Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка нейропротезов верхней конечности в условиях экстремально низких температур

Сведения об участнике
ФИО
Попов Иван Олегович
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Науки о жизни и медицина
Раздел области наук
Медицинская физика и медицинская техника
Тема
Разработка нейропротезов верхней конечности в условиях экстремально низких температур
Резюме
В данной работе предоставлены промежуточные результаты исследований, направленное на создание нейропротеза верхней конечности для эффективного использования в условиях экстремально низких температур, максимальное упрощение схемы протеза для массового производства по доступной для населения цене, а также компенсацию основных функций конечности: двигательная (хватание, сгибание и разгибание пальцев, сгибание и разгибание кисти) и чувствительная (поверхностная тактильная перцепция)
Ключевые слова
Нейропротезирование, экстремально низкие температуры, нейроинтерфейс
Цели и задачи
Разработка простых и функциональных нейропротезов, адаптированные под региональные особенности, и способные предоставляться всем инвалидам с условиями социального страхования. Работа проводится согласно указу Президента Российской Федерации Путина об импортозамещении.
Введение

Введение В настоящее время в сфере реабилитации наиболее актуальной остаётся тема «умных» протезов. Эти протезы, или нейропротезы – являются результатом синтеза медицины и высоких технологий. Современные методы реабилитации нацелены на максимальное восстановление функций организма человека. И если раньше старые протезы имели, в основном, косметическое восстановление, то теперь эти же протезы могут осуществлять ряд простых движений, которые существенно облегчают и улучшают жизнь инвалидов. На отечественном же рынке демонстрируется отсутствие или недостаток производства нейропротезов, что существенно сказывается на качестве протезов, закупаемая Фондом социального страхования.  

Методы и материалы

Разработки проводятся на базе лаборатории биофизики ФТИ СВФУ. При создании нейропротеза были использованы возможности 3D принтера, при помощи которой была распечатана форма или каркас руки. Техническая составляющая и принцип работы являются конфиденциальной информацией. Команда исследователей состоит из студента медицинского института Попова Ивана, заведующего лаборатории «Биофизика» ФТИ Алексеева Айаасхана Ивановича, заведующий лаборатории «Механотроника» Филиппова Ивана Михайловича, выпускницы ТУСУР г.Томск Николаевой Анны, студентки МИ Саввиной Любовь Эдуардовны и специалистов-консультантов из разных направлений наук. 

Описание и обсуждение результатов

В условиях лаборатории биофизики ФТИ была создана 3D модель руки для тестирования оптимального варианта вычислительной технологий. Данная форма имитировала кисть и предплечье, имела функциональные фаланговые и лучезапястный суставы, которые давали возможность сокращать сгибатели всех пальцев и в отдельности (производить сжатие и разжатие кисти), а также супинацию и пронацию в области лучезапястного сустава.  Полость предплечья дает возможность имплантации в неё приводов для механической работы протеза, два питательных элемента и микропроцессор. Последнее служило для приема сигналов от миосенсоров, их обработки и дальнейшей передачи команд на приводы для совершения механического движения. Таким образом, протез может выполнять различные команды лишь по сокращению определенных мышц. Данная система была успешно опробована на одном из участников команды, показав отличные показатели точности, скорости и плавности движения.          Следующим этапом создания нейропротезов станет восстановление тактильной чувствительности. Для этого могут быть использованы датчики давления, потому как поверхностная чувствительность есть ни что иное, как изменение потенциала в зависимости от приложенной силы извне. Физиология восстановления чувствительности следующая. Известно, что за осязание отвечают свободные нервные окончания и инкапсулированные окончания. Первые отличаются высоким порогом возбудимости, что необходимо для ноцицепции, ведь именно они являются первичным звеном в проведении болевых стимулов (сверхпороговых и высокочастотных). Инкапсулированные же окончания обладают значительно меньшим порогом возбудимости, что предоставляет возможность реагировать на незначительные изменения скорости и интенсивности раздражения. При отсутствии конечности могут возникать так называемые «фантомные боли» - результат неправильного проведения операции по ампутации конечности и формированию культи.          Для восстановления проводимости тактильной чувствительности необходимо использовать электромеханические элементы, способные генерировать напряжение электрического тока кратное степени давления, придаваемая на элемент извне. Сигналы, поступающие из «рецептора», поступают в микропроцессор, где они также анализируются и подаются на эфферентные 3 стимулирующих электрода, согласно периферическим нервам: лучевой, локтевой и срединный. Частотно-амплитудные характеристики адаптируются под физические параметры нервной системы (создание микротоков, достаточных для генерации потенциала действия в нервных волокнах).

Используемые источники
1. Aregueta-Robles U.A., Woolley A.J., Poole-Warren L.A. et al. Organic electrode coatings for next-generation neural interfaces // Front. Neuroeng. 2014. V. 7. article 15 (18P.), DOI: 10.3389/fneng.2014.00015. 2. Carandini M. From circuits to behavior: a bridge too far? //Nat. Neurosci. 2012. V. 15. No. 4. P. 507–509. 3. Chandrakasan A.P., Verma N., Daly D.C. Ultralow-power electronics for biomedical applications // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2008. V. 10. P. 247–274. 4. Cogan S.F. Neural stimulation and recording electrodes // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2008. V. 10. P. 275–309. 5. Schwartz A.B., Weber D.J., Cui X.T. et al. Brain-controlled interfaces: Movement restoration with neural prosthetics // Neuron. 2006. V. 52. P. 205–220
Information about the project
Surname Name
Popov Ivan
Project title
Development of neuroprothesis of upper limb in extremely cold conditions
Summary of the project
In this work we provided intermediate results of research aimed at creating neuroprosthesis of upper limb for effective use in extremely cold conditions, the maximum simplification of the prosthesis circuits for mass production with moderate price, and also at compensation for basic functions of the limbs: the motor (grasping, bending and unbending fingers, wrist flexion and extension) and sensitive (surface tactile perception).
Keywords
Neuroprothesis, Neurointerface, Extremely cold conditions