Signals from skin mechanoreceptors used in control of a hand grasp neuroprosthesis

אותות מקולטנים מכניים של העור משמשים כדי לשלוט בפרוטזות נוירולוגיות של ידיים

Andreas Inmann, Morten Haugland, Jens Haase,Fin Biering-Sùrensen and Thomas Sinkjaer

השתמשנו אותות מקולטנים מכניים שעובדים על בסיס מישוש בעור של האצבע המורה, ורשמנו את התוצאות בתיעוד על בסיס אלקטרודה של השרוול המושתל במטופל, כדי לשלוט במתכוון ובצורה אוטומטית ביכולת של המטופל לתפוס דברים עם הפרוטזה. אירועים ארעיים בתיעוד העצבי, הקשורים לתנודות מכניות בעור, שימשו לגירוי של שרירי יד ללא כל ידע מוקדם על כוח השריר ועל התכונות של האובייקט המוחזק. נעשה שימוש במשימת אכילה מדומה כדי להעריך את אחיזת היד לאדם הלוקה בשיתוק עצבי. בעת השימוש, בעזרת חיישנים טבעיים, כוח האחיזה הממוצע יכול להיות מופחת באמצעות גירוי מכני, בהשוואה לגירוי ללא משוב. צמצום כוח האחיזה הוא גורם מרכזי להפחתת עייפות שרירים, המאפשר שימוש ממושך במצב של שיתוק עצבי.  , NeuroReport מאת 2817 ± 2820 & 2001 Lippincott Williams & Wilkins.

מילות מפתח: בקרת לולאה סגורה; אלקטרודת שרוול; גירוי חשמלי; משוב; אות עצב

הקדמה

פגיעה בעמוד השדרה באזור של חיבור עם הראש גורמת לאובדן הפונקציות החושיות והמנועיות בגפיים התחתונות והעליונות. כדי לשחזר פונקציית יד בסיסית ו לאפשר אנשים עם שיתוק לתפוס ולתפעל אובייקטים, יד פרוטזה עובד במבוסס על גירוי חשמלי פונקציונלי (FES). מדובר ביכולת של הפרוטזה לשלוט באחיזה ללא משוב חשמלי, וללא קשר למיקום בתוך הפרוטזה או כוח אחיזה (מערכות לולאה פתוחות). בשל חוסר תחושה ביד, משתמש בפרוטזה זו עקב שיתוק, חייב להסתמך על ניסיון וחיזוי כדי לאמוד את הכוח שנדרש לו כדי לתפוס חפצים. עליו להעריך את הפרטים אודות האובייקט כמו משקל, שבירות, מרקם פני השטח. רצוי לשקול בעת התאמת כוח אחיזה. בנוסף, אובייקט עשוי לשמש כלי במהלך משימות פונקציונליות, ואז נדרש כוח ההבנה לגבי השינוי באחיזות לאורך השימוש. הגירוי האינטנסיבי לייצר כוח אחיזה מסוים חייב להיות גם מגוון, כדי לנטרל עייפות שרירים. כתוצאה מכך, אנשים עם שיתוק עצבי, נוטים להפעיל כוח גדול יותר מאשר בפועל עשוי להיות נדרש עבור פעולה מסוג זה. אצל אנשים עם יכולות גופניות תקינות, מכניזמים מישושיים על העור יכולים להעביר את המידע המפורט במהירות. למשל, שינויים כוח מגע, מתיחת העור ופוטנציאל החלקה. במהלך הפעולה, אנשים עם יכולות תקינות אוחזים רק במעט ממקסימום היכולות שלהם. אם כוח אחיזה אינו מספיק ומתחילה החלקה, מידות קטנות של תנודות חשמליות מסייעות לאזן את המצב. למעשה בתוך 80 מילישניות מתקבל האות המתקן את מצב ההחלקה. זוהי תגובה אוטומטית שאינה תלויה בניתוח של האדם המדובר.

