 4

2.1 Faze osposobljavanja 5

2.2 Vrste proteza za ruku 5

2.3 Djelovi proteze 6

3. Tehnologija bioničke ruke 9

3.1 TMR metoda 10

3.2 Električni signali srca 13

4. Tehnologija upravljanja električnim signalima mozga 16

4.1 Neuroprostetičke postavke 20

4.2 Upravljanje rukom 21

5. Zaključak 23

6. Literatura 24

2

Page 3: Bionička Ruka

1. Uvod

Biologija nudi odličan model za razvoj mehaničkih alata, računalnih algoritama,

učinkovitih materijala, kao i novih mehanizama i informacijske tehnologije. Prilagođavanjem

mehanizama i sposobnosti iz prirode, znanstveni pristupi su pomogli ljudima da razumiju

povezane pojave i pripadajuća načela kako bi projektirali nove uređaje i poboljšali njihovu

sposobnost. Struktura temeljena na stanici, koja  čini većinu bioloških stvorenja, nudi

mogućnost da raste uz toleriranje kvarova i samopopravljanje,  čineći sve stvari koje

karakteriziraju biološke sisteme. Stoga, inženjerske konstrukcije koje su izrađene od više

stanica omogućile bi dizajn uređaja i mehanizama koji su nemogući s današnjim

mogućnostima.

Nanotehnologije u nastajanju sve više omogućavanje potencijal takvih struktura. Neke

od komercijalnih implementacija napretka u biomimetici mogu se vidjeti u trgovinama

igračaka, u kojem se igračke pojavljuju i ponašaju poput živih bića (npr., psi, mačke, ptice,

žabe). Ozbiljnije prednosti bionike uključuju razvoj protetičkih implantata i mehanizama za

pomaganje osjetilima koji su povezani sa mozgom kako bi se pomoglo u slušanju, gledanju ili

upravljanju instrumentima.

U ovom seminarskom radu obradio sam tematiku bioničke ruke tj. proteze ruke kojom

možemo da upravljamo putem TMR tehnologije i signalima mozga. U prvom dijelu rada

obrađena je tematika proteze ruke, dok se drugi dio rada bavi robotikom tj. biotikom te

objašnjava pojam i primjenu ove dvije tehnologije.

3

Page 4: Bionička Ruka

2. Proteza ruke

Zahvaljujući motornoj gipkosti i taktilnoj osetljivosti ruku i pomoću čula čovek

upoznaje spoljni svet, stiče pojmove i znanja, bogati iskustvo, jednom rječju razvija se.

Izuzetno velika pokretljivost u ramenim zgobovima omogućava kretanje izduženih ili

skraćenih poluga ruke, na čijem kraju je šaka, u širokom krugu u svim pravcima.

Zglob lakta može da približi ili maksimalno udalji šaku od korenskog zgloba ruke. Zglobovi

šake i prstiju omogućavaju izuzetnu gipkost, spretnost i preciznost,a po potrebi i dobro

odmerenu snagu. Rotatorni pokreti podlaktice pozicioniraju šaku da u svakom momentu

zauzima najekonomičnije (ergonomske) uglove pri izvođenju aktivnosti.

Na distalnim falangama nalaze se jagodice prstiju, sa mnogobrojnim nervnim

završecima i taktilnim elementima i predstavljaju „oči i uši“ ruke. Ta motorna gipkost,

spretnost, funkcionalnost i senzorna osetljivost čine gornji ekstremitet.

Amputacijom bilo kojeg segmenta ruke navedene karakteristike se najvećim djelom

gube, a preostale drastično redukuju, sa predpostavkom da je teško moguće, bar približno,

bilo kojom protezom nadoknaditi.

Osobi o kojoj je riječ amputirana je ruka do ramena, poslije saobraćajne nesreće.

Danas, posle ugradnje bioničke proteze, ona može, recimo, da otvori ormar kada pomisli u

sebi „otvori ormar“. 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.

4

Page 5: Bionička Ruka

2.1 Faze ospsoobljavanja

Od idealne ručne proteze se očekuje funkcija šake i prstiju, a takođe i određeni stepen

osjeta za veličinu pritiska. Lako je imitirati oblik i izgled, a mnogo teže funkciju. Ruka je

vrijedna onoliko koliko je funkcionalna. Isto se odnosi i na protezu za ruku.

Najvažniji kriterijumi kod preskripcije proteze su rezidualne biomehaničke

karakteristike amputacionog patrljka i susednih segmenata, mentalna sposobnost, realnost

očekivanja, sposobnost za učenje novog, motorna koordinacija, želje pacijenata, zahtjevi

životne i radne sredine.

