BIOMEHATRONIKA_seminarski_-Bioelektricitet

8/12/2019 BIOMEHATRONIKA_seminarski_-Bioelektricitet

1/20

1

UNIVERZITET U TUZLI

MAINSKI FAKULTET

MEHATRONIKA

Biomehatronika

SEMINARSKI RAD

Tema:Bioelektricitet

Student: Predmetni profesor:

Berbi Nihad Dr.sc Viktor Bariak, van.prof

Boji Almin


2/20

2

SADRAJ:

1. Uvod.................................................................................................42. Struktura nervnog sistema...............................................................53. Funkcionalna dijagnostika..7

3.1Elektrografija.73.1.1 Elektrini signali miida....73.1.2 Elektrini signali srca..93.1.3 Elektrini signali mozga..12

3.2Elektrino registrovanje neelektrinih parametara..124. Neuralne mree i upravljanje robotima...13

4.1Upravljanje robotskom rukom preko el. signala miida...144.1.1 TMR tehnologija( targeted muscle reinnervation)............................... 16

4.2Upravljanje robotskom rukom preko el. signala mozga.175. Zakljuak ...20


3/20

3

POPIS SLIKA:

Slika 1. Graa neurona. 5

Slika 2. Elektrini signali miia.7Slika 3. Mjerenje elektrinog impulsa.8

Slika 4. Mjerenje elektrine aktivnosti miia.....8

Slika 5. Metod za mjerenje brzine provoenja motorne jedinice.9Slika 6. Graa srca...9

Slika 7. Kontrakcija sranog miia...10

Slika 8. Ekvipotencijalna povrina .10

Slika 9. Srce kao dinamiki dipole .....11Slika 10. Elektrokardiogram....11

Slika 11. Raspored elektroda ..12

Slika 12.Prikaz upravljanja mehatronike ruke ..13

Slika 13. Protetika robotska aka..14Slika 14. Senzor kod TMR tehnologije ......15

Slika 15. FINE electrode 15Slika 16. TMR tehnologija .16Slika 17. Mikroelektrina proteza...18

Slika 18. Robotska ruka koju pokrecu signali iz mozga .18


4/20

4

1. UvodBiomehatronika je multidisciplinarni pristup studiranja biologije (ukljuivo i hemije), biomehanike i

elektronike. Biomehatronika se usreotouje na povezivanje meujelovanja biolokih organa (ukljuivoi mozak) s elektromehanikim ureajima i sistemima. Primjerice prouavanje koorinacije pokreta

ukljuuje funkcioniranje miida kroz istraivanje o tome kako su oni upravljani putem ivanog sistema. S

ruge pak strane umjetni upravljaki elektromehaniki sistem naomjeta izgubljenu funkciju

henikepirane osobe, koji jeluje paralelno s otedenim fiziolokim upravljakim sistemom. Prvi pisani

poaci o ''Biomehanici'' vezani su za Grke. Na primjer, Aristotel se zanima traenjem veza izmeu fizike i

ivota. Uz ovo treba istadi a je za Aristotela, fizika bila opdenit opis svega u priroi, pa su zato svi

njegovi raovi proeti utjecajem biolokih pokusa i pojava.

Bioelektrini procesi igraju vanu ulogu u meicini.Prouavanje bioelektrinih i biomagnetnih pojavau ivoj materiji, posebno u ljuskom organizmu, o izuzetne je vanosti zarazumevanje funkcionisanjaorganizma. U osnovi, postoje dva aspekta izuavanja elektriciteta i magnetizma u meicini:

elektrini i magnetni efekti generisani u ljuskom organizmu(biostruje, biopotencijali, biomagnetna polja),

primena elektriciteta i magnetizma na ljudski organizam u cilju dijagnostike ili terapije.

Svaka funkcija ljudskog organizma ili njegovih delova pradena je ogovarajudom promenomrasporeda naelektrisanja. Ta promena se moe prostirati kroz nervni sistem u viu elektrinog signala. Ucilju obavljanja velikog broja funkcija organizma, mnogobrojni elektrini signali se neprekino generiu itransportuju kroz nervni sistem. Selektivnim merenjem parametara specifinog signala, bez unoenjabilo kakvog poremedaja u normalnofunkcionisanje organizma, moemo obiti korisne ijagnostike

informacije o pojedinim funkcijama.

