شبیه سازی حرکات انسان

پیشگفتار :
یکی از معلولیتهای مادرزادی و اکتسابی (مانند جنگ و حوادث کارخانجات) قطع عضو اندام فوقانی و تحتانی می باشد ، هر سطح قطع عضو از ناحیه انگشتان تا مقاطع مختلف آن عضو اتفاق می افتد . از زمانهای بسیار دور به هر علت زیر بشر به فکر جاگزینی اندام فوقانی و تحتانی صدمه این بوده است :
الف : از نظر روانی و زیبایی
ب: از نظر کاربرد عملی و رفع وابستگی به غیر
وسایل کمکی اندام تحتانی جهت راه رفتن ، نشستن و غیره از اهمیت خاصی برخوردار است ، در صورتیکه اعضاء مصنوعی اندام فوقانی در انجام کار و فعالیت اقتصادی و اجتماعی و استقلال شخصی حائز اهمیت بسیار است .
جایگزینی اندام فوقانی را بصورت زیر ناتوان طبقه بندی کرده :
1ـ قطع یک یا چند انگشت 2ـ قطع از ناحیه مچ دست
3ـ قطع از نواحی مختلف ساعد 4ـ قطع از ناحیه آرنج
5ـ قطع از نواحی مختلف بازو 6ـ قطع کامل بازو
7ـ قطع از ناحیه کمر بندی کتفی
نظر به اینکه آمار و اطلاعات میزان شایعات دست (چپ و راست) هیچگونه دلالتی بر غالب بودن تعداد برخی از این ضایعات بر برخیدیگر ندارد ، همواره مراکز درمانی و موسسات تولیدی پیش بنی لازم جهت یکدست کامل را مینمایند (پنجه ، آرنج ، شانه) تا بتوانند جهت الگوی معلولین باشند .
الف: ارزشیابی باقی مانده از لحاظ طول ، قطر و غیره
ب: مشخص کردن نوع و تعداد مفاصل و دامنه حرکتی آنها
ج: تهیه ثابت کننده (ساکت) جهت اتصال عضو مصنوعی به عضو باقیمانده .
د: با در نظر گرفتن دست مصنوعی عامل حرکتی انتخاب و در عضو باقیمانده بقیه می شود .
مقدمه :
هدف از کاربرد دست و پای مصنوعی چاره جوئی اشکالات حرکتی است ، در اثر نقص عضو یا قطع دست و پای طبیعی در شخص بوجود می آید ، ساده ترین صورت این وسیله دست و پای چوبین بدون مفصل و چنگک است . کاملترین صورت آن دست و پایی است که تا حد امکان تا در به حرکت مشابه حرکات طبیعی وده و کاربرد آن بوسیله شخص معلول محتاج به تمرین ، دقت و تمرکز خاصی نباشد .
از نظر تکاملی ما بین دست چوبن و دست سیبرنیتکی می توان دستهای مصنوعی دیگری ذکر کرده از قبیل : الف) دست مکانیکی چنگک دار با استفاده از تسمه فنر و فرمان حرکت را از جابجائی عضلات شانه و گردن میگیرد .
ب) دست الکترومکانیکی که فرمان حرکت را از جابجائی عضلات یا انقباض مکانیکی آنان و یا از علائم آنان (EMG) اخذ می کند و عنصر قدرت یا حرکت آن یک جزء الکترومکانیکی از قبیل موتور یا غیره می باشد .
در این دو نوع دست مصنوعی حلقه کنترل از طریق مسیر پس خور (فیزیکی) مشاهداتی بسته می شود . بعبارت دیگر شخص معلول برای انجام حرکت مطلوب به بهترین حالت ، تنها میتواند با مشاهده نتیجه حرکت آنرا تصحیح یا بصورت مطلوب تغییر دهد . این حلقه پس خور(فیزیکی) با حلقه پس خوری که حرکت یک دست سالم موجود است که نتیجه آن آگاه بودن تقریباً آنی شخص از وضعیت مکانی دست نیروی وارد به آن می باشد . که تفاوت زیادداشته و کاربرد آن غالباً مستلزم کوشش زیاد ازجانب شخص معلول است .
در دست سیبر نیتکی که به شرح آن خواهد آمد که لازم است حلقه های پس خوری که به حرکت یک دست سالم موجوداست بقیه شده و سیستم کنترل آنچنان طرح گردد که به وجه ایده آل کاربرد آن بوسیله شخص معلول بطور ناخودآگاه امکان پذیر باشد .
به عبارت دیگر به همانگونه که به یک شخص سالم حرکت دست بطور طبیعی و بدون احتیاج به تمرکز خاص و ایجاد خستگی فکری انجام گیرد ، دست سیبرنیتکی نیز بتواند حرکات سادهرا با همان سهولت و در سطح ناخودآگاه انجام دهد .
به نام خدا
مقدمه :
خلاصه ای از مدل کردن ، کنترل ، شبیه سازی حرکات انسان :
بشر مدتهاست که مجذوب عملکرد بدن بوده است . حرکت در میان تجلیات و اعمال بدن از چنان عمومیت و ویژگی برخوردار است که انسان را به طریق فیزیولوژی به محیط و دیگران مرتبط می کند . این صحبت مختصر در زمینه بحث و تحقیق کارهای جدید مدلسازی : کنترل و شبیه سازی حرکت انسان می باشد .
سیستم عضلانی ـ استخوانی : سیستم متشکل از دو عضله می تواند بصورت محرک نیرو عمل کند . مدلهای گوناگونی برای عضله پیشنهاد شده است . این مدلها غیر دقیق بوده و تفاوتی میان عملکرد خود عضله و گروهی از تارها قافل نیست . تفاوت مقدماتی بین این مدلها ، درجه معادلات دیفرانسیل بکار گرفته شده و ورودی های آنها می باشد . ورودی های عضله عبارتند از سیستمهای موتور باوران (efferent) آلفا (α) و گاما و خروجی های آن عبارتند از سیگنال آوران (afferent) که به CNs می روند .
(نوع Ia و Ib و سیستمهای فیبری نوع Il) ونیرو می روی استخوان و اندازه گیرهای نیرو اثر می کند . دیاگرام جعبه ای عضله شکل زیر نشان داده شده است :
از این دیاگرام جعبه ای پیداست که خروجی عضله بستگی به طول ، سرعت انقباض ورودیهای عصبی دارد .
مطالعات کنترل :
مطالعات اساسی کنترل شامل مباحث ، وضعیت و پایداری عضو ، حرکت نقطه به نقطه ، فشردن در مقابل سطح ، گرفتن اشیاء ، اجرای حرکات موزون و پریدن در هواست .
مباحث مورد استفاده که کنترل عبارتند از برنامه ریزی و کنترل بهینه ، فیدبک غیر خطی ، فیدبک حالت ، پایداری لیاپانف ، فیدبک نیرو ، کنترل سیستم های ـ دینامیکی مقید ، انتقال از سیستم مقید به سیستم غیر مقید و بالعکس و سیستم های کنترل یادگیر .
شبیه سازی : نظر به پیچیدگی ارتباطات فیزیولوژیکی و ابعاد زیاد مسائل حتی در ساده ترین حرکات انسان تحلیل اینگونه سیستمها با ابزار ریاضی متداول معادلات دیفرانسیل و انتگرالی حرکت تحللی پایداری و سیستمهای معادلات جبری ، غیر ممکن می نماید . به ناچار به موارد زیر متوسل شده اند :
مدلسازی مکانیکی ، شبیه سازی آنالوگ ، شبیه سازی کامپیوتر رقمی و اخیرا شبیه سازی مدوی توزیع شده . شبیه سازیهایی که می برید اگر چه در حرکات انسانی زیاد بکار نرفته اند ولی در آینده مورد آزمایش و طراحی پروتزها و ارتزها که میکروپراسورها با سیستم فیزیولوژیکی موقعی توام می شوند کاربرد پیدا خواهند کرد . بشر راه بسیار طولانی که مسیر تکاملی پیموده است اما زمان بسیاری طول خواهد کشید که حقایق طبیعت پیچیده حرکت را دریابد .
وجود مشترک و تفاوتهای دست سیبرنیتکی و دست روباتیک :
خصوصیاتی که در قبل برای دست سبرنیتکی ذکر شد در برخی موارد مشابه به خصوصیات دست روباتیک است . اینگونه دست مصنوعی دارای وجود مشترک و تفاوتهایی هستند .
الف ـ دست روباتیکی : دست روباتیکی وسیله ای است که با داشتن چندین درجه آزادی ، با بازویی متشکل از چندین مفصل دستی مشتمل بر چندین حرکت کند و در انجام حرکت به فیدبک عواملی مانند : نیروی بار ، تغییر مکان ، سرعت ، فشار نگهداری اجسام و غیره متکی باشد . این دست فرمان خود را از یک واحد پردازش مرکزی که شامل حافظه و دستورالعملهای خاص برای استفاده از اطلاعات فیدبکی است میگیرد . در حالت ایده آل ، این دست گاهی قادر خواهد بود حرکاتی پیچیده تر از دست سیبرنیتکی و شاید پیچیده تر از دست سالم ، انجام دهد .
دست روباتیکی جزئی از یک سیستم است که بستگی به ساده یا پیچیده بودن آن الگاریتم های مختلف کنترل همراه با کامپیوترهای خاصی که آن بکار رفته اند ، بطوریکه می توان آنها را به نسلهای مختلف تقسیم کرد . مثلاً دست مصنوعی را که برای رنگ آمیزی قطعات در اطاق رنگ یک کارخانه تعبیه شده است را می توان از نسل اول دانست و دست مصنوعی را به چشم تلویزیونی و نفر الکترونیکی با قابلیت یادگیری و تصمیم گیریهای پیچیده وصل شده است را میتوان نسل جدید دانست .
فیما بین این دو نسل و همانگونه که دوباره دست مصنوعی انسان اشاره شد ، انواع دیگری با قابلیت های متفاوت وجود دارد (مثلاً روباتهای جوشکاری ، تراش کار ، روباتهائیکه قادر به تصمیم های ساده گرفته ، صحنه هایی که قبلاً یادگرفته اند را تشخیص دهند وظایف محوله را سپس انجام دهند .)
بطورخلاصه دردست روباتیک الزامی به تقلید و شبیه سازی از دست انسان وجود نداشته فرمانهای حرکت آن یک سیستم الکترونیکی صادر می شود . این فرمان محصول ترکیب اطلاعات فیدبکی روبات از محیط و دستورالعملها و اطلاعات حافظه اش می باشد .
ب: دست سیبرنیتکی : دست سیبرنیتکی به دستی گفته می شود به بتواند عمل دست سالم را در شخص معلول انجام دهد ، برای انکه این نقش واضع تربیان گردد بطور مختصر به مکانیزمهای محتمل که کنترل ، حرکت دست به شرح زیر اشاره می گردد :
دست را می توان یک سیستم مکانیکی مشتمل بر جرم ـ فنر ـ اصطکاک دانست که در اثر نیروی حاصله از انقباض عضلات تغییر مکان می دهد . در هر حرکت دست عضلات متعددی شرکت دارند ، و برای آنکه حرکت با نرمش و سرعت لازم برون نوسانات و خطا انجام گیرد لازم است لولا فعالیتهای انقباضی هر عضله به سبک خاصی برنامه ریزی شود ، ثانیا فعالیت انقباضی عضلات دست اندرکار آن حرکت با هم هماهنگ باشند . خواص فیزیک اصطکاکی عضلات فقط محصول خواص مکانیکی آنان نبوده بلکه بطور فعالانه بوسیله ایستگاههای حرکتی (مانند تحتانی یا بالاتر تا کورتکس حرکتی ، کنتل می شود . نقش این دستگاههای حرکتی ایجاد فرمان مناسبی در عصب ورود به عضله است . این فرمان از ترکیبی اطلاعات مربوط به حرکت مورد نظر و اطلاعات فیدبکی مربوط به وضعیت مکانی دست و نیرو و غیره بدست می آید .
