Mikroişlemci Kontrollü Protezler
Mikroişlemci kontrollü protezler, davranışları yerleşik bir bilgisayar tarafından gerçek zamanlı olarak düzenlenen yapay uzuvlardır. Sensörler sürekli olarak yükü, eklem açısını ve hareketi ölçmektedir; mikroişlemci bu veri akışını okur ve kullanıcının aktivitesine uyacak şekilde uzvun direncini veya motorlu tasarımlarda çıkışını ayarlamaktadır. Bu kategori, yürüme döngüsü boyunca sönümlemeyi değiştiren mikroişlemci kontrollü dizlerden, net enerji ekleyen motorlu ayak bilekleri ve dizlere, kullanıcının kendi kas ve sinirlerinden gelen sinyallerle kontrol edilen üst uzuv sistemlerine kadar geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır.
Tanım
Mikroişlemci kontrollü bir protez, gömülü bir işlemcinin gerçek zamanlı sensör verilerini kullanarak cihazın direncini veya aktüatör çıkışını modüle ettiği, eklem davranışını kullanıcının hareketine ve aktivitesine uyarlayan yapay bir uzuvdur.
Kapsam
Bu konu, bilgisayarlı protez uzuvların (alt uzuv için mikroişlemci kontrollü dizler ve ayak bilekleri, üst uzuv için miyoelektrik sistemler) prensiplerini, cihaz tiplerini ve kontrol girdilerini ve bunlarla ilgili kanıtları kapsamaktadır. Bitişik konularda ele alınan tüm vücut dış iskeletleri (exoskeletons) ve ortezleri (orthoses) hariç tutmaktadır. Bu, referans-eğitim amaçlı olup, protez seçimi, uyumu veya finansmanı konusunda tavsiye vermemektedir.
Temel sorular
- Mikroişlemci neyi ve hangi sensör girdileriyle kontrol etmektedir?
- Pasif (sönümlemeyi modüle eden) ve motorlu (enerji ekleyen) tasarımlar nasıl farklılık göstermektedir?
- Üst uzuv protezleri kas ve sinir sinyallerinden nasıl komut almaktadır?
- Mikroişlemci kontrollü uzuvlarla hangi sonuçlar ilişkilendirilmiştir?
Anahtar kavramlar
- Mikroişlemci Kontrollü Diz (MPK)
- Değişken Sönümleme ve Motorlu Tahrik
- Yürüme Fazı ve Takılma Tespiti
- Miyoelektrik (EMG) Kontrol
- Hedefli Kas Reinnervasyonu
- Sonlu Durum ve Niyet Tabanlı Kontrol
- Duruş Stabilitesi ve Salınım Kontrolü
Mekanizmalar
Mikroişlemci kontrollü bir dizde, sensörler diz açısını ve uzuv üzerindeki yükü izlemektedir; işlemci yürüme fazını tanımlar ve eklemin direncini sürekli olarak ayarlayarak (duruş fazını desteklemek için sertleşir ve salınım fazına izin vermek için gevşer) uzvun yürüme hızına, araziye ve takılmalara uyum sağlamasını sağlamaktadır. Motorlu protezler, ekleme net enerji ekleyerek daha ileri gitmektedir ve kontrolörleri, diğer aktif cihazlara benzer şekilde katmanlı sonlu durum (finite-state) veya niyet tabanlı (intent-based) şemalar kullanmaktadır [tucker-2015]. Üst uzuv miyoelektrik protezleri, el ve kol motorlarını çalıştırmak için rezidüel kaslardan gelen elektriksel aktiviteyi deşifre etmektedir; cerrahi hedefli kas reinnervasyonu (targeted muscle reinnervation), ampute edilmiş sinirleri sağlam kaslara yönlendirerek daha zengin, daha sezgisel kontrol sinyalleri oluşturmaktadır [kuiken-2009] ve sinir transferi sinyalleri de benzer şekilde motorlu bir bacağı kontrol etmek için deşifre edilmiştir [hargrove-2013].
