Biomechanika Portal Inżynieria Biomedyczna to serwis poświęcony tematyce inżynierii biomedycznej. Znajdziesz w nim artykuły naukowe, oferty pracy dla inżynierów biomedycznych, praktyki zagraniczne i dostępne w Polsce i zagranicą kierunki studiów. http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl Sat, 25 Nov 2017 03:53:47 +0000 Joomla! 1.5 - Open Source Content Management pl-pl Protetyka jako dziedzina sztuki http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/101-protetyka-jako-dziedzina-sztuki.html http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/101-protetyka-jako-dziedzina-sztuki.html

 

Wraz z postępem w dziedzinie protetyki i materiałoznawstwa oraz poszerzeniem wiedzy w zakresie biomechaniki człowieka wzrasta także zapotrzebowanie na estetyczny wygląd protez, nie tylko na ich funkcjonalność. Dawniej, aby zadowolić osobę po amputacji wystarczał zwykły kawałek drewna przytwierdzony do kikuta. Z czasem jednak protetyka staje się sztuką. Istnieją pokrycia kosmetyczne, które w pełni odwzorowują brakującą kończynę, ze wszystkimi zarysami skóry, zachowaną jej elastycznością, owłosieniem, piegami, znamionami, a nawet tatuażami. Jednak to nie wszystko, został poczyniony kolejny krok na przód i w tej chwili istnieją protezy wykończone pod okiem artystów. W ten sposób osoba po amputacji może nosić na sobie dzieło sztuki, którym w pewnym sensie może wyrazić siebie. Można powiedzieć, że jest to jak założenie koszulki z napisem, jednak proteza zastępująca kończynę staje się przedłużeniem naszego ciała i związek pacjenta z nią jest o wiele głębszy. Według badań aspekt estetyczny w protezie u dzisiejszego pacjenta znajduje się średnio na 2-3 pozycji w zestawieniu istotnych funkcji sztucznej kończyny, niekiedy znajdując się przed takimi funkcjami jak manipulacja, czy mowa ciała. Pokazuje to jak ważny jest design, dla komfortu użytkowania przez potencjalnego pacjenta, przy projektowaniu tego typu urządzeń.

Pokrycia kosmetyczne

Zewnętrzny wygląd protezy to personalny wybór każdego amputanta. Niektórzy preferują protezy bez pokrycia, natomiast część osób wybiera opcje z pokryciem kosmetycznym. Jednak tutaj wybór się nie kończy, ponieważ istnieje dalsza rozbieżność, mianowicie można wybrać pokrycie kosmetyczne, które sprawia, że proteza przypomina naturalną kończynę (tak zwane pokrycie realistyczne), oraz bardziej abstrakcyjną opcję, kiedy to proteza wyglądem i fakturą przypomina coś zupełnie innego (tak zwane pokrycie alternatywne).

Historycznie, znaczne postępy w protetyce miały miejsce w czasie wojny. Ostatnie konflikty w Afganistanie i Iraku doprowadziły do powstania kolan mikroprocesorowych i ramion ze sterowaniem mioelektrycznym w dążeniu do poprawy funkcjonowania i jakości życia powracających rannych żołnierzy. Wielu z nich zdecydowało się afiszować swoje nowe kończyny (bez pokrycia kosmetycznego) jako odznakę honoru. Natomiast media nieustannie dążące do sensacji, koncentrują się na zawodnikach sportowych korzystających z protez. W ten sposób zmienia się postawa dzisiejszego społeczeństwa do osób zaprotezowanych. Tak, to wspaniałe, że amputanci nie  ukrywają się w cieniu i pojawiają się publicznie. To wybór każdego z osobna jak chce być postrzegany. Niektórzy jednak nie lubią być wytykani i słuchać publicznie głupich komentarzy. Jak mówią: nie chcą wyglądać jak bohaterowie z komiksu. Jednak niewątpliwe plusy nie korzystania z pokrycia kosmetycznego są takie, że proteza jest lekka, a dostęp do elementów mechanicznych jest łatwy przy serwisie, bądź regulacji. Ponadto osoby, które nie decydują się na pokrycie kosmetyczne, mogą spersonalizować swój lej protezowy. Jest w tym względzie masa możliwości, różne kolory, wzory i wyglądy leja. Jednak bez pokrycia kosmetycznego proteza niszczy ubrania, może uszkadzać różne elementy środowiska zewnętrznego, nie można też na przykład skrzyżować nóg. A nawet ubrania luźno wiszące na protezie wyglądają źle.

Pokrycie kosmetyczne spełnia ważną rolę funkcjonalną, chroni wewnętrzne mechanizmy protezy przed procesem korozji, uszkodzeniami mechanicznymi oraz oddziaływaniem środowiska zewnętrznego. Chroni wewnętrzną strukturę tak jak skóra mięśnie i inne tkanki miękkie w naszym ciele chronią ludzki szkielet. Główne cechy, które powinno posiadać pokrycie kosmetyczne to przede wszystkim nie pogarszać funkcjonalności protezy i nie obciążać dodatkowo kończyn. Ponadto powinno zachować elastyczność w stawach, być łatwe w konserwacji i czyszczeniu, posiadać odporną na zużycie powierzchnie oraz nie wydzielać nieprzyjemnych zapachów.

Oczywiście funkcja jest najważniejsza, ale poczyniono wiele badań, poświecono wiele artykułów w literaturze medycznej nawiązując do wartości wyglądu ciała i samoakceptacji w procesie rehabilitacji.

Przy amputacjach jednostronnych najczęściej amputanci decydują się na pokrycie kosmetyczne będące odbiciem lustrzanym ich zdrowej kończyny, co rzeczywiście daje efekt najbardziej realistyczny. Jeżeli chodzi o formę realistycznych pokryć kosmetycznych dziś istnieje cała gama możliwości. Do najtańszej opcji należą pończochy w kolorze skóry, niestety nie chronią protezy przed wilgocią. Nieco droższym rozwiązaniem jest standardowa skóra z tworzywa sztucznego (różne gumowate materiały), która jest dostępna w różnorodnych kolorach i kształtach. Najdroższym rozwiązaniem jest pokrycie sylikonowe, może być także wysokiej jakości z dopracowanymi najdrobniejszymi szczegółami. Zaleta  w takim wypadku jest taka, że trudno jest odróżnić kończynę protezową od zdrowej. Pokrycie te jest natomiast bardzo delikatne i wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne, co znaczy, ze łatwo może zostać uszkodzone.