فیدبکهای مهم به دست سالم که در انجام حرکت تایر حکی دارند عباتند از :
الف: فیدبک وضعیت طول عضله و سرعت تغییرات آن
ب: فیدبک نیروی کششی عضله
ج: فیدبک اطلاعات مربوط به زاویه های مفاصل
موضح است که فیدبک های دیگر مانند لامسه یا بینائی نیز در ایجاد فرمان حرکت و ایجاد هماهنگی فعالیت عضلات موثرند .
اگر دست سیبرنیتکی بخواهد کار دست طبیعی را بنحو احسن در سطح ناخود آگاه شخص معمول انجام دهد لازم است فیدبک های قطع شده فوق جبران گردند . یعنی بنحو مناسبی اطلاعات مذکور در بندهای الف ، ب ، ج با همان سرعت دست دست طبیعی به مراکز حرکتی دست سیبرنیتکی برسد .
بعلاوه در دست سیبرنیتکی فرمانهای حرکت باید یا از عضو یا از عصب یا از نخاع و یا در عالیترین حد از مراکز بالای حرکتی مانند مخچه و کورتکس حرکتی اخذ شوند ، این فرمانها پس از پردازش و ترکیب با اطلاعات فیدبکی به سر موتورهائی که نقش عضله را دارند . ایجاد حرکت میکنند .
ملاحظه می شود وجود مشترک دست سیبرنیتکی بادست روباتیکی در مکانیزهای ایجاد حرکت ، اندازه گیری خصوصیات حرکت برای فیدبک و تا حدی نیز الگوریتم های کنترل است که بوسیله واحد پردازش مرکزی بکار گرفته می شوند ، مدعین حال وجود دو قید است سیبرنیتکی را از دست روباتیکی متمایز می کند .
الف: اطلاعات فیدبکی باید از مسیری سریعتر از مسیر بینائی به مغز برسد .
ب: چون باید کاربرد دست سیبرنیتکی بوسیله مغز شخص معلول مستلزم کوشش خاصی نباشد و به سطح ناخود آگاه عمل کند ، لازم است فرمانهایی حرکت است سالم بررسی شده و نحوه کاربردآن بوسیله دست سیبرنیتکی بصورت خاصی تطبیق داده شود .
مروری بر مفهوم رایج پروتز میوالکتریک :
مهیج ترین پیشرفتی که در زمینه اندامهای مصنوعی صورت گرفته است ، توسعه اندامهای مصنوعی میوالکتریکی است . این دستهای با قدرت آرنجها ، و شانه ها کار بیشتری را قطع اندامهای بالائی ای که وسائل دستی (manual) را نپذیرفته اند ، داده اند . اندامهای مصنوعی میوالکتریک بر این اصل که هر حرکت در اندام بوسیله جریانهایی در آن عضله خاصی که در آن حرکت نقش دارد ، استوار است . مفهوم استفاده از سیگنال عضله برای کنترل ماشین این جدیدی نیست . اولین وسیله ای که از سیگنال یک انسان برای کنترل ماشین استفاده شد وسیله ای برای اندازه گیری سطح کشنده برای شکهای الکتریکی بوده . بعدها در سال 1955 سیستمی تعریف شد که آن جریانهای عضله برای عمل grasping (گرفتن شیار) بکار می رفت ، که نشان می داد جریانهای عضله می تواند برای مقاصد کنترلی بکار رود . در اینجا بود که kobrinskey در سال 1960 اولین سری سیستمهای مصنوعی کنترل شده بوسیله بیوالکتریک را برای اندامهای قطع شده مصرفی نمود . از آن پس مراکزی در اروپا و نیز اخیراً در ایالات متحده و کانادا پیشرفتهای زیادی در اندامهای مصنوعی میوالکتریک نموده اند .
اندامهای مصنوعی میوالکتریک با پتانسیلهای عمل غشاء عضله کنترل می شوند که بطور متوسط با تحریک مرکز سیستم عصبی پیش می آید . از آنجا که کل سیگنال عضله مجموع فعالیتهای فیبرهای عضلانی است ، نیروی حاصل از عضله بطور خطی با تغییرات ولتاژ متناسب است . نیروی عضله با فرکانس تحریک سیستم اعصاب مرکزی نیز متناسب می باشد . ترکیب تعداد فیبرهای عضله تحریک شده و فرکانس تحرک ، کنترل خوب عضله سبب می شود . بنابراین برنامه ای بصورت یک سری از پالسهائی که مراکز اعصاب به عضله های درگیر که هر عمل فرستاده شده اند می توان معرفی نمود .
معمولاً دست مفصل دار میوالکتریک با دو الکترود که روی دو عضله متضادش اکستنسور (بازکننده) و فلکور (جمع کننده) قرار میگیرد ، عمل می نمایند . در برخی موارد خاص ، مثل بیماری با عضو باقیمانده کوتاه ، یک الکترود به تنهائی می تواند با موفقیت مورد استفاده قرار گیرد . پتانسیل الکتریکی عضله از روی پوست بوسیله الکترودها آشکار شده و داخل یک سوکت عضله باقیمانده جاسازی می شوند . سپس پتانسیلی که بوسیله الکترودها برداشت شده می تواند باز شدن و بسته شدن پروتز را (که معمولاً که ساکت بازسازی گردیده) تغذیه شده ، کنترل نماید .
معمولترین پروتز میوالکتریک پروتز زیر آرنج است که به باطری 6 ولت و 225 میلی آمپری کار میکند . که معمولا پروتز دست قرار می گیرد . یک دست مفصل دار با سه گیره چنگاه مانند دارد . این گیره ها می توانند از 5/1 تا 6 یا 8 کیلو پونتینیر نمایند و انگشتی دارد که از 6 تا 100 میلیمتر می تواند باز شود . وزن آن از 220 تا 500 گرم بر حسب سایز آن تغییر می کنند .
سوکت پروتز معمولا از نوع +ype – Muerster و یا Northwesterin sypra condylor هستند ، پایداری و نیروی بسیار عالی ، برای حرکت کامل آرنج بکار می رود را ایجاد می کند . اگر سوکت احتیاج به تعمیر داشته باشد می توان الکترودها را مجدد بکار برد و سوکت را میتوان بدون جابجا کردن کل وسیله تعمیر نمود . این حسن مهمی است چون باعث می شود بیمار برای مدت کوتاهی بدون دست بماند و نیز هزینه کمتری را بپردازد .
بخاطر محاسن بسیار مهم ، اندامهای مصنوعی میوالکتریک مقطع به قطع زیر آرنج ختم نشده بلکه برای قطع بالای آرنج ، بیمارانی با شانه ناسالم و حتی در بیمارانی به طور مادر زادی یک یا چند قسمت از اندام را ندارد نیز مناسب هستند . بچه ها و یا بزرگسالانی که زیر آرنج انان قطع شده برای نصب پروتز میوالکتریک بسیار مناسب هستند که این خود محدوده وسیعی از بیماران را میپوشاند . که گذشته بخاطر این که بسیار ناچار بودند وسایلی را در اندامهای مصنوعی بکار بردند ، از نظر اندازه و وزن بیماران ناراضی بودند . هر چند ، پیشرفتهای اخیر باعث شده پروتز کوچکتر با مقیاس آناتومیکی بهتر برای بیمارانی که مچ آنها از بین رفته است ، تهیه شود .
خردسالان : Sorbye سوئدی ا موفقیت چهل دست مصنوعی را به کودکان زیر هفت سال نصب نمود . عقیده اولین بود که بکار بردن میوالکتریک بایستی از سنین کم صورت گیرد . این پیشنهاد با اندامهای رسمی موجود سازگار است ودر صورتیکه سنین کم نصب شده بهتر مورد قبول موقع می شود . بر عکس ، وقتی اندام مصنوعی بعد از نبوغ نصب شود معمولاً پس زده می شود . بر طبق گفته Sorbye بهترین سن برای نصب اندام مصنوعی الکتریکی در افراد با قطع زیر آرنج بین 2 تا 4 سال و نیم است .
دست با سایز کوچک در استکهلم بوسیله تکنیک سیستم Teknik system در سوئد تولید می شود که شامل سه چنگک است که تا 50 میلیمتر باز می شوند و زمان بسته شدن تا باز شدن حدود یک ثانیه و نیروی فشار آن 2/1 کیلوگرم است . موفقیت این نصب نمودنها آنقدر بوده که بعضی از کودکان روزانه دو تا سه هزار مرتبه دست را باز و بسته می کنند . هیچ اشاره ای هم بر خلاف این تا بحال در این گروه سنی ذکر نشده است . البته بایستی تسهیلاتی برای نگهداری بطور طبیعی ، میزان کردن و تعمیرات سریع آن باشد ، تیم پروتزی در این رابطه تربیت شده اند . بعضی اوقات هم روش جراحی ممکن است برای تصحیح دفر (تغییر شکل) بکار رود تا تسهیلی برای نصب پروتز ایجاد شده . پروتز میوالکتریکی برای کسانیکه هر دو دستشان در ناحیه زیر آرنج قطع شده مناسب نیست .
برعکس نوجوانانی ،sorbye وtrost که حدود چهل وهفت از آنها که از دست میوالکتریکی استفاده نموده اند و بین شش تا16 سال (متوسط12.5) سال داشته اند اینطور گزارش دادند: سی و چهار نفر از افراد قطع عضو مادرزادی بودند و یازده نفر قطع اجباری بودند .شانزده نفر پروتز را نپذیرفتند، دلایل عمومی آن کمبود پایداری، عملکرد ضعیف و ازدیاد وزن پروتز می باشد . بعضی از این اشکالات در پروتز جدید رفع شده است. در این گروه سنی بزرگتر،109تعمیر در سال برای هر پروتز لازم می شده. اشکالاتی هم که بیش از همه پیش می آمد در مورد دستکش زیبائی و باطریها بودند . کمترین اشکالاتی که پیش می آمد اشکال در سیستم الکتریکی بود . در بررسی های بعمل آمده معلوم شد این افراد راحتی در عملکرد و نیز در راه انداختن آن را از بهترین محاسن این دست دانستند . از معایب اصلی آن هم کمبود پایداری و وزن آن است . تمام کودکانی که از قبل این دست را داشتند ، احتیاج به تصمیم جدید برای تبدیل پروتز میو الکتریک نبود . بعضی از این کودکان هر دو پروتز میوالکتریکی را راحت پذیرفتند.trost بچه هایی بین سنین 9تا11 را برای کودکانی که هم پروتزمیوالکتریکی و هم پروتز دیگری را داشتند مناسب دانست .
قبل از نصب پروتز لازم است الکترود روی عضلات فلکسور و اکستنسور بوسیله وتسمترMyotest قرار گیرد که این خود نحوه آموزش با استفاده از اسباب بازی بسیار موفقیت آمیزتر خواهد بود . در کودکان بزرگتر و جوانان تجارب جا متفاوت است . یا اینکه این کودکان اصلاً تفاوتی بین این دست با دستهای مکانیکی حس نکرده اند و یا اینکه بطور کامل آنرا رد کرده و هیچ پروتز دیگری را هم مصرف نکرده اند . بخاطر شکل ظاهری دست میوالکتریک و دستکش آن بیشتر کودکان انرا پذیرفته اند و نیز کودکان کنجکاو هم کمتر توجهشان به آن جلب می شود .
قطع زیر آرنج در بزرگسالان
از آنجا که این گروه از بیماران تجربه بسیار تلخی داشته اند در مورد دست میوالکتریکی تردید می کنند . آنها مکرراً دستها را امتحان کرده و مایوس شده اند . بالاخره می خواهند آخرین دستی را که باقی مانده امتحان نمایند و از اینکه قسمتی از دست را قطع نموده تا دست جدید را امتحان کنند می ترسند. برای مردمی که کار می کنند زندگیشان مستقیماً مربوط به دستشان می شود و می ترسند که قطع عضوamputation نتایج اقتصادی وخیمی را به همراه داشته باشد. استفاده موفقیت آمیز از پروتز بستگی به شخص معلول دارد که با این معلولیت بتواند کنار بیاید و این احساس را که نا کامل است از خود دور نماید تا بخود اطمینان بیشتری بیابد .
