Sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso
Hiitola, Jiri (2016)
Kandidaatintyö
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016061721782
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016061721782
Tiivistelmä
Työssä selvitettiin sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso. Selvitettäviä asioita olivat keskushermoston ja proteesin välisen hermokytkennän toteutustapa, sähkötoimisten käsiproteesien keskeiset tekniset ominaisuudet sekä käsiproteesin mekaaniset toteutustavat.
Tutkimus suoritettiin kirjallisuustutkimuksena. Työhön valittiin esimerkkejä kaupallisesti saatavilla olevista käsiproteeseista jotka löytyivät internetistä hakemalla kaikkein edisty-neintä käsiproteesia. Työstä rajattiin pois proteesin suora kytkeminen keskushermostoon.
Liikeinformaation välitys aivoilta proteesille onnistuu mittaamalla lihassähkökäyrä erilaisilla ihon ja lihasten päälle, ihon alle lihaksien yhteyteen tai suoraan hermojen yhteyteen asete-tuilla elektrodeilla. Lihassähkökäyrän mittaamisessa ihon pinnalta on ongelmana sähkömag-neettinen säteily, hiki, joka muuttaa ihon impedanssia ja elektrodien meneminen pois paikal-taan. Ihon alle asetettavat elektrodit kapseloituvat, mikä heikentää niiden toimintaa ja nii-den ihon läpi kulkevat johdot voivat altistaa kohdan infektioille tai takertua johonkin. Her-moihin suorassa kosketuksissa olevat elektrodit aiheuttavat lisäksi hermopinteen. Kohden-netulla uudelleenhermotuksella voidaan hermosyyt johtaa lihaksiin, jolloin lihaksista saa-daan biologiset vahvistimet lihassähkökäyrää varten tai korvaavalle ihoalueelle, johon koh-distuva kosketus tuottaa tuntemuksen käteen kohdistuvasta kosketuksesta. Käden menet-tämisen myötä menetettävät hermo-ohjaustiedot voivat osittain korvautua aivojen mukau-tuvuuden ansiosta, mikä mahdollistaa tekokäden käyttämisen oppimisen samalla tavoin kuin polkupyörällä ajon. Hermotakaisinkytkentä mahdollistaa proteesin paremman hallin-nan. On mahdollista valmistaa keinoihoa johon kohdistuva paine saa aikaan muutoksen sen sähköisissä ominaisuuksissa, mitä voidaan sitten käyttää varsinaisen hermoärsytyksen luo-van laitteen, kuten tynkää ärsyttävän täryttimen, ohjaamisessa. On mahdollista valmistaa keinolihaksia joiden avulla nivelten liike voidaan toteuttaa luonnollisen kaltaisilla rakenteilla ja jotka ovat jopa kymmeniä kertoja voimakkaampia kuin aidot lihakset.
Nykyteknologian avulla on mahdollista rakentaa käsiproteesi joka liikeradoiltaan, voimal-taan ja hermotakaisinkytkennän osalta vastaa lähes täydellisesti aitoa ihmiskättä. Haasteena on vielä kokeiluasteella oleva teknologian taso sekä korkea hinta. The current state of art of electrically powered armprostheses was studied in this work. Among the things to be studied were the method of implementation of nerve connection between central nervous system and prosthetic, the main technical characteristics of electri-cally powered arm prostheses and mechanical methods of implementation of arm prosthet-ic.
Study was carried out as a literature research. Examples of commercially available arm prostheses were chosen to study by searching the internet for most advanced arm prosthe-ses. Direct connection of prosthetic to central nervous system was excluded from study.
Transmission of motion information from brain to prosthetic can be achieved by measuring electromyogram with various electrodes situated atop of skin and muscles, inside the mus-cles under the skin or directly to nerves. Problems with measuring electromyogram from atop the skin are electromagnetic radiation, sweat, which chances the impedance of skin and electrodes becoming misaligned. Electrodes under the skin become encapsulated, which weakens their working and their wires going through the skin can predispose spot to infections or get tangled on something. Electrodes that are in direct contact with nerves cause nerve compression. With targeted reinnervation axons can be led to muscles, in which case muscles become biological amplifiers for electromyogram, or to compensatory skin re-gion, which on contact creates a sensation of touch to arm. Nerve-control information lost along with loss of arm may be partially compensated thanks to adaptability of brains, which makes it possible to learn to use arm prosthetic the same way as one does learn to ride a bi-cycle. Neural feedback enables better control of prosthetic. It is possible to manufacture artificial skin on which pressure causes chance of its electrical properties, which can be then used to control actual nerve stimulation device, like a vibrator stimulating the stump. It is possible to manufacture artificial muscles that allows movements of joints to be carried out by natural-like structures and which can be even tens of times stronger than real muscles.
