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Dec 17, 2023

Magnetische Sensoren erfassen die Muskellänge

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Mithilfe eines einfachen Satzes von Magneten haben MIT-Forscher eine ausgeklügelte Methode zur Überwachung von Muskelbewegungen entwickelt, die es hoffentlich Menschen mit Amputationen erleichtern wird, ihre Prothesen zu kontrollieren.

In zwei neuen Arbeiten demonstrierten die Forscher die Genauigkeit und Sicherheit ihres magnetbasierten Systems, das die Länge von Muskeln während der Bewegung verfolgen kann. Die an Tieren durchgeführten Studien geben Anlass zur Hoffnung, dass diese Strategie genutzt werden könnte, um Menschen mit Prothesen dabei zu helfen, diese so zu steuern, dass die natürlichen Bewegungen der Gliedmaßen besser nachgeahmt werden.

„Diese jüngsten Ergebnisse zeigen, dass dieses Tool außerhalb des Labors verwendet werden kann, um Muskelbewegungen während natürlicher Aktivität zu verfolgen, und sie legen auch nahe, dass die magnetischen Implantate stabil und biokompatibel sind und keine Beschwerden verursachen“, sagt Cameron Taylor, ein MIT Forschungswissenschaftler und Co-Hauptautor beider Arbeiten.

In einer der Studien zeigten die Forscher, dass sie die Länge der Wadenmuskeln von Truthähnen genau messen konnten, während die Vögel rannten, sprangen und andere natürliche Bewegungen ausführten. In der anderen Studie zeigten sie, dass die für die Messungen verwendeten kleinen Magnetkügelchen bei Implantation in den Muskel keine Entzündungen oder andere schädliche Wirkungen hervorrufen.

„Ich freue mich sehr über das klinische Potenzial dieser neuen Technologie zur Verbesserung der Kontrolle und Wirksamkeit bionischer Gliedmaßen bei Personen mit Gliedmaßenverlust“, sagt Hugh Herr, Professor für Medienkunst und -wissenschaften und Co-Direktor der K. Lisa Yang Center for Bionics am MIT und assoziiertes Mitglied des McGovern Institute for Brain Research des MIT.

Herr ist leitender Autor beider Artikel, die heute in der Zeitschrift Frontiers in Bioengineering and Biotechnology erscheinen. Thomas Roberts, Professor für Ökologie, Evolution und Organismenbiologie an der Brown University, ist leitender Autor der Messstudie.

Bewegung verfolgen

Derzeit werden elektrisch angetriebene Prothesen normalerweise mit einem Ansatz kontrolliert, der als Oberflächenelektromyographie (EMG) bekannt ist. Elektroden, die auf der Hautoberfläche angebracht oder chirurgisch in den verbleibenden Muskel der amputierten Gliedmaße implantiert werden, messen elektrische Signale von den Muskeln einer Person, die in die Prothese eingespeist werden, um sie dabei zu unterstützen, sich so zu bewegen, wie es die Person, die die Gliedmaße trägt, beabsichtigt.

Dieser Ansatz berücksichtigt jedoch keine Informationen über die Muskellänge oder -geschwindigkeit, was dazu beitragen könnte, die Bewegungen der Prothese genauer zu machen.

Vor einigen Jahren begann das MIT-Team mit der Arbeit an einer neuartigen Methode zur Durchführung dieser Art von Muskelmessungen und nutzte dabei einen Ansatz, den sie Magnetomikrometrie nennen. Diese Strategie macht sich die permanenten Magnetfelder zunutze, die kleine Kügelchen umgeben, die in einen Muskel implantiert werden. Mithilfe eines scheckkartengroßen, kompassähnlichen Sensors, der außen am Körper angebracht ist, kann ihr System die Abstände zwischen den beiden Magneten verfolgen. Wenn sich ein Muskel zusammenzieht, rücken die Magnete näher zusammen, und wenn er sich beugt, bewegen sie sich weiter auseinander.

In einer im letzten Jahr veröffentlichten Studie zeigten die Forscher, dass dieses System zur genauen Messung kleiner Knöchelbewegungen verwendet werden konnte, wenn die Perlen in die Wadenmuskulatur von Truthähnen implantiert wurden. In einer der neuen Studien wollten die Forscher herausfinden, ob das System bei natürlicheren Bewegungen in einer Laborumgebung genaue Messungen durchführen kann.

