Kandidaatintyö 17.6.2016 LUT School of Energy Systems
Sähkötekniikka
GIAN TASO
THE CURRENT STATE OF ART OF ELECTRICALLY POWERED ARMPROTHESES
Jiri Hiitola
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems Sähkötekniikka
Jiri Hiitola
Sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso 2016
Kandidaatintyö.
33 s.
Tarkastaja: TkT Mikko Kuisma
Työssä selvitettiin sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso. Selvitettäviä asioita olivat keskushermoston ja proteesin välisen hermokytkennän toteutustapa, sähkötoimisten käsiproteesien keskeiset tekniset ominaisuudet sekä käsiproteesin mekaaniset toteutustavat.
Tutkimus suoritettiin kirjallisuustutkimuksena. Työhön valittiin esimerkkejä kaupallisesti saatavilla olevista käsiproteeseista jotka löytyivät internetistä hakemalla kaikkein edisty- neintä käsiproteesia. Työstä rajattiin pois proteesin suora kytkeminen keskushermostoon.
Liikeinformaation välitys aivoilta proteesille onnistuu mittaamalla lihassähkökäyrä erilai- silla ihon ja lihasten päälle, ihon alle lihaksien yhteyteen tai suoraan hermojen yhteyteen asetetuilla elektrodeilla. Lihassähkökäyrän mittaamisessa ihon pinnalta on ongelmana säh- kömagneettinen säteily, hiki, joka muuttaa ihon impedanssia ja elektrodien meneminen pois paikaltaan. Ihon alle asetettavat elektrodit kapseloituvat, mikä heikentää niiden toimintaa ja niiden ihon läpi kulkevat johdot voivat altistaa kohdan infektioille tai takertua johonkin.
Hermoihin suorassa kosketuksissa olevat elektrodit aiheuttavat lisäksi hermopinteen. Koh- dennetulla uudelleenhermotuksella voidaan hermosyyt johtaa lihaksiin, jolloin lihaksista saadaan biologiset vahvistimet lihassähkökäyrää varten tai korvaavalle ihoalueelle, johon kohdistuva kosketus tuottaa tuntemuksen käteen kohdistuvasta kosketuksesta. Käden menet- tämisen myötä menetettävät hermo-ohjaustiedot voivat osittain korvautua aivojen mukautu- vuuden ansiosta, mikä mahdollistaa tekokäden käyttämisen oppimisen samalla tavoin kuin polkupyörällä ajon. Hermotakaisinkytkentä mahdollistaa proteesin paremman hallinnan. On mahdollista valmistaa keinoihoa johon kohdistuva paine saa aikaan muutoksen sen sähköi- sissä ominaisuuksissa, mitä voidaan sitten käyttää varsinaisen hermoärsytyksen luovan lait- teen, kuten tynkää ärsyttävän täryttimen, ohjaamisessa. On mahdollista valmistaa kei- nolihaksia joiden avulla nivelten liike voidaan toteuttaa luonnollisen kaltaisilla rakenteilla ja jotka ovat jopa kymmeniä kertoja voimakkaampia kuin aidot lihakset.
Nykyteknologian avulla on mahdollista rakentaa käsiproteesi joka liikeradoiltaan, voimal- taan ja hermotakaisinkytkennän osalta vastaa lähes täydellisesti aitoa ihmiskättä. Haasteena on vielä kokeiluasteella oleva teknologian taso sekä korkea hinta.
Avainsanat
Käsiproteesi; hermokytkentä; elektrodit, lihassähkökäyrä
ABSTRACT
Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems
Electrical Engineering Jiri Hiitola
The current state of art of electrically powered armprostheses 2016
Bachelor’s Thesis.
33 p.
Examiner: D.Sc. Mikko Kuisma
The current state of art of electrically powered armprostheses was studied in this work.
Among the things to be studied were the method of implementation of nerve connection between central nervous system and prosthetic, the main technical characteristics of electri- cally powered arm prostheses and mechanical methods of implementation of arm prosthetic.
Study was carried out as a literature research. Examples of commercially available arm pros- theses were chosen to study by searching the internet for most advanced arm prostheses.
Direct connection of prosthetic to central nervous system was excluded from study.
Transmission of motion information from brain to prosthetic can be achieved by measuring electromyogram with various electrodes situated atop of skin and muscles, inside the mus- cles under the skin or directly to nerves. Problems with measuring electromyogram from atop the skin are electromagnetic radiation, sweat, which chances the impedance of skin and electrodes becoming misaligned. Electrodes under the skin become encapsulated, which weakens their working and their wires going through the skin can predispose spot to infec- tions or get tangled on something. Electrodes that are in direct contact with nerves cause nerve compression. With targeted reinnervation axons can be led to muscles, in which case muscles become biological amplifiers for electromyogram, or to compensatory skin region, which on contact creates a sensation of touch to arm. Nerve-control information lost along with loss of arm may be partially compensated thanks to adaptability of brains, which makes it possible to learn to use arm prosthetic the same way as one does learn to ride a bicycle.
Neural feedback enables better control of prosthetic. It is possible to manufacture artificial skin on which pressure causes chance of its electrical properties, which can be then used to control actual nerve stimulation device, like a vibrator stimulating the stump. It is possible to manufacture artificial muscles that allows movements of joints to be carried out by natu- ral-like structures and which can be even tens of times stronger than real muscles.
With modern technology it is possible to build a prosthetic arm which in terms of range of movements, strength and neural feedback is almost perfectly functionally equivalent to real human arm. There is still challenge of experimental stage of technology and its high price.
Keywords
Arm prosthetic; nerve connection; electrodes; electromyogram
SISÄLLYSLUETTELO
Käytetyt merkinnät ja lyhenteet
1. Johdanto ...6
1.1. Työn tavoite ja menetelmät ...8
2. Teoria ...8
2.1. Käsiproteesin ohjaaminen ...8
2.1.1. Elektrodit ...8
2.1.2. Hermokytkentä ... 12
2.1.3. Hermotakaisinkytkentä ... 13
2.2. Mekaanisia toteutustapoja ... 15
2.2.1. Kiinnitys ... 17
2.2.2. Keinolihakset ... 19
2.3. Energia ... 20
3. Kaupalliset esimerkit ... 20
3.1. BeBionic ... 21
3.2. IH2 Azzurra ... 21
3.3. i-Limb quantum ... 22
3.4. Michelangelo Hand ... 23
3.5. Esimerkkitapausten vertailu ... 24
4. pohdintaa ... 25
5. Johtopäätökset ... 26
Lähteet ... 29
KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET
eEMG epimysium ElektroMyoGrafia, epimysium lihassähkökäyrä EMG ElektroMyoGrafia, lihassähkökäyrä
FINE Flat Interface Nerve Electrode, litteän rajapinnan hermo-elektrodi MVC Maximal Voluntary Contraction, suurin tahdonalainen lihassupistus sEMG surface ElectroMyoGraphy, pinta lihassähkökäyrä
tfLIFE thin-film Longitudinal Intra-Fascicular Electrode, pitkittäinen hermokimpun sisäinen ohut-filmi elektrodi
TIME Transversal Intrafascicular Multi-channel Electrode, poikittainen hermo- kimpun sisäinen monikanavainen elektrodi
TMR Targeted Muscle Reinnervation, lihasten kohdennettu uudelleenhermotus TR Targeted Reinnervation, kohdennettu uudelleenhermotus
USEA Utah Slanted Electrode Arrays, Utah kallistettu elektrodi-ryhmä g normaaliputoamiskiihtyvyys
h korkeus
m massa
E energia
I virta
hyötysuhde Alaindeksit
p potentiaali
1. JOHDANTO
Erilaisia proteeseja on ollut jo vuosituhansien ajan, mutta sähköllä toimivia proteeseja on ollut vain joitakin vuosikymmeniä (Thurston 2007) (Childress 1985).
Vuonna 2005 Yhdysvalloissa oli noin 41000 henkilöä jotka kärsivät yläraajan menetyksestä.
Arviolta noin 23 % sähköisten proteesien käyttäjistä luopuu proteesin käytöstä ja 74 % ei- käyttäjistä on kertonut olevansa halukkaita harkitsemaan asiaa uudelleen mikäli teknologia edistyy ilman että hinta kasvaa merkittävästi. (Engdalh et al. 2015)
Ihmiskädellä on noin 20 vapausastetta, mutta aikoinaan käsiproteesit ovat olleet tavallisesti yhden vapausasteen laitteita, (Bennett et al. 2012) kuten lihasvoimakäyttöinen tarttuma- koukku ja siitä kehitetty motorisoitu versio, ja pystyneet siten vain avautumaan tai sulkeu- tumaan. Nykyään käsiproteesit voivat muistuttaa aitoa kättä toiminnallisuudeltaan ja ulko- muodoltaan. Kuvassa 1.1 on esitetty esimerkki aidon käden kaltaisesta käsiproteesista.
Kuva 1.1 Kuvassa on esitettynä kättely käsiproteesilla. (Taylor 2016)
Kaikkia viittä ihmiskäden sormea voi normaalisti liikuttaa sivuttain ja koukistaa kolmesta kohdasta minkä lisäksi ihmiskädellä voi tuntea sekä painetta että lämpöä. Kuvassa 1.1 on esitetty ihmiskäden eri nivelien paikat.
Kuva 1.1 Kuvassa on esitetty käden nivelien kohdat. Punaisella merkityt nivelet liikkuvat yhden akselin mukaisesti, sinisellä merkityt liikkuvat kahden akselin mukaisesti ja vihreällä merkityllä ni- velellä ei ole kiinteitä akseleita.
Tekokäden saamien erilaisten hermosignaalien välittämän tiedon määrä vaikuttaa siihen mi- ten hyvin sitä on mahdollista käyttää; Mikäli tekokäsi saa vain yhden signaalin, se voi esi- merkiksi vain avautua ja sulkeutua. Voimakkuus jolla tekokäden ote sulkeutuu voi olla liian suuri hauraille objekteille tai liian höllä otteen pitämiseksi, mutta sen käyttäjä huomaisi to- dennäköisesti vasta liian myöhään.
1.1. Työn tavoite ja menetelmät
Työn tavoitteena on selvittää kirjallisuustutkimuksen avulla sähkötoimisten käsiproteesien nykyteknologian taso. Työssä selvitettäviä tutkimuskysymyksiä ovat:
Millaisia toteutustapoja hermokytkennälle keskushermoston ja proteesin välille on?
Millaisia ominaisuuksia sähkötoimisilla käsiproteeseilla on?
Millaisia mekaanisia toteutustapoja käsiproteesille on?
Tutkimuksesta on rajattu pois proteesin suora keskushermostoon kytkeminen ajanpuutteen vuoksi ja keskitytty ääreishermostoon kytkemiseen. Tutkimuksesta on rajattu pois myös sel- laiset käsiproteesit joissa on kyse ranteen katkaisua vähäisemmästä tapauksesta, kuten pel- kistä sormista.
Työssä on käytetty myös esimerkkejä neljästä kaupallisesti saatavilla olevista toteutuksesta joista on löytynyt tietoa tämän tutkimuksen kuluessa. Näiden tapausten avulla pyritään sel- vittämään teknologian taso siltä osin kuin se annettujen tietojen perusteella on mahdollista.
Kaupallisesti saatavilla olevista käsiproteeseista löytyi esitteitä joiden antamien tietojen pe- rusteella niitä verrattiin toisiinsa siltä osin kuin se oli mahdollista ja niiden ominaisuuksia pohdittiin.
2. TEORIA
Sähkötoimisiin käsiproteeseihin liittyy käsiproteesin ohjaaminen, johon kuuluu elektrodit, hermokytkentä, hermotakaisinkytkentä ja energia. Myös mekaaniseen toteutukseen liittyviä asioita, kuten kiinnitystä ja tekolihaksia käsitellään omassa kappaleessaan. Kolmas käsitel- tävä asia on energia, joka käsitellään omassa kappaleessaan koska se ei kuulu ohjaamiseen eikä mekaniikkaan.
2.1. Käsiproteesin ohjaaminen
Sähkökäyttöisen käsiproteesin tärkein ero lihasvoimatoimiseen käsiproteesiin on sen ohjat- tavuus. Sähkökäyttöisen käsiproteesin ohjaamiseksi käyttäjän ei tarvitse välttämättä käyttää ruumiinsa lihaksia, vaan ohjaus voi onnistua ajattelemalla, kuten luonnollisen käden tapauk- sessa.