در مورد کارگران معلول شده حدود 43 نفر که هم پروتز میوالکتریکی و هم عضو مصنوعی استاندارد را دارا بودند مطالعه و بررسی شد.تقریباً تمام این افراد پروتز میوالکتریکی را وقتی با مردم در تماس بودند استفاده کردند ، چون از نظر ظاهری بهتر بود. این مطالعات آماری نشان داد که پروتز میوالکتریکی در مقایسه با سایر پروتز ها که 67 درصدreyeation داشتند به موفقیت نسبی رسیده است . این افراد وقتی بین مردم بودند ودر ساعات بیداری 91 درصد مواقع این پروتز را بکار می بردند. بیمارانی که کار دفتری داشتند 75 درصد ساعات کاری از این دست استفاده می کردند .
در گروه بیمارانی که کارهای سنگین انجام می دهند پروتزمیوالکتریکی فقط 25درصد ساعات کاری استفاده می شد . دلیل اینکه از این پروتز استفاده نمی شد این بود که 65درصد بیماران می ترسیدند دست صدمه ببیند. آنها نمی خواستند که دست را به تعمیر بسپارند و در نتیجه هزینه تعمیر را بپردازند که خود نشان می دهد پروتز میوالکتریکی برای فعالیتهای غیر شغلی طرفداران زیادی دارد .
نتایج این مطالعات با مفهوم قبلی که پروتز میوالکتریکی فیدبک حس لامسه را ندارد و اینکه بیمار فقط به فیدبک چشمی تکیه می کنند را رد می کند . فقط 23درصد افراد گفتند که فیدبک وجود ندارد و33 درصد کاملاً مطمئن بودند کهفیدبک بیشتر از میوالکتریک دست می آید . مشخص است که این کنترل بیشتر از مکانیزم طبیعی است که با کمک خود عضله ها صورت می گیرد .
بعضی از افراد بعد از چندین سال استفاده از عضو مصنوعی به دست میوالکتریکی کاملاً عادت کرده و پذیرا شده اند . در جای دیگر 42 معلول که فقط یک دست خود را حین کار از دست داده بودند ، دست میوالکتریکی را خیلی بیشتر از دستهای دیگر بکار بردند .

قطع عضو قسمتهای بالای دست
عضو مصنوعی مناسب برای قطع یک دست در گذشته ناموفق بوده است. در گذشته چون مصرفThalidomide که یک قرص مسکن بود( و از سال 1961 به بعد بخاطر اینکه نوزادان ناقص بدنیا می آمدند مصرف آن ممنوع شد ) بسیار زیاد بود، کودکان زیادی بدون دست بدنیا آمدند و این موضوع باعث شد که مطالعات زیادی برای رفع این مشکل انجام گیرد . لازم است برای این بچه ها که حالا جزو جوانان می باشند . پروتزی تهیه شود که بتواند برای آنان مفید واقع گردد و از نظر ظاهر نیز مناسب باشد تا بتوانند در جامعه و فعالیتهای اجتماعی شرکت نمایند . چون تالیدومید بیشتر در اروپا و کانادا مصرف شد ، این مطالعات و تحقیقات بیشتر در این کشورها انجام شده است .
در سوئد پروتزی تهیه شده که چندین کار انجام می دهد ،سوپینیشنsupinoution پرونیشنpronation ساعد و فلکشنFlexion ، اکستنشنextension برای مچ دست. این پروتز از یک سیستم مینیاتوری و تکنیک شناخت الگو (pattern-recognition) استفاده می کند که برای افراد با قطع عضو فراگیرش زمان زیادی نمی خواهد. یک آرنج میوالکتریکی و پروتز دست که فقط با دو عضله کنترل می شود ، در مورد افرادی با قطع عضو بالای آرنج مادرزادی نیز با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است . در ایتالیا ترکیب سیستم کنترلی میوالکتریکی و الکتریکی برای افراد قطع عضو مادرزادی با موفقیت صورت پذیرفته است . در ایالات متحده، از سال 1981، یوتا آرم در مورد 135 معلول قطع بالای آرنج نصب و مورد استفاده قرار گرفته است . حرکت فلکشن ـ اکستنشن و باز وبسته شدن دست بوسیله سیگنالهای میو گرافیک تناسبی کنترل می شود که کنترلی نرم و طبیعی با حساسیت خوب و عملکرد راحت می باشد .

آمار
از سال 1960 به بعد ، وقتیKobrinski پروتز میوالکتریکی را برای قطع حد بالای دست معرفی نمود ،تعداد قابل توجهی (بین 10 هزار و80هزار) در سراسر جهان تولید و نصب شده اند. آنها بطور برجسته در کشورهای اروپایی تولید شده و در بعضی جاها پروتزمیوالکتریکی رایج ترین وسیله برای قطع زیر آرنج می باشند .
در مقایسه ، تعداد پروتزمیوالکتریکی که در آمریکای شمالی استفاده شده بسیار کم است. اتوبوک(otto bock) از سال 1975 برای ایالات متحده آمریکا 2891 عدد دست میوالکتریکی و 210Greifer میوالکتریکی(وسیله ای که برای کارهای سخت تر بکار می رود ) را فراهم کرده است .
لیکن1266 تا ازلین2891 دست بین سالهای 1981 تا 1983 ساخته شدند . 210 گریفر هم همگی در این سه سال تولید شدند . در 1984 در بررسی از هفتادوپنج کلینیک فقط بیست وپنج تا از چهل کلینیکی که بررسی را پذیرفتند پاسخ دادند که آنها پروتزهای میوالکتریکی را نصب می نمایند .
امر مهم دیگر تعلیم متخصصانی برای ایجاد گروههایی است که در زمینه اندامهای مصنوعی تجربه داشته باشند . در 1984، 515 نفر در این زمینه در سیستم myo-bock تعلیم داده شدند و در تمام نواحی تحت سلطه ایالات متحده ، شامل آلاسکا و هاوائی بکار پرداختند .
آینده
در خاتمه این قسمت متذکر می شویم که آینده ای روشن برای اندامهای مصنوعی میوالکتریکی وجود دارد . مطالعات جدید بخصوص در مورد اینست که حساسیت فیدبک را برای مصرف کننده پروتزمیوالکتریکی بالا برند . مطالعات نشان داده شده راین اساس است که تحریک الکتریکی اعصاب برای فیدبک اندام مصنوعی می تواند بکاررود تا سیستم میوالکتریکی را کنترل نماید . برای افزایش اطمینان یک اندازه گیر فشار در انگشت نشانه index finger در هر میوالکتریکی تهیه شده که باعث یک تحریک الکتریکی می شود که این تحریک الکتریکی شامل یک سری پالس است که تکرار آن با افزایش نیرو ازدیاد می یابد .
تحریک الکتریکی عصبها بعنوان فیدبکsen sory برای پروتز دست بکار رفته است . با استفاده از اجزاء دیجیتالی و تکنولوژی میکروکامپیوتر کنترل سه حالته کنترل متناسبی وسیع دینامیکی را در کانالهای الکترومیوگرافی لازم دارد .
استفاده از پروتز میوالکتریکی در نواحی گرمسیر مشکل بوده چون عرق سطح پوست حساسیت کانال الکترومیوگرافی را کاهش می دهد . برای کاهش اثر عرق کردن و شیفت پیدا کردن الکترود ،یک تکنیک باینری ابداع شده است . این تکنیک که از آشکارسازیهای سطحlevel detectors و مدارات لاجیکی با کانال میوالکتروگرافی استفاده کرده می تواند دست مصنوعی را با موفقیت برای حرکات سری حتی اگر حساسیت در این کانالها تغییر کند با نرخ رندم 30% بحرکت در آورد .
مقایسه پروتز میوالکتریکی اتوبوک با عملکرد دست چنگکی
پروتز میوالکتریکی زیر آرنج قبلاً مورد بررسی قرار گرفت . چهل و سه بیمار تحت آزمایش قرار گرفتند که تمام آنها هم پروتزمیوالکتریکی و هم عضو مصنوعی استاندارد(standard artificial limb) داشتند . حدود نصف بیماران تقریباً در تمام مدتی که سر کار بودند و بسیاری از آنان که اکثر مواقع کاری وسیله جدیدتر را بکاربردند .
کاربرد آن به نوع کار بیمار، و یا ترس از آسیب رساندن به آن ، بستگی داشت . بنظر می رسد ،اگر توجه بیشتری به دوام دست و دستکش آن بشود ،پذیرش آن بیشتر خواهد شد . در اینجا در مورد عملکرد و تکامل آتی آن بحث خواهد شد .
پروتز قابل کنترل میوالکتریکی برای زیر آرنج، در رنج قابل ملاحظه ای ، اولین بار توسط کوپرینسکی در سال 1960 مورد استفاده قرار گرفت. و امروزه در مراکز مختلف بطور وسیعی در میان همه ملل بکار می رود . برنامه میوالکتریکی در هیئت غرامت کارگران انتاریو در ژانویه 1979 شروع شد که در ابتدا دست روسی (انستیتوی توان بخشی مونترال ) و حال بطور برجسته ای در سیستم یاولتی آلمانی اتوبوک استفاده می شود ، حدود 25 تا 30 دست در سال نصب می شود . همه این بیماران قبلاً با دست چنگکی که با طناب سیمی عمل می نمود کار کرده بودند .
با بررسی قیمت و عملکرد دست میوالکتریکی ، نمی دانستند که آیا عضو میوالکتریکی برای جمعیت بزرگ و پراکنده کارگران ، بیش از حد پیچیده، حساس و غیرقابل اعتماد است یا نه . هدف از بررسی کنونی این بود که ارزش دست میوالکتریکی برای کارگران تعیین شود . ارزیابی شامل مدتی است که این عضو بکار می رفت و نیز شامل مقایسه آن با پروتز استاندارد می باشد .
مواد و روشها
تا سال 1978 ، 59 بیمار با قطع زیر آرنج ، دست میوالکتریکی را بکار بردند . هیچیک از این پروتزها محوری برای چرخاندن مچ نداشت . سه بیمار هر دو دست را لازم داشتند . چهل و سه بیمار مورد مطالعه قرار گرفتند . زمانی که پروتز نصب شد تا زمانی که مجدداً مراجعه کرده بودند بطور متوسط 16 ماه بود . از 16 بیمار باقیمانده دو نفر انتاریو را ترک کرده بودند . یکنفر پروتز را نپذیرفته و برگردانده بود و یکی از آنهایی که قطع هردو دست را داشت احتمالاً از دست میوالکتریکی استفاده نمی کرد . یکی از بیماران هم که پروتز با کنترل سه حالته را داشت ،آنقدر برای تعمیرات گرفتاری داشت که اورا در این لیست نیاوردیم. 11 نفر بقیه بخاطر کار و یا دلایل شخصی نمی خواستند بیایند، اما هیچ اختلافی با 43 بیمار مورد بررسی نداشتند . با استفاده از پرسشنامه استاندارد یکی از ما تقریباً یکساعت و نیم با هر بیماری مصاحبه شخصی داشتیم. به مشخصات فیزیکی هر معلول توجه شد . سپس یک سری تست از بیماران بعمل آمد، هم با دست میوالکتریکی و هم دست استاندارد (دست مکانیکی). یک کار درمان با علاقه مخصوص در مورد قطع عضو بالای آرنج این تستها را انجام داد .
چون عضو مصنوعی استاندارد (دست مکانیکی) در کاربرد معمول آن یک چنگک بود، مقایسه درستی بین آن و دست میوالکتریکی نمی توانست صورت گیرد . هر دو آنها مکانیزم مثبتی برای باز کردن پنجه داشتند ،اما در یک دست بطور الکتریکی اینکار صورت می گرفت در حالیکه در دیگری اینکار مستقیماً با حرکت بدن انجام می شد . دست الکتریکی برای بستن پنجه همان مکانیزمی را داشت که برای باز کردن پنجه بکار می برد . در حالیکه در پروتز استاندارد (دست الکتریکی) پنجه با استفاده از کابلهای لاستیکی در موقعیکه فشار برداشته میشود خود به خود می بندد. وسیله ای که در انتهای دست مصنوعی بکار می رفت نیز در هر دو دست کاملاً متفاوت بود ، در یکی چنگک و در دیگری جزئی که از نظر ظاهر بیشتر شبیه دست انسان بود . روشهای ارزیابی بخاطر این اختلاف بیشتر قابل انجام شد .
