Mikrofony MEMS i listwy piezoelektryczne wychwytują odgłosy zginania i prostowania kolana. (Źródło: Georgia Tech)Mikrofony MEMS i listwy piezoelektryczne wychwytują odgłosy zginania i prostowania kolana. (Źródło: Georgia Tech)

„To trochę jak coś w stylu Halloween” – mówi Omer Inan. „Słuchasz, jak twoje kości ocierają się o siebie, a może o chrząstki”.

Inżynierowie opracowują akustyczną opaskę na kolano wyposażoną w mikrofony i czujniki wibracji, która może słuchać i mierzyć dźwięki wewnątrz stawu, co może pomóc specjalistom ortopedom w ocenie uszkodzeń po urazie i śledzeniu postępów w powrocie do zdrowia.

Omer Inan, adiunkt inżynierii elektrycznej i komputerowej w Georgia Tech, od jakiegoś czasu myślał nad opracowaniem takiego urządzenia. Jest byłym dyskiem na Uniwersytecie Stanforda i przez lata wirował jak tornado, do czego kolana nie są stworzone, dlatego też sam odczuwał silny ból kolana.

„Zawsze czułem, że moje kolano bardziej skrzypi lub trzeszczy, gdy przykładam do niego większy nacisk” – mówi.


wewnętrzna grafika subskrypcji


Kiedy we wczesnych eksperymentach usłyszał pierwsze nagrania trzeszczącego zmielenia, Inan był zachwycony. „Było znacznie głośniej, niż się spodziewano, i znacznie wyraźniej”. Oznaczało to natychmiastowy postęp. „To trochę jak coś w rodzaju Halloween. Słyszysz, jak kości ocierają się o siebie, a może o chrząstkę. Lekarze nazywają pękanie stawów „trzeszczeniem”.

Około 100 lat temu lekarze sądzili, że rakieta może zawierać wiadomość i słuchali jej za pomocą stetoskopów. Inan ma nadzieję, że w przyszłości badania medyczne będą opierać się na technologii wykrywania akustycznego opracowywanej przez jego grupę i ostatecznie dekodują dźwięk w przydatne wzorce.

Na razie badacze sporządzają wykres nagranego dźwięku i dopasowują go do zakresu ruchu stawu, aby zobaczyć, w którym dokładnie miejscu podczas prostowania i zginania nogi kolano powoduje skrzypienie i trzaski. W rezultacie powstają szczyty i zawijasy przypominające elektrokardiogram lub inny sygnał fizjologiczny.

Wzorzec akustyczny wytwarzany przez uszkodzone kolano znacznie różni się od wzorca akustycznego nieuszkodzonego kolana. „Jest bardziej niekonsekwentny” – mówi Inan. „Zdrowe kolano wytwarza bardziej spójny wzór dźwięków”.

Żołnierze i powtarzające się obrażenia

W połączeniu z badaniami medycznymi urządzenie akustyczne może zaowocować niedrogimi, nadającymi się do noszenia monitorami, które mogą przynieść korzyści sportowcom, którzy nadmiernie obciążają kolana, oraz starszym pacjentom, którzy poślizgnęli się i upadli. DARPA, która sfinansowała tę pracę, chce ograniczyć liczbę powtarzających się urazów kolan na polu bitwy i pomóc żołnierzom w bezpiecznym powrocie do służby.

„Większość ludzi nie wie, że urazy układu mięśniowo-szkieletowego kolan i kostek to jedna z głównych przyczyn zwolnień członków służby czynnej” – mówi Inan. Plecaki ważące do 100 funtów uciskają żołnierzy, którzy maszerują dziesiątki mil po trudnym terenie, pokonują przeszkody na polach bitew i godzinami kucają w ciasnych miejscach.

Nawet bez upadku lub skrzywienia żołnierz może wylądować na operacji, a następnie na rehabilitacji. Problem może wydawać się rozwiązany kilka miesięcy później, ale zbyt często tak nie jest i zbyt często dzieje się tak z powodu ponownej kontuzji.

Po operacji i terapii kolano może wydawać się jak nowe, ale kiedy nadgorliwy żołnierz wskakuje na nie z powrotem, zaczynają pojawiać się słabości wynikające z kontuzji. ​​W rezultacie ponowne kontuzje są 10 razy częstsze niż początkowe.

Niedrogie urządzenie do noszenia mogłoby w przyszłości zapewnić żołnierzom i klinicystom informacje zwrotne na temat rekonwalescencji kolan, aby pomóc im uniknąć poważnych ponownych obrażeń poprzez powstrzymanie się od dużego obciążenia pracą, gdy zajdzie taka potrzeba.

Na dłuższą metę mogłoby to również przynieść korzyści członkom służb. Urazy stawów nasilają się z biegiem czasu, powodując, że emerytowani żołnierze borykają się z bólem i utratą sprawności ruchowej przez długi czas w cywilu. „Mogą wystąpić przypadki wczesnej choroby zwyrodnieniowej stawów” – mówi Inan.

Obce dźwięki

Jednak w tym momencie misją Inana jest nagrywanie dźwięków w potencjalnie użytecznej jakości, co stwarza pewne wyzwania. Staw kolanowy jest otoczony płynem, który tłumi fale dźwiękowe wychodzące ze stawu w stronę skóry. Ponadto, gdy pacjent się porusza, powoduje to powstawanie obcych dźwięków, które mogą zagłuszyć przydatne dźwięki.

„Fakt, że pomiar z definicji musi odbywać się podczas ruchu, stanowi wyzwanie, ponieważ nie można po prostu powiedzieć osobie, aby była nieruchoma i uniknąć artefaktów związanych z ruchem” – mówi.

Aby opracować urządzenie akustyczne, badacze połączyli mikrofony z folią piezoelektryczną, czyli nadwrażliwym czujnikiem wibracji, który zbiera najlepszy dźwięk, ale jest bardzo wrażliwy na zakłócenia. Mikrofony umieszczone na skórze zapewniają wystarczające wsparcie i bardziej praktyczne urządzenie.

Monitor kolanowy wykorzystuje również postęp techniczny powszechny w smartfonach. Mikrofony systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) lepiej integrują się z obecną technologią niż mikrofony oparte na poprzednich technologiach. To także sprawia, że ​​mikrofony są wręcz tanie — tylko 50 centów za dolara.

Prace wspierało Biuro Technologii Biologicznych DARPA. Artykuł jest publikowany w czasopiśmie internetowym Transakcje IEEE w inżynierii biomedycznej.

Źródło: Georgia Institute of Technology


Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon