UNIVERZA V LJUBLJANI ZDRAVSTVENA FAKULTETA
ORTOTIKA IN PROTETIKA, 1. STOPNJA
Petra Robnik
POMEN ELEKTROMIOGRAFIJE PRI
UPRAVLJANJU BIONIČNIH PROTEZ ZA ZGORNJE UDE
diplomsko delo
THE IMPORTANCE OF ELECTROMYOGRAPHY IN THE MANAGEMENT OF BIONIC PROSTHESES
FOR THE UPPER LIMBS
diploma work
Mentor: viš. pred. mag. Tomaž Lampe Somentorica: asist. Monika Pavlović Recenzent: doc. dr. Miha Fošnarič
Ljubljana, 2021
ZAHVALA
Iskreno se zahvaljujem mentorju pred. mag. Tomažu Lampetu ter somentorici asist.
Moniki Pavlović za vso podporo, nasvete in hitre odgovore med pisanjem diplomskega dela. Zahvalila bi se tudi vsem profesorjem in kliničnim mentorjem, ki so mi v času študija podali ogromno znanja za nadaljevanje moje karierne poti.
Želela pa bi se zahvaliti tudi družini in prijateljem za pomoč in podporo med študijem.
IZVLEČEK
Uvod: Zgornja okončina je kompleksen del telesa, ki ga tvorijo nevrovaskularni snopi, limfe, mišice in kosti, ki se združijo in tvorijo funkcionalno enoto za opravljanje naših vsakodnevnih aktivnosti. Amputacije zgornje okončine vodijo do funkcionalne izgube in prizadanejo bolnika tako fizično kot duševno. Delimo jih na parcialne, disartikulacije v zapestju, transradialne, disartikulacije v komolcu, transhumeralne in disartikulacije v ramenskem sklepu. Za upravljanje mioelektričnih protez se predhodno opravi bionična rekonstrukcija, ki predstavlja obetavno in učinkovito zdravljenje ter obnovo zgornjega uda.
S tem posegom se obnovi delovanje okončin in na ta način ponovno vključi pacienta v vsakodnevno življenje. EMG-signali so potrebni za delovanje mioelektrične proteze in merijo električno aktivnost mišičnega vlakna med kontrakcijo in relaksacijo. Cilj bionike je povezati biologijo in inženirstvo – tako so se razvile bionične proteze za zgornje ude, s pomočjo katerih ima uporabnik večji nadzor nad protezo, boljše je njeno delovanje, izboljšana pa je tudi samopodoba pacienta. Namen: Namen diplomskega dela je opraviti pregled strokovne in znanstvene literature, predstaviti uporabnost, prednosti, slabosti uporabe ter samo delovanje bioničnih protez za zgornje ude. Zanima nas tudi, kakšen je pomen elektromiografije pri njihovi uporabi. Metode dela: Literaturo smo iskali v angleškem jeziku v dveh podatkovnih bazah, PubMed in ScienceDirect. Uporabili smo iskalni niz (bionic) AND (prosthetic OR prosthesis) AND (hand OR arm) AND (EMG- signals) NOT (non amputee) NOT (able bodied). Vključili smo prosto dostopne članke objavljene v zadnjih 10 letih ter članke in raziskave, ki vključujejo bionične proteze za zgornje ude in EMG-signale. Rezultati: Pod pogoji, določenimi v metodah dela, smo vključili 7 člankov primernih za naše delo. V vseh raziskavah so vključene amputirane osebe, ki uporabljalo protezo in EMG-signale za njeno delovanje. Zanimalo nas je, kako bionične proteze vplivajo na življenje posameznikov in kakšno je delovanje EMG- signalov. Razprava in zaključek: Prišli smo do ugotovitve, da bionične proteze za zgornje ude znatno izboljšajo življenje posameznikov in njihovo samopodobo, kar so pokazali tudi testi, ki ocenjujejo funkcionalno delovanje rok(e). Pri tem imajo EMG-signali velik pomen, saj dovoljujejo boljši in lažji nadzor nad protezo. Za nadaljnje študije in s tem lažjo primerjavo bi se morali osredotočiti na testiranje enakih protez.
Ključne besede: bionična roka, protetična roka, robotska roka, EMG-signali in bionična proteza
ABSTRACT
Introduction: The upper limb is very complex, made up of neurovaskular bundles, lymph, muscles and bones that come together to form a functional unit for performing in our daily activities. Amputations lead to functional loss and affect the patient both physically and mentally. The amputations are divided into partial, disarticulation in the wrist, transradial, disarticulation in the elbow, transhumeral and disarticulation in shoulder joint. For the management of myoelectric prostheses a bionic reconstruction was performed, which represents a promising and effective treatment and reconstruction of the upper limb. This procedure restores limb function and re-integrates the patient into daily life. EMG signals are required for the operation of myoelectric prostheses and mesaure the electrical activity of a muscle fiber during contraction and relaxation. The goal of bionics is to connect biology and engineering, and so upper limb prostheses have been developed and give the user more control over the prosthesis, improve performance and self-esteem. Purpose:
The purpose of our diploma work is to reviw the professional and scientific literature to present the usefulness, advantages and disadvantages of use and the operation of bionic prostheses for upper limbs. We are also interested in the importance of electromyography in their use. Methods: We used only English literature found in two databases, PubMed and ScienceDirect. Keywords that we used were (bionic) AND (prosthetic OR prosthesis) AND (hand OR arm) AND (EMG signals) NOT (non amputee) NOT (able bodied). We included free articles from the last 10 years, as well as articles that include bionic prostheses for the upper limbs and EMG signals. Results: Under specified conditions which are listed in methods we included 7 studies appropriate for our work. All studies included amputated individuals who used the prosthesis and EMG signlas to operate with it. We were interested in how bionic prostheses affect the lives of individuals and how EMG signals work. Discussion and conclusion: We found that bionic prostheses for the upper limbs significantly improve the lives of individuals and their self-steem, which was also shown by tests that assess the functional functioning of the hand. EMG signals are a great importance here, as they allow better and easier control of the prosthesis. For further studies, the focus should be on testing similar prostheses so they can be more easily compared.
Keywords: bionic hand, prosthetic hand, robotic arm, EMG signals and bionic prosthesis
KAZALO VSEBINE
1 UVOD...1
1.1 Bionika ...2
1.2 Bionična rekonstrukcija ...2
1.3 Elektromiografija (EMG) ...4
1.4 Zasnova klasifikacije EMG ...6
1.5 Klasifikacija algoritmov ...6
1.6 Bionične proteze za zgornje ude ...7
1.6.1 Mehanični dizajn ...9
1.6.2 Kontrolni sistem ...9
2 NAMEN... 11
3 METODE DELA ... 12
4 REZULTATI ... 14
5 RAZPRAVA ... 17
5.1 Učinkovitost bionične rekonstrukcije s sEMG-povratno informacijo ... 21
5.2 Prednosti in pomanjkljivosti raziskav ... 22
6 ZAKLJUČEK ... 25
7 LITERATURA IN DOKUMENTACIJSKI VIRI ... 26
KAZALO SLIK
Slika 1: Prikaz vrst amputacij zgornjega uda. ...1
Slika 2: Prikaz reinervacije živcev na ciljno mišico ...3
Slika 3: Prikaz delovanja EMG-signalov ...7
Slika 4: Bionična roka ...8
Slika 5: Shema protetičnega kontrolnega sistema ... 10
Slika 6: Diagram poteka iskanja literature ... 13
Slika 7: Diagram sedmih ključnih tem, ki izhajajo iz intervjujev udeležencev ... 20
Slika 8: Proces bionične rekonstrukcije s funkcionalno mišično transplantacijo ... 21
KAZALO TABEL
Tabela 1: Značilnosti preiskovancev in ključne ugotovitve. ... 15 Tabela 2: Pripomočki, vrste in razlog amputacije. ... 16
SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC IN OKRAJŠAV
ABS Acetil butil stiren
ANN Umetna nevronska mreža (Artificial neural network) DT Drevo odločanja (Decision tree)
EMG Elektromiografija (Electromyography) LDA Linearna diskriminantna analiza
sEMG Povrhnja elektromiografija (Surface electromyography) SVM Podporni vektorski mehanizem (Support vector machine)
1
1 UVOD
Zgornja okončina je kompleksen del telesa, ki ga tvorijo nevrovaskularni snopi, limfe, mišice in kosti, ki se združijo in tvorijo funkcionalno enoto za opravljanje naših vsakodnevnih dejavnosti (Maduri, Akhondi 2021).