نتایج
متوسط این بیماران در موقع این بررسی 36 سال بود ، مسن ترین 57 ساله و جوانترین آنها 20 ساله بود. فقط یکی دارای قطع عضو از هر دو دست بود. 22 بیمار دست راست و20 بیمار دست چپ خود را از دست داده بودند . 39 نفر مرد و 6نفر زن بودند .
18 بیمار دست الکتریکی خود را تقریباً در تمام مدت سرکار استفاده کرده بودند . هیچ بیماری پروتز میوالکتریکی را بطور کامل رد نکرده بود، بدین ترتیب از بین 59 بیمارنرخ عدم پذیرش دست 3 از 8 درصد بود .سپس عواملی را که باعث تشویق بیماران برای استفاده از دست الکتریکی می شد مورد بررسی قرار گرفت.این عوامل شامل سن بیماران در موقع حادثه، مدت زمانی که از عضو استاندارد مصنوعی (دست مکانیکی ) استفاده کرده بودند ، سنی که دست الکتریکی را گرفته بودند ،نسبت استفاده از انواع مختلف پروتزهای استاندارد، درجه تنفرشان از آن، و وقوع(ikidense) توموری از بافت عصبی تشکیل شدهneuro mota گرافت پوستی و سایر مشکلات در دست مصنوعی بود . در حالیکه بعضی از این عوامل قابل ملاحظه بودند ، معلوم شد که عامل اصلی نوع کار بیمار است .
دلایل استفاده یا عدم استفاده
دلایلی که بیماران برای استفاده از پروتز میوالکتریکی بجای سایر دستها می دادند، زیبائی و راحتی آن بود و مفید بودن آن را شامل نمی شد . هرچند دلایلی که برای بکارنبردن دست الکتریکی می دادند حاوی اطلاعات آموزنده تری بود . معمول ترین دلیل برای استفاده نکردن آن در سرکار ترس از آسیب دیدن خود پروتز یا دستکش آن بود . نصف بیماران دریافتند که دستکش خیلی آسان پاره یا بریده می شود ،در حالیکه تقریباً تمام آنها در یافتند که دستکش با گریس(grease) یا چیز متداولی مثل ماشین چاپ کاملاً از بین می رود .
ارزش عملی
بعضی اوقات پیشنهاد می شود که دست الکتریکی موقتاً عملی نیست، بلکه وسیله ای است برای پنهان کردن یک تغییر شکل(deformity) بد شکل. بنابراین کوشش بعمل آمد تا تعداد حرکات گرفتن(grasp) را که در ساعت انجام می شد و نیز مدت زمانی که دست پوشیده می شد ولی خاموش بود ، بدست آید .
در شروع این مطالعه میکروکانترmicro counter آگاهی دهنده موجود نبود ، هرچند، هرچه مطالعات جلو می رفت، به تدریج آشکار می گردید و به نظر می رسد که اعداد نقل شده دارای معنی هستند. وقتی که سر کار از دست استفاده می شود متوسط دفعاتی که حرکات گرفتن انجام می شود بسیار بیشتر بوده ، زمانی که دست پوشیده شده ولی خاموش است کمتر است . بنابراین واضح بود که ،وقتی معلول سر کار حضور داشت دست الکتریکی دارای عملکرد قابل ملاحظه ای بود ،اما وقتی در تماس با مردم بود ارزش دست منحصر به ظاهر آن پسیو بود .
فیدبک حسی :
عموماً تصور می شود که پروتز میوالکتریکی دارای فیدبک نیست ، و بیمار کاملاً به دید خود تکیه دارد . معمولاً اظهار می شود که در این مورد دست میوالکتریکی بدتر از مصنوعی استاندارد است زیر مقداری فیدبک با کشش Tension و موقعیت اعمال می شود . پس از بیماران که مطمئناً سئوال را فهمیده بودند در این مورد سوالاتی شد . فقط 23 درصد با این حدیث موافق بودند و ، 33 درصد کاملاً مطمئن بودند ، چندین بار تاکید کردند ، که صورت الکتریکی فیدبک بیشتری می دهد . نظر می رسد که این تاثیر بخاطر نصب سوکت در تماس با شخص است ، و هر چه مکانیزم کنترلی طبیعی تری با استفاده از عضلاتی که خود دست مصنوعی قرار میگرفتند بکار می رفت . گاهی ارتعاشاتی ذکر می شد . تعداد تعجب آوری از بیماران بی اختیار اظهار داشتند که احساس می کردند دست الکتریکی بیشتر شبیه قسمتی از وجود آنهاست تا دست مصنوعی استاندارد .
طول دست مصنوعی :
دست بلند بنظر پر مشکل تر از دست کوتاه بنظر می آید . بیماری با داشتن استخوانهای مچ ، لازم بود پروتزی بدنما (چون لازم بود که جزء مصنوعی جای کافی داشته باشد) ، باو نصب شده ، ولی آنرا نپذیرفت ، چون وقتی که او را از جلو میدیدیم دست مصنوعی بسیار کوتاهتر از دست طبیعی او بوده ، و این اختلاف بسیار مشخص بود . هرچند ، حتی کوتاه ترین دست Stump باعملکرد بسیار خوبی سازگار بوده ، هر چه در این مورد سوکت Munster می بایستی بطور ماهرانه ای نصب شود .
قابلیت قبول Acceptability :
بنظر می رسد که درایو ذاتی Innate drive برای بکار بردن پروتز میوالکتریکی ، تواما با ظاهر خوب و عملکرد آن و نیز نبودن ریسمان وجود دارد . هر چند این درایو ذاتی با عوامل چندی قابل اصلاح است ، که بعضی از این عوامل باعث ازدیاد و بعضی کاهش استفاده از آن می شوند . بنابراین اگر بخواهیم استفاده پروتز الکتریکی را بوسیله یک بیمار پیش بینی نمائیم ، بایستی به این عوامل اهمیت دهیم . مهمترین عامل ، حتماً اینست که بیمار شغل مناسبی دارد ، در حالی که محدودیتهای وسیله فعلی را در نظر می آوریم .
تمام بیمارانی که دست مصنوعی استاندارد دارند نسبت به ریسمان تنفر دارند ، هر چه میزان این تنفر بیشتر باشد ، بیشتر آنها را به سمت پروتز میوالکتریکی می راند . ا پوشیدن چنین پروتزی ، بیمار ناراحتی ریسمان را ندارد ، اما بعضی اوقات مشکل مهمتر دست را که لازم است میوالکتریکی نزدیکتر به بدن باشد ، را دارد .
هر چند این مشکل غیر معمول است و تعجب آور است که چنین دستهای بدی به موقع می تواند بطور موفقیت آمیزی نصب شود .
اگر بیمار قبلا از دستی با کابل عمل می کند (cable operated hand) بخوبی استفاده می کرده زیبائی دست میوالکتریکی کمتر روی او تاثیر می گذارد ، هر چه این نوع بیماران بسیار نادرند .
هر چه بیمار زمانی که حادثه بر این اتفاق افتاده جوانتر بوده ، بیشتر مایل بوده ، پروتز میوالکتریکی را بکار ببرد ، اگر چه این کورولیش خیلی ضعیف است ، هر چند هیچ کورولیشی با مدتی که بین حادثه زمانی که دست میوالکتریکی را دریافت کرده وجود ندارد . بعضی بیمارانی که مدتها دست مصنوعی استاندارد یا دست مکانیکی را بکار بردند ، حتی اگر برای چندین سال هیچ نوع پروتزی را بکار نبرده بودند ، خود را بخوبی با دست میوالکتریکی و فق دارند .
بحث :
قوانین زیادی بر رابطه بین این نوع بیمار با محیط اطرافش تاثیر می گذارد .اخیراً عقیده بر این است که مهندس برق می خواهد از سایر قوانین پیش افتد . مثلا ممکن است نوع دست بهتر مکانیکی که قادر باشد کنترل بهتری روی انگشتان را دارا باشد و با جنسی که بیشتر شبیه پوست طبیعی باشد ساخته شده . این ، بیماران بیشتری را قادر می سازد که از دست مصنوعی خود در سرکار استفاده نمایند . همچنین باید قبول کنیم که این دست از نظر نور و فیزیولوژی neuvophysiology بسیار ابتدائی است ، و در آینده می توان بهره بیشتری (از نظر اینکه دستی که بیشتر شبیه دست انسان باشد) از آن بود اگر از نظر الکترومیو گراف در دست باقیمانده بتوان یافت ، که در حال حاضر کجا نمی رود ، همانطور که در بعضی کارهای اخیر در سوئد روی شناخت الگو انجام شده است .
فلاسفه ممکن است اینطور بحث کنند که می توانیم بیمار را تعلیم دهیم که بیشتر کارها را با یک دست انجام دهد تااینکه اصلاً عضو یکطرفه را باو نصب نمائیم ، که در احساس این بحث ، این نگرش منفی منصفانه نیست ، و از این گذشته ، پیشنهاد می شود که سعی کنیم دستی الکتریکی برای تمام کارها بسازیم که بیمار را باتنها عضو مصنوعی اش قادر به کار سازد ، نه اینکه عضو مصنوعی استاندارد را کلاً کنار بگذاریم . چنین برنامه ای برای آنهائی که هر دو دست خود را از دست داده اند و نیز برای آنهائی که نقص عضو مادرزادی دارند که ممکن است تعداد آنقدر کمی را تشکیل دهند که کسی به خواست آنها توجه ننماید ، بسیار سودمند خواهد بود .
کنترل مایوالکتریک پروتزها (تاریخچه و طبقه بندی روشها) :
مقدمه : الف ـ کنترل مایو الکتریک : به این نوع کنترل ، سیگنالهای الکتریکی که با انقباض ارادی عضله انسان بوجود می آیند ، بعنوان سیگنال کنترل یک ماشین بکار می روند .
نخستین شواهد موجود در زمینه کنترل مایو الکتریک به سال 1984 باز میگردد که راینهولد رایتر درمونیخ ، یک پروتز مایو غالکتریک دست را بنمایش گذاشت به این قصد که کارگران در کارخانه از آن استفاده کنند . ادامه این کار پس گرفته نشد و ظاهراً تا سال 1969 ، پژوهشگران توجهی به آن نکردند . تا این هنگام . تحقیقات جداگانه ای در باب کنترل مایوالکتریک اعضای مصنوعی در شوروی ، انگلستان ، سوئد ، ژاپن ، آمریکا و کانادا آغاز شده بود . پروتز مایو الکتریک شوروی که در آن کشور برای موارد کلینیکی بکار می رفت و برای کاربردهای محدود ، به کانادا و ملی انگلستان نیز صادر شده بود . نیز در نتیجه همکاری بین صنایع ارتوپدیک اتوبوک آلمان و موسسه ملی بیمه حوادث کارگران ایتالیا ، یک نوع پروتز مایو الکتریک برای استفاده در توان بخشی کارگران ساخته شد .
این سرآغازی بر پیشرفت سیستمهای کنترل مایو الکتریک است ؟ حداقل نیاز ، مانند کاربرد درمعلولیتهای پائین تر از آرنج را درسطح کلینیکی تامین می کند . سیستمهای پیچیده تر در برخی از مراکز ، کم و بیش پیشرفتهائی داشته باشته اند .
هدف این مقاله ، مرور بر ابعاد پردازش سیگنال که کنترل مایو الکتریک است .
ب ـ فشار سیگنال مایو الکتریک ـ فرآیندهای بیوشیمیائی که پتانسیل الکتریکی را عضله پدید می آورد بخوبی شناخته شده اند .