2.1.1. Elektrodit
Jotta käsiproteesin ohjaaminen olisi mahdollista, tarvittavat hermosignaalit täytyy mitata elektrodeilla, mutta hermokytkennän ja hermotakaisinkytkennän toteuttamisessa ei ole ky- symys pelkästään elektrodien ja niiden asemointien eroista.
Lihassähkökäyrä voidaan mitata joko ihon pinnalle, lihakseen tai hermojen yhteyteen sijoi- tettavilla elektrodeilla. Ääreishermojen yhteyteen sijoitettavat elektrodit voidaan jakaa kol- meen eri luokkaan; Elektrodeihin jotka sijoitetaan hermokimppujen ulkopuolelle, elektro- deihin jotka sijoitetaan hermosyiden väliin sekä elektrodeihin jotka sijoitetaan hermosyiden yhteyteen. Hermojen sisään sijoitettavat elektrodit kapseloituvat mikä ajan myötä heikentää niiden toimintaa, koska välimatka itse hermon ja elektrodin välillä kasvaa. Yoshida olettaa että ero elektrodin ja hermon joustavuuksien välillä vaikuttaa kapseloinnin paksuuteen.
(Yoshida et al. 2014)
Kaupallisesti on saatavilla useita elektrodeja, joista valittiin esimerkkitapauksia jotka on esi- tetty kuvissa 2.1–2.5. Kuvassa 2.1 on lihassähkökäyrän ihon pinnalta mittaava elektrodi ja muissa kuvissa on hermojen yhteyteen asetettavia elektrodeja.
Kuva 2.1 Kuvassa oikealla näkyy lihassähkökäyrän mittaamiseen ihon pinnalta käytetty elektrodi ja vasemmalla sen paikalleen asetteleminen. (Baker 2014)
Hiki vaikuttaa ihon impedanssiin ja häiritsee siten EMG-signaalien (ElectroMyoGraph, li- hassähkökäyrä) mittaamista ihon pinnasta. (Choi et al. 2006) Lihassähkökäyrän mittaami- sessa ihon pinnalta on se etu, ettei tarvita kirurgista operaatiota.
Kuvassa 2.2 on kolme tapaa liittää elektrodi hermoon. Cuff-elektrodi ja FINE (Flat Interface Nerve Electrode, litteän rajapinnan hermo-elektrodi)-elektrodi mittaavat hermosignaaleja hermokimpun pinnasta useasta kohdasta ympäri asti. FINE-elektrodin tapauksessa hermo- yhteyden pinta-ala on suurempi ja hermosyyt eivät ole yhtä kaukana mittauspisteistä kuin cuff-elektrodin tapauksessa koska hermo on litistetty. Piikkimäisiä elektrodeja sisältävällä rakenteella saadaan suorempi yhteys yksittäisiin hermosyihin kun sen piikit työnnetään her- mokimppuun.
Kuva 2.2 Kuvassa vasemmalla cuff-elektrodi joka asetetaan hermokimpun ympärille ja keskellä FINE- elektrodi joka asetetaan litistetyn hermokimpun ympärille. Kuvassa oikealla on eräs tapa to- teuttaa hermoyhteys työntämällä piikkimäisiä elektrodeja sisältävän rakenteen piikit hermo- kimppuun. (Huynh 2010)
Hermot voidaan lävistää elektrodilla jotta saataisiin suorempi yhteys hermokimppuun. Ku- vassa 2.3 on hermosignaalin resoluutiota parannettu tekemällä elektrodien piikeistä eripitui- sia, jolloin koko hermokimpun poikkipinta-alalle saadaan sähköinen kontakti.
Kuva 2.3 Kuvassa on esitetty USEA:n toimintaperiaate. Kuvassa vasemmalla hermokimppu, jonka si- sälle elektrodien piikit työnnetään siten että piikkien pituudet vaihtelevat hermokimpun pi- tuussuunnassa. Kuvassa oikealla näkyvät hermokimpun hermosyyt sekä elektrodien mittaus- pisteet, jotka kattavat lähes koko poikkileikkausalan ja siten mahdollistavat erittäin tarkan mittaustuloksen. (The University Of Utah 2014)
Hermokimppuun upotettava elektrodi voi sisältää useita sähköisiä kontaktipintoja. Elektrodi voidaan valmistaa ohutkalvorakenteena joka antaa myöten lihasten liikkeille. (Farina et al.
2008) Kuvassa 2.4 on esitetty TIME-elektrodin rakenne ja paikoilleen asentaminen.
Kuva 2.4 TIME upotetaan hermokimppuun poikkisyin paremman valikoivuuden saavuttamiseksi. Käy- tetty ohutkalvorakenne antaa joustavuutta ja hermokimpun ulkopuolelle jäävän osan sekä itse hermokimpun välille tehtävät ompeleet pitävät sen paikallaan. (Boretius et al. 2012)
Elektrodeja ei tarvitse välttämättä työntää hermokimpun sisään, vaan hermokimppu voidaan katkaista ja antaa yksittäisten hermosyiden kasvaa väliin asetetun reiällisen levyn läpi. Le- vyn reikien reunoissa on elektrodeille kytketty yhteys. Kuvassa 2.5 on esitetty sieve-elekt- rodi.
Kuva 2.5 Kuvassa esitetyn sieve-elektrodin tapauksessa hermokimppu katkaistaan ja niiden päät asete- taan ohjauskanavaan. Ohjauskanavassa hermosyyt pääsevät kasvamaan reikien läpi, joista jo- kainen johtaa omalle elektrodilleen integroidulla piirilevyllä. (HowStuffWorks 2007)
Elektrodien toimintavarmuus ja turvallisuus ovat olennaisia käsiproteesin käytön kannalta ja näihin asioihin liittyy joitain ongelmia. Johdot jotka kulkevat ihon läpi ja suoraan hermoihin istutettuihin elektrodeihin voivat altistaa kohdan infektioille sekä saada elektrodit pois pai- kaltaan jos ne takertuvat johonkin. (Pennisi 2014) Ihon alle asennettavat elektrodit aiheutta- vat tulehdusreaktion sekä sidekudoksen muodostumista ja siksi niiden käyttöikä on rajalli- nen. Myös elektrodien kuluminen joko niihin kohdistuvien rasitusten tai hapettumisen vuoksi rajoittaa niiden käyttöikää. Hermojen pinnalle sijoitettavat elektrodit aiheuttavat her- mopinteen ja ne ovat alttiita sekä siirtymisille että murtumille. (Lahiri et al. 2016)
2.1.2. Hermokytkentä
Lihassähkökäyrän käyttöä proteesien ohjaamisessa on tutkittu 1940-luvun lopulta asti, jol- loin signaalin amplitudin katsottiin yksimielisesti sisältävän suurimman osan välittyvästä tiedosta. (Farry et al. 1996) Tämä johtuu luultavasti siitä, että hermoissa kulkevien signaalien taajuus voi muuttua biologisista syistä vain vähän.