Ljuski organizam takoe moe (namerno ili ne) biti izloen ejstvu spoljnog elektrinog ilimagnetnog polja ili se kroz njega moe proputati elektrina struja. Prouavanje i registrovanjeodgovora organizma, kao sreine specifinih provonih karakteristika, na ejstvo elektrine struje iuticaj elektrinog I magnetnog polja moe se uspeno upotrebiti u ijagnostici i terapiji.Velikim brojemnavedenih aspekata, koji su vezani za elektricitet i ljudski organizam, bavi se i medicinska elektronika.


5/20

5

2. Struktura nervnog sistemaNervni sistem igra fundamentalnu ulogu u skoro svim funkcijama organizma. Mozak kao centralni

kompjuter prima unutarnje i spoljne signale i alje odgovore. Informacije se u oba smjera prostiru u viduelektrinih signala u nerava. Ovaj efikasni komunikacioni sistem je u stanju da velikom brzinomupravlja sa viemiliona informacija istovremeno. U morfolokom smislu nervni sistem se dijeli na dvaosnovna dijela: centralni nervni sistem i periferni nervni sistem. Centralninervni sistem (CNS) ine mozaki kimena modina, koja se nalazi u kimenom kanalu. Periferni nervni sistem (PNS) se sastoji odmoanih nerava i kimenih nerava.

Osnovna strukturna jedinica nervnog sistema je neuron, nervna delija specijalizovana za prijem,interpretaciju i prenos elektrinih poruka. Maa ima vietipova, neuron se u osnovi sastoji od tijela(some, perikariona), koje prima elektrineporuke od drugih neurona preko sinapsa lociranih na njemu ilinjegovim dendritima i aksona, nervnog vlakna (moe biti ugako i o 1 m) koje prenosi elektrinesignale rugim neuronima, miidnimvlaknima ili lijezdama. Akson se pri kraju dijeli na grane, na ijemse kraju nalaze nervni zavreci u obliku ploica.

Slika 1. Graa neurona

Akson moe, u principu, a prenosi elektrine signale u oba smijera. Meutim, signal se popravilu prenosi od tijela ka sinapsama. Sinapse, sa svoje strane, dozvoljavaju transport signala samo u

smijeru od sopstvenog neurona ka rugom neuronu. Akson je obinoobavijen mijelinom, materijalomkoji ima osobine izolatora. Mijelinizovana nervna vlakna malog ijametra (oko 10 m),kakva su najedeko ovjeka, omogudujuveliku brzinu prostranja signala od oko 100 m/s.


6/20

6

Osim toga, s obzirom na mali dijametar, veliki broj ovakvih vlakana (oko 10.000) moe biti upakovan usveanj(nerv) poprenog presjeka od svega 1 2 mm2. Na taj nain se na malom prostoruobezbjeujeveliki broj kanala za simultano provoenje elektrinih signala.Na rastojanju od po nekoliko milimetra nalaze se Ranvijeovi vorovi, gdje dolazi do prekidanja

mijelinskog izolatora. Signal koji je stigao u Ranvijeov vor oslabljen je usljed otpora aksona. Zato ovajvor djeluje kao pojaava zarestauraciju elektrinog signala na njegovuprvobitnu veliinu i oblik. Na tajnain, bez obzira na uinu puta koji pree, informacija koju nosi signal stie na kraj nervnog stablapraktino nepromijenjena.


7/20

7

3. Funkcionalna dijagnostikaFunkcionalna dijagnostika je dio Medicinske elektronike, koji se bavi elektrinim registrovanjem i

analizom oreenihparametara u cilju dobijanja podataka o funkcionisanju pojedinih organa i dijelovaorganizma. Funkcionalna dijagnostika se dijeli na tri oblasti:

Elektrografija - elektrino registrovanje biostruja i biopotencijalau ljudskom organizmu, Elektrino registrovanje neelektrinih parametara vanih zafunkcionisanje ljudskog organizma Endometrija i radio(tele)metrija, koja se bavi registrovanjem parametara u upljinama ljudskogorganizma, direktno ili na daljinu

3.1ElektrografijaBiopotencijali se, kako smo vieli, javljaju u delijama, tkivima i organima kao rezultat ivotnih

funkcija (membranski potencijal). Promjene ovih veliina se manifestuju kao kratkotrajni impulsi stalnogili promenljivog znaka i nazivaju se akcioni potencijali ili potencijali ejstva. Potencijali pojeinih delija sesabiraju i formiraju zajeniku potencijalsku razliku, koja se moe mjeriti izmeu pojeinih taakaorgana ili tkiva. Registrovanje vremenskih promena ovih potencijala i njihova analiza daju vrijedne

poatke o funkcionisanju pojeinih organa ili tkiva (miida).Na ovaj nain se mogu registrovati promenebiopotencijala miida (elektromiografija - EMG), srca (elektrokardiografija - EKG) i mozga(elektroencefalografija - EEG), mrenjae ili retine (elektroretinografija -ERG), pomjeranja oka(elektrookulografija - EOG).