دیواره سلول عضلانی از غشای نیمه عبور دهنده ای تشکیل شده است . در وضعیت استراحت ، اختلاف پتانسیلی حدود صد میلی ولت بخاطر تمرکز یونی ، بین دو طرف این غشاء وجود دارد . انقباض عضله توام با نقل و انتقال سریع یونها صورت میگیرد : برای مدتی کوتاه ، غشاء یونها را از خود عبور داده ، پتانسیل سلول معکوس می شود و سپس به مقدار قبلی باز میگردد . این حرکت گذرای یونها منجر به پتانسیل عمل می گردد که در فاصله ای از سلول ، قابل اندازه گیری است .
کوچکترین واحد عمل کننده در عضله، موتور یونیت است که از یک عصب حرکتی و تعدادی تار عضلانی که به شاخه های آن عصب متصلند تشکیل می شود . تعداد تارهایی که در یک موتور یونیت وجود دارد از کمتر از 10 تار در عضلانی که حرکات خیلی ظریف را کنترل می کنند ،تا بیشتر از 1000 تار در عضلات بزرگتر شمارش شده است . باسماحاجیان معرفی خوبی از سازمان عضله بعمل آورده و جزئیات سیستم کنترل مدار بسته فعالیت عضله نیز در جاهای دیگر آمده است . بطور ساده ، کشش عضله با دو مکانیسم، کنترل می شود :
وارد عمل شدن موتور یونیتها و تغییر فرکانس انقباض در آنها(تعداد آتش کردنها)
وارد عمل شدن موتور یونیتها ، یک فرآیند ترتیبی است ، ابتدا واحدهایی که ترشولد پایین تری دارند و سپس با افزایش کشش ، واحدهایی که ترشولد بالاتری دارند. شواهدی وجود دارد که این فرآیند احتمالاً با دخالت اراده صورت می پذیرد . در 1960 هریسون و مورتنسن ، کنترل ارادی موتور یونتهای خاصی را نشان دادند و آن را هم برای تعبیر برخی از ابعاد کنترل عصبی ـ عضلانی و هم بعنوان وسیله ای احتمالی برای کنترل مایوالکتریک پروتزها مورد تحقیق قرار دادند.
در کنترل مایوالکتریک، سیگنالی که معمولاً بکار می رود جمع جبری پتانسیلهای عمل موتور یونیتهای بسیاری است که بطور غیر همزمان، بکار افتاده اند . سیگنال آماری منتجه بعنوان نویزی تصادفی در نظر گرفته شده که بطور ارادی با نیروی انقباض عضله،مدوله شده است .
سابقاً برخی از پژوهشگران ،توانایی کنترل ارادی از طریق سیگنال برآیند را بدون اینکه کشش عضله را اندازه بگیریم، مورد شک و تردید قرار داده بودند اما اکنون ثابت شده که نه تنها این کنترل ، مقدور است بلکه بطور نسبتاً ساده ای می توان آن را آموخت .
برای تجسم مسائل کنترل مایوالکتریک عضو مصنوعی ، به دیاگرام زیر توجه کنید :
بخش داخل خط چین، هنگام جراحی و قطع عضو ، برداشته می شود. مسیر نقطه چین، مسیر فیدبک مورد نیازی است که در پروتزهای فعلی وجود ندارند . معلول، فاقد عضو مورد نظر ، مفصل و بخشی از عضله حرکت دهنده آن و بویژه فاقد مسیرهای فیدبک ، و حس عمقی است .
محدودیتهای در طراحی خود پروتز وجود دارد . در سیستمهای اولیه از جمله پروتز روسی، مجموعه ای از تسمه ها برای نگهداشتن پروتز بکار می رفت و بخشهای الکترونیک و باتریها، روی کمر بسته می شود یا در جیبلباس قرار میگرفت ، اکنون پذیرفته شده که در یک طرح متناسب با هیئت انسان ، باید اصل جمع و جور بودن و همه چیز سر خود بودن رعایت گردد . محدودیتهای ناشی از این امر به اندازه ، شکل و وزن را در بر میگیرد بویژه برای طراح بخش الکترومکانیک سیستم ، وضع مشکلی را پدید می آورد .
این محدودیتها برای طراح بخش الکترونیک نیز مشکلاتی در بر دارد که در یکی از آنها حداقل بودن جای اشغال شده توسط منبع تغذیه است .
ج ـ کاربردهای کنترل مایوالکتریک : کاربردهای صنعتی و نظامی کنترل مایوالکتریک ، بویژه در دهه 1960 مورد توجه بود . اما پیشرفت آشکاری در این جهت صورت نگرفت و عمده کاربردها ، همان کنترل اعضای مصنوعی (پروتز) و ابزار کمکی عضو ناتوان (ارتز) باقی می ماند .
دـ مطلوبیتهای کلینیکی ـ پروتزهای قدیمی مایوالکتریک بدلایلی نمی توانستند جای خود را در جامعه باز کنند . آنها سنگین ، دست و پا گیر و دارای قابلیتهای کمی بودند و معمولا شامل یک یا دو نیمه بیرون از پروتز می شدند که باتری و مواد الکترونیک را حمل می کند قابلیت اطمینان کلی این پروتزها کم بوده .
یکی از بهترین ان سیستمها در فاصله 1957 تا 1965 در موسسه مرکزی تحقیقات پروتزسازی مسکو ساخته شده بود . این پروتز زیر آرنج ، شامل یک بسته باتری بوزن gr320 ، یک تقویت کننده مجزا بوزن gr 120 و کابلها و کنکتورهای مربوطه بود . حداکثر نیروی پنجه در حالت بسته شدن فقط 15 نیوتن نرو بوده .
باید توجه داشت که مطلوبیت کلینیکی پروتزهای سنتی دست ، در مجموع کم است ، ویتالی و دستیارانش طی بررسی نشان دادند که هفتاد درصد معلولین دست ، این پروتزها را نپذیرفته اند . این نتیجه شگفت آور را می توان چنین توجیه کرد که فقدان یک دست زندگی را مختل نمی کند و مانع کاریابی هم نمی شود . البته معلولیت بنحوی سبب محدود شدن ، به زحمت افتادن و فشار روانی می گردد . اما اگر پروتز ، فایده قابل توجهی برای معلول نداشته باشد او ترجیح خواهد داد بدون آن زندگی کند.
اما با پیشرفتهای اخیر در پروتزهای مایوالکتریک ، مطلوبیت آنها در میان معلولین زیر آرنج به سطح خوبی رسیده است . برخی آمارگیریها ، این پذیرش را بین 80 تا 100 درصد گزارش داده اند .
در مقایسه با پروتزهای قدیمی ، امتیازات پروتزهای جدید ، شامل بی نیازی از تسمه ویراق ، ظاهر مناسب ، عملکرد خوب در موقعیتهای مختلف عضو ، و سادگی کنترل است .
متاسفانه معلولیت سطوح بالاتر و معلولیت دو طرفه (bila teval) مشکلات بیشتری را سبب می شده که پروتزهای فعلی ، راه حلهای چندان رضایت بخشی برای آن ندارند .
کاربرد سیگنال مایوالکتریک در کنترل پروتز دست :
الف ـ کنترل مایوالکتریک : در این نوع کنترل سیگنالهای الکتریکی که با انقباض ارادی عضله انسان بوجود می آیند بعنوان سیگنالهای کنترل یک ماشین بکار می روند .
ب ـ منشاء سیگنال مایو الکتریک : فرآیند بیو شیمیایی که پتانسیل الکتریکی را در عضله پدید می آورند بخوبی شناخته شده اند .
کوچکترین واحد عمل کننده در عضله موتور یونیت است که از یک عصب حرکتی و تعدادی تار عضلانی که به شاخه های آن عصب متصلند تشکیل می شود . تعداد تارهائی که در یک موتور یونیت وجود دارد از کمتر از 10 تار در عضلاتی که حرکات خیلی ظریف را کنترل می کنند تا بیشتر از 1000 تار در عضلات بزرگتر شمارش شده است .
بطور ساده کشش عضله با دو مکانیسم کنترل می شود / مورد عمل شدن موتور یونیتها و تغییر فرکانس انقباض در آنها .
برای تجسم مسائل کنترل مایوالکتریک عضو مصنوعی به دیاگرام زیر توجه کنید :
بخش داخلی خط چین هنگام جراحی و قطع عضو برداشته می شود . مسیر نقطه چین مسیر فیدبک مورد نیازی است که در پروتزهای فعلی وجود ندارد . معلول ، فاقد عضو مورد نظر ، مفصل و بخشی از عضله حرکت دهنده آن و بویژه فاقد مسیرهای فیدبک و حس عمقی است .

نقش الکترود گذاری در سیگنال دریافتی ازعضلات و روشهای پردازش :
بمنظور وارد شدن به بحث الکتروگذاری که ناکنون کمتر به طور منظم به آن پرداخته اند . ابتدا مختصراً تولید سیگنالهای بیو الکتریکی و نحوه کار الکترود را در بر داشت و اخذ این سیگنالها بررسی می کرده سپس انواع الکترودها را مورد بحث قرار میدهم . پس از بررسی مختصری از فیزیولوژی EMG (سیگنال الکترومایوگرافی) به نقش آرایش الکترودها و فصل مشترک الکترود و پوست از جهت گمی می پردازیم . پس رابطه استراتژی پردازش را با آن بررسی کرده در پایان سعی می کنیم روشی منظم برای یافتن محل بهینه الکترودها ارائه دهیم :
1ـ منشاء بیوپتانسیل : پتانسیلهای الکتریکی ایجاد شده و سیستمهای بیولوژیک ، نتیجه گرادیان الکتروشیمیائی یونها در دو طرف غشاء سلولی است . این نوع پتانسیلها در سلولهای گیاهی ، حیوانی و انسانی در انواع مختلف وجود دارد . بطور کلی غشای سلولها تمایل دارند که برخی از یونها را به آسانی عبور دهند اما د برابر بعضی دیگر سد محکمی بشمار می روند . عبور انتخابی یونها سبب ایجاد اختلاف پتانسیل بین که طرف غشای شود و آنقدر این ولتاژ زیاد می شود که سرانجام میدان الکتریکی ناشی از آن مانع عبور یونهای بیشتری شده و تعادل برقرار میگردد . پتانسیل استاتیک نهائی ایجاد شده برای یک نوع یون پتانسیل نرنست Nernst نامیده می شود و از رابطه زیر محاسبه می گردد :
یک مقدار نمونه برای نسبت یک یون ، 100 به 1 می باشد که در نتیجه با استفاده از رابطه فوق پتانسیل نهائی حدود 115 میلی ولت خواهد شد که این ولتاژ نمونه در دوطرف غشا پیدا می شود .
2ـ برداشت بیوسیگنال : برای ثبت سیگنال بیولوژیک باید تغییرات دینامیک پتانسیلهای سلولی را برداشت کنیم . برداشت را میتوان از فعالیت های گروههای کوچک سلولی یا حتی یک سلول انجام داد به این نحو که یک الکترود خیلی کوچک درون سلول یا گروه سلولی مورد نظر باشد . با این روشها می توان سیگنال های بیوالکتریکی قلب ، مغز ، عضله و غیره را ثبت کرد . گرچه سیگنالی که از یک سلول منفرد حاصل می شود خیلی کوچکتر از آن است که در سطح بدن تشخیص داده شود از کار همزمان تعداد زیادی سلول سیگنالی که برآیند سیگنالهای منفرد آنهاست قابل اندازه گیری خواهد بود . در سطح بدن این برآیند در حد 10 میلی ولت می باشد . اما الکترود چگونه عمل می کند ؟
زمانی که یک نفر با محلولی درتماس موقع گردد اختلاف پتانسیلی بین آن دو برقرار می شود (این اساس کار پیل و سلول ولتانیک هم هست) . مثلاً تیغه ای از نقره را که معمولاً جنس الکترود را از آن انتخاب میکنند در تماس با یونهای کلر که در یک محلول بوجود آمده در نظر می گیریم. لایه ای از یونهای نقره ، سطح تیغه را فرا می گیرد و در داخل محلول،مماس براین لایه لایه ای از یونهای کلر قرار می گیرد. پتانسیل حاصل را می توان با استفاده از رابطه نرینت بدست آورد. منتها باید الکترولیت از محلول نمک فلز تیغه،تشکیل شده باشد .اگر الکترودی از نقره داخل بدن قرار گیرد دیگر نمی توان از رابطهنرینت استفاده کرد . مگر اینکه الکترود مزبور با لایه ای از کلر و نقره پوشانده شده باشد . الکترود نقره با لایه نفوذ پذیر جکر و نقره همان الکترودی است که امروزه بفراوانی بکار می رود . نقش لایه بطور خلاصه ایجاد محیط یونی اشباع شده در سطح فلز می باشد.