Klinik önem
Mikroişlemci kontrollü uzuvlar, stabilite, düşmeler, değişen arazide yürüme ve kontrolün sezgiselliği üzerindeki etkileri açısından incelenmektedir. Transfemoral uzuv kaybı olan hastalarda mikroişlemci kontrollü dizlerin sistematik bir derlemesi, takılma ve düşme riski gibi ölçütlerle ve belirli yürüme ve aktivite sonuçlarıyla ilişkiler bildirmiştir [sawers-2013]. Bu madde, cihazların nasıl çalıştığını ve nelerin incelendiğini özetlemektedir; bireysel değerlendirmeye ve birçok kişiye özgü faktöre bağlı olan belirli bir protezin reçetelenmesi için bir temel oluşturmamaktadır.
Kanıt ve kılavuzlar
En güçlü sentez, mikroişlemci kontrollü dizlerin sistematik bir derlemesidir; bu derleme, takılma ve düşmelerde azalma ve bazı fonksiyonel faydalarla ilişkiler bulurken, temel çalışmalardaki heterojeniteyi ve metodolojik sınırlamaları da belirtmiştir [sawers-2013]. Kontrol yöntemleri mühendislik derlemelerinde özetlenmektedir [tucker-2015] ve nöral kontrol gösterimleri küçük, uzmanlaşmış çalışmalar olarak kalmaktadır [kuiken-2009][hargrove-2013]. Kapsam ve reçeteleme kriterleri sağlık sistemine göre farklılık göstermektedir, bu nedenle güncel ödeme kuruluşu ve klinik kılavuzlara doğrudan başvurulması gerekmektedir.
Tarihçe
Mikroişlemci düzenlemesi, 1990'larda yürüme döngüsü boyunca hidrolik veya manyetorheolojik sönümlemeyi değiştiren bilgisayarlı dizlerle protezlere girmiştir. 2000'li ve 2010'lu yıllar boyunca, enerji ekleyen motorlu ayak bilekleri ve dizler, miyoelektrik üst uzuv kontrolündeki gelişmelerle birlikte ortaya çıkmıştır. Hedefli kas reinnervasyonu (targeted muscle reinnervation), çok fonksiyonlu kollarda sezgisel miyoelektrik kontrolü genişletmiştir [kuiken-2009] ve aynı sinyal deşifre etme fikirleri daha sonra motorlu alt uzuv kontrolüne uygulanmıştır [hargrove-2013].
Tartışmalar
- Mikroişlemci kontrollü dizler, mikroişlemci olmayan dizlere kıyasla maliyetlerini haklı çıkarmakta mıdır?
- Sistematik derleme kanıtları, bazı kullanıcılar için daha az takılma ve düşme gibi faydalar olduğunu öne sürmektedir, ancak çalışma kalitesi karışıktır ve faydalar aktivite düzeyine göre değişmektedir, bu nedenle maliyet etkinliği ve uygunluk tartışılmaya devam etmektedir.
- Nöral ve miyoelektrik kontrol ne kadar güvenilir ve sezgiseldir?
- Hedefli reinnervasyon ve gelişmiş deşifre, sezgiselliği ve mevcut komut sayısını artırmaktadır, ancak günlük koşullardaki sağlamlık ve cerrahi ile eğitim ihtiyacı, bu yaklaşımları aktif araştırma altında tutmaktadır.
İlgili konular
Temel eserler
- sawers-2013
- kuiken-2009
- hargrove-2013
Sıkça sorulan sorular
- Bir protez dizde mikroişlemci aslında neyi kontrol etmektedir?
- Eklem açısı ve yük için sensörleri okur, yürüme fazını çıkarır ve dizin direncini sürekli olarak ayarlayarak uzvun duruş sırasında kullanıcıyı desteklemesini ve salınım sırasında serbestçe sallanmasını sağlar, böylece hıza, eğimlere ve takılmalara uyum sağlamaktadır.
- Motorlu bir protez ile mikroişlemci kontrollü bir diz arasındaki fark nedir?
- Mikroişlemci kontrollü bir diz, net enerji eklemeden esas olarak direnci modüle eder—eklemin nasıl tepki verdiğini kontrol eder. Motorlu bir protez ise, örneğin ayağa kalkmaya veya tırmanmaya yardımcı olmak için eklemde aktif olarak enerji ekleyen bir motor içermektedir.