Ljekar, na osnovu kliničkog pregleda i konsultacijama sa drugim članovima

protetičkog rehabilitacionog tima, prepisuje protezu nabrajajući sve njene elemente i

materijale od kojih je izrađena: tip proteze, vrstu ležišta, terminalni nastavak, skeletni dio,

vještačke zglobove (lakat i rame), kontrolni mehanizam i suspenzioni mehanizam.

2.2 Vrste proteza za ruku

Prema nivou amputacije: nadlakatne, podlakatne, za dezartikulaciju nekog zgloba.

Prema funkcionalnosti: funkcionalne i estetske.

Prema konstrukciji: endoskeletne(modularne) i egzoskeletne(konvencionalne).

Prema trajanju: privremene i definitivne.

Prema kontrolnom mehanizmu: mehaničke, pneumatske, električne, bioelektrične i

hibridne.

5

Page 6: Bionička Ruka

Djelovi proteze za gornje ekstremitete

1. Ležište proteze,

2. Skeletni dio,

3. Terminalni nastavak,

4. Protetički zglob,

5. Kontrolni mehanizam,

6. Suspenzioni sistem.

2.3 Djelovi proteze

Slika 1. Primjer proteze ruke

Ležište proteze za patrljak treba da bude anatomski oblikovano prema obliku i

veličini patrljka. Pošto ležište intimno obuhvata patrljak, ono mora biti izuzetno precizno

izrađeno, kako bi pritisak, pri nošenju proteze i korišćenju u aktivnostima dnevnog života, bio

raspoređen na celu površinu amputacionog patrljka. Višak materijala, neravnine unutrašnjeg

zida ležišta ostavljaju negativan otisak (diskoloracija na koži), pri dužem nošenju i irtaciju, a

kod dugotrajnog delovanja mogu nastati oštećenja kože. Otisak za ležište se uzima pomoću

gipsanog zavoja, na osnovu kojeg se izrađuje pozitiv od gipsa. Taj model patrljka sadrži sve

informacije o obliku i veličini ptrljka i pogodan je za pravljenje definitivnog ili priremenog

ležišta proteze. Materijali koji se koriste za izradu ležišta su drvo, plastika, koža i silikon.

6

Page 7: Bionička Ruka

Suspenzije služe da obezbjede retenciju proteze na patrljku, kako u fazi nošenja tako i

savladavnje otpora pri radu, ujedno je i dio kontrolnog mehanizma. Suspenzija može biti u

obliku osmice ili polu-osmice(aksilatorno-deltoidna petlja).

Skeletni dio - bilo da zamjenjuje nadlakatnu ili podlakatnu polugu može imati

spoljašnji skelet(plastični) ili unutrašnji skelet (modularni). Egzoskeletna nadoknada je lagana

i izdržljiva, ali kruta, sporije se izrađuje, teže ju je podesiti i više košta. Skeletna nadoknada se

serijski izrađuje od duraluminijuma, uz pomoć adaptera lako se centrira. Veoma brzo se

sklapa i može da koristi i u privremenoj protezi. Oblaganjem penastom gumom dobija

mekoću i karakteristični oblik segmenta koji zamenjuje.

Terminalni nastavci su nadoknada za šaku. Kod proteza čija je funkcija samo da

poprave izgled, estetske-kozmetičke prteze bez funkcije hvatanja, koristi se kozmetička

rukavica. Estetske protez mogu da se izrađuju za sve nivoe amputacija gornjih ekstremiteta.

Da bi se pojačao utisak o autentičnosti, na proteze se navlače plastične estetske rukavice. U

ovu grupu mogu se ubrajati posturalne proteze, koje služe da uspostave ravnotežu izgubljenu

zbog amputacije jedne ruke. Radne proteze imaju nadoknade šake koje imaju zadatak

hvatanje i ispuštanje predmeta, ili kao vrsta specifičnih alatki. Hvataljke imaju oblik povijene

štipaljke. Izrađene su od čelika. Veoma su jake i izdržavaju veliko opterećenje. Za razliku od

protetičkih šaka, hvataljke ostavljaju prilično otvoreno vidno polje, pomoću kojeg se

kontroliše preciznost hvata. Može da se reguliše jačina hvata premještanjem opruge na drugu

polugu. Terminalni nastavak kao specifična alatka je pogodan za ljude koji zanatski rade neki

posao, pri kojem se upotrebljvaju neke ručne alatke. Terminalni nastavak se jednostavno

montira i demontira(pritiskom na polugu i uvlačenjem u za to određenu rupu u adapteru na

distalnom kraju podlakatnog dijela proteze). Protetička šaka je estetski znatno prihvatljivija

od hvataljke, ali je funkcionalno inferiornija. Protetička šaka omogućava palmarni hvat sa

tripodnom akcijom prstiju.