3ـ انواع الکترود: الکترودهایی که برای برداشت سیگنالهای الکتروفیزیولوژی مورد استفاده قرار می گیرند،انواع و کاربردهای مختلفی دارند . یک نوع آنها الکترودهای سطحی یا دیسکی می باشند که اغلب بصورت جفتی،دوقطبی، یا دیفرانسیل بکار می رود و سیگنال حاصل تفاضل دو سیگنالی است که هر الکترودنسبت به زمین برداشت می کند . محل نصب جفت الکترود باید تمیز باشدو از ژل الکترونیکی برای هدایت بهتر سیگنال استفاده می شود . البته اگر امپر این ورودی تقویت کننده سیگنال به حد کافی زیاد باشد نیازی به ژل نیست. یک مدل ساده الکتریکی از الکترودپوستی و فصل مشترک آن با بدن در شکل زیر مشاهده می شود .
Rb :مقاومت مایع بدن و حدود100 اهم .
Vs :ولتاژ پلاریزاسیون دائمی در فصل مشترک .
Rs وCs : امپرانس فصل مشترک وابسته به سطح تماس تمیزی پوست و خواص الکترولیت .
C بین 0.5 تا0.05 میکرو فارادو Rs بین 0.5 تا5 کیلواهم است .
Re : مقاومت الکترولیت بین0-1 تا10 – کیلو اهم .
Rw : مقاومت فلز الکترولیت و حدود500 اهم .
Vm :منبع ولتاژ ثابت از چند میلی ولت تا چند ولت .
Vm(I) : منبع ولتاژ وابسته به زمان و جریان و حداکثر چند ولت .
Cm : خازنی حدود 1000 میکرو فاراد .
کاربرد الکترودهای سطحی، ساده تر است و این الکترودها برداشت سیگنال را از ناحیه وسیعتری انجام می دهند . تنها عیب آنها این است که استفاده طولانی از آنها ممکن است سبب واکنش آلرژیک پوست شود .
نوع دیگر الکترودها ، سوزنی می باشد این نوع که نیاز به نصب دقیق و با استفاده از تجهیزات خاص دارد . تنها برای کارهای پژوهشی و بالینی مناسب است . با این نوع الکترود فقط از منطقه کوچکی سیگنال برداشت می شود . این الکترودها خود انواع متعددی دارند که در کلینیک مورد استفاده قرار می گیرند .
نوع دیگری از الکترودها را در داخل بدن و بطور دائم و بصورت همیشگی نصب می کنند . این الکترودها برای سیستم تله متری بیسیم بکار می رود و سیگنال را از داخل بدن به بیرون مخابره می کنند . این نوع الکترود در معرض خوردگی شیمیائی است و احتمال صدمه رساندن به بدن وواپس زنی آن توسط بدن نیز وجود دارد.
4ـ فیزیولوژیEMG : سیگنال الکترومایوگرافی یاEMG تقریباً همزمان با فعالیت مکانیکی عضلات در سطح آن ها قابل برداشت است . این سیگنال ترکیبی از خروجی واحدهای حرکتی عضله یا موتور ـ یونیتها می باشد . سیگنال هر موتور یونیت نیز نشانگر فعالیت چند تار عضلانی است .EMG نتیجه دو واقعه مرتبط است . اول فعالیت الکتریکی ناشی از تخلیه عصبهای حرکتی یا موتونرونها. دوم موج دپلاریزاسیون تارهای عضلانی.
مجموعه موتونرون و تارهای مربوط به آن یک موتورـ یونیت را تشکیل می دهد به فاصله چند میلی ثانیه پس از دپلاریزاسیون یونی تار عضلانی فعالیت مکانیکی بصورت یک کشش ناگهانی وسپس توقف ظاهرمی شود . برحسب نوع تار مدت عمل مکانیکی می تواند تا 20 میلی ثانیه طول بکشد . فعالیت الکتریکی تار مربوط ، یک تا 4 میلی ثانیه دوام دارد . اما تخلیه موتور ـ یونیت که سیگنال پتانسیل عمل (Action Potential) را تولید می کند دوام بیشتری دارد و نشانگر فعالیت همزمان چند تار مرتبط به هم است که تشکیل موتور ـ یونیت را می دهند. در یک فعالیت کامل مجموعه ای از پتانسیلهای عمل تولید می شود و افزایش فرکانس تحریکات عصبی سبب افزایش نرخ تولید آنها می گردد و در نتیجه نیروی انقباض بزرگتری ایجاد می شود . مشکل و دافعه سیگنالEMG به عوامل مختلفی وابسته است : الف) ویژگیهای فیزیولوژیک عضله مثل قطر تار ،ترکیب شیمیائی تار ،فاصله تار فعال از محل الکترود، ویژگی پایین گذر بودن فیلتر متشکل از بافتها و غیره .
ب) طبیعت عمل استاتیک یا (دینامیک) و اراده که تعیین کننده خصوصیات کمی و کیفی آن است .
ج) نوع الکترود که در مورد سوزنی سیگنال مثلاً هز یک موتور ـ یونیت برداشت می شود ودر مورد الکترود دیسکی از منطقه برداشت وسیعتر بوده و پتانسیل موتور ـ یونیتهای زیادی را در بر می گیرد و در نتیجه تپرنی طویل المدت تر و پر نوسان تر حاصل می گردد .
د) شکل سیگنال کنترل عصبی مربوط به محل تولید سیگنال .
ه) خواص سطح تماس الکترود پوست و تغییرات آن با گذشت زمان .
و) آرایش الکترودها و نحوه جایگذاری آنها .
در کاربردهای کلینیکی و تشخیص طبی معمولاً پتانسیل عمل را بطور منفرد و باالکترود سئزنی برداشت می کنند . آنگاه از روی مشخصات آن نظیر طول زمانی، دامنه، تعداد قله ها،و طیف فرکانس،آنالیز مورد نظر را انجام می دهند . الکترودها باید در محلهای متعددی( اغلب بیشتر از 10 تقطه) نصب گردد . در انقباضهای ضعیف ، موتورـ یونیتها به تعداد کمتر یا حتی منفرداً دخالت می کنند . اما با افزایش نیروی اراده شده موتور یونیتهای بیشتری فعال می شوند و بطورهمزمان کار می کنند . این موضوع با محاسبههمبستگی متقابل یا کراس کورلیش بخشهای مختلف عضله اثبات شده است.در ضمن با این افزایش نیرو و همزمانی فعالیت طیف قدرتEMG بطرف فرکانسهای پایین شیفت می یابد . تجربه نشان می دهد که سنکرون یا همزمان شدن موتور یونیتها با افزایش نیرو، خستگی عضلانی و در برخی از بیماریها شدت بیشتری می یابد . در این شرایط معمولاً سرعت هدایت پتانسیل عمل که تار عضلانی نیز کاهش می یابد و این امر نیز بنوبه خود منجر به شیفت طیف بسمت فرکانسهای پایین می گردد . در اولین مراحل انقباض موتورـ یونیتهای کوچکتر فعال می شوند . با افزایش انقباض هم این موتورـ یونیتها سریعتر و با نرخ بیشتری تحریک شده و روشن می شوند . و هم موتوریونیتهای بزرگتر وارد کار می گردند . سنکرون شدن فعالیت آنها در انقباضهای شدیدتر نه تنها سبب شیفت فرکانس می شود بلکه دامنه سیگنال را هم افزایش می دهد .
5ـ کلیاتی درباره آرایش الکترودها : معمولاً در اغلب الکترودهای سطحی به چند نکته توجه می شود :
اول : فاصله الکترودها از هم در یک جفت الکترود که اغلب 2تا3 سانتی متر انتخاب می گردد .
دوم :موقعیت راستای جفت الکترود نسبت به راستای تار عضلانی که اغلب این 2 راستا را موازی یا منطبق می گیرند .
سوم : نقطه میانی جفت الکترود نسبت به توده عضلانی که همیشه سعی می شود جفت الکترود در روی قسمت پهن عضله که توده بیشتری دارد قرار گیرد حتی اگر بخشی از عضله قطع شده باشد .
چهارم : موقعیت نقاط میانی چند جفت الکترود روی چند عضله نسبت بهم .
2 عامل اخیر نقش مهمتری دارند چونEMG در توده عضلانی از نقطه ای به نقطه دیگر تفاوت می کند .بزرگترین سیگنال یا در وسط عضله که اغلب پهن ترین بخش آن است بدست می آید یا در نزدیکmotor point . اما با این نوع جایگذاری باید به ازای هر عضله یک جفت الکترود بکار بریم که جمع کل الکترودها ممکن است زیاد شده و چنانچه خواهیم دید شاید این کار لازم نباشد . علت آنکه راستای جفت الکترود را همان راستای تار عضلانی می گیرد معلوم است . زیرا در این صورت سیگنال تفاضلی حاصل از فعالیت موتورـ یونیتها اخذ خواهد شد و در غیر این صورت،سیگنال تفاضلی حاوی مولفه های غیر مفید دیگری می گردد .اما بدرستی معلوم نیست که چرا فاصله زوج الکتروداز یکدیگر را آنچنان که گفته شد در نظر می گیرند . و بطور کلی مساله از ایجا آغاز می شود که جواب قاطعی به این سوال داده نشده که برای آشکار سازی و کاربرد سیگنال EMG تعداد و محل بهینه الکترودها چگونه باید انتخاب شده . تمایل بیشتر به روشهای آزمایشی بوده اما متاسفانه مبنای نظری قوی برای آن پایه ریزی نشده . در موقع افزودن بر تعداد الکترودها همیشه اطلاعات مستقلی نمی دهد و آشکارسازی را بهتر نمی کند . با انتخاب حساب شده محلهای اخذ سیگنال می توان مجموعه ای بهینه از پارامترها را به منظور حداقل کردن خطای تشخیص ، تعیین کرد .
6ـ بررسی کمی نقش آرایش الکترودها : در موقع الکترودها نمی توانند برآیند الکتریکی همه موتوریونیتها را برداشت کنند بلکه فقط دیدگاهی از یک منطقه عضله برای ما می گشایند . پس یک نویز نمونه برداری مکانی ـ زمانی خواهیم داشت که بصورت نویز فرکانس پایین و با دامنه بزرگ بر کار سیستم پردازشگر اثر خواهد گذاشت. برای حذف آن باید نمونه برداری را روی منطقه بزرگتری انجام داد . پس یا بایدنمونه برداری را از یک سطح وسیعتری انجام دهیم و با استفاده از معادلات میدانهای الکترومغناطیسی و معادلات ماکسول آن را تحلیل کنیم که این هنوز خام است و با توجه به پیچیدگی سطح برداشت و تقویت کننده لازم برای تقویت چنین میدان الکترومغناطیسی و سپس پیچیدگی پردازشگری که باید از آن نتیجه گیری کند می توان پیش بینی کردن دنبال کردن این چندان برای هدف ما مناسب نیست .
اما نمونه برداری از روی منطقه بزرگتر ممکن است با استفاده از چند کانال مجزا بمنظور کسب یک خروجی واحد صورت گیرد که در اینجا دو سوال مطرح است :
اولاً : بهترین راه پردازش سیگنال هر جفت الکترود چیست.
ثانیاً : بهترین راه ترکیب سیگنالهای مذبور کدام است . یافتن پاسخ سوالهای فوق بستگی به مدل انتخابی برای تولید سیگنال EMG در بدن دارد . یک مدل پیشنهادی ، در شکل زیر ترسیم شده است .