Več kot tri milijone ljudi trpi zaradi amputacij rok ali izgub zaradi zdravstvenih težav.
Izguba roke pomembno vpliva na funkcionalni vidik. Zaradi napredka v biotehnologiji se je začela vključevati robotika. Kljub temu so takšne protetične roke drage in niso dostopne vsem družbenim slojem (Dunai et al., 2020).
Amputacije vodijo do funkcionalne izgube in prizadanejo bolnika tako fizično kot duševno. Do amputacij zgornjega uda pride zaradi različnih dejavnikov, kot so okužbe, travme, rak ter prirojene malformacije. Stopnja amputacije močno vpliva na bolnikovo rehabilitacijo in funkcijo. Leta 2005 je bila prevalenca amputacij 1.6 milijona, razširjenost naj bi se do leta 2050 podvojila. Najpogostejši vzrok amputacij zgornjih okončin je travma (80 %), ki se najpogosteje pojavlja pri moških starih 15–45 let. Amputacije so poimenovane glede na raven, na kateri so bile opravljene. Poznamo parcialne amputacije (trans-falangealna, trans-metakarpalna, trans-karpalna), ki so tudi najpogostejše (78 %), disartikulacija zapestja, transradialna, disartikulacija komolca, transhumeralna, disartikulacija v ramenskem sklepu (Slika_1) (Maduri, Akhondi 2021).
Slika 1: Prikaz vrst amputacij zgornjega uda (Maduri, Akhondi 2021).
2
Vsaka vrsta amputacije ima klinični pomen pri funkcionalnih sposobnostih, estetiki in upravljanju s protezami. Pri parcialnih amputacijah ima največjo vlogo izguba palca, saj se s tem izgubi pincetni, lateralni in cilindrični prijem. Za disartikulacijo v zapestju velja, da je ohranjen radio-ulnarni sklep, zato je omogočena večja rotacija podlakti. Ključnega pomena pri transradialni amputaciji je ohraniti čim daljšo dolžino preostanka uda, da lahko ohranimo pronacijo in supinacijo, tudi samo protetično prileganje je boljše. Kratka amputacija ne omogoča dobre rotacije okončine. Disartikulacija v komolčnem sklepu ima prednost pred transhumeralno amputacijo (če je to mogoče), ker je rotacija humerusa še vedno ohranjena. Pri transhumeralni amputaciji je prav tako pomembna čim daljša dolžina krna, saj je s tem izboljšano gibanje rame (Maduri, Akhondi 2021).
1.1 Bionika
Bionika je uporabna znanost, katere cilj je povezati biologijo in inženirstvo. Izraz bionika je leta 1958 skoval Steele, kasneje pa ga ja filmska industrija popularizirala v znanstvenofantastičnih filmih z ljudmi, ki jim nadomestne moči dajejo elektromehanski vsadki. Bionika posnema delovanje človeškega telesa in je najbolj znana v razvoju protetičnih okončin, pripomočkov za vid, robotike in v nevroznanosti (Gregersen 2020).
Osredotoča se na tehnično izvedbo in uporabo načrtov, postopkov in razvojnih načel, ki jih najdemo v bioloških sistemih. Znana je tudi kot biomimetika, ker združuje področje biologije in tehnologije ter pomeni simbiozo obeh konceptualnih pristopov. Obsega prenos bioloških izsledkov na tehnološko področje, kar pa ni neposreden prenos v smislu kopiranja, ampak neodvisen kreativen proces raziskav in razvoja (Bannasch 2009).
1.2 Bionična rekonstrukcija
Bionična rekonstrukcija je sofisticirana metoda za obnovo funkcije okončin in se lahko že danes šteje za standard oskrbe pri vseh stopnjah amputacij zgornjih udov. Predstavlja obetavno in učinkovito zdravljenje ter obnovo zgornjega uda. Z bionično rekonstrukcijo je mogoče obnoviti delovanje okončin in s tem ponovno vključevanje pacienta v vsakodnevno življenje (Aman et al., 2019).
3
Reinervacija je kirurška tehnika, ki velja za vse paciente z amputacijo zgornjih okončin, ki so kandidati za mioelektrično protezo. Ta tehnika vključuje odvzem motoričnih živcev, ki so prerezani med amputacijo, in pritrditev le-teh na preostanek motoričnih živcev mišic. Ta postopek se običajno opravi med samo amputacijo, vendar ga je možno opraviti tudi kasneje. Omogoča reinervacijo novih ciljnih mišic, tako da se lahko signali prenašajo na protezo, pacient pa jo lahko upravlja intuitivno (Maduri, Akhondi 2021).
Pri tem kirurškem posegu se na amputirani ud prenesejo odrezani živci preostale ciljne mišice (Slika_2), ki zaradi amputacije nima več biomehanične funkcije. Ciljne mišice so najprej denervirane tako, da so potem reinervirane s prenosom motoričnih živcev v preostali del uda, ki je prej imel funkcijo kontrole roke. Reinervirane ciljne mišice služijo kot biološki ukazi motoričnih živcev, ki proizvedejo fiziološko primerne EMG-signale za intuitivno premikanje protezne roke. Primer obnovitve mišice biceps s prenesenim medianim živcem: s tem ko jo uporabnik skrči, povzroči, da se protetična roka zapre (ustvarijo se EMG-signali, ki zagotavljajo kontrolni vhod v protezo, da se roka zapre) in obratno: reinervacija tricepsa s prenesenim distalnim radialnim živcem ustvarja EMG- signale, ki nadzorujejo odpiranje protezne roke. Izboljša protetično kontrolo in prepreči nevrome. Reinervirane mišice vsebujejo bogate živčne informacije, ki ustrezajo funkciji amputiranega uda, vključno z informacijami za intrizične mišice roke (Hargrove et al., 2017).
Slika 2: Prikaz reinervacije živcev na ciljno mišico (Hargrove et al., 2017).
4 1.3 Elektromiografija (EMG)
Eden večjih problemov, ki se pojavlja pri protetiki za zgornje ude, je narediti spretno, aktivno ročno protezo, ki jo nadzoruje sam uporabnik. Z napredkom v mehatroniki pa so se začele graditi protetične roke z več aktivnimi stopnjami prostosti. EMG je tehnika, s katero se potenciali za aktiviranje mišic zbirajo z dvema metodama. Prevedene signale je mogoče uporabiti za sledenje mišic, ki jih je pacient pripravljen aktivirati z določeno silo. Je načeloma enostaven in poceni način zaznavanja tega, kaj pacient želi s protezo narediti.
Uporaba EMG za krmiljenje zahteva prilagodljivost, hitrost in natančnost. Vsak posameznik mora biti sposoben natančno nadzorovati protezo (Castellini, van der Smagt 2008).