Abstrakcyjne pokrycia kosmetyczne

W przeciwieństwie do tradycyjnych pokryć kosmetycznych, które odwzorowują wygląd ludzkiej skóry, firma Bespoke Innovations projektuje pokrycia tak aby wyglądały jak coś zupełnie innego, łącząc kolory i wzory, w które będzie ?ubrana? proteza. Pomysł pozwala amputantom  wyrazić swoją estetykę i osobowość poprzez ich protezy, tak jak ma to miejsce w przypadku chociażby odzieży. Pokrycia kosmetyczne bespoke są tworzone na zamówienie indywidualnego klienta, w celu zaspokojenia jego potrzeb. Pokrycia idealnie odwzorowują kształt zdrowej kończyny. Dzieje się tak za pomocą innowacyjnej metody wykorzystanej przez firmę. Zdrowa kończyna zostaje poddana skanowaniu 3D, następnie za pomocą obróbki projektanta w komputerze obraz zdrowej kończyny zostaje odbity na drugą stronę (z brakującą kończyną). Kolejnym krokiem jest odpowiednie wyprofilowanie, wymodelowanie i przyjęcie schematu wyglądu. Gotowy projekt jest drukowany za pomocą innowacyjnej metody z wykorzystaniem drukarek 3D z lekkiego, trwałego polimeru. Pokrycia mogą zostać zaopatrzone według potrzeb i stylu danego klienta w elementy chromowane, nylon, lub skóry. Produkty firmy Bespoke Innovations są lekkie, trwałe, modularne oraz dopasowane indywidualnie. Koszt takiego pokrycia wynosi miedzy $4000, a $6000 w zależności od skomplikowania projektu i wyboru materiałów. W galerii zdjęć pod adresem www.bespokeinnovations.com/ firma pokazuje kilka oryginalnych przykładów ich pracy, którą zdecydowanie można nazwać sztuką.

Zdania, że protezy są po to aby pokazać światu naturę amputanta, a nie w celu jej ukrycia jest także Sophie de Oliviera Barata ? twórczyni projektu Alternative Limb Project. To studio projektowe tworzy spersonalizowane kończyny, które oferują odmienny od realnego ciała odpowiednik wyglądu. Sophie wraz z zespołem oferuje także realistycznie wyglądające kończyny protezowe, ale dla klientów którzy poszukują czegoś innego de Oliveira Barata proponuje ?nierealne? i ?surrealistyczne? opcje kończyn (można je obejrzeć pod adresem www.thealternativelimbproject.com/). Dla niektórych jej klientów kończyna była tworzona w bardzo osobisty sposób, aby mogli z powrotem przyjąć swoje ciało i czuć się dobrze we własnej skórze (a raczej przy jej braku). Dla innych, kończyny te są wyborem ze względu na modę i estetykę, po prostu inną formą wyrażania siebie, która paradoksalnie stała się im dostępna.

Kobiety potrzebują więcej

Projektantka Aviya Serfaty zawsze pasjonowała się ludzkim ciałem, szczególnie ciałem kobiecym. Chciała wyeksponować bardziej kobiecą stronę wyglądu i obrazu ciała. Poprzez swoje badania, stwierdziła, że największy błąd dotyczący nóg protetycznych jest taki, że mają one wyglądać i czuć się jak ludzkie nogi. Jak mówi Aviya, proteza nigdy nie będzie wyglądać jak prawdziwa noga i starając się naśladować to, co nie istnieje sprawia, że kobiety po amputacji czują się uszkodzone i niepewne. Tak więc tworząc projekt protezy outfeet nie próbowała imitować lub konkurować z nogą człowieka, jednak jest zaprojektowana i ukształtowana tak, aby mieć wzgląd na kobiece ciało. Ponieważ kobiece ciała i potrzeby, zarówno emocjonalne i fizyczne, są inne niż męskie, to musi być brane pod uwagę także przy projektowaniu protez, jak mówi sama autorka projektu.

Outfeet jest produktem funkcjonalnym, tak jak pozostałe protezy dostępne na rynku. Musimy zdać sobie sprawę, że dla kobiet po amputacji, proteza jest czymś więcej niż tylko produktem funkcjonalnym. Jest to część, która ma wpływ na to jak widzą siebie i jak prezentują się światu. A dla kobiet żyjących w dzisiejszym nowoczesnym świecie z ideałami piękna i kobiecości ma to ogromne znaczenie. Projektantka uważa, że kontynuacja projektu Outfeet ma potencjalną przyszłość w branży mody, która pozwoli kobietom po amputacji stworzyć całą garderobę, w tym odzież codzienną, sportową, jak i stroje wieczorowe.

Zazwyczaj w przypadku protezy nogi, użytkownik decyduje, czy czuje się w niej na tyle dobrze, aby używać jej przez kilka godzin dziennie lub nawet w ciągu całego dnia. To bardzo osobisty wybór dla każdego użytkownika z uwagi na swój własny stan fizyczny i emocjonalny. Dlatego też tak ważne jest aby osoba czuła się w swojej protezie po prostu dobrze.

{faqslider inline/sliders}
Literatura
[1] Atlas of Limb Prosthetics: Surgical, Prosthetic, and Rehabilitation Principles - John H. Bowker, 1992.
[2]The Art of Prosthetics - Christina Skoski, MD -The O&P EDGE November 2009.
[3] Cosmetic covers for lower-limb prostheses -Thomas A. Krouskop, Ph. D, Paul H. Newell, Jr., Ph. D., Lewis A. Leavitt, M.D. - Texas A&M University.
[4]New Prosthetic Design Focuses on Femininity - O&P Business News, March 2013.
[5] http://www.bespokeinnovations.com/
[6] http://www.thealternativelimbproject.com/

{/faqslider}


]]>
marcin.dziemianowicz@gmail.com (Marcin Dziemianowicz) Biomechanika Thu, 16 May 2013 20:03:14 +0000
Polska Bioniczna Proteza Dłoni SuperHand http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/99-polska-bioniczna-proteza-dłoni-superhand.html http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/99-polska-bioniczna-proteza-dłoni-superhand.html

proteza dloniGrupa inżynierów po Politechnice Wrocławskiej opatentowała pierwszą polska bioniczną protezę dłoni. Proteza o nazwie SuperHand posiada ruchomy nadgarstek oraz możliwość niezależnego sterowania wszystkimi pięcioma palcami, co pozwala na wykonywanie wszystkich naturalnych ruchów dłoni. Proteza potrafi wyczuwać kształty, a następnie się do nich dostosowywać. Sterowanie odbywa się przez czujniki EMG zamontowane na powierzchni skóry w okolicy mięśni kikuta. Zasilanie zaś pozwala na nieprzerwane działanie sztucznej kończyny przez cały dzień aktywnego użytkowania.

Bioniczne protezy są bardzo popularne na całym świecie. Jeszcze nie tak dawno pojęcia takie jak bionika czy cybernetyka kojarzyły się jednoznacznie z filmami i książkami science fiction. Nauka pokazuje jednak, że takie rozwiązania to już dzisiejsza rzeczywistość. Wszystko za sprawą bioniki, która bada budowę i zasady funkcjonowania ludzkiego organizmu i stara się to odwzorować na polu techniki. Tak powstają bioniczne kończyny, które sprawnością dorównują naszym własnym kończynom. Głównym problemem przy konstruowaniu tego typu protez jest zasada działania systemu sterowania, który odpowiada tu za najtrudniejsze zadanie, mianowicie za połączenie ciała z maszyną. Polski zespół poradził sobie jednak z tym zadaniem, a pod względem budowy i konstrukcji proteza zaprojektowana przez inżynierów z firmy ProManus jest jedną z najbardziej innowacyjnych protez dłoni na świecie. Niestety mimo to natknęła się na problem finansowy.