Kontrolni sistem, koji pokreće terminalni nastavak, pokrete i položaje u lakatnom

zglobu, čini sistem sajli povezan sa suspenzijom proksimalno i efektorom distalno. U sistemu

kontrole, najčešće se koristi modifikovana aksilarno-deltoidna petlja, koja preko sistema pull-

a i standardnog Bovdenovog kabla upravlja naizmenično lakatnim zglobom kontrolišući

položaj podlakatnog dela proteze i radom terminalnog nastavka. Kočeći mehanizam

lakta,preko posebnog kabla vezanog za suspenziju, održava lakat u željenom položaju

7

Page 8: Bionička Ruka

stabilno. Oba kontrolna sistema rade nezavisno. Upravljanje se odvija u sekvencama.

Simultani pokreti su nemogući.

Pokretanje protetičke podlaktice obavlja se na sledeći način:

Pokretanje protetičke podlaktice se dobija pomoću skapularne abdukcije validne ruke,

čija se sanga, od momenta amputacije druge ruke, kineziterapijskim vežbama održava

i jača.

Elevacija nadlaktice, protruzija ramena, ekstenzija nadlaktice protetisane strane

dovodi do ukočenja lakta.

Elevacija ramena protetisane strane sa fleksijom nadlaktice dovodi do otkočenja

lakatnog zgloba.

Lakatni zglob može biti u vidu pasivno pokretnog pregiba ili jednoosovinskog ugloba

koji se može fiksirati u razlićitim položajima. Funkciju lakta,promenu položaja, protetičke

podlaktice i funkciju šake omogućuje povlačenje sajle pokretima ramena. Pravilnim

postavljanjem sajle moguće je izvesti sve tri funkcije sa tri različita pokreta ramena.

Uglavnom se koriste: funkcionalni lakatni zglob OTTO-BOCK, spoljni lakatni zglob pasivni,

spoljni lakatni zglob sa kočnicom i spoljni lakatni policentrični zglob.

8

Page 9: Bionička Ruka

3. Tehnologija bioničke ruke

Tehnologija „bioničke ruke“ je moguća uz pomoć dvije činjenice. Prva je postojanje

motornog centra u mozgu (oblast koja kontroliše voljne pokrete mišića) koji uvijek 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 gdje da pošalju informacije. Ako se ovi nervni završeci

preusmjere na aktivne mišićne grupe, tada osoba pomisli na komandu „otvori ormar“ i mozak

pošalje odgovarajuće signale nervima koji bi trebalo da komuniciraju sa rukom. Ovi signali se

završavaju na grupi aktivnih mišića umjesto na dijelu koji je, uslovno rečeno, mrtav.

Postupak preusmjeravanja nije jednostavan. Zato je razvijena procedura koja se zove

ciljana mišićna reinervacija (targeted muscle reinnervation - TMR).

Slika 2. Model robotske ruke koja se

kontroliše mislima

9

Page 10: Bionička Ruka

U osnovi, hirurzi pristupaju nervnim završecima koji se nalaze u ramenu i koji

kontrolišu pokrete ruke. Zatim, bez oštećenja nerva, preusmjeravaju završetke na aktivnu

mišićnu grupu. U slučaju opisane bioničke ruke, hirurzi sa RIC-a spajaju nervne završetke na

grupu grudnih mišića. Potrebno je nekoliko mjeseci 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 uvijek i bilo.

Ali, umjesto 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.

3.1 TMR metoda

Slijedeći korak je razvoj načina da se signali sa prstiju na protezi dovedu prema

nervima na grudima i dalje, prema mozgu tako da se mogu osjetiti pritisak, hladnoća ili

toplota

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 dio u blizini povrede. Sa TMR

tehnikom, nervi se prenose sa ramena na grudni koš pacijenta. Sa elektrodama na

reinerviranim mjestima moguća je prirodna kontrola proteze. Ovo daje mnogo prirodniji način

kontrole proteze i prirodan osjećaj dodira ili jačine stiska objekta. Osmišljen je i tzv.

ubrizgavajući mišićno - električni senzor (Injectable MyoElectric Senzor - IMES). On se

koristi kod slijedeće generacije proteza. Riječ je o hirurški ugrađenim senzorima za mjerenje

mišićne aktivnosti na samom izvoru iste, što daje izolaciju signala a otuda i bolje performanse

nasuprot naprijed opisanim površinskim senzorima - elektrodama na koži.