EMG-signali merijo električno aktivnost mišičnega vlakna med kontrakcijo in relaksacijo.
Ti mioelektrični signali so posneti z dvema metodama, in sicer invazivno in neinvazivno.
Pri invazivni metodi so igelne elektrode uporabljene za merjenje signalov. Pri neinvazivni metodi pa so elektrode postavljene direktno na kožo, brez da bi jih vstavljali v pacientovo telo, in je tudi pogosteje uporabljena. Govorimo lahko tudi o povrhnjih signalih (surface electromyography – sEMG). Aktuatorji (motorji) so uporabljeni zato, da zamenjajo vlogo, ki so jo proizvajale mišice z zagotavljanjem sile za premikanje roke. Amputiranec je tako bolj samostojen s protetično roko, saj sam preko EMG-signalov opravlja s protezo, kar pripomore k večji samozavesti (Sudarsan et al., 2012).
Elektromiografija je metoda za merjenje in beleženje biopotenciala, ki ga ustvarjajo skeletne mišice. EMG lahko zazna električni potencial, ki ga proizvajajo mišična tkiva, ko se te celice vzburjajo z električno ali z nevrološko stimulacijo. Izmerjeni potenciali se gibljejo med 2 in 4 milivolte (mV), odvisno od mišičnega tkiva. Izhodni del senzorja je podan kot vhod v mikrokrmilnik, ta pa je zasnovan tako, da doseže položaj okončine.
Pridobljeni izhodni signali iz krmilnika se posredujejo servo motorju skozi servo gonilnik in se nato posredujejo protezi, kot je prikazano na sliki 3 (Saravanan et al., 2021).
Glavna predpostavka za prepoznavanje vzorcev sEMG je ta, da je za vsako nalogo značilen nabor signalov, kar pomeni aktivacijo mišic. Ključno vlogo imajo živčno-mišične aktivnosti med različnimi vrstami kontrakcij. Značilnosti EMG se določijo s pomočjo funkcij na časovnem, frekvenčnem in časovno-frekvenčnem področju. Za analizo in klasifikacijo namenov gibanja amputiranca, so lastnosti časovnega okvirja običajno
5
sprejete kot uporabne lastnosti. Ker funkcije časovnega okvirja ne potrebujejo nobene okvirne transformacije zaradi neobdelanih EMG-signalov, zabeleženega skozi časovno lestvico, funkcije, ki so ovrednotene v časovnem okvirju, zahtevajo bistveno manj časa za izračun, kar vodi do hitrejšega spletnega nadzora nad protezo. Za pozicijo ali kontrolo sile protetične naprave morajo biti pridobljene lastnosti signalov klasificirane z uporabo različnih sistemov strojnega učenja. Prepoznani vzorci EMG odražajo namere gibanja uporabnikov.
Ti izbrani in klasificirani signali se vnesejo v krmilno shemo proteze. Skupina tehnik je bila predlagana za prepoznavanje vzorcev; podporni mehanizmi vektorjev (support vector machine – SVM; linearna diskriminantna analiza (LDA); mehka logika; umetna nevronska mreža (artificial neural network – ANN) in drevo odločanja (decision tree – DT). Zaradi nerazvrščanja lastnosti EMG in zmogljivosti predvidevanja časovno spremenljivih ciljev je bila ANN uporabljena kot najobsežnejše področje med naštetimi tehnikami. ANN se uporabi za razvrstitev časovnih značilnosti proteze na osnovi EMG (Karabolut et al., 2016).
SVM – algoritem strojnega učenja, ki se je izkazal za zelo učinkovitega pri reševanju problemov klasifikacije. Obravnava tudi primere, ki niso popolnoma ločljivi z uvedbo spremenljivke (Kumar et al., 2021).
ANN – je vrsta strojnega učenja navdihnjena s prefinjeno funkcionalnostjo človeških možganov, kjer stotine milijard med seboj povezanih nevronov vzporedno obdeluje informacije. Strojem omogoča prepoznavanje vzorcev v velikih in zapletenih naborih podatkov, tako da ločijo pomembne vzorce od nepomembnih (Reese 2020).
DT – algoritmi drevesa se v zadnjem času vedno bolj razvijajo v strojnem učenju, zaradi nizkih stroškov izračuna. Pristopi so pregledni in enostavni za razumevanje (klasifikacijski proces se predstavi kot drevo, dokler se ne pridobi klasifikacijski odgovor). Razvrstitev je razčlenjena na niz možnosti, kjer je vsaka izbira specifična za funkcijo. Prične se na dnu drevesa in po vrstnem redu napreduje do listov (optimiziran rezultat razvrščanja) (Saide et al., 2020).
6 1.4 Zasnova klasifikacije EMG
Giba odpri in zapri sta po naravi giba enaka odpiranju in zapiranju človeške roke. Da bi zaznali ta giba le z enim signalom, se spremlja mišična aktivnost fleksor digitorum.
Uporabijo se 3 elektrode, dve sta nameščeni med mišico za pridobitev signala, ena elektroda pa na kost. Gib ''spremeni'' je potrebno uskladiti z gibom, ki ga je mogoče zaznati z elektrodami. Za preprostost in razlikovanje od drugih gibov se izbere fleksija zapestja.
Dve elektordi sta namenjeni za gibanje prstov in fleksijo/ekstenzijo zapestja (Tavakoli et al., 2017).
Konvencionalni dekorderji amplitud ne morejo prevesti informacije. Prepoznava vzorcev meri EMG-signale iz seta preostalih mišic uda in uporabi strojno učenje algoritmov za učenje vzorcev iz fizioloških primernih mišičnih kontrakcij (Hargrove et al., 2017).
1.5 Klasifikacija algoritmov
Pri prepoznavanju vzorcev EMG so uporabljeni različni algoritmi za prepoznavanje lastnosti vektorjev, ki so lahko boljši od drugih, odvisno od specifičnega sistema, ki potrebuje nadzor. Eden pogostejših je ANN, in sicer zaradi razširjene zmogljivosti in sposobnosti, da prenaša tako preproste kot zapletene primere. Zaradi izbire lastnosti in časovnih omejitev pa je ta klasifikator preveč zapleten in počasen za uporabo. Nekateri priporočajo uporabo mehke logike, ki dovoljuje vstavljanje uporabnikove izkušnje, ampak vseeno ne deluje dobro z majhnimi dimenzijskimi sklopi. Linearni klasifikator pri uporabi z visoko dimenzionalnimi lastnostmi linearno loči 3 razrede. Pogosto se uporablja zaradi svoje preprostosti, a je še vseeno počasen. Podporni vektorski stroj (SVM) je usmerjen k visoki hitrosti usmerjanja in razvrščanja, kar povzroča uporaba protez. Algoritem tudi dobro deluje z majhnim nizom treningov in ob prisotnosti slabo izvedenih gibov zaradi svojega parametra elastičnosti (Tavakoli et al., 2017). Na 3. sliki je prikazano delovanje EMG-signalov.
7
Slika 3: Prikaz delovanja EMG-signalov (Saravanan et al., 2021).
1.6 Bionične proteze za zgornje ude
Pred nekaj stoletji so bili ročni amputiranci obsojeni na protezo s kavljem, ki je imela omejeno funkcijo. V današnji družbi pa lahko pričakujejo nadomestno roko, ki opravlja veliko funkcij prave roke in se že približa njenemu videzu. Prišlo je do znatnega napredka v bionični ročni tehnologiji, ki zdaj velja za zmago medicinskega inženirstva. Starejših dizajnov bioničnih rok ni bilo mogoče pritrditi na telo. Namesto tega so jih morali namestiti na mizo ali stol. Bile so težke in okorne z različnimi nadzornimi vhodnimi napravami, kot sta glasovni vhod ali računalniški nadzor, ki so bili za mnoge uporabnike nesprejemljivi. Trenutne bionične roke (Slika_4) pa lahko dosežejo boljši nabor funkcionalnih prijemov. Poganja jih motor, ki se zanaša na vir električne energije (Clement et al., 2011).
