Protezy kończyn górnych stanowią skomplikowany problem ze względu na różnorodność, złożoność oraz precyzję wykonywanych rękami czynności. Trudności ze stworzeniem wynikają z tego, że ludzka ręka składa się z 18 członów oraz 17 połączeń ruchomych, posiada 22 stopnie swobody i 23 stopnie ruchliwości. Od dawnej protezy stanowiącej jedynie wypełnienie pustego rękawa, rozwój techniki w medycynie XX wieku doprowadził do zaprojektowania pomysłowych i precyzyjnych konstrukcji, łatwych w stosowaniu oraz umożliwiających wykonywanie podstawowych czynności. Dopiero w ostatnich 35 latach powstały w pełni funkcjonalne sztuczne ręce z napędem elektrycznym, pneumatycznym lub hydraulicznym.

W niniejszej pracy przedstawiono wymagania stawiane protezom kończyn górnych, rodzaje protez kończyn górnych, sposoby ich sterowania oraz użycie sztucznych mięśni w konstrukcji protez.

Elementy anatomii

Z tułowiem połączona jest obręczą kończyny górnej (barkową). Składa się z trzech odcinków połączonych ze sobą stawami: odcinka bliższego - ramienia, odcinka środkowego - przedramienia i odcinka dalszego - ręki. W kończynach górnych wyróżnia się: okolicę obręczy barkowej, dół pachowy, ramię, dół łokciowy, przedramię i rękę. Składa się z kości ramieniowej, przedramieniowej, łokciowej, promieniowej, nadgarstka, śródręcza i palców. U naczelnych ręka posiada stronę grzbietową i dłoń. Skóra dłoni jest nieowłosiona i występują w niej listewki papilarne o swoistym dla danego osobnika przebiegu (kształcie). W ręce wyróżnia się nadgarstek, śródręcze i palce, przy czym I palec (kciuk) jest przeciwstawny pozostałym.

Wymagania stawiane protezom kończyn górnych

a) Konstrukcja sztucznej ręki powinna być dopasowana do ciężaru i wymiarów naturalnej ręki.

b) Powinna być łatwo sterowalna, przy małym zużyciu baterii.

c) Nie może emitować nadmiernego hałasu.

d) System sterowania protezy musi umożliwiać chwytanie dowolnego przedmiotu z dużą dokładnością, dynamiką i odpowiednią siłą w sposób zsynchronizowany przez niezależny ruch palców i kciuka.

Rodzaje protez kończyn górnych

W zależności od wysokości amputacji wyróżnia się:

a) Protezy ręki i poszczególnych palców.

b) Protezy przedramienia.

c) Przy wyłuszczeniu w stawie łokciowym.

d) Protezy ramienia ze stawem łokciowym.

e) Przy wyłuszczeniu w stawie barkowym.

Sposoby sterowania protezami kończyn górnych

Sterowanie protezami można podzielić na czynne oraz bierne. To drugie stosowane jest zazwyczaj u małych dzieci lub ludzi starszych niemogących wykorzystywać zawieszenia sterującego. Poruszanie ręki jest uzyskiwane dzięki pomocy drugiej zdrowej kończyny. Ten typ sterowania wykorzystuje się głównie w celu maskowania kalectwa.

Sterowanie czynne obejmuje następujące metody:

1) Sterowanie siłą mięśni. Zakres ruchów w obrębie barków oraz stawu barkowo-ramiennego przenoszony jest dzięki lince sterującej, która jednym końcem przyczepiona jest do pętli szelkowej, drugim natomiast do protezowanej ręki. W obrębie stawu łokciowego linka nie zmienia swojego położenia względem stawu, gdyż znajduje się w osłonce.

2) Sterowanie mechaniczne grupą mięśni. Polega na umieszczeniu w poprzecznym tunelu brzuśca mięśnia pręta metalowego lub wykonanego z kości słoniowej. Skurcz mięśnia powoduje przesunięcie pręta, linki umożliwiają zamknięcie zastosowanej końcówki chwytnej. Sposób ten wymaga starannego pielęgnowania. Jego dużą wadą, sprawiającą, że przestaje być stosowany, jest częste występowanie przewlekłych zapaleń oraz zarastanie tunelu. Zaletą tego rozwiązania jest dobra kontrola siły chwytu.