10

Page 11: Bionička Ruka

Navedeni napredni sistemi će se znatno poboljšati korišćenjem IMES uređaja. Sada se

intenzivno radi na slijedećoj 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.

Funkcionalna dijagnostika je dio Medicinske elektronike, koji se bavi električnim

registrovanjem i analizom određenih parametara u cilju dobijanja podataka o funkcionisanju

pojedinih organa i dijelova organizma. Funkcionalna dijagnostika se dijeli na tri oblasti:

Elektrografija - električno registrovanje biostruja i biopotencijala u ljudskom

organizmu,

Električno registrovanje neelektričnih parametara - važnih za funkcionisanje ljudskog

organizma

Endometrija i radio(tele)metrija, koja se bavi registrovanjem parametara u šupljinama

ljudskog organizma, direktno ili na daljinu

Biopotencijali se, kako smo videli, javljaju u ćelijama, tkivima i organima kao rezultat

životnih funkcija (membranski potencijal). Promjene ovih veličina se manifestuju kao

kratkotrajni impulsi stalnog ili promenljivog znaka i nazivaju se akcioni potencijali ili

potencijali dejstva. Potencijali pojedinih ćelija se sabiraju i formiraju zajedničku potencijalsku

razliku, koja se može mjeriti između pojedinih tačaka organa ili tkiva. Registrovanje

vremenskih promena ovih potencijala i njihova analiza daju vrijedne podatke o funkcionisanju

pojedinih organa ili tkiva (mišića). Na ovaj način se mogu registrovati promjene

biopotencijala mišića (elektromiografija - EMG), srca (elektrokardiografija - EKG) i mozga

(elektroencefalografija - EEG), mrežnjače ili retine (elektroretinografija -ERG), pomjeranja

oka (elektrookulografija - EOG).

11

Page 12: Bionička Ruka

Jedan od načina da se dobiju dijagnostičke informacije o funkcionisanju mišića je

mjerenje njegove električne aktivnosti. Akcioni potencijal, prilikom svoje transmisije sa

aksona na mišićna vlakna, izaziva mišićnu kontrakciju. Snimak promene potencijala mišića u

toku kontrakcije i relaksacije naziva se elektromiogram, ili EMG.

Mišić se sastoji od velikog broja mišidnih vlakana. Zavisno od vrste mišića, određen broj

vlakana (od 25 do 2000) povezan je preko jednog nerva sa mozgom ili kičmenom moždinom,

formirajudi motornu jedinicu prikazanu na slici 3. Svako vlakno je u kontaktu sa jednom

granom nerva preko nervnog završetka u obliku pločice (tzv. motorička pločica).

Slika 3. Električni

signali mišića

Snimanje akcionog potencijala jednog mišićnog vlakna prikazano je na slici 3. Referentna

elektroda je u obliku metalne pločice, dok se za drugu elektrodu koristi mikroelektroda. U

praksi se rijetko snima akcioni potencijal jednog mišićnog vlakna. Obično se registruje

električna aktivnost velikog broja vlakana istovremeno, kada je i druga elektroda u obliku

metalne pločice.

12

Senzorski receptor

Motorna jedinica

Kičmena moždina

Mišićna vlakna

Pločice

Page 13: Bionička Ruka

3.2. Električni signali srca

Srce se može posmatrati kao dvostruka pumpa. Sastoji se od četiri komore, lijevog i

desnog atrijuma i lijevog i desnog ventrikula. Desni atrijum prima krv iz tela kroz gornju

šuplju venu, kontrahuje se i pumpa krv u desni ventrikul. Kontrakcijom desnog ventrikula

pumpa se krv u plućni krvotok. U plućima se krv oksigenizuje, a zatim vrada u lijevi atrijum.

Kontrakcija lijevog atrijuma potiskuje krv u lijevi ventrikul, koji se kontrahuje i pumpa krv u

sistemski krvotok i to prvo kroz aortu, arterije i arteriole, zatim kroz kapilare svih organa i na

kraju kroz vene odakle se vrada u desni atrijum.

Kontrakcija lijevog i desnog atrijuma je sinhronizovana, a isto tako i kontrakcija

lijevog i desnog ventrikula. Ritmička aktivnost srca inicirana je i kontrolisana električnim

signalom, koji se generiše u specijalizovanim mišićnim ćelijama. Ove delije formiraju

sinoatrijski (SA) čvor, koji predstavlja prirodni pejsmejker. U SA čvoru se generiše akcioni

potencijal (oko 72 puta u minuti) i prostire duž cijelog srčanog mišića po tačno definisanom

putu, izazivajući depolarizaciju mišićnih ćelija.

