Ihmiskädellä on noin kaksikymmentä vapausastetta, joista osalla ei ole kiinteätä akselia.
Tästä syystä aitoa ihmiskättä liikkeiltään jäljittelevän käsiproteesin toteuttaminen kiinteäak-selisilla, pyöriviin sähkökoneisiin perustuvilla nivelillä, on vaikeaa.
Lihassähkökäyrän mittaaminen onnistuu ihon pinnalta, mutta tällöin hiki, lämpö ja sähkö-magneettinen säteily häiritsevät sen toimintaa. Ihon alle sijoitettavien elektrodien ongelmana on kapseloituminen riippumatta siitä sijoitetaanko ne lihaksien yhteyteen vai hermojen yh-teyteen, minkä lisäksi elektrodit kuluvat hapettumisen ja lihasten liikkeistä aiheutuvien rasi-tusten vuoksi. Elektrodien rajallinen käyttöikä tarkoittaa että niiden sijoittaminen ihon alle vaatii uuden leikkauksen niiden mentyä epäkuntoon. Elektrodit voidaan sijoittaa hermojen yhteyteen kolmella eri tavalla; hermokimppujen ulkopuolelle, hermosyiden väliin ja her-mosyiden yhteyteen. Hermojen pinnalle sijoitettavat elektrodit aiheuttavat hermopinteen ja
ovat alttiita sekä siirtymille että murtumille. Ihon läpi kulkevat johdot ovat riski sekä infek-toitumisvaaran että takertumisvaaran vuoksi. Ihon alle hermojen yhteyteen sijoitettavat elektrodit ovat lähempänä hermosignaalien lähdettä ja siten niiden vastaanottamat signaalit ovat vähemmän vaimentuneita.
Käden menettämisen yhteydessä menetetään myös sen liikuttamiseen tarvittavat hermo-oh-jaustiedot, mutta aivot voivat mukautua käsiproteesin käyttöön. Uudelleenhermotus mah-dollistaa biologisen ratkaisun sekä hermokytkennän että hermotakaisinkytkennän toteutta-miselle yhdessä elektrodien kanssa. Kohdennetulla uudelleenhermotuksella voidaan luoda alueita joilta voidaan mitata proteesin ohjaamiseen tarvittavat hermo-ohjaussignaalit. Ihon pinnalla toimivat täryttimet voivat tuottaa harhan kosketuksesta käteen, vaikka kyseinen iho olisi rinnassa, jos sille on kohdennetulla uudelleenhermotuksella johdettu alun perin ampu-toituun käteen kulkeneita hermoja. Tällainen ratkaisu kärsii rinnan ihon pienestä aistinsolu-jen määrästä, rintalihaksen supistumisesta käsiproteesin ohjaamiseksi, lihaksen liikkeistä ja vaimentavan rasvakerroksen paksuudesta. Mikäli hermotakaisinkytkentä toteutetaan lähet-tämällä heikkoja sähköimpulsseja iholla tai ihon alla sijaitseviin elektrodeihin, osa sähköim-pulssien energiasta johtuu myös toisten elektrodien alueelle ja aiheuttaa virheitä. On mah-dollista valmistaa keinoihoon mikroskooppisia rakenteita joiden sähköiset ominaisuudet muuttuvat niihin kohdistuvan paineen vaikutuksesta. Lihassähkökäyrän mittaamisen ja ta-kaisinkytkennän toteuttaminen eEMG:n avulla mahdollistaa alle 15 %:n MVC:n käytön, mikä ei rasita lihaksia, ja vähentää haamuraajakipua jopa 40 %. eEMG antaa myös suurem-man amplitudin ja paremsuurem-man otteen erotuskyvyn kuin sEMG.
Käsi voidaan katkaista koko käden mitalta ranteesta olkapäähän siten että jopa lapaluu ja solisluu poistetaan. Jos käsi on katkaistu ranteesta, ei akulle, moottoreille ja ohjauslogiikalle jää paljoa tilaa itse proteesin sisälle, mutta ranteen ei todennäköisesti tarvitse tehdä juurikaan työtä painoa vastaan. Osseointegraatio mahdollistaa proteesin tukevan kiinnityksen ja liik-keiden paremman välityksen, mutta samalla luunmurtumariski lisääntyy. Osseointegraati-olla toteutettu johtojen johtaminen hermojen yhteyteen asetetuille elektrodien luun kautta on turvallisempi ja käytännöllisempi ratkaisu kuin niiden johtaminen ihon läpi.
