แขนขาเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์

แขนขาเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์คือแขนขาเทียมที่การทำงานถูกควบคุมแบบเรียลไทม์ด้วยคอมพิวเตอร์ที่ติดตั้งอยู่ภายใน เซ็นเซอร์จะวัดภาระ, มุมข้อต่อ, และการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง; ไมโครโปรเซสเซอร์จะอ่านข้อมูลเหล่านี้และปรับความต้านทานของแขนขา หรือในกรณีของอุปกรณ์ที่มีกำลังขับเคลื่อน จะปรับกำลังขับเคลื่อนให้เหมาะสมกับกิจกรรมของผู้ใช้ ประเภทของอุปกรณ์มีตั้งแต่เข่าเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ที่ปรับการหน่วงตลอดวงจรการเดิน, ไปจนถึงข้อเท้าและเข่าเทียมที่มีกำลังขับเคลื่อนที่เพิ่มพลังงานสุทธิ, และระบบแขนขาบนที่ควบคุมด้วยสัญญาณจากกล้ามเนื้อและเส้นประสาทของผู้ใช้เอง

Definition

แขนขาเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์คือแขนขาเทียมที่โปรเซสเซอร์ฝังตัวใช้ข้อมูลเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์เพื่อปรับความต้านทานของอุปกรณ์หรือกำลังขับเคลื่อนที่กระตุ้น เพื่อปรับพฤติกรรมของข้อต่อให้เข้ากับการเคลื่อนไหวและกิจกรรมของผู้ใช้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหลักการ, ประเภทของอุปกรณ์, และการควบคุมของแขนขาเทียมที่ใช้คอมพิวเตอร์—เข่าและข้อเท้าเทียมที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์สำหรับแขนขาช่วงล่าง และระบบไมโออิเล็กทริกสำหรับแขนขาช่วงบน—รวมถึงหลักฐานที่เกี่ยวข้อง หัวข้อนี้ไม่รวมโครงกระดูกภายนอกแบบเต็มตัวและอุปกรณ์พยุง ซึ่งครอบคลุมในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง เป็นข้อมูลอ้างอิงเพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำเกี่ยวกับการเลือก, การปรับแต่ง, หรือการจัดหาเงินทุนสำหรับแขนขาเทียม

Core questions

• ไมโครโปรเซสเซอร์ควบคุมอะไร และใช้ข้อมูลจากเซ็นเซอร์ใดบ้าง?
• การออกแบบแบบพาสซีฟ (ปรับการหน่วง) และแบบมีกำลังขับเคลื่อน (เพิ่มพลังงาน) แตกต่างกันอย่างไร?
• แขนขาเทียมช่วงบนถูกสั่งการจากสัญญาณกล้ามเนื้อและเส้นประสาทได้อย่างไร?
• ผลลัพธ์ใดบ้างที่เกี่ยวข้องกับแขนขาเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์?

Key concepts

• เข่าเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ (MPK)
• การหน่วงแบบปรับได้เทียบกับการกระตุ้นด้วยกำลังขับเคลื่อน
• การตรวจจับระยะการเดินและการสะดุด
• การควบคุมด้วยไมโออิเล็กทริก (EMG)
• การเปลี่ยนเส้นประสาทไปยังกล้ามเนื้อเป้าหมาย
• การควบคุมแบบสถานะจำกัดและตามความตั้งใจ
• ความมั่นคงในการยืนและการควบคุมการแกว่ง

Mechanisms

ในเข่าเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ เซ็นเซอร์จะติดตามมุมเข่าและภาระที่ผ่านแขนขา; โปรเซสเซอร์จะระบุระยะการเดินและกำหนดความต้านทานของข้อต่ออย่างต่อเนื่อง—ทำให้แข็งขึ้นเพื่อรองรับการยืนและผ่อนคลายเพื่อให้แกว่งได้—เพื่อให้แขนขาปรับตัวเข้ากับความเร็วในการเดิน, สภาพพื้นผิว, และการสะดุด แขนขาเทียมแบบมีกำลังขับเคลื่อนจะก้าวหน้าไปอีกขั้นโดยการเพิ่มพลังงานสุทธิที่ข้อต่อ และตัวควบคุมของอุปกรณ์เหล่านี้จะใช้แผนการแบบสถานะจำกัดหรือตามความตั้งใจที่ซ้อนกันคล้ายกับอุปกรณ์แอคทีฟอื่นๆ [tucker-2015] แขนขาเทียมไมโออิเล็กทริกช่วงบนจะถอดรหัสกิจกรรมทางไฟฟ้าจากกล้ามเนื้อที่เหลืออยู่เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์มือและแขน; การผ่าตัดเปลี่ยนเส้นประสาทไปยังกล้ามเนื้อเป้าหมาย (targeted muscle reinnervation) จะเปลี่ยนเส้นทางเส้นประสาทที่ถูกตัดไปยังกล้ามเนื้อสำรองเพื่อสร้างสัญญาณควบคุมที่สมบูรณ์และเป็นธรรมชาติมากขึ้น [kuiken-2009] และสัญญาณการถ่ายโอนเส้นประสาทก็ได้รับการถอดรหัสเพื่อควบคุมขาเทียมแบบมีกำลังขับเคลื่อนเช่นกัน [hargrove-2013]