Zu diesem Zweck errichteten sie einen Hindernisparcours mit Rampen zum Klettern für die Truthähne und Kisten zum Auf- und Abspringen. Die Forscher nutzten ihren Magnetsensor, um Muskelbewegungen während dieser Aktivitäten zu verfolgen, und stellten fest, dass das System Muskellängen in weniger als einer Millisekunde berechnen konnte.

Sie verglichen ihre Daten auch mit Messungen, die mit einem traditionelleren Ansatz namens Fluoromikrometrie durchgeführt wurden, einer Art Röntgentechnologie, die eine viel größere Ausrüstung erfordert als die Magnetomikrometrie. Die magnetomikrometrischen Messungen unterschieden sich im Durchschnitt um weniger als einen Millimeter von denen der Fluoromikrometrie.

„Wir sind in der Lage, die Muskellängen-Tracking-Funktionalität der raumgroßen Röntgengeräte mit einem viel kleineren, tragbaren Paket bereitzustellen und die Daten kontinuierlich zu erfassen, anstatt auf 10-Sekunden-Bursts beschränkt zu sein auf die die Fluormikrometrie beschränkt ist“, sagt Taylor.

Seong Ho Yeon, ein MIT-Doktorand, ist ebenfalls einer der Hauptautoren der Messstudie. Weitere Autoren sind Ellen Clarrissimeaux, wissenschaftliche Mitarbeiterin am MIT, und die ehemalige Postdoktorandin der Brown University, Mary Kate O'Donnell.

Biokompatibilität

Im zweiten Artikel konzentrierten sich die Forscher auf die Biokompatibilität der Implantate. Sie fanden heraus, dass die Magnete keine Gewebenarben, Entzündungen oder andere schädliche Wirkungen verursachten. Sie zeigten auch, dass die implantierten Magnete die Gangart der Truthähne nicht veränderten, was darauf hindeutet, dass sie keine Beschwerden verursachten. William Clark, Postdoktorand bei Brown, ist Co-Hauptautor der Biokompatibilitätsstudie.

Die Forscher zeigten auch, dass die Implantate acht Monate lang, die Dauer der Studie, stabil blieben und nicht aufeinander zu wanderten, solange sie in einem Abstand von mindestens drei Zentimetern implantiert wurden. Die Forscher gehen davon aus, dass die Perlen, die aus einem mit Gold und einem Polymer namens Parylene beschichteten Magnetkern bestehen, nach der Implantation auf unbestimmte Zeit im Gewebe verbleiben könnten.

„Magnete benötigen keine externe Stromquelle und können nach der Implantation in den Muskel die volle Stärke ihres Magnetfelds während der gesamten Lebenszeit des Patienten aufrechterhalten“, sagt Taylor.

Die Forscher planen nun, die FDA-Zulassung zu beantragen, um das System an Menschen mit Gliedmaßenprothesen zu testen. Sie hoffen, mit dem Sensor Prothesen ähnlich wie heute mit Oberflächen-EMG steuern zu können: Messungen der Muskellänge werden in das Steuerungssystem einer Prothese eingespeist, um sie in die vom Träger gewünschte Position zu steuern.

„Der Bereich, in dem diese Technologie einen Bedarf deckt, besteht darin, diese Muskellängen und -geschwindigkeiten an einen tragbaren Roboter zu übertragen, damit der Roboter auf eine Art und Weise arbeiten kann, die mit dem Menschen zusammenarbeitet“, sagt Taylor. „Wir hoffen, dass die Magnetomikrometrie es einer Person ermöglichen wird, einen tragbaren Roboter mit dem gleichen Komfortniveau und der gleichen Leichtigkeit zu steuern, wie jemand seine eigenen Gliedmaßen steuern würde.“

Zu diesen tragbaren Robotern könnten neben Gliedmaßenprothesen auch Roboter-Exoskelette gehören, die außerhalb des Körpers getragen werden, um Menschen dabei zu helfen, ihre Beine oder Arme leichter bewegen zu können.

Die Forschung wurde von der Salah Foundation, dem K. Lisa Yang Center for Bionics am MIT, dem MIT Media Lab Consortia, den National Institutes of Health und der National Science Foundation finanziert.

MIT-Forscher haben ein neues magnetbasiertes System zur Überwachung von Muskelbewegungen entwickelt, das dazu beitragen könnte, die Kontrolle von Prothesen zu erleichtern, berichtet Brianna Silva von WHDH.

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