3.1.1 Elektrini signali miidaJean o naina a se obiju ijagnostike informacije o funkcionisanju miida je mjerenje

njegove elektrine aktivnosti.Akcioni potencijal, prilikom svoje transmisije sa aksona na miidna vlakna,izaziva miidnu kontrakciju. Snimak promene potencijalamiida u toku kontrakcije i relaksacije naziva se

elektromiogram, ili EMG.Miid se sastoji ovelikog broja miidnihvlakana. Zavisno od vrste miida, oreen broj vlakana (od 25do 2000) povezan je preko jednog nerva sa mozgom ili kimenom moinom, formirajudi motornujedinicu prikazanu na slici. Svako vlakno je u kontaktu sa jednom granom nerva preko nervnog zavretkau obliku ploice (tzv.motorika ploica).

Slika 2. Elektrini signali miia


8/20

8

Snimanje akcionog potencijala jenog miidnogvlakna prikazano je na slici. Referentna elektroda je uobliku metalne ploice, ok se za drugu elektrodu koristi mikroelektroda. U praksi se rijetko snimaakcioni potencijaljenog miidnog vlakna.Obino se registruje elektrinaaktivnost velikog broja vlakanaistovremeno, kada je i druga elektroda u obliku metalne ploice.

Slika 3. Mjerenje elektrinog impulsa

Na slici je prikazano mjerenje elektrine aktivnosti miida noge pri hoanju. Pozitivna (crvena) inegativna (bijela) elektroda postavljene su na miid, ok crna elektroaslui za uzemljenje. Plavizapis jeapsolutni EMG miida, ok crnizapis predstavlja EMG u integralnom obliku.

Slika 4. Mjerenje elektrine aktivnosti miia

Pomodu EMG obijenogelektrinom stimulacijom moese odrediti brzina prostiranja akcionogpotencijala. Metod za mjerenje brzine provoenja motorne jedinice prikazan je na slici. Mjerenje semoe izvriti na polaktu tako to se istovremeno i sa istim intenzitetom stimuliu vije take naoreenom rastojanjux.Impulsi nastali istovremeno putem stimulacija 1 i 2 registruju se na malom prstu pomodu elektroa.Latentni period t1 za registrovanje impulsa nastalog stimulacijom 1 je ui o latentnog perioa t2 zaregistrovanje impulsa nastalog stimulacijom 2, jer prvi impuls prelazi ui put. Vrijeme njegovogputovanja izmeu mjesta stimulacije 1 i stimulacije 2 iznosit = t1 - t2. Brzina prostiranja impulsa de bitiv = x/t.


9/20

9

Slika 5. Metod za mjerenje brzine provoenja motorne jedinice

Primer: Pretpostavimo da je rastojanje izmeu taaka u kojima se vri stimulacijax = 25 cm. Vrijeme odstimulacije 1 do registrovanja impulsa iznosi t1 = 8 ms, dok je t2 = 4 ms. Kolika je brzina prostiranja

impulsa? V = x/t = x/(t1 -t2) = 62,5 m/s. Tipine vrijednosti brzine prostiranja impulsa (akcionog

potencijala) za normalno stanje nervnog vlakna su (40 - 60) m/s. Ako brzina padne na vrijednost ispod 10m/s, smatra se da je nervno vlakno ozbiljno otedeno.

3.1.2 Elektrini signali srcaSrce se moe posmatrati kao vostruka pumpa. Sastoji se o etiri komore, lijevog i desnog

atrijuma i lijevog i desnog ventrikula. Desni atrijum prima krv iz tela kroz gornju upljuvenu, kontrahujese i pumpa krv u desni ventrikul. Kontrakcijom desnog ventrikula pumpa se krv u pludni krvotok. Upludima se krv oksigenizuje, a zatim vrada u lijevi atrijum. Kontrakcija lijevog atrijuma potiskuje krv ulijevi 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 oakle se vrada u desni atrijum.