در اینجا{w(t)} یک فرآیند نویز سفیدگوسی با متوسط صفر است که در فیلترH(f) شامل فصل مشترک الکترود و پوست، شکل می گیرد . F(t) نیروی اراده شده در عضله است که با یک رابطه قابل تعیین به واریانس و دامنه سیگنال تبدیل می شود و سپس با خروجی H(f) مدوله می گردد . ( بکمک یک ضرب کننده)
نتیجه کلی سیگنال EMG سطحی خواهد بود .
در این مدل فیلترH(f) نویز سفیدگوسی را غیر سفید کرده وسبب شدهEMG مدولاسیون ساده دامنه با نویز سفید نباشد .
یک راه جالب سفید کردن تغییر تابع فیلترینگ بافت عضله ، پوست و الکترودهاست . شکل زیر تابع فیلتر حاصل از فاصله جفت الکترود دیفرانسیل را نشان می دهد :
این اثر تا حدی شبیه تاثیر انکسار است . تفاوت فاصله منجر به تداخل تخریبی برخی از مولفه های فرکانسی می شود .
V سرعت انتشار پتانسیل عمل در طول تار عضلانی است . مقادیر نمونهd وv منجر به فروافتادن{H(f)} در فواصل حدود 100 هرتز خواهد شدکه اولین مقردر بخش مهمی از عرض باند EMG سطحی است . با کاهش d می توان این قطر را به فرکانس های بالا منتقل کرد که در نتیجه عرض باند موثرEMG افزایش خواهد یافت و طیف فرکانس EMG بیشتر به سفید نزدیک خواهد شد . این پیشرفت مهمی در کار پردازشگر است .
برای کاهش فاصله الکترودهای یک جفت، موانعی وجود دارد . عرق بدن ممکن است به آسانی مداری بین الکترودها برقرار کند که در نتیجه سبب نوسانات تصادفی در بهره تقویت دبایاسdc تقویت کننده ورودی می گردد . از سوی دیگر برای کاهش فاصله زوج الکترود باید کوچک کردن خود آنها را نیز پذیرفت . این کار منجر به کوچک شدن منطقه برداشت آن زوج شده و فعالیت تارهای عضلانی کمتری تشخیص داده می شوند . این کاهش اطلاعات ،کیفیت کار پردازشگر را پایین می آورد .
باین ترتیب باید فاصله بهینه ای برای زوج الکترود وجود داشته باشدکه کاهش یا افزایش فاصله در ورای این حد اطلاعات قابل حصول را کم می کند. فصل مشترک الکترودو پوست دردسرهای دیگری را نیز سبب می گردد . در آزمایشهای مختلف ویژگیهای این فصل مشترک تغییر می کند و بسختی می توان شرایط یک آزمایش را تکرار کرد .
یکی از علل غیر قابل تکرار بودن EMG دریافتی در یک آزمایش همین موضوع است. حتی در طول یک آزمایش خاص و واحد نیز ویژگیهای فصل مشترک به آهستگی با زمان تغییر می کنند. این تغییر در امپدانسها و توازن آنها هم روی می دهد بطوری که حساسیت وبایاسdc آمپلیفایر ورودی بدنبال آن تغییر می کند. تغییر بایاسdc را بآسانی می توان خنثی کرد .اما تغییر حساسیت به معنی نیاز به تنظیم مداوم پردازشگر است .زیرا باید بتواند آنالیز کمی را با دقت به انجام برساند . پس ملاحظه می شود که هنوز پایدار کردن آرایش الکترودها و قابلیت اطمینان آنها کار زیادی را می طلبد . برخی پژوهشهای جالب در این زمینه کارهای پورتنوی و دیور و همچنین هوتینگ می باشد .
7ـ رابطه استراتژی پردازش و آرایش الکترودها : برای انتخاب استراتژی پردازش نخست باید تصمیم گرفت که آیا عضله ای که بکار برده و تعلیم می دهیم تاEMG مورد نظر را تولید کند . عضله موقتاً دخیل درآن حرکت نبوده و از عضلات کمتر بکار رفته می باشد و یا اینکه عضلات وظیفه طبیعی خود را در یک حرکت انجام می دهند و ما مستقیماًاز خود آنها استفاده می کنیم .
نوع اول که آنرا آگاهانه می نامیم به دلیل سادگی محاسبات از 1948 تاکنون مکرراً بکار رفته است . علل اخذ سیگنال در این نوع باید این شرایط را داشته باشد :
اول : عضله مربوط باید تحت کنترل داوطلبانه و اختیار انسان باشد .
دوم :باید نصب الکترود روی آن عضله براحتی امکان داشته باشد .
سوم : عضله مزبور نباید در هیچ حرکت دیگری فعال شود .
چهارم : عضله باید به اندازه کافی از همه عضلات فعال دیگر دور باشد تا سیگنال دریافتی حتی المقدور فقط مربوط به خود آن باشد .
پنجم : ترجیح دارد که آن عضله از محل انجام حرکت هم دور باشد .
معایب این نوع کنترل این است که نیاز به تمرین طولانی تمرکز حواس در حین کار با پروتز و در نتیجه کاهش سرعت اپراتوری انسان دارد. در ضمن به ازای هر حرکت باید یک جفت الکترود بکار برد . البته می توان برای کاهش تعداد الکترود معلول را آموزش داد تا در یک عضله حتی 3 سطح مختلف سیگنال را تولید کند که البته این خود سبب شدت بخشیدن به معایب این نوع کنترل می گردد .
بطور کلی حسن این روش آن است که چندین حرکت اراده شده را می توان بالقوه در یک زمان تشخیص داد . به هر حال معایبی که برای این روش برشمرده شد سبب عدم استقبال معلولین و کنار گذاشتن پروتزهای مربوط شده است .
نوع دوم کنترل نیاز به پردازش و محاسبات پیچیده تری دارد و بر اساس این موقعیت فیزیولوژیک است که عضلات مستقل از هم کار نمی کنند . در موقع یک عضله در حرکات و زمانهای مختلف می تواند وظیفه یک prime mover یاsynergist یاantagonist یاfixator را انجام دهد . پس نمی توان رابطه یک به یکی بین یک عضله و یک حرکت برقرار کرد. با نصب الکترودها روی عضلات مختلف سهیم که یک حرکت پردازشگر باید قادر باشد از ترکیب کانالهای مختلف اخذ سیگنال در مورد نوع حرکت و ویژگیهای کمی آن نتیجه گیری کند . پژوهشگران تعداد کانالها را گوناگون انتخاب کرده اند . مثلاً جیکوبسون و همچنین لایمن از 9 جفت استفاده کردند و ویسرتا وتیلور از 10 جفت . چون الکترودها روی عضلات مختلف نصب می شوند همبستگی بین کانالها باید خیلی کم باشد و روش پردازش ساده تر می شود . اما بعلت بالا رفتن سخت افزار مورد نیاز و تعدادکانال پروتز هزینه بیشتر و حجم بزرگتری خواهد داشت . پس ملاحظه می شود که آرایش الکترودها کاملاً در ارتباط با مدل و استراتژی پردازش است .
8ـ معرفی مدلهای استخراج مشخصات : این مدلها به 2 نوع کلی تقسیم می شوند :
اول : مدل غیر ساختاری که هیچ مکانیسم خاصی برای منشا اطلاعات در نظر نمی گیرد . این مدلها بر اساس آنالیز خصوصیات هندسی و ریاضی سیگنال EMG کار می کنند .
دوم : مدل فیزیکی که ساختار خاصی را بر اساس ارتباط طبیعی پارامترها در نظر می گیرد .اگر فرآیندتولید اطلاعات را تا حدی بشناسیم می توانیم راههای مناسبی را برای کنترل از روی پارامترهای آن انتخاب کنیم. اگر هیچ ساختار فیزیکی را نتوان پیشنهاد کرد باز می توان مدل جعبه سیاه را برای مشابه سازی پیش بینی و تشخیص پترن بکار برد .
مدلهای نوع اول بسیار معمول است و یک یا چند روش ذیل را که برای کامپیوتر آنالوگ هم مناسب است بکار می برد : انتگرالEMG یکسو شده ، انتگرال متوسط(IAV) یکسوشده rms ،مقدارrms سیگنال، چگالی گذر از صفر ، تعداد قله های سیگنال ، متوسط چند کانالEMG و غیره. برای هر یک از این مشخصات می توان بازای هر الکترود هر حرکت یک ماتریس تشکیل داد و با تکرار زیاد آزمایش متوسط مشخصات را شناسائی کرد و هنگام استفاده عملی تصمیم را براین اساس گرفت که مشخصه بدست آمده به کدام یک از اطلاعات موجود در حافظهکامپیوتر نزدیکتر است . متاسفانه همه مشخصات مذکور فقط بخش کوچکی از اطلاعات قابل دریافت را در خود دارند و قابلیت بسیاری از آنها محدود است . مثلاً چگالی گذر از صفر فقط در محدوده کوچکی از دینامیسم عضله قابل استفاده است . برای بالا بردن اطمینان از صحت ویژگیهای بدست آمده نیز باید تعداد زیادی جفت الکترود بکار برد که بخصوص برای چند درجه آزادی منجر به پیچیدگی و هزینه وحجم فوق العاده ای در سخت افزار می شود .
مدلهای نوع دوم شامل مدل الکترومغناطیسی مدل مبدل خطی و مدل جمع آثار می باشد. در مدل الکترومغناطیسی که توسط سویدیها ابداع شده سیگنال تارهای مختلف بعنوان موج منتشر شده در نظر گرفته می شود و معادلات ماکسول برای آنها حل می گردد . در نتیجه عبارتی برای طیف قدرت در هر فاصله از یک تار حاصل می شود . با جمع سهم تارها ، خروجی یک موتور ـ یونیت بدست می آید و با فرض اینکه موتورها باهم بستگی نداشته باشند روی منابع سیگنال در یک مقطع عضله انتگرال گیری می شود .در مدل مزبور بسیاری از خصوصیات از جمله پاسخ فرکانسی الکترود و جابجایی منطقه تحریک نسبت به الکترود در نظر گرفته می شود .
در مدل مبدل خطی پاسخ موتور یونیت به رشته پالسهای عصبی ورودی منجر به رشته پالسهای پتانسیل عمل می گردد مورد توجه است . این پالسهای عصبی در زمانهای گسسته ti به وقوع می پیوندد. کهti یک رشته فرآیند افزایشی آماری غیر استیشنری است . نمودار این مدل چنین است :
با فرض خطی بودن مدل نخستین خروجی چنین محاسبه می شود :
gi ها تقریبهای مناسبی هستند که برای تشکل پتانسیل عمل در موتور ـ یونیتها مد نظر گرفته می شوند.خروجی در محل اخذ سیگنال (روی پوست) چنین است :
خروجی قابل مشاهده در روی نوار الکترومایوگرام یا روی صفحه کامپیوتر چنین است:
n1 وn2 نویزهای موجود در محل اخذ و محل مشاهده هستند.
فرض خطی بودن به معنی آن است که موتور ـ یونیتها روی هم اثری ندارند. بر مبنای این مفروضات و چند نوع فرض ساده دیگر مدلهایBrody-Beckley-sheuedyk-Deluca حاصل می شوند.
درمدل کلی جمع آثار برای پتانسیلهای عمل تقریب ریاضی خاصی در نظر گرفته می شود و از جمع شکل موجهاپترن EMG بدست می آید. البته تاکنون نتایج تئوری و عمل در مدل اخیر چندان بهم نزدیک نبوده اند .
9ـ ارائه روش برای یافتن بهترین آرایش الکترودها :
با توجه به مطالب قبلی بنظر می رسدکه بهترین مدل برای پردازشEMG همان مدل جعبه سیاه است . این مسلم است که سیگنال EMG نویزی بدون کورلیش یا همبستگی زمانی نیست.(با توجه به طیف سیگنال) و باز واضح است که EMG برداشت شده از نقاط مختلف عضله نشانگر دیدگاههای مختلفی از یک میدان الکترومغناطیسی است که طبعاً این سیگنالها دارای همبستگی مکانی نیز هستند. پس ورودیهای سیستم پردازشگر در موقع سریهای زمانی مرتبط باهم هستند.
