Một bàn tay giả tạo – Đổi mới Med-Tech – TechToday
Dave Walsha, người quản lý bán hàng tại nhà cung cấp động cơ DC EMS, giải thích cách phát triển trong công nghệ sản xuất và robotic đang mang lại trải nghiệm giả tạo cho bệnh nhân như chưa từng có.
Các trưởng chiếc giả tạo cánh tay trên cơ thể thường bị bỏ bó vì một số 18% bệnh nhân, mặc dù một số nghiên cứu trích dẫn con số này lên tới gần một nửa. Rõ ràng, việc sao chép sự phức tạp của thiết kế con người vào một sản phẩm giả tạo thoải mái, dễ sử dụng không phải là một nhiệm vụ dễ dàng.
Phần ba, gậy và xe lăn cung cấp một số hỗ trợ cho những người mất chân. Nhưng những loại hỗ trợ này không cung cấp tự do như hai chiếc chân lành mạnh, và vấn đề này còn tăng lên nếu họ cũng mất tay hoặc cánh tay. Công việc đơn giản như mở một lọ hoặc buộc đôi giay trở nên khó khăn và tốn thời gian, dẫn đến sự bực bội và giảm chất lượng cuộc sống.
Do đó, nhiều nỗ lực đã được thực hiện qua các năm để tạo ra cánh tay giả tạo mang lại tự do và độc lập cho người mất tay.
Có hai loại chính của giả tạo: chủ động và bị động. Thiết bị bị động chỉ đơn giản dùng cho mục đích thẩm mỹ, không cung cấp chuyển động bổ sung. Còn các thiết bị động hoặc được điều khiển bằng điện có chức năng cung cấp chuyển động cho chiếc cánh tay.
Giả tạo điện, hay giả tạo ‘myoelectric’ chứa các điện cực để nhận tín hiệu elektromyografic (EMG) từ cơ bắp hoặc dây thần kinh trên vùng bị mất. Đó là những tín hiệu điện này được truyền đến thiết bị điều khiển của giả tạo, nơi tín hiệu được khuếch đại và sử dụng để điều khiển các động cơ để chuyển động tương ứng.
Mặc dù giả tạo có thể mang lại nhiều lợi ích, công nghệ hiện vẫn đối mặt với nhiều vấn đề. Bệnh nhân thường báo cáo về sự không vừa vặn, gây ra sự không thoải mái, kích ứng da và thậm chí khiến một số bệnh nhân bỏ rơi giả tạo của họ hoàn toàn. Tính cá nhân rất đa dạng của con người, dù là tỷ lệ thân hình hoặc tính chất của việc mất tay, có nghĩa là không có hai người dùng nào giống nhau – và do đó, giả tạo của họ cũng không should not should not đòi hỏi một sản phẩm chuẩn hóa, trong khi cũng tăng chi phí cho mỗi chiếc giả tạo.
Một vấn đề phổ biến khác là thiếu chức năng. Tay người có thể nắm giữ các vật phẩm có nhiều hình dạng, kích cỡ và cấu trúc bên trong. Điều này bao gồm các vật dễ vỡ, mà có thể được nắm chặt đủ mạnh để giữ chúng chắc chắn nhưng không gây hỏng hoặc vỡ vật phẩm. Hầu hết các chiếc tay giả tạo có sẵn trên thị trường gặp khó khăn trong việc cung cấp mức độ chuyển động hoặc phản hồi giới thiệu cảm xúc tương tự và do đó có thể làm nguồn cảm giác bực bội hơn là sự giúp đỡ.
Có những vấn đề nêu trên tạo nên một thách thức lớn đối với nhà thiết kế, nhưng vẫn có cách để giải quyết chúng. Xử lý các vấn đề về vừa vặn và tùy chỉnh, ví dụ, có thể thông qua việc sử dụng công nghệ in 3D. Trong những năm gần đây, sự tiến bộ trong in 3D đã làm cho việc sản xuất các sản phẩm có khả năng tùy chỉnh cao trở nên kinh doanh hơn. Với không có cần thiết của đơn hàng tối thiểu hoặc cần tạo khuôn riêng, các chiếc giả tạo có thể được thiết kế mẫu và phát triển theo cá nhân để vừa vặn tốt hơn. Điều này cũng cho phép cá nhân hóa thẩm mỹ giả tạo để giảm bớt sự nổi bật của giả tạo.
Để giải quyết những vấn đề về chức năng, thu nhỏ kích thước của thiết bị điện bên trong giả tạo là điều cần thiết. Những chiếc động cơ DC có chức năng di chuyển của các khớp giả tạo phải nhỏ đủ để có thể lắp trong một bộ khung được xây dựng để giả tạo tương tự như cánh tay người. Tuy nhiên, các hạn chế về kích thước này không nên làm tổn hại đến phần còn lại của các thông số kỹ thuật. Quan trọng là những động cơ vẫn cung cấp một mô men xoắn cao, với khả năng thay đổi hướng một cách nhanh chóng để điều chỉnh cho những chuyển động nhanh hoặc đột ngột.