Käden menettämisen myötä menetetään myös sen liikuttamiseen tarvittavat hermo-ohjaus- tiedot, mutta johtamalla kädentyngästä alun perin käden liikuttamiseen käytettyjä hermoyh- teyksiä rintalihakseen, jonka omat hermot tuhotaan, voidaan tarvittavat hermo-ohjaus-tiedot käsiproteesin ohjaamiseen mitata rintalihaksen pinnalta. Hermot voidaan myös mahdolli- sesti ohjata kädentyngän niihin lihaksiin jotka eivät muuten ole osallisina käden liikuttami- sessa. (Kuiken et al. 2009) Kuvassa 2.6 on esitetty TMR-menetelmän (Targeted Muscle Reinnervation lihasten kohdennettu uudelleenhermotus) periaate.
Kuva 2.6 Kuvassa on esitetty lihasten kohdennetun uudelleenhermotuksen periaatekuva. Keltaisella on merkitty uudelleenhermotetut ääreishermot, vihreällä lihasähkökäyrää mittaavat elektrodit johtoineen, punaisella on merkitty lihakset ja sinisellä ohjaintietokone. Lihakset vahvistavat ääreishermoista saatavan lihassähkökäyrän helpommin mitattavaksi. (Haja 2008).
Aivojen mukautuvuus mahdollistaa käsiproteesin liikuttamaan oppimisen samalla tavalla kuin esimerkiksi polkupyörällä ajon oppimisen. (Carmena 2012)
2.1.3. Hermotakaisinkytkentä
Ilman hermotakaisinkytkentää käsiproteesin käyttäjän on tultava toimeen näön tai proteesin kiinnityskohtaan välittyvien tuntemusten varassa koskettaessaan esineitä. Mikäli käsiteltävä esine on hauras, voi se vaurioitua liiallisesta voimankäytöstä, tai pudota, jos ote luistaa.
Keinoihoon voidaan valmistaa hiilinanoputkista pieniä pyramidimaisia rakenteita jotka pai- nuvat paineen alaisina lähemmäs toisiaan, jolloin niiden kyky johtaa sähköä muuttuu. Näi- den rakenteiden määrää sekä rakennetta säätelemällä voidaan saada aikaan haluttu toimin- nallisuus. (Johnson 2015) Koko käsiproteesin peittävä keinoiho-käsine voisi suojata protee- sia vedeltä ja pölyltä, olla ihon värinen ja mitata painetta koko alaltaan.
Lihasten aktivoimiseen tarvitaan jopa kaksikymmentä milliampeeria virtaa, mutta asetta- malla elektrodit lähelle hermosyitä voidaan pienentää sekä tarvittavaa virran määrää että ak- tivoitavien hermosyiden määrää. Keho hylkii vieraita esineitä jotka on sijoitettu esimerkiksi hermoja suojaaviin kerroksiin. Vaihtoehto hermon lävistämiselle on ympäröidä se elektro- dilla. Litteän rajapinnan hermo-elektrodilla (FINE) saadaan parempi pääsy hermoon kuin sylinterin muotoisella cuff-elektrodilla, koska litistetyllä hermokimpulla on enemmän pinta-
alaa johon elektrodi voi kytkeytyä ja sisimmät hermosyyt ovat lähempänä elektrodia. (Taylor 2016)
TMR-menetelmän avulla käsiproteesin käyttäjä voi mahdollisesti sekä kontrolloida protee- sia, että kokea tuntoaistimuksen. TMR-menetelmän ongelmana on se, että proteesin käyttä- miseen tarkoitetut EMG-signaalit on mitattava samasta paikasta kuin proteesilta saatavat hermotakaisinkytkentäsignaalit.Keskihermoon ja kyynärhermoon sijoitetut poikittaiset her- mokimpun sisäiset monikanavaiset elektrodit (Transversal intrafascicular multi-channel electrode, TIME) mahdollistavat hermotakaisinkytkennän, koska kyseiset hermot kattavat koko kämmenen ja kyseiset elektrodit toimivat suoraan hermokimpun yhteydessä. (Ras- popovic et al. 2014) Pelkästään keskihermoon tehty hermotakaisinkytkentä voisi riittää jos pikkusormen ja nimettömän liikkeiden ei tarvitsisi olla tarkkoja tai muista sormista itsenäi- siä. Kuvassa 2.7 on esitetty keskihermo, kyynärhermo ja värttinähermo.