Slika 6. Graa srca

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

ventrikula. Ritmika aktivnost srca inicirana je i kontrolisana elektrinim signalom, koji se generie uspecijalizovanim miidnim delijama. Ove delije formirajusinoatrijski (SA) vor, koji predstavlja prirodnipejsmejker. U SA voru se generie akcioni potencijal (oko 72 puta u minuti) i prostire u cijelogsranog miida po tano efinisanomputu, izazivajudi epolarizaciju miidnih delija.


10/20

10

Depolarizacioni talas putuje kroz miidno tkivoatrijuma brzinom priblino 1 m/s I izaziva simultanukontrakciju lijevog i desnog atrijuma i pumpanje krvi u ventrikule. Iza toga nastaje repolarizacija i

relaksacija miida atrijuma.Depolarizacioni talas stie o ijela koji odvaja atrijume od ventrikula. Taj diosainjavauglavnom fibrozno vezivno tkivo, koje nije provodno.

Slika 7. Kontrakcija sranog miia

Jedina provodna struktura je atrioventrikulski (AV) vor. Kaa elektrini signal stigne oatrioventrikulskog vora, on inicira alje prostiranje epolarizacionog talasa u provodnih vlakana(Hisovog snopa) i izaziva kontrakciju levog i esnog ventrikula pradenu pumpanjem krvi u sistemski,odnosno pulmonalni krvotok. Nakon toga dolazi do relaksacije miida ventrikula i njihove, a zatimpoinje novi ciklus.Oigleno je a su elektrina aktivnost srca i njegovo mehaniko kretanje usko povezani.Naime, svakimiid srca moe a se kontrahujejeino po ejstvom elektrine struje koja kroznjega protie. To znaia pradenjem i registrovanjem vremenske promene potencijala mogu dobiti dragocjeni podaci omehanikomfunkcionisanju srca.

Elektrini dipol je svako tijelo koje na krajevima ima -q i +q naelektrisanja iste apsolutne vrednosti.Moment dipola je vektor ql (q - apsolutna vrednost naelektrisanja, l - uina ipola). Uelektrinom poljuoko ipola svaka taka ima oreenu vrijenost potencijala. Povrine, na kojima su vrijednostipotencijala u svakoj taki iste, su ekvipotencijalne povrine. U preseku ekvipotencijalnih povrina i nekezamiljene ravni obijaju se ekvipotencijalnelinije, koje povezuju take istih vrijednosti potencijala.

Slika 8. Ekvipotencijalna povrina


11/20

11

Srce se moe posmatrati kao inamiki dipol (tj. dipol koji u prostoru mijenja svoj poloaj Imoment). Potencijali pojeinih delija srca semogu sabirati, pa je srce, posmatrano u cjelini, na jednomkraju (osnova srca) negativno naelektrisano, a na drugom kraju (vrh srca) pozitivno naelektrisano. To

znai da se oko srca formiraju ekvipotencijalne povrine sa vrijednostima potencijala koje se mogumjeriti na povrini grunog koa.

Slika 9. Srce kao dinamiki dipol

Razlika potencijala izmeu oabranih taaka u kojima su postavljene elektrode odgovarapoloaju ipola srca u jenom trenutku. Usljed mehanike aktivnosti srca, pri kojoj se samo vrh srcapomjera (kontrakcije i relaksacije atrijuma i ventrikula), poloaj pozitivnog kraja ipola seneprekidnomijenja, pa samim tim i pravac i veliina samog ipola. To ovoi o promjene vrijednosti potencijalaizmeu elektroa. Zapis koji se dobija snimanjem promjena vrijednosti potencijala izmeu vajufiksiranih taaka na tijelu u toku vremena naziva se elektrokardiogram (ili skradeno EKG).Tipian elektrokariogram obijen snimanjem promjene intenziteta jedne projekcije dipola srca napapir, koji se krede brzinom v u naznaenom smeru, ima oblik prikazan na slici. U toku jednog ciklusarada srca vector dipola se mijenja tako a poetak vektorazarava isti poloaj, ok vrh vektora opisujetri krive PQ, QRS i ST, za koje se moe uzetia lee priblino u istoj (frontalnoj) ravni.Promjena poloaja

vrha vektora zapravo prati pomjeranje vrha srca po pomenutim krivama pri kontrakciji atrijuma iventrikula.

