Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) показали, что движение мышц можно точно отслеживать с помощью крошечных магнитных шариков, вживлённых в мышцу. Такие измерения могут облегчить управление протезом людям с некоторыми видами ампутации. Статья вышла 29 октября в журнале Nature Sensors. Метод проверяли на трёх участниках, которые во время опытов не надевали протез, поэтому пациентам он пока недоступен.
Зачем понадобились магниты
Протезы с нейроуправлением используют сигналы мышц, оставшихся после ампутации. Данные о длине, скорости и активации мышцы передаются в алгоритмы управления. Это помогает людям после ампутации ноги ходить естественнее, а после ампутации руки — ловчее обращаться с предметами.
До сих пор такие устройства полагались на электроды на поверхности кожи. Метод называют электромиографией, и его данных не всегда хватает. Электрический сигнал не полностью отражает работу мышцы: например, если мышца несколько секунд держит одну длину, сигнал затухает. Электроды могут улавливать сигналы соседних мышц, а пот мешает их считывать. По данным MIT, для безопасной ходьбы на протезе ноги таких измерений оказалось недостаточно.
Как работает метод
Метод называют магнитомикрометрией. В мышцу вживляют пару магнитов. Когда мышца сокращается или растягивается, датчик на коже измеряет изменение расстояния между ними, и по этим данным рассчитывают длину мышцы и скорость её движения.
Диаметр шариков — 3 миллиметра, примерно с кунжутное семечко. Магниты сделаны из сплава неодима, железа и бора и покрыты золотом и полимером для совместимости с тканями. Сигналы считываются с глубины до 6 сантиметров специальным внешним датчиком, который носят на коже над отслеживаемыми мышцами.
Один из ведущих авторов работы, аспирант MIT Кристофер Шаллал, пояснил, что метод малоинвазивный и поэтому может подойти большему числу людей. По его словам, достаточно поместить в мышцу два шарика, чтобы получить подробные данные о её работе.
Что показали испытания
В 2021 году лаборатория впервые показала магнитный метод на животных. В новом исследовании участвовали три человека с ампутацией ниже колена. Им вживили магниты в мышцы голеностопного сустава, до четырёх мышц у каждого. Операции провели в больнице «Бригхэм энд Уименс».
В те же мышцы участникам вживили и электроды. Так исследователи сравнили три способа измерения: магнитомикрометрию, электромиографию с вживлёнными электродами и электромиографию с электродами на коже. Протез участники во время опытов не носили. Движениями мышц они перемещали курсор на экране к заданной цели. По словам Шаллала, результаты говорят о том, что магнитный метод может дать более точное и стабильное управление.
Сейчас исследователи проводят более крупное исследование и оценивают, насколько хорошо люди управляют протезами по данным магнитных шариков. Руководитель исследования Хью Герр, профессор медиаискусств и наук и содиректор Центра бионики имени К. Лизы Ян в MIT, отметил, что по одной электрической активации мышц нельзя напрямую определить механические сигналы, нужные для управления протезом.
Материал носит справочный характер и не заменяет консультацию врача.