Kuva 2.7 Oikean käden keskihermo on merkitty punaisella, kyynärhermo sinisellä ja värttinähermo vih- reällä. Keskihermo ja kyynärhermo kattavat koko kämmenen puolen ja siksi pelkästään niiden käyttäminen hermokytkentään riittää käsiproteesin ohjaamiseen. Värttinähermo kattaa suu- rimman osan kämmenselästä, mutta käsiproteesi voidaan säätää avautumaan automaattisesti, mikäli kättä ei pidetä suljettuna. (WebMD 2014)
Harha tuntoaistimuksesta voidaan tuottaa proteesin holkkiin asetettavilla mekaanisilla täryt- timillä, vaikka tärinä ei täsmällisesti vastaisikaan painetta tuntemuksena. TMR-menetelmän avulla uudelleenhermotettujen lihaksien ärsytys täryttimillä voi saada proteesin käyttäjän kokemaan että hän tuntee proteesillaan. (D’Alonzo et al. 2014)
Kohdistetun uudelleenhermotuksen (TR, targeted reinnervation) avulla vievät hermosyyt voidaan johtaa lihaksiin ja tuovat hermosyyt ihoon jolloin lihakset sekä pitävät hermot ter- veinä, että toimivat vahvistimina EMG-signaaleille ja iholle muodostuu alue josta saadut aistihavainnot osittain vastaavat menetetyn raajan pinnasta saatuja aistihavaintoja. Sormen- päissä on paljon hermoisoluja joiden tuottaman tiedon määrän korvaaminen TR-menetel- mällä on hankalaa, koska esimerkiksi rinnassa on paljon vähemmän hermosoluja. TR-me- netelmää hyödyntävän mekaanisen tuntopalautteen antavan laitteen käyttämisessä takaisin- kytkentään on myös se heikkous, että proteesia käyttävällä henkilöllä voi olla vaikeuksia tuntea kosketusta ihossa, joka on sen lihaksen päällä jota hän supistaa liikuttaakseen protee- sia. Myös lihaksen liike vaikeuttaa sellaisten laitteiden toimintaa joiden tarkoituksena on painaa ihoon ja tuottaa aistikokemus, koska tällöin laite painaisi ihoon osittain lihaksen su- pistumisen mukaan. Kolmas heikkous TR-menetelmän käytössä on että ihon alla oleva lihas tai rasvakerros voi antaa liian paljon myöten, jotta tuntopalautteen antavan laitteen antava tuntemus tuntuisi selkeästi. Kahden tai useamman erilaisen tuntemuksen tuottaminen saman- aikaisesti ihoon, jolle on suoritettu kohdennettu uudelleenhermotus, huonontaa hermotakai- sinkytkennän avulla saatua proteesin hallintaa. (Kim & Colgate 2012)
Ihon pinnalta mitattavat EMG-signaalit ovat rajoittuneita pinnallisiin lihaksiin ja alttiita häi- riöille, kuten sähkömagneettiselle säteilylle, liikevirheille, sekä ympäristöolosuhteille kuten hielle ja lämmölle. Ihon läpi kulkevat johdot saattavat jäädä kiinni johonkin ja siten aiheuttaa turvallisuus- ja toimintavarmuusongelmia. Takaisinkytkentä mahdollistaa proteesin parem- man hallinnan ja vähäisemmän vaivannäön. Alle 15 % MVC (Maximal Voluntary Contrac- tion, suurin tahdonalainen lihassupistus) ei rasita lihasta ja eEMG:n (epimysium Electro- MyoGraph, epimysium lihasähkökäyrä) käyttäminen mahdollistaa 12 % MVC:n käyttämi- sen sEMG:n (surface ElectroMyoGraph, pinta lihassähkökäyrä) 60 % MVC:n sijasta.
eEMG:tä hyödyntävä käsiproteesin hermotakaisinkytkentä vähentää haamuraajakipua jopa 40 %, minkä lisäksi eEMG antaa suuremman hermosignaalin amplitudin ja paremman otteen erotuskyvyn kuin sEMG. Otteen erotuskyvyllä tarkoitetaan kykyä erottaa erilaisia otteen voimakkuuksia. (Ortiz-Catalan et al. 2014)
2.2. Mekaanisia toteutustapoja
Tässä luvussa käsitellään erilaisia mekaanisia toteutustapoja sähkökäyttöisille käsipro- teeseille, kuten kiinnitykseen liittyviä seikkoja ja keinolihaksia.
Sähkökäyttöinen käsiproteesi voidaan toteuttaa myös ilman luonnollisenkaltaisia sormia ku- ten split-hook-tyyppisellä proteesilla joka on esitetty kuvassa 2.8. (Steeper a) Useimmilla ihmisillä on molemmat kädet tallella ja maailma on suunniteltu sen mukaisesti, joten erikoi- sen muotoisilla käsiproteeseilla ei todennäköisesti pysty käyttämään kunnolla useimpia esi- neitä, kuten esimerkiksi koukulla virveliä.
Kuva 2.8 Split-hook-tyyppinen sähkökäyttöinen käsiproteesi. Tällainen proteesi ei kuluta sähköä, jos sitä käytetään pelkkänä koukkuna. (Ottobock a)
Keinotekoisia jänteitä tai suoraa sähkömoottorikäyttöä hyödyntävät käsiproteesit ovat me- kaaniselta hyötysuhteeltaan huonoja ja niveliin kohdistuva kuorma voi saada nivelet kään- tymään ei-toivotusti. Kierähammaspyörällä akseli voidaan lukita paikalleen siten että se siitä ei koidu energiahäviöitä, minkä lisäksi sähkömoottorin suuri kierrosnopeus ja pieni mo- mentti saadaan muutettua pieneksi nopeudeksi ja suureksi momentiksi. (Light & Chappell 2000) Kierähammaspyörän hampaat voivat tosin rikkoutua mikäli käsiproteesiin kohdistuu voimakas isku nivelien liikeradan suunnassa.
Vaikka DLR-käsi ei olekaan suunniteltu proteesiksi, on siinä käytettyä teknologiaa todennä- köisesti mahdollista soveltaa myös proteeseissa. DLR-kädessä on 19 vapausastetta, yksi vä- hemmän kuin aidossa kädessä ja se on kyllin vahva kohdistaakseen jopa 30 Newtonin voi- man sormenpäässä. Kädessä on 38 dyneemasta valmistettua jännettä joista jokaisella on oma moottorinsa ja joista jokainen on kytketty jousisysteemiin. Normaalisti sormien nivelet voi- vat liikkua jopa 500 astetta sekunnissa, mutta kiristämällä jousia ja sitten vapauttamalla nii- hin varastoituneen energian, nivelet voivat liikkua jopa 2000 astetta sekunnissa ja napsauttaa sormia. Käsi voi ottaa vastaan iskuja ja säätää käytettävää voimaa tarkkailemalla jousisys- teemin jousien tilaa. (Guizzo 2011)
2.2.1. Kiinnitys
Käsi voi olla amputoitu ranteesta olkapäähän siten, että sekä lapaluu että solisluu on pois- tettu, tai siten että lapaluu ja solisluu on jätetty paikoilleen, kyynärpään ja olkapään välistä, Kyynärpäästä, ranteen ja kyynärpään välistä sekä ranteesta. Kussakin tapauksessa on omat haasteensa käsiproteesin kannalta. Mitä useampia niveliä on menetetty amputaation seurauk- sena, sitä monimutkaisempi korvaavasta käsiproteesista tulee. Kuvassa 2.9 on esitetty käden amputaatiokohdat, lukuun ottamatta ranteen amputoimista vähäisempiä tapauksia.