Bioniczna proteza dłoni ? zasada działania

proteza reki zasada dzialania

Praca bionicznej dłoni opiera się na przekazywaniu sygnałów EMG (Elektromiografia) z kurczących i napinających się mięśni w obrębie kikuta do mikroprocesora znajdującego się w dłoni protezowej. Następnie mikroprocesor analizuje sygnał uzyskany z mięśni (jego siłę i częstotliwość) i na podstawie uzyskanych danych aktywuje pracę wybranych silniczków z odpowiednią siłą, dzięki czemu uzyskujemy ruch protezy. Mikroprocesor pełni tu rolę tłumacza, aby układ nerwowo-mięśniowy mógł się porozumieć z układem mechanicznym protezy. Sygnały EMG są uzyskiwane przez sensory - elektrody umieszczone na odpowiednich grupach mięśni przedramienia, ramienia, lub innej części ciała.

Najważniejszymi warunkami, które musi realizować układ sterujący dłonią protezową są: funkcjonalność, reakcja układu mechanicznego w czasie rzeczywistym, wykonywanie naturalnych ruchów. Układ sterujący musi pozwalać na intuicyjne, proste sterowanie dłonią. Najprościej można przedstawić to na przykładzie wykonywania chwytu ręką protezową: osoba po amputacji nie musi analizować ?jak sprawić żeby proteza chwyciła kubek?, tylko ?jak mam chwycić kubek?. W protezie SuperHand jest to możliwe dzięki uproszczonemu systemowi sterowania. Na przykład jeden skurcz mięśni w kikucie to otwieranie dłoni, dwa skurcze to zamykanie. Można również  zaprogramować różne gesty w sposób indywidualny, zbliżony do naturalnych gestów konkretnego użytkownika.

Polska bioniczna proteza dłoni ? budowa i konstrukcja

Polscy inżynierowie przy wykorzystaniu innowacyjnych technologii opracowali jedną z najnowocześniejszych na świecie protez i uzyskali komplet pozwoleń na wdrożenie jej do produkcji oraz na dopuszczenie do sprzedaży. Projektantami i konstruktorami tego wynalazku są absolwenci Politechniki Wrocławskiej - Wojciech Jopek, Michał Turów i Michał Wasilewski. Praktyczne zastosowanie protezy można obejrzeć pod adresem: http://www.youtube.com/watch?v=4o3wYruFXFI.

Jest to pierwsza w Polsce bioniczna proteza dłoni. Na świecie zaś są tylko dwie konkurencyjne firmy produkujące takie protezy. Firma, która stworzyła pierwszą pięciopalczastą protezę - TouchBionics. Druga firma to Be Bionic, także produkująca pięciopalczastą protezę, debiutowała na rynku w roku 2010. SuperHand wykorzystuje najbardziej zaawansowane technologie przy niewiarygodnej prostocie obsługi oraz niewielkich kosztach jej wykonania.

Dostępne na rynku protezy generalnie bazują na rozwiązaniach firmy Ottobock, wyposażane są w gotowe elementy takie jak nadgarstek, elektrody, czy tor pomiarowy. Jednak grupa polskich inżynierów od początku do końca cały system wykonała sama, od elektrod, aż po pokrycie kosmetyczne.

Opracowane zostały między innymi elektrody bezprzewodowe, które można zalaminować w leju. Dzięki temu nigdzie nie wystają kable, co znacznie ułatwia protezowanie. Ponadto elektrody posiadają świetny sygnał. Elektrody te mają bardzo krótki tor pomiarowy, szybko reagują na skurcze mięśni pacjenta, dzięki czemu proteza wykonuje określone i pożądane ruchy z bardzo małym opóźnieniem.

Proteza SuperHand została maksymalnie skompresowana. Cała elektronika, system sterowania i bateria znajdują się w śródręczu. Nie trzeba zatem laminować tych elementów w leju. Dzięki czemu można protezować  kończyny z bardzo krótkim kikutem.

Następną cechą sztucznej kończyny są modularne palce, co znaczy, że cały układ napędowy poruszający palcem znajduje się w danym palcu. Każdy moduł można wymienić w prosty sposób, co bardzo ułatwia serwis.

Protezę o nazwie SuperHand przez kilka tygodni testował pacjent, który 21 lat temu uległ wypadkowi, w wyniku którego stracił rękę. Jak twierdzi, jej obsługę opanował w 10 minut, wykonywał różnorodne czynności, jak choćby łapanie szklanki czy noszenie siatki z zakupami. Świadczy to o prostocie i intuicyjności obsługi protezy, która została uzyskana dzięki uproszczonemu systemowi sterowania zastosowanemu w SuperHand.

Nie mniej ważny jest czynnik finansowy. Ze wszystkim, czyli z założeniem, wykonaniem leja i późniejszym serwisem proteza polskiego producenta to koszt około 50 tysięcy złotych. Jest to niższa  cena niż ta, którą zapłacili byśmy za prostą trójpalczastą protezę oferowana przez Ottobock i dużo niższa od i-Limb (proteza dłoni pięciopalczasta produkowana przez TouchBionics ), która kosztuje około 180 tyś złotych.

Problem ochrony patentowej w Polsce

Na koniec pojawia się niestety smutny akcent mojego optymistycznego artykułu. Fakty obecnie są takie, że pomysł może upaść, bo firmie brakuje pieniędzy na rozwój. Mimo oszczędnego dysponowania środkami, starczyły one na sfinansowanie całego procesu badawczo-rozwojowego, zakup urządzeń do produkcji oraz na stworzenie zaledwie jednej protezy w finalnej technologii.  Jeżeli ProManus nie znajdzie odpowiedniego inwestora upadnie z przyczyn finansowych. Ze względu na wysokie koszty ochrony patentowej w Polsce nie będzie także możliwości utrzymania innowacyjnych patentów, które spółka posiada. Stale rośnie zapotrzebowanie na nowatorskie technologie i produkty, a zwiększająca się konkurencja na rynku wywiera dużą presję na producentów przedmiotów użytkowych, aby stawały się one coraz bardziej innowacyjne. Dlatego tez zapewnienie ochrony patentowej jest takie istotne w procesie wdrażania produktu do obrotu handlowego, pozwala ona na posiadanie trwałej pozycji na rynku oraz czerpania w związku z tym zysków w długim okresie czasu.

Istnieje zatem prawdopodobieństwo, że pomysł , rozwiązania oraz efekty pracy polskich inżynierów zostaną wykorzystane przez kogoś innego. Mówiąc krótko projekt SuperHand upadnie, a ktoś inny pod inna nazwa będzie czerpał korzyści z polskiej myśli technicznej, bo znów brakuje ?pomocnej dłoni? do przełożenia myśli naukowych na praktykę w Naszym kraju. Na koniec mam nieśmiałą propozycje dla naukowców z Wrocławia, żeby nazwę swojego projektu z SuperHand zmienili na ?Pomocną dłoń?.

{faqslider inline/sliders}
Literatura [1] http://strona.pro-manus.nazwa.pl/index.htm

[2] http://www.vigo-ortho.pl/index.html

[3] Powered Upper Limb Prostheses: Control, Implementation and Clinical Application - Ashok Muzumdar, 2004.