Slika 10. Elektrokardiogram


12/20

12

3.1.3 Elektrini signali mozgaElektroencefalogram (ili skradeno EEG) predstavlja snimak elektrine aktivnosti preteno neurona ukorteksu mozga. Mozak sari nekoliko milijarineurona koji generiu i proputaju elektrinesignale.Ukupna elektrina aktivnost rezultira signalima, koji se mogu detektovati i zabiljleiti izvan mozga.Elektrina aktivnost mozga se manifestuje kao slabi kompleksni elektrini signali, koji se moguregistrovati pomodu elektroa, iji jemogudi raspore prikazan na slici. Elektroe sunajede u oblikumalih diskova, napravljenih od srebrohlorida. Njihov raspored zavisi od dijela mozga koji se eli ispitivati.Referentna elektroa je obinopostavljena na jedno od dva uha (U1 ili U2 na slici).

Slika 11. Raspored elektroda

Amplitude potencijala u elektroencefalogramu su male i iznose oko 50 V. Zbog toga je preciznostsnimanja esto ugroena uticajemspoljnih elektrinih signala ili nevoljnim pokretima t ijela (pomjeranjeoka, na primjer). Frekvencije signala su niske i razliite. Premavrijednosti frekvencije signali se dijele naspore ( - talasi; 0,54 Hz), umjereno spore ( - talasi; 4-8 Hz), - talase (8 - 13 Hz) i talase (iznad 13Hz).

3.2 Elektrino registrovanje neelektrinih parametaraMnogi elektrini mjerni aparati imaju veliku osjetijivost pa su pogodni za mjerenje malih

promjena neelektrinih veliina. To jemogude uiniti po uslovom a su elektroe zamjenjene dijelomaparature koji se nazivapretvara (transdjuser, transduktor).Pomodu njega se promjena ma koje fizikeveliine pretvara u njoj ogovarajudi elektrini impuls. Ovom metoom se u meicini i biologiji mjeriveliki broj neelektrinih parametara kao to su: pritisak krvi, puls, temperatura, srani umovi, veliinakontrakcije miida i slino.Zavisno o vrste parametara koji se pretvaraju u elektrineimpulse, pretvarai mogu biti konstruisani narazne naine.Navedemo neke o pretvaraa:

mehaniki- pretvaraju mehanika kretanja u elektrinesignale,

zvuni - pretvaraju promjenu intenziteta zvuka u elektrinesignale,

toplotni - pretvaraju promjenu koliine toplote u elektrinesignale,

optiki - pretvaraju promenu intenziteta svjetlosti u elektrine signale.


13/20

13

4. Neuralne mree i upravljanje robotimaVana oblast primjene neuralnih mrea je oblast robotike.Uobiajno, ove mree su projektovane a

usmjere robotski manipulator, koji prestavlja najznaajniji oblik inustrijskog robota, a uhvati objekat

na osnovu podataka koje mu daju senzori. Druge primjene ukljuuju upravljanje i planiranje putanje

autonomnog robotskog vozila.

U prethodnom dijelu na osnovu mjerenja koja smo izvrili moemo zakljuiti a se u ljuskom

organizmu javljaju razliite promjene prilikom obavljanja neke od operacija, sve te promjene

prouzrokuju pojavu ogovarajudih signala. Na osnovu tih signala (el. Signal miica, el. Signal m ozga itd.)

moemo preko senzora ostvariti upravljivost mehatronike ruke, onosno robotske ruke koja je

pogonjena preko razliitih servo motora. Na ovaj nain omogudila bi se nova ansa ljuima koji su izgubili

jedan od dijelova tijela, naravno sve zahvaljujudi naprnoj tehnologiji.

Slika 12.Prikaz upravljanja mehatronike ruke


14/20

14

4.1Upravljanje robotskom rukom preko el. signala miidaZa razliku od prehonog obllika upravljanja kibernetikom rukom gje se snima aktivnost mozgaimamo i rugi oblik upravljanja pri kome se koriste miidni nervi te ti impulsi se koriste kao inputrobotske ruke.

Ovaj pristup je prvi koji se poeo koristiti u naprenoj protetici i kao takvi u komercijalnoj primjeni supreteno ake i za sa su veoma skupe. Kako je vojna inustrija uvijek ispre tako je i DARPA (Agencija zarazvoj naprene tehnologije za obranu) u ovom sluaju napravila iskorak pri kojem su omogudiliupravljanje itavom rukom zahvaljujudi upotrebi miidnih nerava.

Slika 13.Protetika robotska aka

O 2000. goine, vise o 2000 amerikih vojnika su ostali bez uova. Istraivanje DARPA-edovela su do naprednih proteza, odnosno udova, koji se kontroliraju mozgom. Ta istraivanja su obrookumentovana, ali i alje su ograniena na kvaiplegiare. Praktine primjene ko suelja mozga iproteze su i alje buudnost. Nasuprot tome, zavretci nerava na miidima se spregnu sa senzorima naprotezi i tako se upravlja radom proteze (ruka ili noga), te je napredak ove protetike veliki, a ove

proteze bit de koritene u bliskoj buudnosti.