Ker je človeška roka zelo zapletena, je ponovitev njenih funkcij z bionično napravo velik izziv. Nadzor bionične roke mora biti hiter, enostaven in zanesljiv. Doseganje kompleksnejših gibov je odvisno od integracije z digitalno kontrolno metodo, ki omogoča gibanje. Mioelektrična kontrola je najbolj uporabljena metoda za nadzor bioničnih udov (električna aktivnost bo v fleksornem predelu podlakti povzročila upogibanje bionične roke). Občutek dotika v bionični okončini lahko razdelimo na dve različni kategoriji, in sicer na senzorične informacije, ki jih razlaga naprava sama, in občutke, ki jih zazna uporabnik. Sodobne enote so razvile preproste tehnike za razlago taktilnih senzoričnih informacij. Na primer: o trdnosti prijema zagotavljajo, da uporabnik predmeta ne lomi, če
8
jih drži premočno, medtem ko pridobljene informacije zvoka iz mikrofonov vgrajenih v roki zagotavljajo, da predmet ne zdrsne iz oprijema in se ne zaskoči. Te informacije so potrebne za neposreden nadzor naprave in jih je mogoče razlagati preko krmilne zanke, s čimer se zmanjša kognitivna obremenitev uporabnika in poveča sprejemljivost za pacienta.
Te funkcije izboljšujejo funkcionalnost naprave, vendar uporabniku ne zagotavljajo senzoričnih informacij o okolici. Pristop za poskus posnemanja občutkov je s prenosom dražljajev iz elektronskih senzorjev v bioničnih okončinah v naravne senzorje na kožo krna, ki jih bolnik zazna, kot da bi prihajali iz amputiranega dela roke (Clement et al., 2011).
Neposredni vmesniki s perifernim ali osrednjim živčnim sistemom zagotovijo okrepljen občutek iz bioničnih rok in se najbolj približajo obnovitvi senzoričnega zaznavanja roke.
Dokazano je, da občutki izboljšajo nadzor, saj amputirancem omogočajo natančnejši nadzor nad silo prijema in položaj sklepov umetnega uda. Bolnik je uspešnejši tudi v rehabilitaciji, ker od naprave prejema taktilne povratne informacije. Pomanjkljivost je, da se niti najboljši bionični udi še vedno ne približajo delovanju zapletenih funkcij roke.
Napredek biomaterialov je začel zmanjševati težo bioničnih rok, kar je bila prej ena izmed večjih ovir, zmanjša tudi napor, ki je potreben za manipulacijo roke. Zdrava roka med premikanjem ne povzroča hrupa v nasprotju z bioničnimi, ki se za napajanje in delovanje zanašajo na motorje (Clement et al., 2011).
Slika 4: Bionična roka (Clement et al., 2011).
9 1.6.1 Mehanični dizajn
Protetična roka je sestavljena iz petih aktivnih prstov, ki jih aktivira šest motorjev, vsak za svoj prst in eden za opozicijo palca. Opozicija palca je zelo pomembna za spretnost in sposobnost prijema. Motorji so nameščeni znotraj dlani, medtem ko so senzorji razporejeni po celotni konstrukciji. Proteza je le nekoliko večja od prave roke in tehta okoli 450 g.
Prsti in drugi gradbeni deli so narejeni iz acetil butil stirena (ABS) plastike na 3D tiskalniku, ostali deli pa so iz aluminija in jekla. Zaradi nerazporejenega sistema roke je omogočeno upogibanje obeh prstnih sklepov z enim enosmernim motorjem, vendar ne omogoča samostojnega premikanja vsakega prsta posebej. Vsak prst lahko rotira okoli MCP (metacarpofalangealnega) in PIP (proksimalno intrafalangealnega) sklepa za skupno 11 premičnih sklepov celotne roke (vključno z opozicijo palca). Konfiguracija vsakega prsta je odvisna od oblike predmeta, ki ga je potrebno prijeti. Tako postane prijem roke prilagodljiv. Taka oblika izboljša funkcionalnost naprave in posnema gibanje resnične človeške roke. Cilj je stabilno prijeti različne predmete brez večje zapletenosti mehanizma in nadzornega sistema. Roka lahko tako prijema različne predmete, vendar se morajo sklepi upogibati v določenem vrstnem redu (Borisov et al., 2017).
1.6.2 Kontrolni sistem
Mioelektrični kontrolni sistemi, ki temeljijo na prepoznavi vzorcev, so eni najpogosteje predlaganih. Med nadzorom prepoznavanja vzorcev program prepozna gibanje amputirancev z uporabo vzorca preko sEMG-signalov. Program jih nato klasificira in pošlje ukaz protetični roki, da izvede gib. Primer: elektrode se namestijo na fleksor carpi radialis, pri čemer so signali krčenja mišic poslani v kontroler, nato pa krmilni sistem pošlje signale motorjem za premik v določen položaj. Če se uporabnik želi vrniti v začetni položaj, mora le še enkrat skrčiti mišico (Borisov et al., 2017). Kontrolni sistem je prikazan na 5. sliki.
10
Slika 5: Shema protetičnega kontrolnega sistema (Borisov et al., 2017).
11
2 NAMEN
Namen diplomskega dela je opraviti pregled strokovne in znanstvene literature ter predstaviti uporabnost, prednosti in slabosti uporabe ter samo delovanje bioničnih protez za zgornje ude. Zanima nas tudi, kakšen je pomen elektromiografije pri njihovem upravljanju.
12
3 METODE DELA
Za pripravo diplomskega dela smo opravili pregled strokovne in znanstvene literature.
Literaturo smo iskali v angleškem jeziku v podatkovnima bazama PubMed in ScienceDirect. Po poiskusih iskanja literature z raznovrstnimi ključnimi besedami smo v končni fazi uporabili iskalni niz v angleškem jeziku: (bionic) AND (prosthetic OR prosthesis) AND (hand OR arm) AND (EMG signals) NOT (non amputee) NOT (able bodied). Primerne članke za naše delo smo izbrali na podlagi vključitvenih in izključitvenih kriterijev, ki so opisani v nadaljevanju.
Vključitveni kriteriji:
članki, ki niso starejši od 10 let, članki v angleškem jeziku,
prosto dostopni, neplačljivi članki,
prisoten opis bioničnih protez in EMG-signalov za zgornje ude, Izključitveni kriteriji:
članki starejši od 10 let,
članki, ki so vsebovali bionično oskrbo po kapi,
članki, ki so vključevali osebe, ki niso imele amputacije zgornjega uda, Pregled literature je predstavljen z diagramom poteka, ki je prikazan na sliki 6.
13
Slika 6: Diagram poteka iskanja literature.
14
4 REZULTATI
Pod pogojih, ki so navedeni v metodah dela, je bilo najdenih 7 člankov, ki so izpolnjevali zastavljene pogoje. Z izbiro le-teh ni bilo večjih težav, saj na to temo ni bilo opravljenih veliko raziskav. V raziskavah opisujejo bolnike z bionično rekonstrukcijo, uporabo bionične proteze in EMG-signale, ki so potrebni za premikanje proteze. Rezultate smo predstavili v tabelah, ki opisujejo število preiskovancev, spol, pripomočke, vzrok in vrsto amputacije ter ključne ugotovitve.