[4] http://www.touchbionics.com/

[5] Standard Handbook of Biomedical Engineering and Design: Design of artificial arms and hands for prosthetic applications - Richard F. ff. Weir, Ph.D., Myer Kutz, 2002.

[6] http://www.ottobock.pl/

[7] Problemy ochrony patentowej w Polsce ? Anna Turczak, 2010.

{/faqslider}
]]>
marcin.dziemianowicz@gmail.com (Marcin Dziemianowicz) Biomechanika Sun, 24 Feb 2013 23:58:59 +0000
Bioniczne protezy http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/98-bioniczne-protezy.html http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/98-bioniczne-protezy.html

bionikaLudzkie ciało jest jednym z najwspanialszych tworów natury, kombinacją mięśni, zmysłów i organów, bezpośrednio połączonych ze sobą. Niestety, w wyniku nieszczęśliwych wypadków czy też procesu starzenia wszystkie elementy naszego organizmu ulegają zużyciu bądź zniszczeniu. Jeszcze do niedawna inwalidzi wojenni wracający do swych domów, ofiary wypadków czy chorób byli skazani na opiekę bliskich. Postęp technologiczny, a także naukowy otworzył nowy rozdział w historii, w którym praktycznie każdy uszkodzony narząd można wymienić na nowy, opracowany przez bioników, skonstruowany przez inżynierów, a wzorowany na milionach lat ewolucji człowieka. Naukowcy nie szukają nowych rozwiązań konstruktorskich dla kończyn, serca czy oka - pilnie podpatrują naturę, analizują strukturę anatomiczną człowieka i jak najwierniej starają się ją odtworzyć za pomocą materiałów biomedycznych.

Bionika

Czym jest bionika i dlaczego jest tak ważna we współczesnej inżynierii? Bionika jest interdyscyplinarną dziedziną nauki z pogranicza biologii i techniki; jej głównym celem jest tworzenie użytecznych technicznie modeli systemów biologicznych (wg Tkacz Ewaryst, Borys Przemysław, Bionika, Warszawa 2006, ISBN 83-204-3148-4). Ogólnie rzecz biorąc, biomimetyka (tak też nazywana jest bionika), podsuwa gotowe rozwiązania sprawdzone na drodze milionów lat ewolucji żywych organizmów. Nauka ta jest niezwykle rozległa, a jej granice wyznacza jedynie ludzka wyobraźnia. Rozwiązania biologiczne mają swoje zastosowanie w technice. Po raz pierwszy termin ?bionika? został użyty w 1960 roku na sympozjum ?Living prototypes of artificial organs? w Dayton (USA), jednak sama nauka ma bogatą historię.

Da Vinci, bionikaJuż w mitologii greckiej odnajdujemy postać Dedala, architekta i wynalazcę, ojca Ikara. Wzorując się na ptasich skrzydłach, skonstruował podobne dla siebie i swego syna. Kolejną ważną postacią był Leonardo da Vinci, który również był zafascynowany sztuką latania. Stworzył on wiele innowacyjnych jak na tamte czasy (XV-XVI wiek) wynalazków. Nieco kontrowersyjne okazały się eksperymenty innego uczonego - Ligi Galvani?ego. Jego przełomowa praca zawierała wyniki doświadczeń nad ?fluidem elektrycznym? Badał on wypreparowane żabie udka drażniąc prądem elektrycznym - w ten sposób pobudzając do skurczu. W efekcie opracował model reakcji mięśniowo-nerwowej, który po dziś dzień uważany jest za klasykę w dziedzinach elektrofizjologicznych. Ostatnią z postaci, o których chciałabym wspomnieć jest Jean Louis Marie Poiseuille. Znane jest jego prawo ruchu lepkich płynów w kapilarach, stworzone w wyniku obserwacji przepływu ludzkiej  krwi w wąskich naczyniach krwionośnych.

Aby lepiej zobrazować bioniczne rozwiązania stosowane we współczesnej codzienności posłużę się kilkoma przykładami.

Architekci z całego świata prześcigają się w coraz wznioślejszych projektach. Amerykański ogród botaniczny odwzorowuje swoim zadaszeniem odwzorowuje plaster miodu, a dach stadionu olimpijskiego w Monachium jest niczym innym jak kopią pajęczyny.
Sympatycy motoryzacji też znajdą coś dla siebie. Co wspólnego ze sobą mogą mieć niewielkich rozmiarów tropikalna rybka z firmą Mercedes Benz? Otóż wprowadzono na rynek model samochodu ?Box Fish? i choć wydawać by się mogło na pierwszy rzut oka, że takie ?wielkie pudło? nie osiągnie aerodynamicznych wymagań, to okazuje się, że Natura rozmyślnie stworzyła gatunek  Ostracion cubicus, a jego opływowość kształtu jest więcej niż zadawalająca.


samoczyszczace materialy, bioniczne protezyTakich zapożyczeń z natury mamy więcej wśród zastosowań technologicznych. Wielkim powodzeniem firm tekstylnych cieszą się wyroby wykorzystujące efekt samooczyszczenia zapożyczone z kwiatów lotosu, którą można zaobserwować także u naszych rodzimych gatunków: nasturcji czy trzciny pospolitej. Odpowiednikiem malutkich wypustek znajdujących się na powierzchni lotosu w wyrobach tekstylnych są niezliczone cząstki o średnicy poniżej 100 nanometrów, a ów drobiny zatrzymują zanieczyszczenia i wodę. Minimalna powierzchnia styku w połączeniu z siłami adhezyjnymi powodują, że każda kropla ma kształt kuli, która spływa po liściu. W efekcie - czy na liściu, czy na parasolu - mamy powierzchnię idealnie czystą nie wymagającą szorowania ani mycia.

Godnym zauważenia wynalazkiem, które nie od razu się przyjał jest rzep. Wynalazł go w 1941 roku szwajcarski chemik George de Mestral, którego zaintrygowały przyczepione do sierści psa rzepy, czyli owocostany łopianu (Arctium L.). Początkowo nie znalazł się nikt, kto docenił inwencję Mistrala, do czasu, gdy NASA zastosowała to rozwiązanie w skafandrach astronautów.

gekon, bioniczne protezyHitem ostatniego czasu jest materiał na plastry, który nie odkleja się od wilgotnych powierzchni, jest biozgodny, a w dodatku sam się rozpuszcza, dzięki czemu może być stosowany nie tylko przy zwykłych ranach, ale także przy wycięciu np. fragmentu jelita, do zasklepienia ubytku powstałego w żywej tkance. Amerykańscy nanotechnolodzy wykorzystali niezwykłe zdolności gekona, który może chodzić nawet po pionowej szybie. Dzieje się tak dzięki ogromnej ilości mikroskopijnych wypustek na stopie jaszczurki, z których każda oddziaływuje małymi siłami z podłożem. Przełożono to na sieć niezwykle małych kolumienek z mocnej, choć rozpuszczalnej gumy, ułożonych w ten sam sposób, jak wyrostki u gekona. Dodano warstwę kleju stworzonego na bazie glukozy, dzięki czemu opatrunek jest wodoodporny.