Slika 4. Građa srca

13

Page 14: Bionička Ruka

Depolarizacioni talas putuje kroz mišićno tkivo atrijuma brzinom približno 1 m/s i

izaziva simultanu kontrakciju lijevog i desnog atrijuma i pumpanje krvi u ventrikule. Iza toga

nastaje repolarizacija i relaksacija mišića atrijuma. Depolarizacioni talas stiže do dijela koji

odvaja atrijume od ventrikula. Taj dio sačinjava uglavnom fibrozno vezivno tkivo, koje nije

provodno.

Jedina provodna struktura je atrioventrikulski (AV) čvor. Kada električni signal stigne

do atrioventrikulskog čvora, on inicira dalje prostiranje depolarizacionog talasa duž provodnih

vlakana (Hisovog snopa) i izaziva kontrakciju levog i desnog ventrikula pradenu pumpanjem

krvi u sistemski, odnosno pulmonalni krvotok. Nakon toga dolazi do relaksacije mišića

ventrikula i njihove, a zatim počinje novi ciklus.

Očigledno je da su električna aktivnost srca i njegovo mehaničko kretanje usko

povezani. Naime, svaki mišić srca može da se kontrahuje jedino pod dejstvom električne

struje koja kroz njega protiče. To znači da praćenjem i registrovanjem vremenske promene

potencijala mogu dobiti dragocjeni podaci o mehaničkom funkcionisanju srca.

Električni dipol je svako tijelo koje na krajevima ima -q i +q naelektrisanja iste

apsolutne vrednosti. Moment dipola je vektor ql (q - apsolutna vrijednost naelektrisanja, l -

dužina dipola). U električnom polju oko dipola svaka tačka ima određenu vrijednost

potencijala. Površine, na kojima su vrijednosti potencijala u svakoj tački iste, su

ekvipotencijalne površine. U presjeku ekvipotencijalnih površina i neke zamišljene ravni

dobijaju se ekvipotencijalne linije, koje povezuju tačke istih vrijednosti potencijala.

14

Page 15: Bionička Ruka

Slika 5. Srce kao dinamički dipol

Srce se može posmatrati kao dinamički dipol (tj. dipol koji u prostoru mijenja svoj

položaj I moment). Potencijali pojedinih ćelija srca se mogu sabirati, pa je srce, posmatrano u

cjelini, na jednom kraju (osnova srca) negativno naelektrisano, a na drugom kraju (vrh srca)

pozitivno naelektrisano. To znači da se oko srca formiraju ekvipotencijalne površine sa

vrijednostima potencijala koje se mogu mjeriti na površini grudnog koša.

Razlika potencijala između odabranih tačaka u kojima su postavljene elektrode

odgovara položaju dipola srca u jednom trenutku. Usljed mehaničke aktivnosti srca, pri kojoj

se samo vrh srca pomjera (kontrakcije i relaksacije atrijuma i ventrikula), položaj pozitivnog

kraja dipola se neprekidno mijenja, pa samim tim i pravac i veličina samog dipola. To dovodi

do promjene vrijednosti potencijala između elektroda. Zapis koji se dobija snimanjem

promjena vrijednosti potencijala između dvaju fiksiranih tačaka na tijelu u toku vremena

naziva se elektrokardiogram (ili skradeno EKG).

Tipičan elektrokardiogram dobijen snimanjem promjene intenziteta jedne projekcije

dipola srca na papir, koji se krede brzinom v u naznačenom smeru, ima oblik prikazan na slici

5. U toku jednog ciklusa rada srca vector dipola se mijenja tako da početak vektora zadržava

isti položaj, dok vrh vektora opisuje tri krive PQ, QRS i ST, za koje se može uzeti da leže

približno u istoj (frontalnoj) ravni. Promjena položaja vrha vektora zapravo prati pomjeranje

vrha srca po pomenutim krivama pri kontrakciji atrijuma i ventrikula.

15

Page 16: Bionička Ruka

4. Tehnologija upravljanja električnim signalima mozga

Elektroencefalogram (ili skraćeno EEG) predstavlja snimak električne aktivnosti

pretežno neurona u korteksu mozga. Mozak sadrži nekoliko milijardi neurona koji generišu i

propuštaju električne signale. Ukupna električna aktivnost rezultira signalima, koji se mogu

detektovati i zabiljležiti izvan mozga.