DARPA-in program Reliable Neural-Interface Technology (RE-NET) je istraivao ugoronuorivost suelja mozga i nastavlja istraivanja za razvoj visokih performansi, pouzanih perifernihsuelja. Ova nova periferna suelja koriste signale iz ivaca ili miida kao kontrolu protetike i pruanjeirektne senzorske povratne sprege informacija. U toku klinikih ispitivanja prestavili su uvjerljiv

primjer oba tipa suelja.

Iako trenutne generacije mozga ili kortikalna suelja se koriste za kontrolu mnogih stupnjevasloboe u poomaklom razvoju protetike, istraivai i alje rae na poboljanju njihove ugoroneizrljivosti i performansi. rekao je Jack Juy, menaer programa DARPA.

Periferna suelja RE-NET se pribliavaju nivou kontrole kortikalnih, i imaju bolje biotike iabiotike performanse i pouzanost. Ko usaivanja istih, manji je rizik i manje invazivne proceure.


15/20

15

Periferna suelja nue vedi potencijal nego kortikalna. RE-NET programi su ved ostupni u klinikimokruenjima ko povrijeenih ratnika.

Prvi korak ko ovog projekta je bio oivljavanje mrtvih nerava na kraju ostatka ruke. Pacijentbiva podvrgnut operaciji ponovne inervacije ciljanih miida (TMR), ko ove operacije se uspostavi vezanerava ruke sa potiljkomto omogudi protok elektrinih signala put nerava. Samo 50 osoba u svijetu jeimalo ovu operaciju koja traje nekoliko sati. Upotrijebe se elektrini signali koji iu prema uu kojineostaje i premoste se u preostale miide na kraju ua. Kaa pacijent uobiajno pomisli na kretanje uakoji neostaje, on zgri preostali miid i senzori su u mogudnosti a prikupe te signale i preoblikuju ih uporuke za prostetski ud.

Slika 14. Senzor kod TMR tehnologije

Tim istraivaa na institutu za rehabilitaciju u ikagu (RIC) zasluan je za ovu vrstu perifernogsuelja zvanog ponovna inervacija ciljanih miida (TMR - target muscle re-innervation), tj.ponovnopovezivanje ivaca amputiranih uova, sa novim sueljima, koji omogudavaju protetsku kontrolu sapostojedim miidima.

Slika 15.FINE electrode


16/20

16

Istraivai na Case Western Reserve University koriste flat interface nerve electroe (FINE), dapokau irektnu povratnu spregu, onosno obivene povratne informacije. Povezivanjem sa preostalimivcima u ekstremitetu, neki osjedaji oira u prstima su obnovljeni. Ostale protetske kontroleekstremiteta oslanjaju se iskljuivo na vizualnepovratne informacije. Za razliku od vizualnih povratnihinformacija, irektna povratna sprega omogudava pacijentima a pokredu ruku, a a nema vizuelnihpoataka (a je ne glea). Omogudeno je obavljanje jenostavnih zaataka, kao to je premjetanjemalih stvari koje nije mogude u ananjoj protetici. Istraivanjaima na Case Western Reserve Universitypokazuje kako senzori irektne povratne sprege, ine neke zaatke mnogo lakim. Sa RE-NETprogramom DARPA je preuzela misiju davanja usluga ranjenim, sa povedanom kontrolom napreneprotetike. TMR ved koriste mnogi amputirci u vojnim bolnicama. Tako se nastavlja RE-NET program ioekuje se a de se tehnologija povedati i usavriti i postati irokoostupna u buudnosti.

4.1.1 TMR tehnologija( targeted muscle reinnervation)Trenutna proteza za transhumeral i ramena obino kontrolira elektrine signale ( EMG signal) iz

jenog ili va miida mjesta na batrljaku . Kirurki zahvat se zove ciljani miid reinnervation ( TMR ) ,

razvijen od strane dr. Todd Kuiken , stvara takoer oatne EMG stanice koje mogu poboljatisposobnost osobe a koristi protezu . TMR uzima ivce koje prethono provoe signale za pokrete ruke,

runog zgloba i lakta , i postavlja ih u miide na prsima . Nove EMG stanice su kontrolirane s jas nim i

intuitivnom kontrakcijom miida, o kojih se neki mogu pojaviti istovremeno. Trenutno , elektrine

protetske komponente koje su komercijalno ostupni aju tri stupnja sloboe : lakat fleksije / proirenje

, runi pronacije / supination i terminala ureaja ( ruke ili kuka) otvaranje / zatvaranje . U vedini

mioelektrinog sustava , ovi stupnjevi sloboe se ne kontroliraju jedna po jedna , nego istovremeno .