Przykładów zastosowania bioniki przez inżynierów jest wiele. W Szanghaju planuje się zbudować największy budynek świata o wysokości 1200 metrów. Taki wynik ma zostać osiągnięty dzięki rozwiązaniu, jakie natura zastosowała w budowie pnia cyprysu - koncentrycznie ułożonych wiązek i przestrzeni powierzchnych.

NASA i ESA (Europejska Agencja Kosmiczna) również pokładają wielkie nadzieje w naturalne rozwiązania. Trwają prace nad skonstruowaniem nowego rodzaju wiertła i urządzenia do pobierania próbek skał, które byłyby wysyłane wraz z sondami w przestrzeń kosmiczną. Wzorcem był narząd osy - trzpiennika sosnowca (Sirex noctilio). Owad ten składając jaja posługuje się pokładełkiem - czymś w rodzaju igły stosowanej w medycynie, za pomocą którego wierci otwór w pniu. Jednak to dopiero pierwsza część urządzenia, po zrobieniu otworów w asteroidzie należy jeszcze wydobyć z niej materiał do badań. W tym momencie wykorzystano specyficzny układ łusek i włosków w kłosie jęczmienia, które umożliwiają ruch ziaren tylko w jedną stronę.  Takie rozwiązanie ma wspomagać przesuwanie się pyłu i okruchów skalnych pozyskanych przez wzorowane na pokładełku wiertło. Problem napędu całego urządzenia proponują rozwiązać inspiracją mięśni poruszającymi szczękami ważek. Jest to bardzo wydajne, wymaga niewielu części i ma małe zapotrzebowanie na energię. W ten sposób poprzez połączenie osy, jęczmienia i ważki otrzymano kosmiczne wiertło.

Aguilera okladka, bionikaBioników interesują nie tylko konstrukcje wykorzystane w przyrodzie, ale także zjawiska w niej zachodzące i postępowanie żywych istot. Na podstawie analizy pelikanów lecących w kluczu wykazano, że ptaki zajmujące dalsze miejsca mniej się męczą. Zastosowano ten fakt w lotnictwie i badania potwierdziły, że przy odpowiednim ułożeniu względem siebie myśliwce zużywają o niemal jedną piątą mniej paliwa.

Innym ciekawym rozwiązaniem motoryzacyjnym są nowoczesne, bioniczne opony firmy Continental, których ogumienie naśladuje zachowanie łap kota, który przy lądowaniu lub zatrzymywaniu się rozszerza swe palce zwiększając powierzchnię styku z podłożem. W oponach bieżnik ukształtowano tak, aby podczas hamowania lepiej przylegał do drogi.

Bionika w protetyce

Gwałtowny wzrost ludzi poddanych amputacji spowodowany wojnami w tym i poprzednim stuleciu, rozwój techniki i większe nakłady finansowe spowodowały, że zaczęto szukać nowszych, nowocześniejszych protez. Co prawda daleko jeszcze do poziomu ukazywanego w filmach science-fiction, ale naukowcy z całego świata mają się już czym pochwalić na tym polu.

Sztuczne mięśnie

Układ ruchu człowieka zbudowany jest ze szkieletu i mięśni. Często w wyniku chorób dochodzi do uszkodzenia tkanki mięśniowej. W laboratoriach wytworzono już pierwsze sztuczne mięśnie. Choć na razie powstały z myślą o wykorzystaniu ich w robotyce, jest to niewątpliwie pierwszy krok ku pomocy ludziom z uszkodzonym narządem ruchu. Nowy typ sztucznych mięśni zbudowany został ze skręconych włókien węglowych nanorurek, dzięki czemu cechuje je ogromna twardość i wytrzymałość, a także lekkość (1 cm? waży zaledwie 1,5 miligrama). Ich mechanizm jest oparty o działanie naturalnych mięśni - pod wpływem prądu elektrycznego rozszerzają się (aż o 220%), cały proces trwa milisekundy, a co ważne, ich długość nie zmienia się w ogóle. Warto też zaznaczyć, że mięśnie wykorzystują aż 70% energii, która zostaje im dostarczona.

Sztuczne serce

sztuczne serce300-400 osób rocznie w Polsce umiera z powodu braku dawcy serca. To zatrważająca statystyka, zwłaszcza, jeśli weźmie się pod uwagę, że na świecie powstało już w pełni sztuczne serce, pracujące całkowicie samodzielnie. Zostało ono wynalezione przez firmę Carmat, założoną przez grupę EADS, zajmującą się przemysłem zbrojeniowym i kosmicznym. Wyposażone zostało w układy, które powinny zareagować od razu, gdy biorca sztucznego serca będzie potrzebował szybszego przepływu krwi. Warto odpowiedzieć na pytania, dlaczego dopiero niedawno naukowcy opracowali w pełni niezależnie działające serce? Choć dziś o budowie i pracy serca wiemy niemal wszystko to odkrycie, że serce pompuje krew dokonano dopiero w XVII wieku. Gdy połączymy ten fakt z niewiarygodną pracą jaką wykonuje nasza naturalna maszyna pompująca - w ciągu życia kurczy się średnio 2,5 miliarda razy, przepompowując 100 basenów krwi, budzi się zrozumienie, że ludzkość potrzebowała wielu lat na opracowanie maszyny, którą można bez problemu przeszczepić zawałowcom czy ofiarom wypadków.

Bioniczne oko

Bionic EyeNiewątpliwym hitem ostatnich lat, dzięki czemu jeszcze bardziej zwrócono uwagę na bionikę, jest sztuczne oko, które zostało już wszczepione 73-letniemu pacjentowi z Wielkiej Brytanii, dzięki czemu umożliwiono mu widzenie pomimo dziedzicznej choroby, która odebrała mu wzrok. Jest to wstępny etap eksperymentu na ludziach, aczkolwiek pokłada się w nim szerokie nadzieje.

Oko jest przeznaczone dla pacjentów, którzy stracili wzrok w wyniku urazu czy wypadku, ale wykształciło się u nich widzenie, bo warto zaznaczyć, że zdolność tę nabywamy i uczymy się jej, a nie jak powszechnie jest uważane - rodzimy się z nią. Jak współcześni bionicy poradzili sobie z tak skomplikowanym układem optycznym i mechanizmem przekazu impulsów świetlnych do kory wzrokowej? Oko składa się z miniaturowej kamerki umieszczonej na okularach przeciwsłonecznych, zewnętrznego odbiornika oraz matrycy z elektrodami, którą wszczepia się na siatkówkę. Obraz z kamery przekazywany jest do odbiornika, ten do elektrod, a następnie do nerwami wzrokowymi wędruje do mózgu.  Jak widać nie wykorzystano tu żadnego innowacyjnego rozwiązania, odtworzono tylko (lub ?aż?) z jak największym podobieństwem mechanizm widzenia zdrowego człowieka.