Slika 6. Položaj bioničke ruke u ležištu

Električna aktivnost mozga se manifestuje kao slabi kompleksni električni signali, koji

se mogu registrovati pomodu elektroda, čiji je mogući raspored prikazan na slici 8.7.

Elektrode su najčešće u obliku malih diskova, napravljenih od srebrohlorida. Njihov raspored

zavisi od dijela mozga koji se želi ispitivati. Referentna elektroda je obično postavljena na

jedno od dva uha .

16

Page 17: Bionička Ruka

Amplitude potencijala u elektroencefalogramu su male i iznose oko 50 μV. Zbog toga

je preciznost snimanja često ugrožena uticajem spoljnih električnih signala ili nevoljnim

pokretima tijela (pomjeranje oka, na primjer). Frekvencije signala su niske i različite. Prema

vrijednosti frekvencije signali se dijele na spore (Δ - talasi; 0,5 – 4 Hz), umjereno spore (θ -

talasi; 4-8 Hz), α - talase (8 - 13 Hz) i β talase (iznad 13 Hz).

Mnogi električni mjerni aparati imaju veliku osjetijivost pa su pogodni za mjerenje

malih promjena neelektričnih veličina. To je mogude učiniti pod uslovom da su elektrode

zamjenjene dijelom aparature koji se naziva pretvarač (transdjuser, transduktor). Pomoću

njega se promjena ma koje fizičke veličine pretvara u njoj odgovarajući električni impuls.

Ovom metodom se u medicini i biologiji mjeri veliki broj neelektričnih parametara kao što su:

pritisak krvi, puls, temperatura, srčani šumovi, veličina kontrakcije mišida i slično. Zavisno

od vrste parametara koji se pretvaraju u električne impulse, pretvarači mogu biti konstruisani

na razne načine. Navešdemo neke od pretvarača:

mehanički - pretvaraju mehanička kretanja u električne signale,

zvučni - pretvaraju promjenu intenziteta zvuka u električne signale,

toplotni - pretvaraju promjenu količine toplote u električne signale,

optički - pretvaraju promenu intenziteta svjetlosti u električne signale.

17

Page 18: Bionička Ruka

Upravljanje rukom TMR (Target Muscle reinnervation) tehnologijom

U prethodnom dijelu na osnovu mjerenja koja smo izvršili možemo zaključiti da se u

ljudskom organizmu javljaju različite promjene prilikom obavljanja neke od operacija, sve te

promjene prouzrokuju pojavu odgovarajućih signala. Na osnovu tih signala (el. Signal mišica,

el. Signal mozga itd.) možemo preko senzora ostvariti upravljivost mehatroničke ruke,

odnosno robotske ruke koja je pogonjena preko različitih servo motora. Na ovaj način

omogućila bi se nova šansa ljudima koji su izgubili jedan od dijelova tijela, naravno sve

zahvaljujući naprednoj tehnologiji.

Proteza ruka sa TMR tehnologijom kombinuje bioinžinjering, mašinstvo, informatiku i

elektroniku. Svaki od navedenih dijelova ima svoju ulogu kako bi proteza ruke bila potpuno

funkcionalna i upotrebljiva. Mašinstvo je potrebno da bi se uspostavila potrebna mehanike

proteze. Elektronika je zadužena za električne interakcije koje se odvijaju i pokreću ruku.

Inoformatika je zadužena za interakcije tijela i proteze ruke preko mikrokontrolera.

Bioinžinjering je pristuan da bi se objezbjedilo da proteza radi na način kao i ljudska ruka.

Sve počinje sa slanjem signala od mozga preko nervima do krajeva koji se nalaze na grudima.

Odavde, elektrode detektuju signale i šalju ih do proteze ekstremiteta. Ovi signali se prevode

pomoću mikrokontrolera. Mikorokontroler šalje komande svakom dijelu proteze ruke,

pokrečući motor što rezultira kretanjem određenih dijelova ruke (proteze).

TMR tehnologija povećava količinu mišićnih informacija, kako bi se omogućila

višestruka kontrola proteze ruke. Ova tehnika se zasniva na činjenici da lokomotorne

komande ekstremiteta koji nedostaje nastavljaju da putuju do rezidualnih nerava nakon

amputacije. Prvi korak kod ovog projekta je bio oživljavanje mrtvih nerava na kraju ostatka

ruke. Pacijent biva podvrgnut operaciji ponovne inervacije ciljanih mišida (TMR), kod ove

operacije se uspostavi veza nerava ruke sa potiljkom što omogući protok električnih signala

put nerava. Upotrijebe se električni signali koji idu prema udu koji nedostaje i premoste se u

preostale mišiće na kraju uda. Kada pacijent uobičajno pomisli na kretanje uda koji nedostaje,

on zgrči preostali mišić i senzori su u mogućnosti da prikupe te signale i preoblikuju ih u

poruke za protetski ud. To pomjeranje (kontrakcija) mišića se može registrovati pomoću EMG

18

Page 19: Bionička Ruka

elektroda, te na taj način se kontroliše proteze ekstremiteta koji nedostaje. Svaki EMG signal

je kreiran pomoću male hemijske reakcije kada se određeni mišić grči ili opušta nakon što

mozak pošalje signal tom određenom mišiću. Raspon EMG signala je oko 20 mikrovolti.