V izbranih člankih so sodelovale samo osebe moškega spola stare 24–58 let. Najmanjši vzorec sodelujočih oseb je bila samo ena oseba (Saide et al., 2020) ter največji vzorec 8 oseb (Hargrove et al., 2017). Preiskovanci v raziskavah so imeli različne patologije (vzroke za amputacijo uda), ki so jih reševali z bionično rekonstrukcijo in EMG-signali za upravljanje protetične roke. Rezultati so bili pridobljeni s pomočjo različnih testov in subjektivno oceno uporabnikov. Bionična rekonstrukcija in sama protetična oskrba je imela pozitiven vpliv na uporabnika (izboljšana samopodoba, opravljanje različnih aktivnosti). Tabela 1 prikazuje značilnosti preiskovancev (koliko je bilo sodelujočih, njihovo starost) in ključne ugotovitve. Tabela 2 pa prikazuje pripomočke, ki so bili uporabljeni v raziskavi, razlog in pa vrsto amputacije.
15
Tabela 1: Značilnosti preiskovancev in ključne ugotovitve.
AVTOR ŠTEVILO
PREISKOVANCEV
STAROST (LETA)
REZULTATI MERITEV, UGOTOVITVE
George et al., 2020
2 48, 57 Dokazano se da kombinirati nevronske in EMG- podatke. MKF se lahko uporabi za raziskovanje funkcionalnih in psiholoških koristi, povezanih z dolgotrajnim nadzorom protetičnih rok na domu.
Ortiz- Catalan et al., 2020
3 43-46 Intervju. 7 kategorij (3 kategorije intervencije;
mehanična pritrditev proteze na telo, intuitivna kontrola proteze, izkušnja senzorične povratne informacije. 4 kategorije iz pacientovih izkušenj:
praksa in uporaba proteze v vsakodnevnem življenju, zveza proteze s krnom, samopodoba in socialni odnosi.
Said et al., 2020
1 24 ANN, SVM in DT klasifikatorji. S SVM najboljši
rezultati z vrednostjo podatkov: 91,21 % z 1,92 % deviacijo; DT 73,46 % s 4,87 % deviacijo; ANN
84,78 % s 4,11 % deviacijo.
Hruby et al., 2019
6 32-55 ARAT-test izboljšanje iz 2,83 od 57 na 25 od 57
točk po bionični rekonstrukciji.
Struma et al., 2018
6 32-55 ARAT test izboljšanje iz 2,83 na 25 točk od 57.
Hargrove et al., 2017
8 25-58 SHAP in Clothespin relocation task (2) boljši rezultati z uporabo prepoznavanja vzorcev (90,2 s) (2) v primerjavi z direktno kontrolo (137 s) (2).
ACMC ni bistvene razlike med prepoznavanjem vzorcev (47,3) in direktno kontrolo (44,4). Box and blocks test ni velikih razlik med pred in po treniranju doma (prepoznavanje vzorcev: 13,4 kock, direktna kontrola: 15,6 kock).
Aszmann et al., 2015
3 26-33 DASH izboljšanje iz 46,5 na 11.7, ARAT
izboljšanje iz 5,3 na 18,6 s hibridno in 30,7 s končno protezo, SHAP izboljšanje iz 9,3 na 23,3 s hibridno in 65,3 s končno protezo. SF-36 znatno izboljšanje fizičnega funkcioniranja in mentalnega zdravja.
Legenda: ARAT test – Action research arm test; SHAP – Southampton assessment procedure; ACMC test – Assessment for capacity for myoelectric control; DASH – Disabilities of the arm, shoulder and hand; SF-36 – Short form survey; KF – Kalman filter; MKF – Modified Kalman filter, ANN – artificial neural network;
SVM – support vector machine; DT – decision tree
16
Tabela 2: Pripomočki, vrste in razlog amputacije.
AVTOR VRSTA
PRIPOMOČKA
VRSTA AMPUTACIJE
RAZLOG AMPUTACIJE
George et al., 2020 LUKE protetična roka Transradialna Poškodba zaradi električnega udara, bolečinski sindrom Ortiz-Catalan et al., 2020 Nevro-mišično-skeletna
proteza
Transhumeralna /
Said et al., 2020 3D-tiskana bionična roka
Transradialna Rojen z majhnim delom desne roke
Hruby et al., 2019 Hibridna protetična roka 4 transradialne, transhumeralna,
eksartikulacija v ramenskem sklepu
Globalna poškodba brahialnega pleteža
Struma et al., 2018 SensorHand Speed (Ottobock)
4 transradialne, transhumeralna,
eksartikulacija v ramenskem sklepu
Globalna poškodba brahialnega pleteža
Hargrove et al., 2017 7 protez s terminalno napajalnim kavljem, ena mioelektrična proteza
Transhumeralna 7 travmatskih, 1 sarkom
Aszmann et al., 2015 Michaelangelo ali Myobock protezna roka
Transradialna Globalna poškodba brahialnega pleteža
17
5 RAZPRAVA
Namen diplomskega dela je bil pregled literature na področju bioničnih protez za zgornje ude. Zanimalo nas je, ali bionične protezne roke bolje vplivajo na življenje posameznika kot življenje brez proteze in sama primerjava z zdravo roko.
Literaturo smo izbrali s pomočjo kriterijev, ki smo jih navedli v metodah dela, iz dveh podatkovnih baz PubMed in ScienceDirect. Pri pisanju smo se odločili za angleško literaturo. V raziskavo smo, na podlagi omejitvenih kriterijev v metodah dela, izbrali 7 člankov, ki so opisovali bionično rekonstrukcijo, EMG-signale in samo delovanje protetične roke. V vseh študijah so naprej opravili bionično rekonstrukcijo ali pa implantacijo elektrod, ki so potrebne za delovanje EMG-signalov. V vseh raziskavah so sodelovale osebe moškega spola stare 24–58 let.
V šestih študijah (George et al., 2020; Said et al., 2020; Hruby et al., 2019; Struma et al., 2018 Hargrove et al., 2017; Aszmann et al., 2015) so bile uporabljene protetične roke različnih vrst in proizvajalcev, kot so: LUKE, hibridna protetična roka, SensorHand Speed, Michaelangelo ali Myobock, 3D tiskana, s terminalno napajalnim kavljem in mioelektrična. V študiji Ortiz-Catalan et al., 2020 pa je bila uporabljena nevro-mišično- skeletna proteza (mioelektrična), ki je bila nameščena s pomočjo osteointegracije.
V vseh študijah (George et al., 2020; Ortiz-Catalan et al., 2020; Hruby et al., 2019; Struma et al., 2018; Hargrove et al., 2017; Aszmann et al., 2015) so sodelovale samo osebe moškega spola. Zaradi same primerjave oz. ugotavljanja razlik med spoloma bi bilo priporočljivo vključiti tudi žensko populacijo.
Vključene študije so morale vsebovati osebe po amputaciji roke, ne glede na stopnjo in vzrok amputacije. V večini so sodelovale osebe s transradialno amputacijo (Saide et al., 2020; George et al., 2020; Hruby et al., 2019; Struma et al., 2018; Aszmann et al., 2015), v štirih raziskavah osebe s transhumeralno amputacijo (Ortiz-Catalan et al., 2020; Hruby et al., 2019; Struma et al., 2018; Hargrove et al., 2017) in v eni oseba z eksartikulacijo v ramenskem sklepu (Hruby et al., 2019).