Kończyny

bioniczna nogaRobotyka jest jedną z najbardziej prężnie rozwijających się dziedzin nauki, która ma ogromny wpływ na postęp bionicznych protez. Mamy już do dyspozycji świetnie skonstruowane biomanipulatory, które z dużą dokładnością naśladują ruch zdrowej kończyny. Co ważniejsze, proteza tego typu sterowana jest poprzez sygnały elektromiograficzne, za których rozpoznawanie odpowiada procesor sygnałowy, zaś do akwizycji tych sygnałów używa się elektrod powierzchniowych umieszczonych w leju protezy. Mimo skomplikowanej budowy, zasada działania jest taka sama, jak zdrowej kończyny.

Powieści Lema, filmy Paul?a Verhoeven?a (?Robocop?) czy okładki płyt współczesnych piosenkarzy nie robią już większego wrażenia. Coś, co było abstrakcją jeszcze kilkanaście lat temu, dziś staje się powoli rzeczywistością. Czy ktoś jest w stanie wyobrazić połączenie medycyny z protetyką za 20 lat? A za 50 lat?

{faqslider inline/sliders}

Literatura [1].Tkacz Ewaryst, Borys Przemysław, Bionika, Warszawa 2006, ISBN 83-204-3148-4.
[2].Kossobudzki Piotr, Testowane na zwierzętach, ?Przekrój? 2007.
[3].Samoczyszczące tekstylia [online], [dostęp 30 grudnia 2009], Dostępny w Word Wide Web: http://www.muratorplus.pl/technika/oknadrzwi/samoczyszczace-tekstylia_61341.html .
[4].Morek Grażyna, Z natury, ?Polityka? 2006.
[5].Chrostowski Jarosław, Wieteska Elżbieta, Wielkie ściąganie, ?Wiedza i życie? 2008.
[6].Kakade Nilesh, Bionics halp for the disabled, ?IT Magazine? 2006.
[7].Blanchard Cheryl, Biomaterials: Body of the Future, ?Technology Today? 1995.
[8].Bionika. Projekty koncepcyjne., Praca zbiorowa pod red. Andrzeja Samka, Kraków 2004, ISBN83-7242-331-8.
{/faqslider}
]]>
a.giczan@gmail.com (Agnieszka Giczan) Biomechanika Sat, 19 Feb 2011 11:14:43 +0000
Inteligentna stopa bioniczna PROPRIO FOOT http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/97-inteligentna-stopa-bioniczna-proprio-foot.html http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/97-inteligentna-stopa-bioniczna-proprio-foot.html

Elektroniczna stopa PrioPrioInteligentna stopa bioniczna PROPRIO FOOT to jeden z najnowszych projektów szwedzkiej firmy Ossur, w którym głównym założeniem było zastosowanie wiedzy z takich dziedzin nauki jak Elektronika, Robotyka, Informatyka, Biomechanika i stworzenie protezy dla osób aktywnych, dużo i szybko chodzących.

Jest to elektroniczna stopa protetyczna z włókna węglowego z siłownikiem sterowanym mikroprocesoremi zasilanym zewnętrzna baterią. Użytkownik zwolniony jest z nieustannego kontrolowania ustawienia stopy względem podłoża, gdyż robi to za niego sama proteza.

Jest ona wyposażona w system czujników znajdujących się w stopie i dzięki odpowiedniemu oprogramowaniu, które odbiera sygnały możliwe jest samoistne ustawienie się protezy w zależności od warunków podłoża. Ma to szczególne zastosowanie podczas wychodzenia pod górę (optymalne rozłożenie ciężaru ciała) i schodzenia w dół (lepsza stabilizacja i ergonomia chodu). Stopa pracuje również na równym terenie zapewniając użytkownikowi skoordynowany ruch bez jego wysiłku. Dodatkową zaletą stopy ProPrio jest łatwość w jej programowaniu dla konkretnej osoby.

Najważniejsze cechy bionicznej stopy to:

Zastosowanie najnowszej generacji czujników wykrywania krawędzi i sztucznej inteligencję pozwala na określanie nachylenia pokonywanych wzniesień i wznoszenia lub opadania schodów już po pierwszym kroku. Informacje te są następnie przesyłane do układu mechanicznego stopy, który zginą ją w odpowiedni do nachylenia lub pokonywanej przeszkody sposób. Podczas wchodzenia  lun schodzenia ze schodów, użytkownicy mogą umieścić całą stopę na stopniu, a układ bioniczny automatycznie dostosuje pozycję kostki przy następnym kroku.

Pomimo zaawansowanej technologii, stopa Proprio jest bardzo przyjazna dla użytkowników, łatwa w instalacji i obsłudze. Podczas prostego procesu kalibracji, z udziałem 16 kroków, urządzenie oblicza i zapamiętuje indywidualny, unikalny wzór chodu.

Więcej informacji na temat inteligentnej bionicznej stopy ProPrio znajdziesz na stronie producenta...

{faqslider inline/sliders}
Literatura

http://www.ortocentrum.com.pl/html/pol/nowosci/proprio.html

{/faqslider}
]]>
gtoporek@gmail.com (Grzegorz Toporek) Biomechanika Sat, 06 Mar 2010 19:23:21 +0000
Bioniczna proteza oka http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/96-bioniczna-proteza-oka.html http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/96-bioniczna-proteza-oka.html

Działanie oka

budowa okaBudowa oka ludzkiego przedstawiona została na rysunku 1. Światło, zanim zostanie zarejestrowane przez komórki światłoczułe przechodzi przez przednią część twardówki (rogówkę), która w tym miejscu jest przeźroczysta, następnie wpada do oka przez otwór zwany źrenicą, którego średnica regulowana jest  tęczówką czyli barwną częścią oka. Światło trafia następnie na soczewkę, która jest zdolna zmieniać kąt przechodzących promieni (skupia promienie świetlne). Ostatecznie światło dociera do siatkówki, zbudowanej z licznych komórek, które pobudzane są w skutek promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widzialnego, czyli światła. Na siatkówce można wyróżnić dwa zasadnicze rodzaje komórek: czopki odpowiadające za widzenie kolorów oraz pręciki umożliwiające widzenie w ciemności. Rozkład ilości fotoreceptorów (czopków i pręcików) nie jest równomierny.

Największe skupisko czopków znajduje się naprzeciw źrenicy, to miejsce zwane jest plamką żółtą. Plamka ślepa czyli ujście  nerwu wzrokowego pozbawiona jest komórek fotoczułych. Zanim dane o rejestrowanym obrazie dotrą do mózgu przechodzą przez szereg wyspecjalizowanych komórek nerwowych, znajdujących się w głębszych warstwach siatkówki, które dokonują kompresji sygnału, przez co obraz dochodzący do mózgu zawiera mniej informacji. Kompresja jednak jest konieczna ze względu na ogromną ilość pręcików i czopków. Mimo znacznego uproszczenia obrazu nerw wzrokowy przekazujący go do mózgu jest wyjątkowo gruby, co świadczy o ilości neuronów uczestniczących w przekazywaniu tego sygnału. Na koniec obraz jest rekonstruowany w mózgu. Ta rekonstrukcja powoduje, że niekiedy widzimy szczegóły, których w rzeczywistości nie ma, bądź nie dostrzegamy tego co jest. [1]