Elektrode na grudima ( mjesto gdje su živci ponovo spojeni ) detektuju ove EMG signale i

šalju ih do mikrokontrolera. Mikrokontroler obrađuje i preusmjereva taj signal do mjesta gdje

je namjenjen da se šalje. Mali elektromotor sa baterijom, smješten je na unutar proteze i

pokreće se, pomjera potreban dio ruke i gasi se.

TMR uzima živce koje prethodno provode signale za pokrete ruke, ručnog zgloba i

lakta , i postavlja ih u mišiće na prsima. Nove EMG stanice su kontrolirane s jasnim i

intuitivnom kontrakcijom mišića, od kojih se neki mogu pojaviti istovremeno. Trenutno,

električne protetske komponente koje su komercijalno dostupni daju tri stepena slobode :

lakat fleksije / proširenje, ručni pronacije / supination i terminala uređaja ( ruke ili kuka)

otvaranje / zatvaranje. U većini mioelektričnih sistema, ovi stepeni slobode se ne kontroliraju

jedna po jedna, nego istovremen . TMR hirurški pristup nudi pacijentu jedinstvenu sposobnost

da istodobno kontroliše više stepeni slobode, potencijalno s manje mentalnog napora .

Rezultat je visok nivo intuitivne kontrole, koja mogže značajno poboljšati funkcionalno

korištenje proteze.

Međutim, postizanje najviše intuitivanog nadzor ovisi o pacijentu koji prima

odgovarajuću terapiju pri osposobljavanju.Znanstvenici i stručnjaci i proizvođači ulažu

ogromne napore u stvaranju dodatnih stupnjeve slobode u umjetnim sistemima. Kao bi što

više komponenti s tim napretkom postalo dostupno, dosljedan i pouzdan ulaza će biti potrebna

za kontrolu. Intuitivne metode kontrole će biti presudne za omogućavanje pacijentima da u

potpunosti ostvare što veću složenost i sposobnost tih sistema.

19

Page 20: Bionička Ruka

Slika 7. Proteza ruke sa TMR tehnologijom

4.1 Neuroprostetičke postavke

Jezgra neuralnih prostetika je u procesiranju aktivnosti djela mozga koji je zadužen za

planiranje i izvršenje pokreta u datom dijelu tijela.

Slika 8. Prikazuje neuroprostetičku postavku, gdje se prostetički ud pokreće preko

moždanih signala. Prvi korak u stvaranju dobre neuro-prostetičke veze jeste ostvarenje dobrih

valova tj. binarnog signala koje će procesor filtrirati i pretvoriti u filtrirane podatke. Kad

analitika ulaznih podataka detektuje izboje onda adresira bazi šablona izboja koji su naučnici

kreirali za određeni pokret.

Slika 8. Neuro-prostetička postavka i dijagram prepoznavanja izboja

20

Page 21: Bionička Ruka

4.2 Upravljanje rukom

Ove proteze rade tako što se elektrode postave na kožu kako bi primale nervne signale,

koji bi se u normalnim okolnostima slali iz mozga ka udovima. Algoritam nakon toga

konvertuje signale i šalje instrukcije motorima unutar vještačkog uda.

Slika 9. Diagram upravljanja proteze ruke preko električnog signala mozga

Izvršavanje pokreta pomoću proteze zahtjeva seriju komplesknih aktivnosti u mozgu,

od procjene vizialnih ulaza preko planiranja pokretanja motora i izvršavanja na kraju. Ključ

ovih proteza leži u detekciji i procesuiranju aktivnosti mozga uključujući planiranje i

izvršavanje namjernih pokreta Na slici 9. je prikazan neuroprotetički put, gdje proteza uda se

kontroliše aktvinostima različitih neuronama, kako bi se izvršuila željena akcija. Prvi i

21

Page 22: Bionička Ruka

najvažniji korak jeste u bilo kojem neuroprotetičkom sistemu da se osiguraju pouzdana

očitavanja iz određene domene interesovanja. Interfejsi za takva očitavanja su u konstantom

razvoju kako bi se osigurali senzorski sistemi za dugim životnim vijekom i viskom

kvalitetom signala. Zatim se očitani signali procesiraju sa spike sorting algoritmima

( algoritmi sortiranja prema ekstermima), koji će osgurati identifikaciju ekstrema pojedinih

nerava. Aktivnosti ovih nerava, daju nam ulaze u algoritam za dekodiranje, koji procesuiraju

ove informacije kako bise poslale informacije o željenom kretanju proteze ruke. Dakle,

pacijent može da planira kretanja, ali ne može da ih izvršava.