Najpogosteje uporabljen funkcijski test za ocenjevanje zgornjega uda, ki se pojavlja v treh študijah (Hruby et al., 2019; Struma et al., 2018; Aszmann et al., 2015), je ARAT-test. Je najpogostejši test, ki se uporablja v rehabilitaciji in je sestavljen iz štirih kategorij in 19
18
predmetov, v sklopu katerih se preverja sposobnost pacientovega manipuliranja in ravnanja s predmeti različne višine, oblike in teže. Preverja se prijem, oprijem, uščip in groba motorika. Maksimalno število doseženih točk je 57.
Ostali uporabljeni testi v raziskavah so bili še SHAP, ACMC, DASH, SF-37, Box and bloks test ter prestavljanje ščipalk za oblačila. Pri SHAP-testu (Hargrove et al., 2017;
Aszmann et al., 2015) gre za 8 lahkih in 8 težkih abstraktnih predmetov in 14 dnevnih aktivnosti, v sklopu katerih se preverja normalna funkcija roke. Doseže se lahko 100 ali več točk. Pri ACMC-testu (Hargrove et al., 2017) gre za oceno sposobnosti za mioelektrični nadzor proteze. Po našem mnenju bi se ga moralo uporabiti v vseh študijah, saj je predhodno zelo pomembno, ali je oseba sploh zmožna upravljati z mioelektrično protezo. Aszmann in sodelavci (2015) so poleg ARAT-in SHAP-testa uporabili še DASH- test pri katerem uporabljajo protezo v vsakodnevnem življenju in je 100 doseženih točk najslabša ocena, 0 pa najboljša. Z vprašalnikom SF-36 so preiskovanci testirani glede sprememb kvalitete življenja pred in po bionični rekonstrukciji. Vsebuje osem vsebinskih sklopov (fizična funkcija, telesna bolečina, generalno zdravje, vitalnost, delovanje družbene vloge, delovanje fizične vloge, emocije in mentalno zdravje). Vsak del se oceni s točkami 0–100. Mnenja smo, da bi se ta obrazec moral izpolniti pred vsakim sodelovanjem preiskovanca, v našem primeru pri raziskavah o uporabnosti protetičnega pripomočka, in tudi po koncu sodelovanja, da se lahko vidi, ali je oseba s pripomočkom bolj funkcionalna ali ne.
Hargrove in sodelavci (2017) so, za razliko od ostalih uporabili še dva druga testiranja spretnosti s protezo, in sicer Box and Bloks, kjer s protezo prestavljajo kocke čez blok v narisane kvadratke, ter Clothespin relocation task, kjer premikajo ščipalke za obešanje oblačil. S tem se ocenjuje motorika, prijemi ter nadzor nad protezo.
Osseointegracija je postopek, ki sta ga opisovala Middleton in Ortiz-Catalan (2020).
Namen te študije je pridobiti izkušnje iz prve roke uporabnikov, ki živijo z živčno-mišično- skeletno protezo, s poudarkom na vključevanju proteze v svoje življenje, občutku telesa in indentitete. Uporabila sta interpretativni fenomenološki pristop za tematično vsebinsko analizo, ki postavlja v središče izkušnje in načine spoznavanja ljudi, ki so kot leče za razumevanje živih fenomenov. To metodo sta uporabila, ker se približa življenju posameznikov in njihovim izkušnjam. Intervju je z vsako osebo trajal 45–75 min. Nov koncept, kot je živčno-mišično-skeletna proteza, rešuje dolgotrajne probleme z uporabo
19
ležišča in zagotavlja direktno pritrditev proteze na sklep. Z implementiranimi elektrodami v živcih in mišicah uporabnikom nudi dvosmerno povezovanje z nevro-mišičnim- skeletnim sistemom. V študiji so intervjuvali tri osebe s transhumeralno amputacijo; od ostalih študij se razlikuje po tem, da imajo vse osebe osteointegrirano protezo, dve od teh sta bili deležni tudi mišične reinervacije za boljši nadzor protezne dlani. Protezo dolgoročno uporabljajo na domu z neinvazivno senzomotorično metodo (sEMG-signali). V intervjujih so uporabniki primerjali svoje izkušnje z živčno-mišičnim-skeletnim sistemom s predhodno protezo z ležiščem ter površinske elektrode v primerjavi z implementiranimi.
Intervju so razdelili na sedem kategorij (Slika_6). Kategorija 1: Mehanična pritrditev.
Uporabniki dajejo prednost direktni skeletni pritrditvi (osseointegraciji) pred ležiščem s suspenzijo. Vsi so pred osseointegracijo nosili navadno protezo z ležiščem, po posegu pa navajajo, da je bila prejšnja proteza neudobna, nepraktična, vanjo so se veliko potili.
Osseointegrirano protezo pa opisujejo kot udobno, lahko in prijetno. Kategorija 2:
Kontrola proteze. Vsi uporabniki so primerjali med seboj površinske in implementirane elektrode. Navedli so, da obstaja veliko zunanjih dejavnikov, ki motijo delovanje mioelektrične proteze s površinskimi elektrodami (če je šel uporabnik mimo elektromagnetnega polja, so mu stvari padle iz roke, komolec se je sam aktiviral, pojavili so se nepravilni gibi rok). Z implementiranimi elektordami pa so poročali o boljši stopnji delovanja in premikanja proteze. Kategorija 3: Izkušnje senzorične povratne informacije.
Uporabniki so v času študije uporabljali senzorično povratno informacijo 2 leti (uporabnik 1) in 6 mesecev (uporabnik 2 in 3). Navajajo jo kot električno in odrevenelo, ki jim daje nenaraven občutek. Uporabljena protetična roka je bila SensorHand Ottobock. Kategorija 4: Praksa in uporaba proteze v vsakodnevnem življenju. Vsi uporabniki navajajo, da nevro- mišično-skeletno protezo nosijo skoraj čez cel dan v primerjavi s protezo z ležiščem in površinskimi elektrodami. Navajajo tudi, da lahko z njo opravljajo veliko več opravil kot z navadno protezo, imajo večjo vpletenost v družinskem življenju (so bolj v pomoč, stvari naredijo bolj hitro), nosijo pa jo tudi v službo (vožnja tovornega vozila, fizično delo, pisarniško delo, delo za računalnikom). Kategorija 5: Zveza proteze s fantomskim udom.
Dva uporabnika od treh navajata, da sta imela fantomsko bolečino pred nevro-mišično- skeletno protezo in je sedaj po uporabi le-te popolnoma izginila. Kategorija 6:
Samopodoba, vgradnja proteze v telo. Navajajo družbene in emocionalne koristi, povečano samopodobo, identiteto, počutijo se manj hendikepirano. Kategorija 7: Socialni odnosi.
Socialni odnosi v družbi so se jim izboljšali. Člani družine in prijatelji so se pozitivno navadili na protezo. Mnenja smo, da je bilo v študijo vključeno premalo število oseb, nivo
20
amputacije je pri vseh treh transhumeralni in ni možnosti primerjave, vse osebe so moškega spola, belci in srednjih let.
Slika 7: Diagram sedmih ključnih tem, ki izhajajo iz intervjujev udeležencev (Ortiz- Catalan, Middleton 2020).
V dveh študijah (Hruby et al., 2019; Aszmann et al., 2015) so sodelovale osebe s poškodbo brahialnega pleteža, katerih ud je bil nefunkcionalen in so šli na poseg bionične rekonstrukcije z amputacijo ''nedelujočega'' uda. Slika 7 shematsko prikazuje osebo s poškodbo brahialnega pleteža. Najprej so ''nedelujočo'' roko poskušali rešiti z reinervacijo mišic, ampak so bile le-te prešibke za kontrolo uda, vendar še vedno dovolj močne, da so iz teh mišic pridobili signal za nadzor protezne roke. Aszmann in sodelavci (2015) so sprva poskušali rešiti biološki ud z reinervacijo fleksorjev roke, ampak neuspešno. Kljub temu je bila elektromiografska aktivnost dovolj močna za kontrolo mioelektrične proteze. Prejeli so protezo, s katero zdaj bolje opravljajo vsakodnevne funkcije. Po rehabilitaciji pacienti navajajo, da z njo opravljajo vsakodnevne aktivnosti in so zadovoljni, da so svoj nefunkcionalen ud zamenjali s protetičnim pripomočkom.
