Magnetisch gebaseerd systeem helpt mensen bij het besturen van draagbare robotica

Een team van onderzoekers aan het MIT heeft een innovatieve manier ontwikkeld om spierbewegingen te meten. Volgens het team zal dit nieuwe systeem het voor mensen gemakkelijker maken om protheseledematen en andere draagbare robotische apparaten te besturen.

Twee onderzoeksartikelen werden gepubliceerd in het tijdschrift Frontiers in Bioengineering and Biotechnology.

Het magnetisch gebaseerde systeem bleek zeer nauwkeurig en veilig te zijn en kan de lengte van spieren tijdens beweging meten. Het team voerde studies uit bij dieren en toonde aan dat de strategie gebruikt kon worden om individuen met prothese-apparaten te helpen deze op een meer natuurlijke manier te besturen.

Cameron Taylor is een onderzoeker aan het MIT en co-auteur van het onderzoek.

“Deze recente resultaten laten zien dat dit instrument gebruikt kan worden buiten het laboratorium om spierbewegingen tijdens natuurlijke activiteit te meten, en ze suggereren ook dat magnetische implantaten stabiel en biocompatibel zijn en geen ongemak veroorzaken,” zegt Taylor.

Spieren meten tijdens natuurlijke bewegingen

Het onderzoek toonde aan dat ze de lengte van de kuitspieren van kalkoenen nauwkeurig konden meten terwijl ze verschillende natuurlijke bewegingen uitvoerden, zoals rennen en springen. Ze maten deze met kleine magnetische kralen, die geen ontsteking of andere nadelige effecten veroorzaakten nadat ze in de spier waren geïmplanteerd.

Hugh Herr is een professor in de media- en geesteswetenschappen, co-directeur van het K. Lisa Yang Center for Bionics aan het MIT en een geassocieerd lid van het McGovern Institute for Brain Research van het MIT.

“Ik ben erg enthousiast over het klinische potentieel van deze nieuwe technologie om de besturing en effectiviteit van bionische ledematen voor personen met ledemaatverlies te verbeteren,” zegt Herr.

De huidige aangedreven protheseledematen worden meestal bestuurd met een benadering genaamd oppervlakte-elektromyografie (EMG). Bij deze benadering meten elektroden die op het oppervlak van de huid of in de resterende spier van het geamputeerde ledemaat zijn geïmplanteerd, elektrische signalen van de spieren van een individu. Deze metingen worden vervolgens doorgegeven aan de prothese om de persoon te helpen deze te besturen.

De EMG-benadering heeft enkele beperkingen. Ten eerste houdt het geen rekening met enige informatie over de spierlengte of -snelheid, die de bewegingen van de prothese nauwkeuriger kunnen maken.

Magnetomicrometrie-strategie

De strategie van het MIT-team is gebaseerd op een benadering genaamd magnetomicrometrie, die de permanente magnetische velden rondom de kleine kralen die in een spier zijn geïmplanteerd, gebruikt. Een kleine sensor wordt aan de buitenkant van het lichaam bevestigd en het systeem kan de afstanden tussen de twee magneten meten. De magneten komen dichter bij elkaar als een spier samentrekt en verder uit elkaar als deze zich uitstrekt.

De onderzoekers toonden aan dat dit systeem natuurlijke bewegingen in een niet-laboratoriumomgeving nauwkeurig kon meten. Ze bereikten dit door eerst een hindernisbaan van hellingen te creëren die kalkoenen konden beklimmen. Ze bouwden ook dozen voor de kalkoenen om op en af te springen. Met de magnetische sensor konden het team de spierbewegingen tijdens de activiteiten meten en concludeerden dat het systeem de spierlengte in minder dan een milliseconde kon berekenen.

Het nieuwe systeem is veel efficiënter dan de traditionele benadering die gebruik maakt van grote röntgenapparatuur.

“We kunnen de functionaliteit van de spierlengtemeting van de kamergrote röntgenapparatuur bieden met een veel kleinere, draagbare verpakking, en we kunnen de gegevens continu verzamelen in plaats van beperkt te zijn tot de 10-seconde-bursts waar fluoromicrometrie beperkt is,” zegt Taylor.

Geen negatieve of schadelijke effecten

In een tweede studie gerelateerd aan het onderzoek, vond het team dat de magneten geen weefsellittekens, ontsteking of andere schadelijke effecten veroorzaakten. Het suggereerde ook dat de geïmplanteerde magneten geen ongemak veroorzaakten voor de kalkoenen.

De implantaten bleken stabiel te zijn voor acht maanden en migreerden niet naar elkaar toe zolang ze ten minste drie centimeter uit elkaar waren geplaatst.

“Magneten hebben geen externe stroombron nodig en na implantatie in de spier kunnen ze de volle sterkte van hun magnetisch veld behouden gedurende de levensduur van de patiënt,” zegt Taylor.

De onderzoekers zullen nu proberen om FDA-goedkeuring te krijgen om het systeem bij mensen te testen.

“De plek waar deze technologie een behoefte invult, is bij het doorgeven van die spierlengtes en -snelheden aan een draagbare robot, zodat de robot op een manier kan functioneren die samenwerkt met de mens,” zegt Taylor. “We hopen dat magnetomicrometrie een persoon in staat zal stellen om een draagbare robot te besturen met hetzelfde comfortniveau en de zelfde gemak als iemand zijn eigen ledemaat zou besturen.”