3) Sterowanie elektromechaniczne, w którym ruch palców zasilany jest za pomocą baterii. Naturalny ruch obręczy barkowej jest przenoszony na protezę oraz dźwignię mikro wyłącznika otwierania i zamykania dopływu prądu przy użyciu linki

4) Sterowanie bioelektryczne. Odbywa się ono poprzez mioelektryczne sygnały, powstające w mięśniach w miejscu przerwania ręki. Jest jednym z najpowszechniej stosowanych rodzajów sterowań. Wbudowane w protezę elektrody wychwytują sygnały z aktonów mięśniowych z powierzchni skóry. Sygnały są następnie przetwarzane na sterowanie protezą ręki, są proporcjonalne do mechanicznych zmian naprężeń włókna mięśniowego.

5) W ostatnich latach prowadzone są intensywne badania nad sterowaniem za pomocą fal mózgowych. Coraz częściej stosuje się sieci neuronowe oraz najnowsze rozwiązania wymiany danych. Informacje odbierane z układu nerwowego przekazywane są do układu sterującego, który interpretuje i wysyła dalej do protezy.

Liczne sensory pobudzające określone ośrodki nerwowe, działające na zasadzie sprzężenia zwrotnego umożliwiają odczuwanie kształtu, faktury oraz twardości dotykanych protezą przedmiotów.

Zastosowanie sztucznych mięśni w konstrukcji protez.

Tradycyjne napędy elektryczne, pneumatyczne i hydrauliczne wypierane są przez sztuczne mięśnie, które umożliwiają zmniejszenie ciężaru i wymiarów protezy oraz zminimalizowanie energii potrzebnej do ich poruszania i sterowania. Wykonuje się je z biomateriałów pobudzanych elektrycznie, chemicznie, termicznie, magnetycznie, optycznie, pneumatycznie oraz hydraulicznie. W zależności od zastosowanego materiału wyróżnia się:

1) Sztuczne mięśnie zbudowane z nanorurek - wzdłuż węglowych nanorurek wypełnionych elektrolitem ułożone są krążki z 14 - atomowego węgla. W ten sposób z milionów nanorurek można wytworzyć włókna mięśniowe o dowolnej długości o strukturze przypominającej naturalny mięsień. Po doprowadzeniu prądu następuję skurcz lub wydłużenie się mięśnia. Ostatnie odkrycia związane z tego typu sztucznymi mięśniami mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w protezach kończyn, ale również w robotach przeznaczonych do pracy w ekstremalnie trudnych warunkach. Włókna charakteryzujące się niezwykłą lekkością powstały ze skręconych nanorurek węglowych. Pod wpływem prądu elektrycznego rozszerzają się o 220% w czasie nie przekraczającym kliku milisekund. Zachowują swoje właściwości w bardzo szerokim zakresie temperatur ( -196 st. C do 1538 st. C)

2) Sztuczne biomięśnie - zbudowane są z kurczliwego polimeru wykonanego najczęściej z włókna poliakrylonitrylu (PAN). Kurczą się one o 20% w czasie 20 ms, co jest wartością zbliżoną do prawdziwych ludzkich mięśni. Siła jednostkowa mięśnia jest jednak dwa razy większa niż w przypadku mięśnia naturalnego.

3) Sztuczne biomięśnie polimerowo - żelowe. Element kurczliwy zastosowany w tym rozwiązaniu wykonany jest z włókna polimerowego wypełnionego płynem żelowym, który jest wrażliwy na zmianę pH. Kurczliwość włókna zależy od zmiany wartości tego parametru, co sprawia, że regulując pH można sterować pracą mięśnia.

4) Sztuczne biomięśnie zbudowane z kompozytów polimerowo-metalowych IPMC. Wykazują zdolność odkształcenia, są lekkie, elastyczne, sterowane prądem o małym napięciu oraz mają zdolność tłumienia drgań.

5) Sztuczne mięśnie wykorzystujące efekt piezoelektryczny. Element piezoelektryczny, do którego doprowadzono energię odkształca się i w połączeniu z ruchomym modułem tworzy mikronapęd.

6) Sztuczne mięśnie płynowe wypełnione cieczą - mięśnie hydrauliczne lub gazem - mięśnie pneumatyczne. Wykonuje się je z elastycznej przepony w kształcie rurki lub balonu z lateksu, gumy lub silikonu.

Efektywne wykorzystanie mięśni w węzłach kinematycznych jest możliwe przez zastosowanie dwóch mięśni działających przeciwstawnie. W konstrukcjach protez często stosuje się system BMDS (Bi-Muscular Driving System). Częstotliwość pracy takiego układu napędowego wynosi ok 5Hz przy dokładności regulacji położenia 1%. Kąt obrotu węzła kinematycznego zależy od stosunku ciśnień panujących w obu antagonistycznych mięśniach.

---