21
Slika 8: Proces bionične rekonstrukcije s funkcionalno mišično transplantacijo (Aszmann et al., 2015).
5.1 Učinkovitost bionične rekonstrukcije s sEMG-povratno informacijo
V študiji Middleton in Ortiz-Catalan (2020) uporabniki v primerjavi s sEMG bolj priporočajo implementirane elektrode. So mnenja, da zunanji dejavniki lahko motijo delovanje sEMG-elektrod, za implementirane pa poročajo o boljši stopnji delovanja in večjim nadzorom nad protezo. Sklepamo, da je to lahko pogojeno z osteointegrirano protezo. V vseh študijah so se EMG-signali izkazali za uporabne, uporabniki imajo boljši nadzor nad protezo, aktivneje lahko sodelujejo v vsakodnevnih aktivnostih, izboljšano imajo tudi samopodobo. Prednosti sEMG sta tudi možnost nastavitve elektrod med preizkušanjem in večkratno prestavljanje, kar z implementiranimi EMG ni izvedljivo, saj lahko povzroča tudi bolečino.
22
5.2 Prednosti in pomanjkljivosti raziskav
Samo v študijah Said et al., 2020, George et al., 2020 so opisovali oz. navedli, kateri klasifikatorji (algoritmi) so bili uporabljeni pri prevajanju EMG-signalov. Obe sta preiskovali različne klasifikatorje. Said in sodelavci (2020) so preučevali ANN-, SVM- in DT-klasifikatorje, George in sodelavci (2020) pa so Kalmanov filter modificirali in izkazal se je za uporabnega. V veliki večini so se posvetili samo klasifikatorjem in za testiranje proteze niso uporabili klasičnih testov, ki so navedeni zgoraj, ampak so uporabniki morali opravljati samo nekaj aktivnosti vsakodnevnega življenja. To nas je zmotilo, saj tako niso dobili najbolj natančnih podatkov o izboljšani funkciji roke. Za boljše razumevanje in izbiro, kateri klasifikator je najbolj uporaben, bi lahko v vseh študijah to tudi navedli. Prav tako nas je zmotilo, da so pri vseh obravnavanih študijah uporabljene različne proteze. V posamezni študiji, kjer je sodelovalo več oseb (Hargrove et al., 2017), so uporabniki imeli na voljo, da sami izbirajo med različnimi protezami. Zaradi različnih protez je članke med seboj težje primerjati, saj je vsaka protetična roka drugačna in lahko že sama konstrukcija drugače vpliva na rezultate (teža proteze). Hargrove in sodelavci (2017) so uporabnikom omogočili, da so lahko s prenosnim sistemom tudi doma z mioelektrično protezo opravljali vsakodnevna opravila, le-ta se namreč razlikujejo od tistih v laboratoriju.
Na domu so protezo uporabljali minimalno 42 dni za vsako konfiguracijo (direktna kontrola ali prepoznava vzorcev). Testirali so aktivnosti, kot so priprava hrane, hranjenje, oblačenje, nakupovanje ter opravljanje opravil. Menimo, da bi lahko bilo vsem uporabnikom omogočeno testiranje proteze na domu, saj že zaradi spremembe okolja lahko pride do različnih odstopanj, ker se morajo sami znajti v dani situaciji.
Pri nobeni študiji, razen pri Hargrove in sodelavci (2017), ni bilo zapisano, ali so uporabniki za nadzor proteze uporabljali direktno kontrolo ali prepoznavo vzorcev.
Tehnika prepoznave vzorcev meri EMG-signale iz preostalih mišic amputiranega dela uda in uporablja strojno učene algoritme za učenje vzorcev iz fiziološko primernih mišičnih kontrakcij. Omogoča brezhibno zaporedno upravljanje brez preklapljanja. Nadzoruje tudi hitrost gibanja s pomočjo EMG-signalov, ne le iz enega antagonističnega mišičnega para.
Posledično je na voljo več informacij za počasnejši nadzor in natančne gibe. Za direktno kontrolo so ti signali posneti iz preostanka para agonista-antagonista, ena mišica nadzoruje eno smer motorja v protetičnem sklepu. Hitrost motorja je sorazmerna z velikostjo EMG- signala. Hruby in sodelavci (2019) so zaradi pacientov s poškodbo brahialnega pleteža
23
uporabili direktno kontrolo prav zaradi tega, ker prepoznava vzorcev zaradi limitiranih delujočih mišic ne pride v poštev.
Zmotilo nas je tudi, da v večini študij (George et al., 2020; Said et al., 2020; Hruby et al., 2019; Struma et al., 2018) ni navedeno, koliko časa so trajale. S tem bi imeli pregled nad tem, koliko časa so pacienti potrebovali, da so se naučili upravljati protezo in koliko časa so potrebovali za rehabilitacijo po bionični rekonstrukciji. Študija Aszmann in sodelavci (2015) je trajala od aprila 2011 do maja 2014. Trajala je dalj časa, saj so uporabniki bili predhodno deležni bionične rekonstrukcije in preden so lahko aktivno začeli uporabljati protezo, so morali zaključiti z rehabilitacijo. Študija Hargrove in sodelavci (2017) pa je trajala od februarja 2013 do februarja 2016. Tudi ti uporabniki so bili predhodno deležni mišične reinervacije, v času testiranja pa so protezo uporabljali tudi na domu.
V študijah Saide et al., 2020; George et al., 2020; Ortiz-Catalan, Middleton 2020; Hruby et al., 2019; Hargrove et al., 2017 ni navedeno, koliko časa je trajala rehabilitacija po kirurškem posegu in koliko časa je trajal trening za nadzor proteze, kar je Struma s sodelavci (2018) lepo opisal.
Primarni cilj rehabilitacije za paciente z bionično rekonstrukcijo ni obnovitev mišične moči, ampak vzpostavitev dveh neodvisnih signalov EMG, ki sta potrebna za nadzor mioelektrične proteze. Treningi s sEMG-signali se začnejo takoj s prvim zavestnim krčenjem nove ciljne mišice, približno 6–9 mesecev po posegu. Za bolnike po bionični rekonstrukciji se potrdijo sEMG-signali, ko mišice pri večkratni kontrakciji dosežejo 2-3 x večjo amplitudo kot med sprostitvijo. Prva faza rehabilitacije vključuje identifikacijo EMG-signalov, v drugi pa se signali sEMG uporabljajo za neposreden nadzor nad namizno protezo, čeprav protetična roka še ne daje natančne povratne informacije, kot je vizualizacija preko EMG. Ta pristop omogoča napoved protetične funkcije roke po amputaciji. Uporabniki so opremljeni s hibridno protezno roko nameščeno pod paraliziranim udom. Amputacija označuje začetek tretje faze rehabilitacije, v sklopu katere testiranje in usposabljanje s sEMG zagotavlja, da lahko pacient vedno neodvisno aktivira obe mišici. Pozicije signalov se uporabijo tudi za oblikovanje protetičnega ležišča, kar je mogoče 4–6 tednov po amputaciji. Pri vseh amputirancih je priporočljivo protetično usposabljanje za nadzor protez v vsakodnevnih dejavnostih in označuje konec rehabilitacije.