Clinical relevance

แขนขาเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ได้รับการศึกษาถึงผลกระทบต่อความมั่นคง, การหกล้ม, การเดินบนพื้นผิวที่หลากหลาย, และความเป็นธรรมชาติของการควบคุม การทบทวนวรรณกรรมอย่างเป็นระบบของเข่าเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ในผู้ป่วยที่สูญเสียขาเหนือเข่ารายงานความสัมพันธ์กับมาตรการต่างๆ เช่น ความเสี่ยงในการสะดุดและหกล้ม และผลลัพธ์บางอย่างของการเดินและกิจกรรม [sawers-2013] บทความนี้สรุปวิธีการทำงานของอุปกรณ์และสิ่งที่ได้รับการศึกษา; ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการสั่งจ่ายแขนขาเทียมเฉพาะเจาะจง ซึ่งขึ้นอยู่กับการประเมินรายบุคคลและปัจจัยเฉพาะบุคคลหลายประการ

Evidence & guidelines

การสังเคราะห์ที่แข็งแกร่งที่สุดคือการทบทวนวรรณกรรมอย่างเป็นระบบของเข่าเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ ซึ่งพบความสัมพันธ์กับการลดการสะดุดและการหกล้ม และประโยชน์ด้านการทำงานบางอย่าง ในขณะที่สังเกตเห็นความแตกต่างและความจำกัดทางระเบียบวิธีวิจัยในการศึกษาพื้นฐาน [sawers-2013] วิธีการควบคุมสรุปไว้ในการทบทวนทางวิศวกรรม [tucker-2015] และการสาธิตการควบคุมระบบประสาทก็ยังคงเป็นการศึกษาขนาดเล็กและเฉพาะทาง [kuiken-2009][hargrove-2013] เกณฑ์การครอบคลุมและการสั่งจ่ายแตกต่างกันไปตามระบบสุขภาพ ดังนั้นควรปรึกษาแนวทางปฏิบัติของผู้จ่ายเงินและแนวทางปฏิบัติทางคลินิกในปัจจุบันโดยตรง

History

การควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์เข้าสู่แขนขาเทียมในทศวรรษ 1990 ด้วยเข่าเทียมที่ใช้คอมพิวเตอร์ซึ่งปรับการหน่วงด้วยระบบไฮดรอลิกหรือแม่เหล็กไฟฟ้าตลอดวงจรการเดิน ตลอดทศวรรษ 2000 และ 2010 ข้อเท้าและเข่าเทียมแบบมีกำลังขับเคลื่อนที่เพิ่มพลังงานได้เกิดขึ้น พร้อมกับการพัฒนาในการควบคุมแขนขาบนด้วยระบบไมโออิเล็กทริก การเปลี่ยนเส้นประสาทไปยังกล้ามเนื้อเป้าหมาย (targeted muscle reinnervation) ได้ขยายการควบคุมแขนเทียมแบบหลายฟังก์ชันด้วยระบบไมโออิเล็กทริกที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น [kuiken-2009] และแนวคิดการถอดรหัสสัญญาณเดียวกันนี้ได้ถูกนำมาใช้กับการควบคุมแขนขาช่วงล่างแบบมีกำลังขับเคลื่อนในภายหลัง [hargrove-2013]

Debates

เข่าเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์คุ้มค่ากับราคาที่สูงกว่าเข่าเทียมที่ไม่ใช่ไมโครโปรเซสเซอร์หรือไม่?

หลักฐานจากการทบทวนวรรณกรรมอย่างเป็นระบบชี้ให้เห็นถึงประโยชน์ เช่น การสะดุดและการหกล้มที่ลดลงสำหรับผู้ใช้บางราย แต่คุณภาพของการศึกษายังหลากหลายและประโยชน์แตกต่างกันไปตามระดับกิจกรรม ดังนั้นความคุ้มค่าและคุณสมบัติจึงยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

การควบคุมระบบประสาทและไมโออิเล็กทริกมีความน่าเชื่อถือและเป็นธรรมชาติเพียงใด?

การเปลี่ยนเส้นประสาทไปยังกล้ามเนื้อเป้าหมายและการถอดรหัสขั้นสูงช่วยเพิ่มความเป็นธรรมชาติและจำนวนคำสั่งที่มีอยู่ แต่ความทนทานในสภาพการใช้งานประจำวันและความจำเป็นในการผ่าตัดและการฝึกอบรมทำให้แนวทางเหล่านี้ยังคงอยู่ภายใต้การตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง

Seminal works

• sawers-2013
• kuiken-2009
• hargrove-2013

Frequently asked questions

ไมโครโปรเซสเซอร์ควบคุมอะไรในเข่าเทียมจริงๆ?

มันอ่านค่าจากเซ็นเซอร์สำหรับมุมข้อต่อและภาระ, อนุมานระยะการเดิน, และปรับความต้านทานของเข่าอย่างต่อเนื่องเพื่อให้แขนขารองรับผู้ใช้ในระหว่างการยืนและแกว่งได้อย่างอิสระในระหว่างการแกว่ง, ปรับให้เข้ากับความเร็ว, ความลาดชัน, และการสะดุด

อะไรคือความแตกต่างระหว่างแขนขาเทียมแบบมีกำลังขับเคลื่อนกับเข่าเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์?

เข่าเทียมควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่จะปรับความต้านทาน—มันควบคุมว่าข้อต่อจะยอมรับแรงอย่างไร—โดยไม่เพิ่มพลังงานสุทธิ แขนขาเทียมแบบมีกำลังขับเคลื่อนมีมอเตอร์ที่เพิ่มพลังงานอย่างกระตือรือร้นที่ข้อต่อ ตัวอย่างเช่น เพื่อช่วยในการยืนขึ้นหรือการปีน