Keinolihakset voivat olla kymmeniä kertoja voimakkaampia kuin aidot lihakset. Peukalon liikeratoja ei voi palauttaa kiinteäakselisilla mekaanisilla nivelillä koska aidon peukalon kaikkien nivelien akselit eivät ole kiinteitä. Keinolihasten avulla käsiproteesi voidaan toteut-taa aidon kaltaisena keinotekoisilla luilla, nivelillä ja jänteillä, jolloin sen liikeradoista saa-daan yhtä laajat ja monimutkaiset kuin aidon käden liikeradoista. Hydraulisiin keinolihaksiin pohjautuvalla toteutuksella saadaan aikaan suurempi vääntö ja vältetään pyörivissä sähkö-koneissa esiintyvä virheliikkeiden kasaantuminen sekä alennusvaihteiden tarve.
Kierähammaspyörän avulla akseli pysyy paikallaan ilman että siitä koituisi energiahäviöitä, mutta kierähammaspyörä ei jousta lainkaan iskuja vastaan.
Kaupallisista käsiproteeseista BeBionic vastaa parhaiten aitoa ihmiskättä voimakkuuden ja nopeuden osalta, kun taas i-Limb quantum omaa suurimman valikoiman erilaisia otteita. Oi-kean ihmiskäden voimakkuus ja nopeus ovat paljolti yksilöllisiä, joten vertailu proteesin kanssa ei ole helppoa.
Esimerkkien ja muiden tässä työssä esiin tulleiden seikkojen perusteella voi sanoa että ny-kyteknologian avulla on mahdollista toteuttaa käsiproteesi jonka toiminnallisuus on hyvin
pitkälti oikeaa ihmiskättä vastaava voimakkuuden, liikeratojen sekä liikkeiden nopeuden suhteen.
Nykyisessä teknologiassa on vielä joitakin ratkaistavia ongelmia, mutta teknologisen kehi-tyksen yleisen nopeuden johdosta on oletettavaa että ne ratkaistaan jollain tavalla lähitule-vaisuudessa.
LÄHTEET
Ackerman Evan (2016). This is the most amazing biomimetic anthropomorphic robot hand we’ve ever seen. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 16.3.2016]. Saatavissa http://spect-rum.ieee.org/automaton/robotics/medical-robots/biomimetic-anthropomorphic-robot-hand Advanced Arm Dynamics. Michelangelo Hand. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 10.2.2016].
Saatavissa http://armdynamics.com/pages/Michelangelo
Baker Richard (2014). EMG. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 11.5.2016]. Saatavissa http://www.slideshare.net/RichardBaker12/emg-electrode-placement
Bennett Daniel A., Dalley Skyler A. &Goldfarb Michael.(2012) Design of a Hand Prosthe-sis with Precision and Conformal Grasp Capability. Konferenssipaperi. 2012 Annual Inter-national Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. San Diego, Kalifornia. Elokuu 28-syyskuu 1. s. 3044-3047.
Boretius Tim, Yoshida Ken, Badia Jordi, Harreby Kristian, Kundu Aritha, Navarro Xavier, Jensen Winnie & Stieglitz Thomas (2012). A Transverse Intrafascicular Multichannel Elec-trode (TIME) to Treat Phantom Limb Pain – Towards Human Clinical Trials. Konferenssi-paperi. The Fourth IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. Rooma, Italia. Kesäkuu 24-27. s. 282-287.
Carmena Jose M. (2012). How to control a prosthesis with your mind. [Verkkodokumentti].
[Viitattu 11.3.2016]. Saatavissa http://spectrum.ieee.org/biomedical/bionics/how-to-cont-rol-a-prosthesis-with-your-mind
Childress S. Dudley (1985), Historical Aspects Of Powered Limb Prostheses. Clinical Pros-thetics & Orthotics, vol 9, num 1, s. 2–13.
Choi Gi-Won, Moon In-Hyuk, Choe Gyu-Ha & Mun Mu-Seong. (2006). Development of Surface Myoelectric Sensor for Myoelectric Hand Prosthesis. Konferenssipaperi. Power Electronics Specialists Conference, 2006. PESC ’06. 37th IEEE. Jeju. Kesäkuu 18-22. s. 1-5.