Choroby oczu

Schorzenia narządu wzroku powodowane są przez różne czynniki, takie jak np.: urazy, zakażenia i nowotwory oraz wady wrodzone. Pogorszenie widzenia może być wynikiem chorób ogólnoustrojowych  takich jak zaćma w przebiegu cukrzycy czy podczas choroby krwi, nerek lub też w czasie ciąży. Choroby oczu można leczyć operacyjnie lub stosując odpowiednie leki. [2]

Najczęściej stosuje się antybiotyki (np. penicylina, streptomycyna czy aureomycyna), dzięki którym w wielu schorzeniach, dawniej bardzo opornych na leczenie, dziś medycyna osiąga bardzo dobre wyniki w ich leczeniu. Do leczenia chorób oczu wykorzystuje się także leczenie hormonalne, przede wszystkim stosowanie hormonu kory nadnerczy-kortyzonu, który podawany w niektórych schorzeniach wirusowych rogówki oraz w zapaleniu miąższowym rogówki na tle kiły wrodzonej daje bardzo dobre efekty. Wśród operacji chirurgicznych  najpopularniejszy jest przeszczep rogówki, który umożliwia przywrócenie wzroku w przypadkach jej zmętnienia.

Optoelektroniczna proteza siatkówki

Ślepota jest jedną z najbardziej przerażającą konsekwencją choroby. Jedną z możliwości przywracania wzroku osobom całkowicie niewidomym staje się optoelektroniczna proteza siatkówki. W wyniku chorób pręciki i czopki niszczeją, co prowadzi do utraty wzroku. Zastosowanie implantu siatkówki jest możliwe ponieważ głębiej położone komórki, które przekazują pobudzenia z fotoreceptorów do mózgu są zazwyczaj w niewielkim stopniu zniszczone. Elektryczna stymulacja prawidłowych neuronów siatkówki może powodować percepcję światła. Prowadzone prace nad niewielkimi implantami o liczbie elektrod nie przekraczającej 60 dostarczyły zachęcających rezultatów wśród pacjentów z uszkodzoną siatkówka. Jednak do takich czynności jak czytanie, pisanie lub rozpoznawanie twarzy wymagana jest znacznie większa liczba elektrod, sięgająca tysięcy, gdyż zwiększenie ich liczby spowoduję polepszenie rozdzielczości obrazu. [3]

Rozwój protez o wysokiej rozdzielczości obrazu jest wyzwaniem nie tylko inżynieryjnym ale także biologicznym. Najpoważniejsze problemy to przekazanie informacji o tysiącach pikseli w krótkim czasie, tak by powstający ?film? był płynny. Innymi problemami jest umiejscowienie elektrod w bliskim sąsiedztwie komórek, przetworzenie sygnału, który kompensowałby częściową utratę siatkówkowej sieci neuronowej i wiele innych. [3]

Zasada działania implantu siatkówkiStrumień danych z kamery wideo jest przetwarzany przez kieszonkowy PC a obrazy wynikowe są wyświetlane na ciekłokrystalicznym mikrowyświetlaczu, podobnym do okularów wideo (video goggles). LCD jest oświetlane przez impulsy światła podczerwonego (~900nm), trwające 0,5 ms, wprowadzając obrazy poprzez układ optyczny oka do siatkówki. Obrazy promieniowania podczerwonego są przechwytywane przez wszczepiony implant. Każdy piksel przetwarza impulsy świetlne w impulsy prądu elektrycznego, które wprowadzają informacje świetlne do chorej siatkówki. Implant ma w przybliżeniu 3mm średnicy, dając 10 stopniowe pole widzenia. Zasada działania przedstawiona została na rysunku 2. [3]

Optyczne podejście do dostarczania informacji pozwala na ciągłą aktywacje tysięcy pikseli w implancie, i pozostawia naturalne połączenie pomiędzy ruchem oka i percepcji obrazów. Od kiedy fotowoltaiczne piksele w implancie działają niezależnie, nie jest potrzebne fizyczne łącznie ich między sobą. Dzięki temu poszczególne segmenty tablicy pikseli mogą być umieszczane w oku oddzielnie, znacznie ułatwiając operację chirurgiczną.

Obecne implanty siatkówki nie pozwalają jeszcze osobom niewidomym czytać i rozpoznawać twarze, jednak umożliwiają częściowe odzyskanie wzroku. Mała kamera wideo zamontowana na parze okularów przesyła obraz do elektrod, które są bezpośrednio połączone z nerwem wzrokowym. Pacjenci noszą małe urządzenie, przypięte w pasie, które umożliwia zasilanie kamery i przetwarzanie obrazu. Dostępne implanty umożliwiają widzenie podstawowych obrazów o wielkości 10x6 pikseli. [4]

]]>
jjarekk@gmail.com (Jarosław Kardynia) Biomechanika Fri, 05 Mar 2010 10:44:19 +0000
Protezy kończyn górnych http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/94-protezy-kończyn-górnych.html http://www.inzynieria-biomedyczna.com.pl/biomechanika/item/94-protezy-kończyn-górnych.html

Protezy kończyn górnych

Protezy kończyn górnych stanowią skomplikowany problem ze względu na różnorodność, złożoność oraz precyzję wykonywanych rękami czynności. Trudności ze stworzeniem wynikają z tego, że ludzka ręka składa się z 18 członów oraz 17 połączeń ruchomych, posiada 22 stopnie swobody i 23 stopnie ruchliwości. Od dawnej protezy stanowiącej jedynie wypełnienie pustego rękawa, rozwój techniki w medycynie XX wieku doprowadził do zaprojektowania pomysłowych i precyzyjnych konstrukcji, łatwych w stosowaniu oraz umożliwiających wykonywanie podstawowych czynności. Dopiero w ostatnich 35 latach powstały w pełni funkcjonalne sztuczne ręce z napędem elektrycznym, pneumatycznym lub hydraulicznym.

W artykule przedstawiono wymagania stawiane protezą kończyn górnych, rodzaje protez kończyn górnych, sposoby ich sterowania oraz użycie sztucznych mięśni w konstrukcji protez.

Elementy anatomii

Z tułowiem połączona jest obręczą kończyny górnej (barkową). Składa się z trzech odcinków połączonych ze sobą stawami: odcinka bliższego - ramienia, odcinka środkowego - przedramienia i odcinka dalszego - ręki. W kończynach górnych wyróżnia się: okolicę obręczy barkowej, dół pachowy, ramię, dół łokciowy, przedramię i rękę. Składa się z kości ramieniowej, przedramieniowej, łokciowej, promieniowej, nadgarstka, śródręcza i palców. U naczelnych ręka posiada stronę grzbietową i dłoń. Skóra dłoni jest nieowłosiona i występują w niej listewki papilarne o swoistym dla danego osobnika przebiegu (kształcie). W ręce wyróżnia się nadgarstek, śródręcze i palce, przy czym I palec (kciuk) jest przeciwstawny pozostałym.