TMR kirurki pristup nui pacijentu jedinstvenu sposobnost a istoobno kontrolie vie stupnjeva

slobode , potencijalno s manje mentalnog napora . Rezultat je visoka razina intuitivne kontrole , koja

mogeznaajno poboljati funkcionalnokoritenje proteze . Meutim , postizanje najvie intuitivanog

nadzor ovisi o pacijentu koji prima ogovarajudu terapiju pri osposobljavanju. Znanstvenici i strunjaci i

proizvoai ulau ogromne napore u stvaranju dodatnih stupnjeve slobode u umjetnim sustavima . Kao

bi tovie komponenti s tim napretkom postalo dostupno , osljean i pouzan ulaza de biti potrebnaza

kontrolu . Intuitivne metoe kontrole de biti presune za omogudavanje pacijentima a u potpunosti

ostvare tovedu sloenost i sposobnost tih sustava .

Slika 16.TMR tehnologija


17/20

17

Ako ste iznenada svladali uan osjedaj deja vu, ne uzrujavate se, ova ideja svakako je brainstormed

prije. Kao znanstvenicima cilj napraviti protetske udove s vie user-friendly.Fizijatrija za rehabilitaciju na

Instituta u Chicagu i profesor na Sveuilitu Northwestern je razvio tehniku koja omoguduje umjetne

ruke da reagiraju izravno na misli iz mozga. Proces, nazvan ciljani miidreinnervation (TMR), djeluje kao

oienjepreostali ivcada nakon provedene informacije na za sada izgubljenog privjesak na prsima; kada

osoba misli da pomjeri svoju ruku, ugovor prsnog miida, i uz pomod jednog electromyogram (EMG),

signala koji je usmjeren na mikroprocesor u umjetnoj ruci koja dekodira podatke i daje naredbu ruci to

ta de initi. Trenutno su moguda samo etiri pokreta nakon zahvata, ali studije su ved upunom jeku,

kako bi se napredovalo, TMR bi se mogla koristiti za blagoslivljanje buudih pacijenata s jo vedim

rasponom pokreta.

4.2Upravljanje robotskom rukom preko el. signala mozgaU eksperimentu koji su prikazali, Keti Hainson, osoba koja je pre 15 goina paralizovana nakon

moanog uara, uspela je a, kontroliudi robotsku ruku iskljuivo svojim mislima, oa sebi bo icu sa

pidem. Na povrini njenog mozga nalazi se minijaturni senzor, opremljen sa 96 elektroa, koji oitavamoanu aktivnost, i istu prenosi u komane za robotsku ruku. U sutini, Keti je samo mislila a koristisopstvenu ruku, a aekvatna aktivnost oitana i prenesena. Rezultat po prvi put od paralize, ona jepomodu svojih misli, preko robotske opreme, sprovela voljni pokret.

Uspeh predstavlja znaajan korak u procesu aljeg proirivanja mogudnosti koiranja elektrineaktivnosti ljuskog mozga. Naravno, tim iz BrianGate upozorava a je bilo koja praktina primena jakodaleko, ali isto tako poduhvat pokazuje da se polje biorobotike definitivno razvija i daje vrlo opipljive

rezultate.

Naunici u Japanu su prvi uspjeli a naprave robotsku ruku koja se kontrolie snagom istoguma. Ova robo-ruka imitira pokrete prave ruke, a na osnovu slika raenih u realnom vremenu pomodu

snimaka moane aktivnosti nainjenih funkcionalnom magnetskom rezonancom (FMRI).

Ovo je novi korak u ostignudima koja voe ka stvaranju savrenih proteza i kompjutera kojimabi korisnik mogao a upravlja samo uz pomod misli. Ovu ruku usavrio je Jukijasu Kamitani, iz ATRLaboratorije za kompjutersku neurologiju u Kjotu (ATR Computational Neuroscience Laboratories), u

saranji sa istraivaima Honinog istraivakog instituta u Saitami (Hona Research Institute).