D’Alonzo Marco, Clemente Francesco & Cipriani Christian (2014). Vibrotactile stimulation promotes embodiment of an alien hand in amputees with phantom sensations. IEEE Trans-actions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol 23, no 3, s. 450-457.
Engdahl M. Susannah, Christie P. Breanne, Kelly Brian, Davis Alicia, Chestek A. Cynthia
& Gates H. Deanna (2015). Surveying the interest of individuals with upper limb loss in novel Prosthetic control techniques. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, vol 12, num 1, s. 1.
Farina Dario, Yoshida Ken, Stieglitz Thomas & Koch Klaus Peter (2008). Multichannel thin-film electrode for intrafascicular electromyographic recordings. Journal of Applied Physiol-ogy, vol 104, no 3, s. 821-827.
Farry Kristin A., Walker Ian D. & Baraniuk Richard G. (1996) Myoelectric Teleoperation of a Complex Robotic Hand. IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol 12, no 5, s. 775-788.
Guizzo Erico (2011). Building a super robust robot hand. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 4.5.2016]. Saatavissa http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/dlr-super-ro-bust-robot-hand
Haja Sherief (2008). Connecting brain to artificial arms. [Viitattu 8.6.2016]. [Verkkodoku-mentti]. Saatavissa http://artificialorgans.blogspot.fi/2008_03_01_archive.html.
HowStuffWorks (2007). How Biomechatronics Works. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 11.5.2016]. Saatavissa http://science.howstuffworks.com/biomechatronics3.htm
Huynh Alex (2010). Limbs can be hacked too!. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 6.5.2016].
Saatavissa https://epichuynh.wordpress.com/2010/05/25/limbs-can-be-hacked-too/
Johnson Dexter (2015). The artificial skin that could deliver the sense of touch directly to the brain. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 18.2.2016]. Saatavissa http://spectrum.ieee.org/na- noclast/biomedical/bionics/prosthetic-artificial-skin-delivers-the-sense-of-touch-directly-to-the-brain
Kasaraneni Priytham (2015). Gangrene & amputation. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 2.5.2016]. Saatavissa http://image.slidesharecdn.com/final-150727183826-lva1-app6891/95/gangrene-amputation-28-638.jpg?cb=1438022698
Kervinen Martti & Smolander Juhani (2001). MAOL-taulukot. 1.–3. uudistettu painos. Keu-ruu: Otavan Kirjapaino Oy.
Kim Keehoon & Colgate J. Edward (2012). Haptic feedback enhances grip force control of sEMG-controlled prosthetic hands in targeted reinnervation amputees. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol 20, no 6, s. 798-805.
Kuiken Todd A., li Guanglin, Lock Blair A, Lipschutz Robert D., Miller Laura A., Stub-blefield Kathy A. & Englehart Kevin B. (2009). Targeted muscle reinnervation for real-time myoelectric control of multifunction artificial arms. Jama, vol 301, no 6, s. 619-628.
Lahiri, A., Delgado, I. M., Sheshadri, S., Ng, K.-A., Nag, S., Yen, S.-C. & Thakor, N. V.
(2016), Self-organization of “fibro-axonal” composite tissue around unmodified metallic mi-cro-electrodes can form a functioning interface with a peripheral nerve: A new direction for creating long-term neural interfaces. Muscle & Nerve, vol 53, num 5, s. 789–796.
Lee Jae Ah, Baughman Ray H. & Kim Seon Jeong (2014). High performance electrochem-ical and electrothermal artificial muscles from twist-spun carbon nanotube yarn. [Verkko-dokumentti]. [Viitattu 11.2.2016]. Saatavissa http://link.springer.com/arti-cle/10.1186/s40580-014-0036-0/fulltext.html
Lee Yong-Kwun & Lee Soo-Jun (2013). A bio-mimetic robot arm actuated by micro EHA.
Konferenssipaperi. Ubiquitous Robots and Ambient intelligence (URAI), 2013 10th Inter-national Conference on, Jeju. Lokakuu 30-marraskuu 2, s. 39-44.
Light C. M. & Chappell P. H. (2000). Development of a lightweight and adaptable multiple-axis hand prosthesis. Medical Engineering & Physics, vol 22, no 10, s. 679-684.