Kuva 2.9 Käden amputaatiokohdat on esitetty kuvassa katkoviivoin. a) etuneljänneksen amputaatio b) olkapää amputaatio c) kyynärpään yläpuolinen amputaatio d) kyynärpää amputaatio e) kyy- närpään alapuolinen amputaatio f) ranne amputaatio. (Kasaraneni 2015)
Tekokäsi voidaan kiinnittää paikalleen osseointegraatiolla tukevasti luuhun jolloin se on pai- kallaan paremmin kuin muilla kiinnitysmenetelmillä ja sen vuoksi proteesin liikkeet välitty- vät käyttäjälle paremmin, mutta mikäli kiinnityskohtaan kohdistuu liian suuri rasitus, se mur- tuu mahdollisesti katastrofaalisin seurauksin. Osseointegraation avulla kiinnitetty tekoraaja on helppo sekä pukea että riisua, koska se onnistuu ruuvaamalla. Osseointegraatio ei rajoita käden nostamista tai alaspäin kurottamista kuten valjaat. (St.-Jean & Fish)
Johdot elektrodeille voivat kulkea osseointegraation avulla luuhun kiinnityskohdan kautta, jolloin ne pysyvät paikallaan eivätkä aiheuta infektiovaaraa, vaikka osseointegraation kiin- nityskohta itsessään voi aiheuttaa infektiovaaran. Kuvassa 2.10 on esitetty osseointegraation kaavakuva ja elektrodin kytkeminen sen kautta hermoon. (Ortiz-Catalan et al. 2014)
Kuva 2.10 Kuvassa oikealla näkyy hermokimppu, jonka ympärillä olevalle cuff-elektrodille on johdettu elektrodin johto osseointegraation avulla fikstuurin, kannan ja luun läpi. (Ortiz-Catalan et al.
2014)
Tekokäden holkki voi aiheuttaa hikoilua ja siten häiritä EMG-signaalien mittaamista ihon pinnalta. Tekokäden holkki voi aiheuttaa myös kipua, epämukavuutta ja ihoärsytystä. Teko- käden holkki ja valjaat saattavat rajoittaa liikeratoja, kuten kurotellessa ylös tai alas. Holkki ei rajoita uimahallissa käyntiä eikä mahdollisesti näytä yhtä huonolta kuin osseointegraation avulla toteutetun kiinnityksen törröttävä kanta. (St.-Jean & Fish)
2.2.2. Keinolihakset
Peukalon luonnollista liikettä ei voi palauttaa tavallisilla kiinteäakselisilla mekaanisilla ni- velillä koska oikeassa peukalossa sen kaikkien nivelien akselit eivät ole kiinteitä. Keinote- koisilla luilla, nivelillä, jänteillä ja kaapelivetoisilla keinolihaksilla voidaan toteuttaa käsi- proteesi jonka liikeratojen laajuus vastaa aidon käden liikeratojen laajuutta. (Ackerman 2016)
Hydraulisiin keinolihaksiin pohjautuvalla tekokäden liikkeiden toteutuksella vältetään pyö- rivien sähkökoneiden virheliikkeiden kasautuminen ja alennusvaihteiden tarve sekä saadaan aikaan suurempi vääntö. (Lee & Lee 2013) Kuvassa 2.11 on esitetty hydraulisiin keinolihak- siin pohjautuvan käsiproteesin kaavakuva.
Kuva 2.11 Kuvassa on esitetty hydraulisiin keinolihaksiin perustuvan käsiproteesin toimintaperiaatteen kaavakuva. Sinisellä ja keltaisella merkityt osat edustavat käsiproteesin kantavia rakenteita, punaisella merkityt osat edustavat hydraulisia laitteita ja vihreällä merkityt osat niiden varsia.
Mustat pisteet edustavat nivelien kohtia. Suuri vääntö saadaan aikaan käyttämällä hydraulisia laitteita vastakkaisiin suuntiin.
Keinolihakset voivat olla painoonsa nähden jopa kymmeniä kertoja voimakkaampia kuin luonnolliset lihakset ja ne voidaan valmistaa kiertämällä kehrätyistä hiilinanoputkista. (Lee et al. 2014) Lihassyitä muistuttavat keinolihakset antaisivat mahdollisesti periksi iskuille ja äkillisille kuorman muutoksille ja siten tekisivät käsiproteesista kestävämmän.
2.3. Energia
Tekokäden liikuttamiseen tarvitaan energiaa jonka on oltava nopeasti käyttöönotettavaa ja helposti varastoitavaa. Sähkön voi saada akusta tai kondensaattorista käyttöön hyvin nope- asti, mutta nykyteknologialla sähköenergiaa ei voi varastoida niihin kovinkaan suuria määriä verrattuna esimerkiksi dieselöljystä saatavaan energiamäärään. Split-hook-tyyppistä käsi- proteesia voi käyttää pelkkänä koukkuna ja siten säästää energiaa.
Se, miten paljon energiaa tarvitaan käsiproteesin liikuttamiseen päivän ajan, riippuu paljolti siitä miten paljon kättä käytetään ja miten raskaisiin tehtäviin. Tässä esimerkkinä mies joka tekee leuanvetoja yksine tekokäsineen ja jonka oletetaan nostavan 80 kilogramman painoa puolen metrin matkan jokaisella leuanvetoliikkeellä, puolet painosta proteesilla ja puolet painosta aidolla kädellään. Akun oletetaan olevan litium-ioniakku ja painavan yhden kilo- gramman ja kokonaishyötysuhteen oletetaan olevan noston ja laskun osalta 80 %.
Litiumioniakut voivat varastoida energiaa jopa 210 Wh/kg eli 756 kJ/kg. (Rahman et al.