באנשים עם שיתוק או ירידה בתפקוד דפוסי הפעילות של המישוש והתנודות העוריות לא מושפעות מאותות אלו. אנשים לא מרגישים את התנודות והן לא עוברות למוח. בניסויים בעבר, אפשר היה לראות שפעילות עצבית מספקת אשר נמדדת על ידי קולטנים מכניים בעור של האצבע המורה, יכולה להירשם גם אצל מושתל עצמות בעמוד השדרה. אות העצבים המוקלט מכיל מידע שיכול לשמש כדי לזהות את הופעת החלקת אובייקט ולשלוח אותות אל האגודל, ובאמצעות השרירים שבוחנים משקל ומרקם האובייקט, יכולים למנוע נפילה. כאן, אנו מדגימים כי אותות עצביים מיושמים באירוע של החלקה מדומה, יכול לספק מידע אמין אודות האותות הנדרשים לפרוטזה כדי לגרום ליד לאחוז באובייקט. את העיקרון הזה החלנו גם במנוע שמסייע לאנשים עם בעיות אלו לאכול בעצמם. זוהי משימה לא קלה, ובדרך כלל הפגיעה בעמוד השדרה לא מאפשרת פעולה זו בקלות. בדרך כלל אדם אחר היה צריך לסייע לאותו לוקה.

חומרים ושיטות

מתנדב משותק בן 28 מתנדב עם חוליה C5 בעמוד השדרה שלו פגומה, והשתלה של אלקטרודה לצד מגרה שרירים מסחרי עם 8-10 ערוצים תוצרת FreehandTM בארה”ב. שני מגרי עור מכניים הושתלו בידו השמאלית. כמובן שהכול בהסכמה. איור 1 מציג  את החלקים המושתלים ואת רכיביה ההידרוסטזה החיצונית על היד. האלקטרודה משמשת להקליט פעילות מכנית של המוח בהקשר לעורף, והשתל הונח על התפצלות של העצב הדיגיטלי משולש הקצוות כדי לקלוט את התנודות באצבע המורה. האלקטרודה היא בקוטר של 2 ס”מ עם קוטר פנימי של 2.6 מ”מ. הקוטר הפנימי היה 30% יותר מאשר של העצב בזמן ההשתלה. חוטי ההובלה של האלקטרודה נותבו תת עורית לאתר יציאה בזרוע השמאלית. אותות העצבים נרשמו מן האלקטרודה שעיבדה אותם, והקליטה את השיאים הנקיים. המידע הוזן לתוך יחידת הבקרה החיצונית שנבנתה בהתאמה אישית למערכת גירוי שרירים. השרירים גורו ב 20 הרץ, רוחב הדופק שימש כדי לשלוט על עוצמת הגירוי. כדי לשלוט בשרירים חקרו ובדקו באמצעות פקודה אחת: אות, תבנית עבור אחיזה לרוחב אשר בדרך כלל נוצר באמצעות שישה שרירים שונים הממוקמים ביד ובזרוע. אות הפקודה נע בין אפס (יד פתוחה לגמרי) עד 100 (יד סגורה לחלוטין). רוחב הדופק עבור כל אחד מהשרירים נקבע באמצעות אות הפקודה האלקטרוני, שהפך להיות אות מכני, שהמריץ את המושתל להגיב. התדר המכני הינו תדר רדיו, שסיפק כוח גם למעגלים המושתלים האחרים. אותו משותק שולט על התנועה באמצעות שני לחצנים, על גבי הראש של כיסא הגלגלים. לחצן אחד שימש את פריסת הרמפה של כיסא הגלגלים, והשני לסגור אותה. בעצם, פקודה זו דומה מאד לסיוע בבעיית האכילה, בדומה לשימוש בפרוטזה פתוחה וסגורה על בסיס FES, בקרה של לולאה סגורה.

משימת אכילה אצל משותקים מבוססת טכנולוגיית FEC במעגל סגור, במצב של משוב חושי, ובמצד של מעגל פתוח / לולאה פתוחה ללא משוב חושי, היא משימה לא פשוטה. לדוגמה, כשהחזיק המשתתף בניסוי מזלג, באמצעות אחיזה צדדית, הדבר הקשה על מדידת התנודות העוריות והשרירים. הוא התבקש להרים שלושה פנקייקים באמצעות המזלג, 5 גרם לאחד בקוטר 3 ס”מ, ולהכניס אותם לפיו. המשתתף הרים את הפנקייקים והניח אותם על הצלחת, ואז ניסה לדקור אותם במזלג שלוש פעמים, כל פעם עם עשר שניות הפסקה בין ניסיון אחד לבא אחריו. הוא הניח את היד על השולחן, וניסה שוב ושוב. הוא ניסה גם במעגל סגור וגם בלולאה פתוחה. הכוח החשמלי שהופעל הבטיח שהמזלג לא ייפול בעת הניסיון.