With modern technology it is possible to build a prosthetic arm which in terms of range of movements, strength and neural feedback is almost perfectly functionally equivalent to real human arm. There is still challenge of experimental stage of technology and its high price.
Tutkimus suoritettiin kirjallisuustutkimuksena. Työhön valittiin esimerkkejä kaupallisesti saatavilla olevista käsiproteeseista jotka löytyivät internetistä hakemalla kaikkein edisty-neintä käsiproteesia. Työstä rajattiin pois proteesin suora kytkeminen keskushermostoon.
Liikeinformaation välitys aivoilta proteesille onnistuu mittaamalla lihassähkökäyrä erilaisilla ihon ja lihasten päälle, ihon alle lihaksien yhteyteen tai suoraan hermojen yhteyteen asete-tuilla elektrodeilla. Lihassähkökäyrän mittaamisessa ihon pinnalta on ongelmana sähkömag-neettinen säteily, hiki, joka muuttaa ihon impedanssia ja elektrodien meneminen pois paikal-taan. Ihon alle asetettavat elektrodit kapseloituvat, mikä heikentää niiden toimintaa ja nii-den ihon läpi kulkevat johdot voivat altistaa kohdan infektioille tai takertua johonkin. Her-moihin suorassa kosketuksissa olevat elektrodit aiheuttavat lisäksi hermopinteen. Kohden-netulla uudelleenhermotuksella voidaan hermosyyt johtaa lihaksiin, jolloin lihaksista saa-daan biologiset vahvistimet lihassähkökäyrää varten tai korvaavalle ihoalueelle, johon koh-distuva kosketus tuottaa tuntemuksen käteen kohdistuvasta kosketuksesta. Käden menet-tämisen myötä menetettävät hermo-ohjaustiedot voivat osittain korvautua aivojen mukau-tuvuuden ansiosta, mikä mahdollistaa tekokäden käyttämisen oppimisen samalla tavoin kuin polkupyörällä ajon. Hermotakaisinkytkentä mahdollistaa proteesin paremman hallin-nan. On mahdollista valmistaa keinoihoa johon kohdistuva paine saa aikaan muutoksen sen sähköisissä ominaisuuksissa, mitä voidaan sitten käyttää varsinaisen hermoärsytyksen luo-van laitteen, kuten tynkää ärsyttävän täryttimen, ohjaamisessa. On mahdollista valmistaa keinolihaksia joiden avulla nivelten liike voidaan toteuttaa luonnollisen kaltaisilla rakenteilla ja jotka ovat jopa kymmeniä kertoja voimakkaampia kuin aidot lihakset.
Nykyteknologian avulla on mahdollista rakentaa käsiproteesi joka liikeradoiltaan, voimal-taan ja hermotakaisinkytkennän osalta vastaa lähes täydellisesti aitoa ihmiskättä. Haasteena on vielä kokeiluasteella oleva teknologian taso sekä korkea hinta.
Study was carried out as a literature research. Examples of commercially available arm prostheses were chosen to study by searching the internet for most advanced arm prosthe-ses. Direct connection of prosthetic to central nervous system was excluded from study.
Transmission of motion information from brain to prosthetic can be achieved by measuring electromyogram with various electrodes situated atop of skin and muscles, inside the mus-cles under the skin or directly to nerves. Problems with measuring electromyogram from atop the skin are electromagnetic radiation, sweat, which chances the impedance of skin and electrodes becoming misaligned. Electrodes under the skin become encapsulated, which weakens their working and their wires going through the skin can predispose spot to infections or get tangled on something. Electrodes that are in direct contact with nerves cause nerve compression. With targeted reinnervation axons can be led to muscles, in which case muscles become biological amplifiers for electromyogram, or to compensatory skin re-gion, which on contact creates a sensation of touch to arm. Nerve-control information lost along with loss of arm may be partially compensated thanks to adaptability of brains, which makes it possible to learn to use arm prosthetic the same way as one does learn to ride a bi-cycle. Neural feedback enables better control of prosthetic. It is possible to manufacture artificial skin on which pressure causes chance of its electrical properties, which can be then used to control actual nerve stimulation device, like a vibrator stimulating the stump. It is possible to manufacture artificial muscles that allows movements of joints to be carried out by natural-like structures and which can be even tens of times stronger than real muscles.
With modern technology it is possible to build a prosthetic arm which in terms of range of movements, strength and neural feedback is almost perfectly functionally equivalent to real human arm. There is still challenge of experimental stage of technology and its high price.