A MEMS mikrofonok és piezoelektromos csíkok felveszik a hajlító és kinyúló térd hangjait. (Hitel: Georgia Tech)
"Kicsit olyan, mintha valamilyen halloweeni dolog történne" - mondja Omer Inan. - Hallgatod, ahogy a csontjaid egymásra dörzsölődnek, esetleg porcok.
A mérnökök olyan mikrofonokkal és rezgésérzékelőkkel felszerelt akusztikus térdpántot fejlesztenek ki, amelyek képesek hallgatni és mérni az ízület belsejében lévő hangokat - ez pedig segítséget nyújthat az ortopéd szakembereknek a sérülés utáni károk felmérésében és a felépülés előrehaladásának nyomon követésében.
Omer Inan, a Georgia Tech villamos- és számítástechnikai adjunktusa már egy ideje gondolkodik egy ilyen eszköz kifejlesztésén. A Stanfordi Egyetem korábbi diszkoszvetője, és éveket kavargott, mint egy tornádó, amely térdeket nem építenek, így maga is eléggé térdfájdalmat szenvedett.
"Mindig úgy éreztem, hogy a térdem jobban recsegett vagy pattant, ha nagyobb stresszt gyakoroltam rá" - mondja.
Amikor meghallotta az első felvételeket a ropogós őrlésről a korai kísérletek során, Inan örült. "Sokkal hangosabb volt, mint vártuk, és sokkal tisztább." Ez azonnali haladást jelentett. - Kicsit olyan, mintha valamiféle halloweeni dolog történne. Hallgatod, ahogy a csontjaid egymást dörzsölik, esetleg porcok. Az orvosok az ízületrepedést „crepitusnak” nevezik.
Körülbelül 100 évvel ezelőtt az orvosok úgy gondolták, hogy az ütő tartalmazhat üzenetet, és sztetoszkópokkal hallgatták meg. Inan reméli, hogy a jövőben az orvosi kutatások a csoportja által tervezett akusztikai érzékelési technológiára épülnek, és végül a hangot hasznos mintákká dekódolják.
Egyelőre a kutatók grafikusan ábrázolják a rögzített hanganyagot, és összehangolják azt az ízület mozgástartományával, hogy lássák, a láb térdének meghajlítása és meghajlása pontosan hol hoz létre csikorgásokat és pattanásokat. Az eredmény olyan csúcsokat és kacagásokat tartalmaz, amelyek hasonlítanak az elektrokardiogramra vagy más fiziológiai jelre.
A sérült térd akusztikai mintázata jelentősen eltér az ép térdétől. "Rendetlenebb" - mondja Inan. "Az egészséges térd következetesebb hangzást eredményez."
Katonák és ismételt sérülések
Orvosi kutatással párosítva az akusztikus eszköz olcsó, hordható monitorokhoz vezethet, amelyek előnyös lehet a térdét túlterhelő sportolóknak, valamint az elcsúszott és elesett idős betegeknek. A munkát finanszírozó DARPA szeretné csökkenteni az ismételt harctéri térdsérüléseket és segíteni a katonák biztonságos szolgálatba állításában.
"Amit a legtöbb ember nem tud, az az, hogy a térd és a boka izom-csontrendszeri sérülései az egyik fő ok a mentesítésre az aktív szolgálat tagjai számára" - mondja Inan. A legfeljebb 100 font súlyú hátizsákok nyomják a katonákat, miközben több tucat mérföldet vonulnak át trükkös terepen, átmásznak az akadályokon a harctéreken, és órákig szűk helyeken kuporognak.
Bukás vagy eltorzulás nélkül is katona szállhat le a műtétre, majd a rehabilitációra. A probléma hónapokkal később fixnek tűnhet, de túl gyakran nem, és túl gyakran ez az újbóli sérülés miatt van.
A műtét és a terápia után a térd újszerűnek érezheti magát, de amikor egy túlzott katona visszaugrik rá, a sérülés gyengeségei beindulnak. Ennek eredményeként az ismételt sérülések tízszer gyakoribbak, mint a kezdeti.
Egy olcsó, hordható eszköz a jövőben visszajelzést adhat katonáknak és klinikusoknak a lábadozó térdekről, hogy elkerüljék a súlyos sérüléseket azáltal, hogy szükség esetén tartózkodnak a nagy terheléstől.
Ez hosszú távon előnyös lehet a szolgálat tagjainak is. Az ízületi sérülések az idő múlásával súlyosbodnak, és a nyugdíjas szolgálat tagjait fájdalom és mozgásvesztés okozza hosszú ideig a civil életben. "Előfordulhat korai osteoarthritis esete" - mondja Inan.
Idegen zajok
De ezen a ponton Inan küldetése az, hogy potenciálisan hasznos minőségben rögzítse a hangokat, ami némi kihívást jelentett. A térdízületet folyadék veszi körül, amely eltompítja az ízületből kilépő hanghullámokat a bőr számára. Ezenkívül, amikor a beteg mozog, idegen zajokat okoz, amelyek elnyomhatják a hasznos hangokat.
"Az a tény, hogy a mérésnek mozgás közben definíció szerint kell megtörténnie, kihívást jelent, mert nem csak azt mondhatja az embernek, hogy mozduljon el, és kerülje a mozgástechnikai tárgyakat" - mondja.
Az akusztikus eszköz fejlesztése érdekében a kutatók a mikrofonokat piezoelektromos filmmel kombinálták, amely egy túlérzékeny rezgésérzékelő, amely a legjobb hangot gyűjti össze, de nagyon érzékeny az interferenciára. A bőrhöz helyezett mikrofonok bőséges tartalékot és praktikusabb eszközt biztosítanak.
A térdmonitor kihasználja az okostelefonokban elterjedt technikai fejlődés előnyeit is. A mikro-elektromechanikus rendszerek mikrofonjai vagy a MEMS jobban integrálódnak a jelenlegi technológiával, mint a korábbi technológiákon alapuló mikrofonok. Ez egyenesen olcsóvá teszi a mikrofonokat - mindössze 50 cent dollárért.
A DARPA Biológiai Technológiai Iroda támogatta a munkát. A cikk online megjelent a folyóiratban IEEE tranzakciók az orvosbiológia területén.
Forrás: Georgia Institute of Technology
Kapcsolódó könyvek
at InnerSelf Market és Amazon