2014)
Potentiaalienergialle Ep pätee lauseke
= , (2.1)
missäM on massa, g on putoamiskiihtyvyys jahon korkeus. (Kervinen & Smolander 2001) Käsiproteesin kuluttamalle energialle saadaan, ottamalla huomioon hyötysuhde ja käsipro- teesin osuus, yhtälön (2.1) avulla
× = , (2.2)
jolloin yhtälön (2.2) avulla käsiproteesin kuluttamaksi energiaksi saadaan lasketuksi
× . × . ×
. = 245.25 J. (2.3)
Leuanvetojen määrä saadaan jakamalla akun sisältämä energiamäärä yhtälöstä (2.3) saadulla tuloksella yhteen leuanvetoon kuluvasta energiamäärästä, eli
, 3082. (2.4)
Käsiproteesin akun paino voi olla pienempi kuin esimerkissä, jotta käsiproteesin kokonais- paino ei olisi epämukavan tai epäkäytännöllisen suuri. Akun energianvarastointikyky voi olla myös pienempi, mutta litiumioniakku on yleisessä käytössä muun muassa kannettavien tietokoneiden akuissa, joissa tarvitaan paljon energiaa. Koska nostettava massa, nostokor- keus ja se, käytetäänkö molempia vai vain toista kättä, ovat suoraan verrannollisia energian- kulutukseen, saadaan kyseisiä arvoja yhtälöön (2.3) muuttamalla vastaavasti suurempia tai pienempiä määriä kyseistä liikettä.
3. KAUPALLISET ESIMERKIT
Kaupallisia sovelluksia valittiin tähän työn neljä kappaletta. Käsiproteesin markkinoille tu- lon ajankohtaa ei ole ilmoitettu yhdenkään käsiproteesin osalta.
3.1. BeBionic
Ensimmäinen käsiteltävä käsiproteesi on BeBionic jonka on suunnitellut Steeper. Sen jokai- sella sormella on oma moottorinsa ja tehokkaat mikroprosessorit valvovat jokaisen sormen asentoa. Proteesilla on 14 valittavaa otemallia ja kädenasentoa sekä suhteellinen nopeuden hallinta. Proteesilla on neljä rannevaihtoehtoa ja valittava peukalonasento. Sensorit havait- sevat mikäli käsiteltävä kohde uhkaa luiskahtaa otteesta ja kompensoivat otetta sen mukai- sesti. Kokoontaitettavat sormet liikkuvat luonnollisen näköisesti. Proteesin rakenne on kyllin vahva että käyttäjä voi käsitellä jopa 45 kilogramman kuormia tai työntää itsensä ylös is- tuma-asennosta. Innovatiivinen kämmenen muotoilu suojaa proteesia iskuilta ja tekee siitä hiljaisen. Proteesissa on pehmeät sormenpäät ja leveä peukalo jotta ote olisi mahdollisimman hyvä. (Steeper b)
Kuvassa 3.1 on esitetty BeBionic-käsiproteesi.
Kuva 3.1 Kuvassa on BeBionic käsiproteesi esitettynä kahdesta eri suunnasta. (Steeper c)
3.2. IH2 Azzurra
Toinen käsiteltävä käsiproteesi on IH2 Azzurra jonka on suunnitellut Prensilia. Sen liikkeet on toteutettu harjallisilla tasavirtamoottoreilla ja liikkeiden välitys teräksisillä keinojänteillä sekä Bowden-kaapeleilla siten että ne pysyvät paikallaan ilman virran kulutusta. Tällä pro- teesilla on 14 erilaista otetta. (Prensilia 2014)
Kuvassa 3.2 on esitetty IH2 Azzurra-käsiproteesi.
Kuva 3.2 Kuvassa on esitettynä IH2 Azzurra käsiproteesi kämmenen puolelta. Sormenpäinen kuvioin- nin tarkoitus on ilmeisesti parantaa otetta. (Prensilia 2014)
3.3. i-Limb quantum
Kolmas käsiteltävä käsiproteesi on i-Limb quantum jonka on suunnitellut Touch Bionics.
Sen kaikki viisi sormea ovat itsenäisesti nivellettyjä. Proteesin otteita voi hallita liikuttamalla proteesia johonkin neljästä suunnasta. Proteesilla on 24 ennalta määriteltyä ja 12 muokatta- vissa olevaa otetta joita voi hallita älypuhelinsovelluksella. Kokeneet käyttäjät voivat käyt- tää erityisiä lihas-signaaleja otteiden hallintaan. Otteiden hallinta on mahdollista myös pie- nillä bluetooth yhteyttä käyttävillä laitteilla, jotka joko kiinnitetään esineeseen jota halutaan käsitellä jollain tietyllä otteella tai asetetaan sen lähelle. Proteesista on saatavilla neljä eri kokoa ja proteesille on saatavissa useita erilaisia päällysteitä (tarkoittaa ilmeisesti käsineitä).
Päällysteistä löytyy muun muassa kosketusnäyttöjen käyttämiseen tarkoitettu sekä useita luonnollisen näköisiä eri ihon väreillä. (Touch Bionics 2016a) (Touch Bionics 2016b) Kuvassa 3.3 on esitetty i-Limb quantumin neljä saatavilla olevaa kokoa.
Kuva 3.3 i-Limb quantum käsiproteesin neljä eri kokoa. (Touch Bionics 2016a)
3.4. Michelangelo Hand
Neljäs käsiteltävä käsiproteesi on Michelangelo Hand jonka ovat suunnitelleet yhdessä Ot- tobock ja American Arm Dynamics. Michelangelo Hand on mallinnettu muotonsa ja ulko- näkönsä puolesta ihmiskäden luiden nivelien, lihaksien sekä jänteiden mukaan. Proteesilla on kaksi erillistä moottorin ohjausta joista toinen ohjaa peukaloa ja toinen muita sormia sekä otteen voimakkuutta. Proteesilla on seitsemän otetta ja joustava rannenivel. (Ottobock b) (Advanced Arm Dynamics)
Kuvassa 3.4 on esitetty Michelangelo Hand-käsiproteesi.
Kuva 3.4 Michelangelo Hand-käsiproteesi. Rannetta voi selvästi liikuttaa taakse. (Ottobock b)
3.5. Esimerkkitapausten vertailu
Kaupallisten tuotteiden vertailemisesta tekee hankalaa saatavissa olevien tietojen osittainen ristiriitaisuus sekä niiden erilaisuus eri käsiproteesien välillä. Mittaustavoista ei löytynyt tie- toa. Käsiproteesin markkinoille tulon ajankohtaa ei ole ilmoitettu yhdenkään käsiproteesin osalta. Taulukossa 3.1 on esitetty esimerkkitapausten vertailu sellaisten tietojen osalta kuin niitä löytyi useammasta esimerkistä.