U prvoj fazi, osoba iji se pokreti imitiraju legne ispo MRI skenera i poraava pokrete kojimase crtaju oreeni oblici. Ka MRI skener snimi moanu aktivnost prilikom oblikovanja svakog otraenih oblika, ti se poaci zatim unose u kompjuter s kojim je skener povezan. Poslije kradeg vremena,kompjuter je u stanju da prepoznaje moanu aktivnost koja je povezana sa svakim oblikom i a aje

naloge svom robotskom prouetku a izvoi iste takve pokrete.

FMRI maina ispituje tu vrstu aktivnosti u samom mozgu tako to pomno posmatra protok krvi u

razliite moane regione. Za posmatranje se koristi modno magnetno polje kombinovano s

radiofrekvencijskim pulsiranjem kako bi se ispitalo magnetno stanje atoma hidrogena u vodenim

molekulima tjelesnog tkiva. Alternativa ovome, i mnogo laki meto, jeste mjerenje elektrineaktivnosti

u mozgu uz pomod elektroa koje su implantirane u moanu maramicu, ili privrdene za skalp.


18/20

18

Ameriki istraivai su ved ranije koristili implante u samom mozgu kako bi omogudili majmunima a sa

aljine pokredu robotske uove.

Obine mioelektrine proteze rae tako to se elektroe postave na kou kako bi primale nervne

signale, koji bi se u normalnim okolnostima slali iz mozga ka udovima. Algoritam nakon toga konvertujesignale i alje instrukcije motorima unutar vjetakog ua. Meutim, poto su elektoe spojene na kou,

korisnici se susredu sa raznim problemima u prijenosu informacija izmeu mozga i vjetakog ua.

Postavljanjem elektroa irektno na kost Catalan se naa a de odi jean korak blie kopiranju

prirodnih kretnji.

Slika 17.Mikroelektrina proteza

Elektroe koje se poveu s lobanjom pacijenta mogu se koristiti i za kontrolu pokreta kursora na

kompjuterskom ekranu. Takav sistem ved je usavrio Klaus Robert Mueler na Frauenhofer institutu u

Berlinu.

Ova tehnologija mogla bi a pomogne naunicima a bolje shvate kako mozak funkcionie poto

omoguduje bolju rezoluciju snimka. Kamitani i njegove kolege su ved pokazali a se FMRI skeniranje

moe iskoristiti a se napravi razlika izmeu obinih slika u koje neka osoba g leda i onih o kojima

razmilja.

Slika 18. Robotska ruka koju pokrecu signali iz mozga


19/20

19

Jenog ana, prema miljenju Kamitanija, robotska ruka mogla bi a se koristi za postizanje aleko brih

reakcija nego to su one koje korisnik postie pokredudi sam svoju ruku. Brzina de biti sve veda, ok ne

ostigne brzinu misli, tako a de robotska ruka modi a reaguje i pre nego to se ovekova ruka pokrene,

dakle sama namera aktivirade munjevito pokrete robota. Kamitani priznaje da se tehnologija FMRI moradaramatino poboljati a bi se ova projekcija ostvarila i postala primenjiva u praksi. Uz ruga

tehnoloka unapreenja, potreban je i znatno usavreniji harver za skeniranje mozga.


20/20

20

5. ZakljuakU procesu izrae seminarskog raa mogli smo zakljuiti a tehnologija igra veoma vanu

ulogu za ovjeka, kao sto viimo razvijanje robotske tehnologije znatno je smanjen fiziki napor ovjeka.

Takoer vanu ulogu igra i u poruju meicine, kao ko procesa operacije tako i u raznim inteligentnim

pomagalima, jedan od primjera je i gore opisan robotska ruka koja u potpunosti moze zamijeniti

prironu ruku ovjeka.

Prouavanjem mehatronike u ovoj oblasti , moemo zakljuiti da tehnologija napreduje iz

dana u dan. U narednom periodu moemo oekivati a, ovjek svojim mislima upravlja robotom,

onosno a taj robot oponaa ovjeka. Na osnovu mjerenja koja su vrena na ovjeku viimo a svaki

pokret aje oreeni signal pa tako je i realizacija jenog takvog stroja moguda.Naravno nita o ovoga

jo nema u slobonoj proaji, ali u buudnosti moemo oekivati a jenostavno imamo zamjenske

dijelove za ovjeka. Jean o primjera je i elektrino srce. Ako pogledamo razvoj mehanike i elektronike,

sve se eavalo posmatranjem ovjeka ivotinja i priroe.

Documents

BIOMEHATRONIKA_seminarski_-Bioelektricitet