Wymagania stawiane protezom kończyn górnych

a) Konstrukcja sztucznej ręki powinna być dopasowana do ciężaru i wymiarów naturalnej ręki.

b) Powinna być łatwo sterowalna, przy małym zużyciu baterii.

c) Nie może emitować nadmiernego hałasu.

d) System sterowania protezy musi umożliwiać chwytanie dowolnego przedmiotu z dużą dokładnością, dynamiką i odpowiednią siłą w sposób zsynchronizowany przez niezależny ruch palców i kciuka.

Rodzaje protez kończyn górnych

W zależności od wysokości amputacji wyróżnia się:

a) Protezy ręki i poszczególnych palców.

b) Protezy przedramienia.

c) Przy wyłuszczeniu w stawie łokciowym.

d) Protezy ramienia ze stawem łokciowym.

e) Przy wyłuszczeniu w stawie barkowym.

Sposoby sterowania protezami kończyn górnych

Sterowanie protezami można podzielić na czynne oraz bierne. To drugie stosowane jest zazwyczaj u małych dzieci lub ludzi starszych niemogących wykorzystywać zawieszenia sterującego. Poruszanie ręki jest uzyskiwane dzięki pomocy drugiej zdrowej kończyny. Ten typ sterowania wykorzystuje się głównie w celu maskowania kalectwa.

Sterowanie czynne obejmuje następujące metody:

Proteza kończyny górnej BMDS

1) Sterowanie siłą mięśni. Zakres ruchów w obrębie barków oraz stawu barkowo-ramiennego przenoszony jest dzięki lince sterującej, która jednym końcem przyczepiona jest do pętli szelkowej, drugim natomiast do protezowanej ręki. W obrębie stawu łokciowego linka nie zmienia swojego położenia względem stawu, gdyż znajduje się w osłonce.

2) Sterowanie mechaniczne grupą mięśni. Polega na umieszczeniu w poprzecznym tunelu brzuśca mięśnia pręta metalowego lub wykonanego z kości słoniowej. Skurcz mięśnia powoduje przesunięcie pręta, linki umożliwiają zamknięcie zastosowanej końcówki chwytnej. Sposób ten wymaga starannego pielęgnowania. Jego dużą wadą, sprawiającą, że przestaje być stosowany, jest częste występowanie przewlekłych zapaleń oraz zarastanie tunelu. Zaletą tego rozwiązania jest dobra kontrola siły chwytu.

3) Sterowanie elektromechaniczne, w którym ruch palców zasilany jest za pomocą baterii. Naturalny ruch obręczy barkowej jest przenoszony na protezę oraz dźwignię mikro wyłącznika otwierania i zamykania dopływu prądu przy użyciu linki

4) Sterowanie bioelektryczne. Odbywa się ono poprzez mioelektryczne sygnały, powstające w mięśniach w miejscu przerwania ręki. Jest jednym z najpowszechniej stosowanych rodzajów sterowań. Wbudowane w protezę elektrody wychwytują sygnały z aktonów mięśniowych z powierzchni skóry. Sygnały są następnie przetwarzane na sterowanie protezą ręki, są proporcjonalne do mechanicznych zmian naprężeń włókna mięśniowego.

5) W ostatnich latach prowadzone są intensywne badania nad sterowaniem za pomocą fal mózgowych. Coraz częściej stosuje się sieci neuronowe oraz najnowsze rozwiązania wymiany danych. Informacje odbierane z układu nerwowego przekazywane są do układu sterującego, który interpretuje i wysyła dalej do protezy.

Liczne sensory pobudzające określone ośrodki nerwowe, działające na zasadzie sprzężenia zwrotnego umożliwiają odczuwanie kształtu, faktury oraz twardości dotykanych protezą przedmiotów.

Zastosowanie sztucznych mięśni w konstrukcji protez.

Proteza kończyny górnejTradycyjne napędy elektryczne, pneumatyczne i hydrauliczne wypierane są przez sztuczne mięśnie, które umożliwiają zmniejszenie ciężaru i wymiarów protezy oraz zminimalizowanie energii potrzebnej do ich poruszania i sterowania. Wykonuje się je z biomateriałów pobudzanych elektrycznie, chemicznie, termicznie, magnetycznie, optycznie, pneumatycznie oraz hydraulicznie. W zależności od zastosowanego materiału wyróżnia się:

1) Sztuczne mięśnie zbudowane z nanorurek ? wzdłuż węglowych nanorurek wypełnionych elektrolitem ułożone są krążki z 14 ? atomowego węgla. W ten sposób z milionów nanorurek można wytworzyć włókna mięśniowe o dowolnej długości o strukturze przypominającej naturalny mięsień. Po doprowadzeniu prądu następuję skurcz lub wydłużenie się mięśnia. Ostatnie odkrycia związane z tego typu sztucznymi mięśniami mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w protezach kończyn, ale również w robotach przeznaczonych do pracy w ekstremalnie trudnych warunkach. Włókna charakteryzujące się niezwykłą lekkością powstały ze skręconych nanorurek węglowych. Pod wpływem prądu elektrycznego rozszerzają się o 220% w czasie nie przekraczającym kliku milisekund. Zachowują swoje właściwości w bardzo szerokim zakresie temperatur ( -196 st. C do 1538 st. C)

2) Sztuczne biomięśnie ? zbudowane są z kurczliwego polimeru wykonanego najczęściej z włókna poliakrylonitrylu (PAN). Kurczą się one o 20% w czasie 20 ms, co jest wartością zbliżoną do prawdziwych ludzkich mięśni. Siła jednostkowa mięśnia jest jednak dwa razy większa niż w przypadku mięśnia naturalnego.

3) Sztuczne biomięśnie polimerowo ? żelowe. Element kurczliwy zastosowany w tym rozwiązaniu wykonany jest z włókna polimerowego wypełnionego płynem żelowym, który jest wrażliwy na zmianę pH. Kurczliwość włókna zależy od zmiany wartości tego parametru, co sprawia, że regulując pH można sterować pracą mięśnia.

4) Sztuczne biomięśnie zbudowane z kompozytów polimerowo-metalowych IPMC. Wykazują zdolność odkształcenia, są lekkie, elastyczne, sterowane prądem o małym napięciu oraz mają zdolność tłumienia drgań.

5) Sztuczne mięśnie wykorzystujące efekt piezoelektryczny. Element piezoelektryczny, do którego doprowadzono energię odkształca się i w połączeniu z ruchomym modułem tworzy mikronapęd.

6) Sztuczne mięśnie płynowe wypełnione cieczą ? mięśnie hydrauliczne lub gazem ? mięśnie pneumatyczne. Wykonuje się je z elastycznej przepony w kształcie rurki lub balonu z lateksu, gumy lub silikonu.

Efektywne wykorzystanie mięśni w węzłach kinematycznych jest możliwe przez zastosowanie dwóch mięśni działających przeciwstawnie. W konstrukcjach protez często stosuje się system BMDS (Bi-Muscular Driving System). Częstotliwość pracy takiego układu napędowego wynosi ok 5Hz przy dokładności regulacji położenia 1%. Kąt obrotu węzła kinematycznego zależy od stosunku ciśnień panujących w obu antagonistycznych mięśniach.

]]>
jjarekk@gmail.com (Jarosław Kardynia) Biomechanika Mon, 15 Feb 2010 23:21:10 +0000