برای آزمایش اینکه آیا توزیع جفت الکترودها روی عضله تمام اطلاعات موجود را دریافت می کند و در ضمن اطلاعات در آنها تکرار نمی شود کراس کورلیش یا همبستگی متقابل سریهای زمانی شکل موجهای دریافتی را بررسی می کنیم. اگر این کراس کورلیش کم باشد اطلاعات آن سری های زمانی تا حد زیادی مستقل از هم هستند. با تکرار این روش در نقاط مختلف سطح عضله می توان نقاطی را یافت که نه تنها حداکثر اطلاعات قابل حصول را می گیرند بلکه حداقل تکرار اطلاعات در آنها رعایت شده است.در پروژه دست سیرنتیکی ما بر همین اساس روش کاملتری را دنبال کردیم . تمام سطح عضله نجیرهایی با المانهای کوچک تقسیم کردیم و به هر جزء سطح برداری نسبت دادیم که شامل مختصات فضائی آن و ویژگیهای آماری سری زمانی حاصل از آن می باشد .
بدین ترتیب ماتریسی بدست می آیدکه هر عضو آن یک بردار است . یک کامپیوتر کار آنالیز این ماتریس را به ازای هر حرکت خاص انجام میدهد . هنوز تفسیر اطلاعات بدست آمده زود است اما با اجرای روشهای پردازش تصویر روی اطلاعات جزء های این ماتریس می توان پیش بینی کرد که مناطقی در روی عضله و با خصوصیات مشترک پیدا خواهند شد که برخی اطلاعات در آنها تکرار می شود و اطلاعات برخی مناطق دیگر را تکمیل می کنند .
همچنین تاثیر کراس تاک یا همشنوائی از عضله های مجاور را می توان بر همین اساس مطالعه کرد . آزمایشهای گراوپ و وئیسکی نشان می دهد که در حالت کلی برخی اطلاعات سیگنال یک عضله از نقاط مناسبی در سطح عضله های مجاور قابل اخذ است . اما هیچ روش دقیق تری برای یافتن این نقاط مناسب ارائه نشده است .
روش تحلیلی ما بخوبی می تواند این نقاط را مشخص کند زیرا هر گونه تاثیر متقابل بین محلهای برداشت سیگنال در آن مستتر است .
تحقیقات کنترل مایوالکتریک از 1960 تا 1980
الف ـ مروری کلی ـ در فاصله 1960 تا 1980 ، این پژوهشها متوجه دو هدف مختلف بوده اند .یکی بهبودی هر چه سریعتر روشهای تجربی کنترل برای معلولین زیر آرنج است که اکثریت معلولین دست را تشکیل می دهند . این کار با مشکلات فنی کمتری روبروست و احتمال پیشرفتهای بیشتری دارد.
هدف دیگری بعنوان یک کانون مجزای تحقیقاتی و بر اساس این اعتقاد دنبال میشود که فوری ترین نیاز برای پروتزهای سطوح بالای معلولیت می باشد و کار تکنیکی بیشتری روی سیستمهای پیچیده تر لازم است . زمینه اخیر ، تمرکز زیادی روی نحوه تولید و چگونگی پردازش سیگنال مایوالکتریک و کنترل ارادی عضلات می طلبد و در وهله اول ارتباط کمی با تمرین و تجربه کلینیکی دارد.
باید توجه داشت که در این دو دهه، محدودیت نهائی در کاربرد کلینیکی پروتز مایوالکتریک ، خود را نشان داده است . این محدودیتها، از سیستم کنترل نیست بلکه از قطعات پروتز است.
ب ـ پیشرفت قطعات پروتزـ در دهه 1960 انواع قطعات انتهائی پروتز (نظیر پنجه و چنگک) طرح شدند که تعداد کمی از آنها به خط تولید هم رسیدند . بهترین کارها در این زمینه توسط شرکتهای تجاری صورت گرفت و چیزی از آنها انتشار نیافت . شرکت اتوبوک که جایگاه مهمی در بازار دارد ، دستهای الکتریکی در سه اندازه مختلف تولید کرد که امروزه برای بزرگسالان و نوجوانان ، قابل استفاده است .این دستها عمل ساده گرفتن را با نیروی کافی انجام می دهند و ظاهر خیلی خوبی هم دارند .
{ توضیح مترجم : طبق بررسیهائی که در پروژه دست سیرنتیک به انجام رسید ، معلوم گردید که دست اتوبوک ، تاچ کنترل است و لزوماً از سیگنال الکترومراف استفاده نمی کند .}
اتوبوک کماکان سرآمد تولیدکنندگان پروتز دست است که علاوه بر 3 اندازه دست الکتریکی ، یک مچ چرخنده الکتریکی هم تولید می کند . شرکت سیستم تکنیک نوعی دست ساخته که بچه های 2 ساله به بالا می توانند از آن استفاده کنند.شرکت فیدلیتی الکترونکینر توزیع کننده دست الکتریکی اتریشی است و شرکت هوسمردور این توزیع چنگک الکتریکی بچگانه را بعهده دارد که ساخت دانشگاه نورث وسترن به سفارش مرکز کودکان معلول میشیگان می باشد . شرکت ورایتی ویدیج توزیع کننده آرنج الکتریکی بچگانه ساخت مرکز کودکان افلیج انتاریو است و بالاخره مرکز پژوهشی تعاون برای آزادی شروع به تولید یک آرنج الکتریکی برای بزرگسالان کرده که مبتنی بر تحقیقات موسسه تکنولوژی ماساچوست(MIT) ، دانشکده پزشکی هاروارد و بیمارستان عمومی ماساچوست است . این آرنج، آرنج بوستون نام دارد . سرعتهای کار در تمام این پروتزها بجز آخری، به حدی بوده که یک کنترلon/off ساده برای آنها کافیست .
اکثر معلولیتهای دست اعم از نقائص مادرزادی یا نقائصی که پس از تولد عارض شده، معلولیت زیر آرنج می باشد. این گونه معلولین ، دارای آرنج سالم هستند و پروتزهای موجود بخوبی به آنها کمک می کنند. برای آنهائی که فاقد آرنج و مفصل آن هستند یعنی معلولین بالای آرنج می توان یک آرنج الکتریکی تامین کرد . اما آنهائی که در مفصل شانه دچار نقیصه هستند فقط می توانند از یک مفصل غیر فعال در محل شانه استفاده کنند . همچنین چرخش بازو و باز و بسته شدن مفصل مچ که دوفانکشن اساسی در افراد سالم است هنوز به کمک پروتزهاقابل حصول نیست . این وضعیت ، از 1980 تاکنون تغییر مهمی نکرده است و تنها پیشرفتهای قابل توجه ، در ساختن پنجه و آرنج می باشد.
تا سال 1980 ، این امر تا حد زیادی پذیرفته شده پروتز الکتریکی باید خود کفا بوده و به تسمه و کابل اضافی جهت نصب و غیره متکی نباشد . برای معلولین زیر آرنج ، انواع سوکت از کارخانه Hepp-Kum , Munster عرضه شده که رضایت بخش بوده اند موفقیتهائی نیز در ساختن سوکت مکشی Suction socket برای معلولین بالای آرنج بدست آمده است .
علیرغم بی نیازی پروتزهای جدید از تسمه و کابل و با وجود نیروی زیادی که پروتزهای کنونی دارند ، هنوز برای معلولین سطح بالا ، این پروتزها بنحو تاسف آوری نا کافی هستند .
مشکل صفحه بعد ، اعمال طبیعی دست را نشان و در یک مقایسه ساده با جدول پروتزهای الکتریکی موجود می توان ناکافی بودن قابلیت این پروتزها را دریافت .
خم و باز شدن شانه در صفحه مرکزی
خم و بازشدن شانه در صفحه قدامی
چرخش بازو خم و باز شدن آرنج
چرخش ساعد گرفتن با پنجه
خم و باز شدن مچ
ج ـ پیشرفت سیستمهای کنترل ـ بدنبال موفقیت کارهای کلینیکی اولیه که بر پایه روشهای تجربی استوار بودند ، مبانی نظری پردازش سیگنال مایوالکتریک مورد پژوهش قرار گرفت مثالهای برجسته این پژوهش ، کارهای پارکر و هوگان و مان هستند . مطالعه ویژگیهای اپراتور انسانی بعنوان کنترلر سیگنالهای خروجی ، هنوز آنقدر پیشرفت نکرده است .
برای سطوح بالاتر معلولیت یک هدف مهم ، کنترل درجات آزادی بیشتر در معلولین دارای عضلات کمتر و معلولیتهای شدیدتر می باشد .
توجه به کنترل بیش از یک درجه آزادی به ازای هر عضله باقیمانده عمری به قدمت خود پروتز مایوالکتریک دارد . رایتر 1948 از یک عضله برای باز کردن و بستن پنجه الکتریکی استفاده کرده . متداوم بر اساس تشخیص هم بکار رفته است . جدا از آن کار ، در 1965 یکی از نویسندگان مقالهحاضر ، سیستم چند حالته ای را طرح کرده که نوع خروجی آن از روی اندازه سیگنال مایوالکتریک تعیین می شد و اکنون به فراوانی که آمریکای شمالی بکار می رود .
اما روشهای پیچیده تری لازم است . فنیلی و ویرتا برای اولین بار روی یک پروتز چند کاره تحقیق کردند که تیرن های طبیعی فعالیت عضلات را از هم تفکیک نماید . این مفهوم جذاب ، بعداً اساس کنترل دست سوئدی چند کاره ای قرار گرفت که Sven نام داشت .
یک روش جایگزین این است که به طریقی نسبتاً ساده بین مجموعه ای از فانکش های ترکیبی برنامه ریزی شده ، انتخاب بعمل آید . با پیشرفت میکروپروسسورها ، این روش که در 1961 توسط رسنویک و دستیاران پایه گذاری شده بود ، امروزه عملی بنظر می رسد .
در حالیکه شور اولیه در مورد کاربرد موتور یونیتهای عضلات باقیمانده ، بعنوان محلهای متعدد اخذ سیگنال فرو نشسته است ، گراوپ و دستیارانش یک روش پیچیده پردازش سیگنال را ارائه کرده اند که امکان شناسائی پترنهای مختلف فعالیت عضله از روی سیگنال یک محل را فراهم می کند . و بالاخره کار جرارد و جاکوبسون راهگشای نظریه واحدی برای کنترل پروتز با چند درجه آزادی است .
یکی از مهمترین ابعاد کنترل مایوالکتریک ، احتمالاً تحقیق روی فرآیند تولید سیگنال مایوالکتریک در بدن است . در این زمینه کار ایندستروم و مگنوسون و همچنین لوکاشارمان توجه است . این پژوهشها در زمینه مدل سازی منبع سیگنال ، پایه ای برای پردازشهای پیشرفته روی سیگنال خواهد بود .

فهرست مطالب
پیشگفتار : 1
مقدمه : 2
به نام خدا 3
خلاصه ای از مدل کردن ، کنترل ، شبیه سازی حرکات انسان : 3
مطالعات کنترل : 4
وجود مشترک و تفاوتهای دست سیبرنیتکی و دست روباتیک : 4
مروری بر مفهوم رایج پروتز میوالکتریک : 7
قطع زیر آرنج در بزرگسالان 11
قطع عضو قسمتهای بالای دست 13
آمار 14
آینده 14
مقایسه پروتز میوالکتریکی اتوبوک با عملکرد دست چنگکی 15
مواد و روشها 16
نتایج 17
دلایل استفاده یا عدم استفاده 18
ارزش عملی 18
فیدبک حسی : 19
طول دست مصنوعی : 19
قابلیت قبول Acceptability : 20
بحث : 21
کنترل مایوالکتریک پروتزها (تاریخچه و طبقه بندی روشها) : 22
کاربرد سیگنال مایوالکتریک در کنترل پروتز دست : 26
نقش الکترود گذاری در سیگنال دریافتی ازعضلات و روشهای پردازش : 27
تحقیقات کنترل مایوالکتریک از 1960 تا 1980 40