Pennisi Elisabeth (2014). Prosthetic hands endowed with a sense of touch. [Verkkodoku-mentti]. [Viitattu 8.3.2016]. Saatavissa http://www.sciencemag.org/news/2014/10/prosthe-tic-hands-endowed-sense-touch
Prensilia (2014). IH2 Azzurra series datasheet. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 1.6.2016].
Saatavissa http://www.prensilia.com/files/support/doc/DS-IH2-v02.pdf
Ortiz-Catalan Max, Håkansson Bo & Brånemark Richard (2014). An osseointegrated hu-man-machine gateway for long-term sensory feedback and motor control of artificial limbs.
Science Translational Medicine, vol 6, no 257, s. 257re6.
Ottobock (a). AxonHook. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 8.6.2016]. Saatavissa http://me-dia.ottobock.com/_web-site/prosthetics/upper-limb/axon-hook/files/2059418.pdf
Ottobock (b). Michelangelo brochure. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 25.5.2016]. Saatavissa http://www.ottobockus.com/media/local-media/prosthetics/upper-limb/michelangelo/fi-les/michelangelo-brochure.pdf
Rahman Arafat, Wang Xiaojian & Wen Cuie (2014). A review of high density lithium-air battery technology. Journal of Applied Electrochemistry, vol 44, no 1, s. 5-22.
Raspopovic Stanisa, Capogrosso Marco, Petrini Francesco Maria, Bonizzato Marco, Rigosa Jacopo, Di Pino Giovanni, Carpaneto Jacopo, Controzzi Marco, Boretius Tim, Fernandez Eduardo, Granata Giuseppe, Oddo Calogero Maria, Citi Luca, Ciancio Anna Lisa, Cipriani Christian, Carrozza Maria Chiara, Jensen Winnie, Guglielmelli Eugenio, Stieglitz Thomas, Rossini Paolo Maria & Micera Silvestro (2014). Restoring natural sensory feedback in real-time bidirectional hand prostheses. Science Translational Medicine, vol 6, no 222, s. 222ra19 Steeper (b). Features. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 27.5.2016]. Saatavissa http://be-bionic.com/the_hand/features
Steeper (a). Split Hooks. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 8.6.2016]. Saatavissa http://rslstee-per.com/products/prosthetics/products/upper_limb/functional_devices/split_hooks
Steeper (c). Technical Information. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 1.6.2016]. Saatavissa http://bebionic.com/the_hand/technical_information
St.-Jean Carole & Fish Natalie. Osseointegration: Examining the Pros and Cons. [Verkko-dokumentti]. [Viitattu 18.2.2016]. Saatavissa http://www.amputee-coalition.org/inmo-tion/sep_oct_11/osseointegration_pros_cons.pdf
Taylor Dustin J. (2016). Creating a prosthetic hand that can feel. [Verkkodokumentti]. [Vii-tattu 4.5.2016]. Saatavissa http://spectrum.ieee.org/biomedical/bionics/creating-a-prosthe-tic-hand-that-can-feel
The University Of Utah (2014). Center for Neural Interfaces. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 6.5.2016]. Saatavissa http://www.bioen.utah.edu/cni/image4.html#content
Thurston, A. J. (2007), Paré and Prosthetics: The Early History of Artificial Limbs. ANZ Journal of Surgery, vol. 77, no 12, s. 1114–1119.
Touch Bionics (2016a). i-Limb quantum. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 16.11.2015]. Saa-tavissa http://www.touchbionics.com/products/active-prostheses/i-limb-quantum
Touch Bionics (2016b). i-Limb quantum product sheet. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 25.5.2016]. Saatavissa http://www.touchbionics.com/sites/default/files/fi-
les/MA01336%20rev%202%20February%202016%20i-limb%20quantum%20pro-duct%20sheet.pdf
WebMD (2014). Nerves of the Arm. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 6.5.2016]. Saatavissa http://www.webmd.com/brain/nerves-of-the-arm
Yoshida Ken, Stieglitz Thomas & Qiao Shaoyu (2014). Bioelectric interfaces for the periph-eral nervous system. Konferenssipaperi. 2014 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Chicago, Illinois. Elokuu 26-30. s.
5272-5275.