תוצאות

מרגע ההשתלה, האלקטרודה העבירה אותות עצביים יציבים. ברשותנו מדידות מעת לעת באמצעותה, והן מעבירות בעקביות ערכים של 1.5 kHD עבור כל אחת מהאלקטרודות האחרונות ו 2.0 kα עבור האלקטרודה במרכז. ההעצב נבדק באופן קבוע עם נוירופיזיולוגיה סטנדרטית התוצאות אכן הראו חוסר בשינוי במהירות ההולכה העצבית או פוטנציאל הפעולה המורכבת. איור 2 מציג את האות העצבי המוקלט והמעובד, את אות הפיקוד של הנוירו-פרוטזה, ואת האחיזה בכוח את המזלג במהלך פעילות אכילה מדומה שבה נעשה שימוש בגירוי מכני של העור, בלולאה פתוחה או מעגל סגור. כדי להרים את המזלג, המשתתף הפך היה צריך לגרום למערכת לפתוח ולסגור את היד. אחר-כך הוא הניח את המזלג, והאות היה צריך לגדול למקסימום, באמצעות החיישנים המותקנים על כיסא הגלגלים. לאחר שלב ההצלחה, המערכת עשתה שימוש באות העצבים המעובד לרגולציה אוטומטית של עוצמות גירוי של שרירי יד, כל אלו מעורבים בצורה משמעותית באחיזה. כוח אחיזה נאות נשמר לזמן רב ללא צורך למשתתף להמשיך אינטראקציה עם המערכת. כאשר המערכת זיהתה אירוע של כמעט החלקה באמצעות אותות מכניים עוריים מעובדים, עם אותות חריגים כשהפקודה גדלה למקסימום ולכן תדר הגירוי הוכפל. זה גרם למשתתף להגדיל את כוח אחיזה, ולהחזיק חזק יותר. לאחר תגובה ראשונית זו, אות הפקודה שנקבע היה גבוה יותר, הרבה יותר מאשר מאירועים אחרים, באופן ליניארי על אות עצב המעובד בזמן של זיהוי. ברגעים בהם לא היה אות מזוהה, התגובה ירדה באופן אוטומטי. במהלך ההפסקות, כאשר המשתתף הניח את ידו על השולחן לנוח, אות הפיקוד של המערכת הופחת אוטומטית לרמת המינימום המינימלית. שם, המזלג הוחזק באחיזה עם מינימום גירוי שרירים. במצב של יד פתוחה, לולאה פתוחה, הכוח לתפוס 5.48 0.74N (ממוצע s.d) ובמהלך ההפסקות 5.69 0.49 N. במצב בקרה מעגל סגור, כוח האחיזה הוגדר אוטומטית, וכתוצאה מכך נוצר צמצום לתפוס בכוח במהלך שלבי אכילה ל 4.52-0.63N ובהפסקה, 2.21- 0.43 N . במעגל סגור הכוח היה מופחת בכ -18% לעומת לולאה פתוחה. בעת ההפסקות הפער עמד על 61%. לא מצאנו הבדל בזמן שנדרש לבצע את משימת האכילה המדומה כאשר משווים מעגל סגור ולולאה פתוחה.

איור 2 מראה את המדד של התנודות התת עוריות המכניות בעבור מערכת שליטה של מעגל סגור, בניסיון לתפוס אובייקט עם פרוטזה. הדמיה של אכילה. אזורים כהים מצביעים על אכילה בשלבים עם אינטרוולים של 10 שניות. ניסיון לתפוס את המזלג, ושחרורו לבסוף. בנוסף, שימוש בכפתורים על כסא הגלגלים. אות העצב המעובד, שמקורם בגירוי מכני וסף זיהוי עצבי. אות הפקודה של כוח 100 הוא גירוי מקסימלי, והוא נפרס מאפס עד מאה. הממוצע הוא 65 כמינימום כח שמאפשר אחיזה. לחצן 1 מפעיל את הכוח ולחצן 2 משחרר אותו.