24
V študiji Struma in sodelavci (2018) so vodeni treningi z uporabo sEMG povratnih informacij s terapevtom trajali 30 minut na dan, vsaka dva tedna. Uporabniki v študiji Aszmann in sodelavci (2015) so trenirali aktivacijo mišic. Kasneje v zdravljenju so bili signali uporabljeni za nadzor proteze.
V študiji Struma in sodelavci (2018) so bile elektrode nameščene na proksimalni tretjini podlakti (na mišici pronator teres in na ekstenzornem predelu). Said in sodelavci (2020) so, namesto, da bi elektrode nameščali na mišice, uporabili Myo zapestnico, ki so jo namestili na predel podlakti. V študiji George et al., 2020 so za namestitev sEMG uporabili neoprenski rokav narejen po meri z vgrajenimi elektrodami, ki so ga postavili na ekstrizične mišice nadlakti in čez ulno, nekaj centimetrov distalno od komolca. V študiji Hargrove et al., 2017 so elektrode postavili na mišici biceps in triceps. Elektrode so nameščene na različnih mestih, ker gre za različno stopnjo amputacije in glede na preostalo muskulaturo. V treh študijah Ortiz-Catalan, Middleton 2020; Hruby et al., 2019; Aszmann et al., 2015 pa ni navedeno, kam so namestili elektrode.
Vse študije pa so si enotne v tem, da nadzor proteze z elektromiografijo bolje vpliva na življenje posameznikov, njihovo interakcijo v vsakodnevnih aktivnostih in jim izboljša samopodobo.
25
6 ZAKLJUČEK
Naše roke so v vsakodnevnem življenju zelo pomembne in pogosto narekujejo, kaj lahko storimo in česa ne ter nas na ta način določajo. Kakovost življenja amputirancev zgornjih udov je pogosto omejena zaradi omejenega in neučinkovitega nadzora nad protezami.
sEMG povratne informacije predstavljajo dragocena orodja za zmanjševanje zahtevnega kognitivnega procesa motoričnega okrevanja povezanega z bionično rekonstrukcijo. Danes imamo bionične ročne proteze, ki dajejo uporabnikom veliko boljšo funkcionalnost, so sprejemljive s strani več uporabnikov ter so vzdržljive in udobne. Te proteze pa bodo morale kljub vsemu premagati precejšnje ovire, da bodo lahko posnele precizne gibe rok.
Uporabljene so bile raznolike mioelektrične proteze za zgornje ude. Ne glede na raznolikost protez so bili v vseh študijah uporabniki zadovoljni z njihovim delovanjem.
Proteze so dobro vplivale na uporabnike, saj se pri njihovi uporabi tako počutijo bolj koristni pri opravljanju vsakodnevnih dejavnosti, skoraj nemoteno opravljajo svoj poklic, imajo večjo samozavest, pri nekaterih osebah so imele pozitivne učinke na odpravljanje fantomske bolečine. Menimo, da bi lahko bilo več protez bilo tridimenzionalno natisnjenih, saj so znatno cenejše in lažje. Nadaljnje študije bi lahko vključevale raziskave o negativnih učinkih dolgotrajnega nošenja EMG-elektrod pri uporabnikih.
26
7 LITERATURA IN DOKUMENTACIJSKI VIRI
Aman M, Festin C, Sporer EM et al. (2019). Bionic reconstruction: Restoration of extremity function with osseointegrated and mind-controlled prostheses. Wien Klin Wochenschr 131(23-24): 599-607. doi: 10.1007/s00508-019-1518-1.
Aszmann OC, Roche AD, Salminger S et al. (2015). Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. Lancet 385(9983):
2183-9. doi: 10.1016/S0140-6736(14)61776-1.
Bannasch R (2009). Bionics. Technology guide 4(178). doi: 10.1007/978-3-540-88547-4.
Borisov II, Borisova OV, Krivosheev SV, Oleynik RV, Reznikov SS (2017). Prototyping of EMG-controlled prosthetic hand with sensory system. 50(1): 16027-31. doi:
10.1016/j.ifacol.2017.08.1915.
Castellini C, van der Smagt P (2009) Surface EMG in advanced hand prosthetics. Biol Cybern 100(35–47). doi: .org/10.1007/s00422-008-0278-1
Clement RGE, Bugler KE, Oliver CW (2011). Bionic prosthetic hands: A review of present technology and future aspirations. The Suurgeon 9(6): 336-40. doi:
10.1016/j.surge.2011.06.001.
Dunai L, Novak M, Espert GK (2020). Human hand anatomy-base prosthetic hand.
Sensors (Basel) 21(1): 137. doi: 10.3390/s21010137.
George JA, Davis TS, Brinton MR, Clark GA (2020). Intuitive neuromyoelectric control of a dexterous bionic arm using a modified kalman filter. J Neurosci Methods. ( 330). doi:
10.1016/j.jneumeth.2019.108462.
Gregersen H (2020). Novel bionics assessment of anorectal mechanosensory physiology.
Bioengineering (Basel) 7(4): 146. doi: 10.3390/bioengineering7040146.
Hargrove LJ, Miller LA, Turner K, Kuiken TA (2017). Myoelectric pattern recognition outperforms direct control for transhumeral amputees with targeted muscle reinnervation:
A randomized clinical trial. Sci Rep 7(1): 13840. doi: 10.1038/s41598-017-14386-w.
27
Hruby LA, Struma A, Aszmann OC (2019). Surface electromyographic biofeedback as a rehabilitation tool for patients with global brachial plexus injury receiving bionic
reconstruction. J Vis Exp (151). doi: 10.3791/59839.
Karabulut D, Ortes F, Arslan YZ, Adli MA (2017). Comparative evaluation of EMG signal features for myoelectric controlled human arm prosthesis. Biocybernetics amd Biomedical Engineering. 37(2): 326-35. doi: 10.1016/j.bbe.2017.03.001.
Kumar B, Sinha A, Chakrabarti S, Vyas OP (2021). A fast learning algorithm for one-class slab support vector machines. KBS 228: 107267. doi: 10.1016/j.knosys.2021.107267.
Maduri P, Akhondi H (2021). Upper limb amputation. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
Middleton A, Ortiz-Catalan M (2020). Neuromusculoskeletal arm prostheses: Personal and social implications of living with an intimately integrated bionic arm. Front Neurorobot 14:
39. doi: 10.3389/fnbot.2020.00039
Resse MK (2021). Deep learning artificial neural networks for non-destructive archaeological site dating. Journal of archaeological Science 132: 105413. doi:
10.1016/j.jas.2021.105413.
Said S, Boulkaibet I, Sheikh M et al., (2020). Machine – learning – based muscle control of a 3D – printed bionic arm. Sensors (Basel) 20(11): 3144. doi: 10.3390/s20113144 Saravanan G, Kumar SP, Devi RL, Maharana R (2021). Performance analysis of acrylic material based prosthetic limb with EMG signal. Mater Today: Proc. doi:
10.1016/j.matpr.2020.12.474.
Struma A, Hruby LA, Prahm C, Mayer JA, Aszmann O (2018). Rehabilitation of upper extremity nerve injuries using surface EMG biofeedback: Protocols for clinical application.
Front Neurosci 12: 906. doi: 10.3389/fnins.2018.00906.
Sudarsan S, Sekaran CE (2012). Design and development of EMG controlled prosthetic limb. Procedia Eng 38: 3547-51. doi: 10.1016/j.proeng.2012.06.409.
28
Tavakoli M, Benussi C, Lourenco JL (2017). Single channel surface EMG control of advanced prosthetic hands: A simple low cost and efficient approach. Expert Syst Appl 79:
322-32. doi: 10.1016/j.eswa.2017.03.012.