Slika 10. Elbosoft softver za rekonfiguraciju i kalibraciju signala za bioničku ruku

Ta očitavanja planirane putanje mogu se dobiti pomoću mnoštvo mikroelektroda

smješteni u korteksu mozga. Ovi implanti ne samo da detektuju aktivnosti nervnih ćelija, oni

mogu da prenose ove signale bežično do nekog eksternog uređaja. Implanti mogu biti

postavaljeni na razne lokacije i oni očitavaju namjeru ili neke druge kognitivne varijable

subjekta. Zatim algoritmi za dekodiranje prevode značanje tih signala. Ovi algoritmi

dekodiranja mogu biti inkapsulirani u hardver implanta ili nekog eksternog uređaja.

22

Page 23: Bionička Ruka

Dekodirani signali se dalje transformišu kako bi se dobili kontrolni signali za upravlajnje

pomoćnih uređaja odnoso proteza.

5. Zaključak

Nakon oštećenja ili uklanjanja tkiva i kostiju koji sačinjavaju određeni dio tijela nervi i

djelovi mozga koji su upravljali njime nastavljaju da funkcionišu. Ljudima koji se suočavaju

sa ovakvim problemima elektronika i naučnici izlaze u susret zamjenjujući nedostatke

njihovog tijela neuralnim protezama odnosno bionicima.

U zavisnosti od toga koji je dio tijela oštećen razlikuje se i princip ugradnje i

funkcionisanja bioničkog mehanizma. U daljem tekstu biće obrađeni neki od njih.

Osim pomenutih proteza naučnici danas razvijaju motorizovane šake, stopala,

kompjuterizovana koljena, zglobove, sklopove sa elektrodama koji omogućavaju

kvadriplegičarima da pokreću udove, bioničku kožu koja bi mogla u budućnosti da registruje

temperaturu i dodir i još mnogo toga koristeći elektroniku da pomognu ljudima da i nakon

oštećenja nekog od djelova tijela nastave što normalnije da funkcionišu.

Medicina se vjekovima oslanjala na nagađanja, travare, „puštanje krvi“ i slične

metode, sve dok Vilijam Harvi nije otkrio cirkulaciju krvi kroz organizam 1628. godine.

Danas se savremena medicina oslanja na elektronske naprave pri obradi nalaza,

uspostavljanju dijagnoze i laboratorijskim ispitivanjima.

Sve do 1907. godine mjerenje krvnog pritiska i srčanog ritma oslanjalo se na ljudsku

procjenu, sa otkrićem nerava, mišića, srca i mozga razvijeni su elektromagnetski uređaji za

njihovo mjerenje. 1820. njemački naučnik Johan Švager konstrusao je sklop za pojačanje

magnetne komponente električnog kola i time napravio prvi električni instrument za mjerenje

- galvanometar na kojem se temeljila kontrukcija ampermetara i voltmetara.

Nakon otkrića nervnog impulsa kao osnovnog mehanizma prenošenja informacija u

nervnom sistemu pojavljuju se instrumenti sa elektrodama. 1887. godine Avgustus Valer je

konstrusao prvi elektrokardiogram (ECG) i time omogućio mjerenje električnog pulsa

23

Page 24: Bionička Ruka

ljudskog srca. Sredinom 20. vijeka Hans Berger konstruiše prvi elektroencefalograf (EEG).

Danas, u 21. vijeku naučnici konstruišu proteze koje zamjenjuju ljudske udove i oštećene

djelove tijela.

6. Literatura

1. Mitrašinović, D. Protetika i ortotika, Beograd 2010.

2. Marković, P. Protetika i ortotika, Skripta za potrebe praktične nastave,Beograd 2010.

3. Vlatko Dolaček, Isak karabegović, Robotika, univerzitetska knjiga, Tehnički fakultet,

Bihać, 2002

4. Ivan Petrović, Mobilna robotika-predavanja, Fakultet elektrotehnike i računarstva

sveučilišta u Zagrebu,2004/5.

24