דיון

מחקר זה הוא הראשון לחקור את השימוש הפונקציונלי של הפעילות העצבית הטבעית ביד האנושית, כאפשרית ליישום אצל מושתל עצבי. השימוש באלקטרודות העצבים כבר דובר רבות, כמוהם גם חיישני האזיקים, כמשהו שיכול להזיק. יחד עם זאת, כאשר נוקטים באמצעי זהירות מתאימים, ניתן לבנות היטב ממשק קבוע אל העצב מבלי לגרום לנזק כלל. עד היום, האלקטרודה הניבה הרבה נתונים מהימנים וניתנים לשחזור במשך 4 שנים ללא כל סימנים של ביצועים בעייתיים או מסוכנים. כפי שהוכח בפרסום הקודם שלנו כקבוצה, כוח האגודל ניתן לשליטה באופן אוטומטי במערכת FES, וזה מאפשר ליד לתפוס בצורה משמעותית אובייקטים חיצוניים ולהחיל עליהם את כוח המשיכה. המערכת עושה זאת בצורה טבעית, וללא כל מידע אודות כוח שרירים וכוחות יישומיים. במאמר זה, אנו מראים כי אותה תוכנית שליטה יכולה להחיל על הפרוטזה שימושיות תפקודית, כלומר במקרה הנוכחי, אכילה. משימת האכילה נבחרה על מנת להעריך את הנוירו-פרוטזה משתי סיבות. ראשית, אכילה היא אחת החשובות ביותר בחיי האדם. שנית, המשימה דורשת שילוב של תקופות פעילות ומנוחה. מכיוון שמשך הזמן הכולל של הארוחה עשוי להיות ארוך, תקופות מנוחה הם חלק משמעותי בארוחה שבה המשתתף ירצה גם לעסוק בפעילות חברתית ולא רק מעשית. גם כתיבה יכולה להיות משימה דומה. באמצעות משוב חושי טבעי,  הכוח הנדרש לקיום המשימה במלואה הועלה והופחת, ביחס לרצון המשתתף לעסוק בפן המכני לעומת החברתי. רק לשמור על המזלג ביד בלי שיפול. לכן יש הבדל בכוח של מעגל סגול ולולאה פתוחה. הפחתת הכוח הממוצע הנדרש נחשב גורם מרכזי כדי להפחית את הצורך בשימוש בשריר, והוריד את רמת העייפות, וגם את יכולת המשתתפים לתפקד לטווח ארוך.

סיכום

מידע חושי שמגיע בצורה מכנית מהעור משפיע בצורה חשובה מאד על חוש המישוש האנושי, והוא שולט ביכולת האחיזה של בני האדם בעלי יכולת. במאמר זה ובניסויים אלו, השתמשנו בחושים הטבעיים כמונעים על ידי אותות ממכשירי הטכנולוגיה על גבי העור, באמצעות אלקטרודה מושתלת, וגירוי אשר גרם לעצב משותק לעבוד עקב גירוי חשמלי חיצוני. יתר על כן, הראינו כי שליטה אוטומטית מאפשרת להסב את החשמל החיצוני לגירוי פנימי טבעי, ושיפרה את הביצועים של הפרוטזה. אלקטרודת האזיק מספקת אות שהוא משמעותית גדול יותר מכל אופציה אחרת. המידע המתקבל הוא גולמי, אך עם זאת, מדובר בסוג של ממשק עצב שהוכיח יציבות לאורך זמן. המחקר שלנו מראה כי זה אכן אפשרי להשתמש חיישנים טבעיים כדי לשפר את ביצועי הפרוטזה. זה דומה מאד לתוצאות המשופרות בניסויים בתחומים נוירולוגיים אחרים, כמו למשל, גרירת רגליים בגלל שיתוק חציוני, שיתוק מלא או בעיות שלפוחית השתן.