Taulukko 3.1 Taulukossa on esitetty esimerkkitapausten vertailu. Suurimmalla otteen voimalla tarkoitetaan annetuista otteista voimakkainta newtoneina mitattuna. Avainotteella tarkoitetaan otetta jolla puristetaan kohdetta peukalolla etusormea vasten ja sen yksikkö on newton. (Steeper c) (Pren- silia) (Touch Bionics a) (Touch Bionics b) (Ottobock b) (Advanced Arm Dynamics)
BeBionic IH2 azzurra i-Limb
quantum
Michelangelo hand Suurin otteen
voima
140.1 N 35 N - 70 N
Avainotteen voima
26.5 N 7 N - 60 N
Suurin kannatel- tava paino
45 kg 10 kg 90 kg -
Lyhin aika asen- nosta toiseen
0.5 s 1 s 0.8 s -
Erilaisia otteita 14 10 36 7
Akun suurin säh- kövaraus
2200 mAh - 2000 mAh 1500 mAh
BeBionic-käsiproteesin otteen voima on suurin annetuista, IH2 Azzurra-käsiproteesin voima on pienin ja Michelangelo Hand-käsiproteesin toiseksi suurin. i-Limb quantum-käsiprotee- sin voimaa ei annettu, mutta sen suurin kannateltava paino on kaksinkertainen BeBionic- käsiproteesiin verrattuna, joten i-Limb quantum-käsiproteesin suurin otteen voima saattaa olla suurin.
Michelangelo Hand-käsiproteesin avainotteen voima on suurin ja lähes yhtä suuri kuin sen suurin otteen voima, joten sen peukalo on erityisen vahva.
i-Limb quantum-käsiproteesi kykenee kannattelemaan suurinta painoa, Bebionic-käsipro- teesi toiseksi suurinta ja IH2 Azzurra-käsiproteesi pienintä.
BeBionic-käsiproteesi on nopein, i-Limb quantum on toiseksi nopein ja IH2 Azzurra on hi- tain.
i-Limb quantum-käsiproteesilla on selvästi eniten otteita, yli kaksi kertaa enemmän Be- Bionic-käsiproteesilla. IH2 Azzurra-käsiproteesilla on kolmanneksi eniten otteita ja Miche- langelo Hand-käsiproteesilla on vähiten otteita.
BeBionic-käsiproteesin akun varaus on suurin, i-Limb quantum-käsiproteesin akun varaus on toiseksi suurin ja Michelangelo Hand-käsiproteesin akun varaus on pienin.
Michelangelo Hand on ainoa käsiteltävänä olleista proteeseista jonka ranteen kerrottiin ole- van joustava.
4. POHDINTAA
Ihon päälle sijoitettavat elektrodien alttius hielle, lämmölle, sähkömagneettiselle säteilylle ja paikoiltaan poismenemiselle tekevät niistä epävarmoja joten sellaisiin ei voi luottaa esi- merkiksi autolla ajettaessa. Etäisyys hermosta ja mittauspisteiden suuri määrä vaikuttavat oletettavasti merkittävästi saadun hermo-ohjaustiedon laatuun ja määrään.
Mekaaniset tuntopalautteen antavat täristimet ja ihoon painavat laitteet vaativat vielä kehi- tystä, mutta idea on selvästi lupaava ja toimisi ilman käytössä kuluvia elektrodeja tai ihon läpi kulkevia johtoja. Keinoihon kehitys voi nanoteknologian kehityksen myötä olla paras ratkaisu itse antureiden toteuttamiseen, koska tällöin koko keinoihosta saataisiin painetta mittaava eikä pelkästään yksittäisistä alueista.
Mikäli keinolihakset muistuttaisivat rakenteeltaan aitojen lihaksien lihassyitä ja liikkuisivat limittäin, ne pullistuisivat aitojen tapaan, mikä mahdollistaisi käsiproteesin näyttämisen ai- dommalta. Se, että keinolihakset ovat paljon vahvempia kuin aidot lihakset, mahdollistaa niiden vähäisemmän käytön tilavuudeltaan ja painoltaan, tai toisaalta, erittäin voimakkaan käsiproteesin.
Energiaa voidaan varastoida riittävästi jopa kokopäiväiseen käyttöön, mutta akun painona yksi kilogramma voi olla liian suuri käyttömukavuuden kannalta. Hermotakaisinkytkentä vähentää ohjaamiseen tarvittavaa vaivaa koska proteesia ohjaavien lihasten liikuttelemisessa ei tarvitse silloin liioitella yhtä paljon. Elektroninen split-hook toimii koukkuna vaikka sitä syöttävä akku olisi tyhjä. Se, että joku tekee yli kolmetuhatta leuanvetoa päivässä, on selvästi saavutus johon useimmat ihmiset eivät pysty, kuten esimerkiksi tämän työn tekijä.
Mikäli tekokäden otteita voi vaihtaa älypuhelinsovelluksen avulla, silloin myös tekokäden hakkeroiminen saattaa olla mahdollista. Tällaisessa tapauksessa hakkeri voi käyttää teko- kättä häiriökäyttäytymisen välineenä tai jopa murha-aseena.
Käsiproteesin käyttäjän voi olettaa käyttävän kallista proteesiaan varovaisesti, mutta vahin- koja sattuu, mistä johtuen iskunkestävyys ja vedenkestävyys ovat toivottavia ominaisuuksia käsiproteeseille. Käsiproteesien päällysteiden vedenpitävyydestä ei ollut tietoa, mutta mikäli käsiproteesia ei voisi käyttää sateessa, olisi se merkittävä heikkous, joten päällysteiden voi olettaa pitävän vettä kyllin hyvin astioiden pesua varten. Vedeltä suojaamattomat sähkölait- teet menevät oikosulkuun kastuessaan ja mekaanisen rakenteen suhteen täytyy tehdä komp- romisseja kestävyyden, painon, monimutkaisuuden ja toiminnallisuuden välillä.
Koska kysymyksessä on viimeisimmästä teknologiasta, on se todennäköisesti erittäin kal- lista ja lisäksi se voi olla vielä kokeiluasteella eikä sen vuoksi saavu kaupallisille markki- noille ennen kuin vasta vuosien päästä.
5. JOHTOPÄÄTÖKSET
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 paremman 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.