Chọn một loại cách điều chỉnh tốt có lợi cho nhiều ứng dụng y tế, và giả tạo cũng không phải ngoại lệ. Loại cơ quan điều kiện bằng graphit và kim loại quý đều có sẵn, mặc dù loại cuối cùng là tốt nhất cho các ứng dụng được cung cấp bằng pin.
Thực hiện công nghệ phức tạp hơn mở ra những lợi ích khác, chẳng hạn như giả tạo có thể thích nghi với cách điệu của từng cá nhân. Bộ xử lý microman có độ mạnh cao và cảm biến chính xác nhỏ làm việc cùng với những động cơ này cho phép hệ thống có thể phản hồi ngay lập tức đối với chuyển động của bệnh nhân. Điều này cung cấp cho trải nghiệm đi bộ tự nhiên hơn và có nghĩa là giả tạo có thể phản ứng nhanh chóng trong trường hợp vấp hoặc mất thăng bằng.
Việc thiết kế và sản xuất giả tạo vẫn là một thách thức, nhưng với nhu cầu tiếp tục cho cánh tay giả tạo, nó là một lĩnh vực quan trọng cần phát triển hơn nữa. Bằng cách sử dụng các công nghệ tạo mẫu, vật liệu và điện tử cải thiện, nhà sản xuất có thể cung cấp cho bệnh nhân mất tay một trải nghiệm giả tạo vượt trội.
Nguồn: https://techtoday.co/an-artificial-helping-hand-med-tech-innovation/
Dave Walsha, sales manager at DC motor supplier EMS, explains how developments in manufacturing and robotics technologies are offering patients a prosthetic experience like never before.
Upper limb prosthetics are abandoned by some 18% of patients, though some studies cite this figure as high as almost one in two. Evidently, replicating the complexity of human design in a comfortable, easy-to-use prosthetic is no easy feat.
Crutches, walkers, and wheelchairs offer some leg amputees additional support for movement. But these types of aids do not grant the same freedom as two working limbs, and the problem is amplified for those also missing hands or arms. Simple tasks such as opening a jar or tying a pair of shoelaces become difficult and time-consuming, leading to frustration and a decreased quality of life.
As a result, extensive efforts have been made over the years to create prosthetic limbs that grant amputees more freedom and independence.
Prosthetic principles
There are two main types of prosthetics: passive and active. Passive devices are simply for aesthetic purposes, offering no additional movement. Active or powered devices are those that provide functionality to the limb.
Electrically powered prosthetics, or ‘myoelectric’ prosthetics contain electrodes to receive electromyographic (EMG) signals from the muscles or nerves above the amputation. It’s these electrical signals that are transmitted to the prosthetic’s control electronics, where the signals are amplified and used to direct the motors to move accordingly.
Prosthetic problems
Despite the benefits prosthetics can offer, the technology still faces problems. Poor fit is a common problem reported by users, which can lead to discomfort, skin irritation and even causing some patients to abandon their prosthetic altogether.
The highly individualised nature of humans, whether it’s their body proportions or the nature of the amputation means that no two users are the same — and therefore, neither should their prosthetics be. This makes component manufacturing hard to standardise, while also increasing the cost per prosthetic.
Another common concern is the lack of functionality. The human hand can grip objects of a variety of shapes, sizes, and textures. This includes fragile items, which can be held tight enough to keep them secure but without damaging or breaking the object. Most commercially available bionic hands struggle to offer a comparable level of movement or sensory feedback and can therefore be a source of frustration more than an aid.
Improving design
These issues represent a major challenge for designers, but there are ways to address them. Tackling fit and customisation issues, for instance, is possible by making use of 3D printing technologies. In recent years, advancements in 3D printing have made it more commercially viable to produce highly customisable products. With no minimum order or the need to create specific moulds, prosthetics can be prototyped and developed on an individual basis for an improved fit. This also allows for aesthetic personalisation for a less obtrusive prosthetic.
To address functionality concerns, miniaturisation of the electronics within the prosthetic is essential. The DC motors that facilitate the movement of artificial joints must be small enough to fit within a housing built to replicate human limbs. However, these size restrictions should not come as a detriment to the rest of the specification. It’s important that these motors still offer a high torque, with the ability to quickly change direction to account for quick or sudden movements.
Opting for a coreless or ironless DC motor is preferable for many medical applications, and prosthetics is no exception. Eliminating the iron contained in traditional DC motors significantly reduces the minimum moment of inertia, allowing for rapid acceleration and deceleration rates and cogging-free running. Additional benefits include low noise, a compact design, and low power consumption, particularly at no-load conditions.
Other considerations to make include the choice of commutation. Graphite and precious metal commutation types are available, though the latter is best suited to compact, battery-powered applications.
Implementing more sophisticated technology unlocks further benefits, such as prosthetics that can adapt to the individual’s gait. High-power microprocessors and miniature precision sensors working alongside these motors allows for a system that can respond in real-time to patient movement. These offer a more natural walking experience and mean that the prosthetic can react quickly in the case of a stumble or loss of footing.
The design and manufacture of prosthetics maintains a challenge, but with the continued need for artificial limbs, it’s an area that’s important to develop further. By making use of improved prototyping technologies, materials and electronics, manufacturers can offer amputees with a prosthetic experience a touch above the rest.
