Tìm hiểu về thiết bị thay thế cho bộ phận cơ thể người

 

Biomechatronics là sự kết hợp giữa con người và máy móc – giống như các cyborg trong film viễn tưởng vậy. Nó liên quan tới nhiều chuyên ngành khác, như sinh học, thần kinh học, cơ học, điện học và robot. Các nhà khoa học nghiên cứu về Biomechatronic để tạo các thiết bị có khả năng tương tác với cơ, xương hay hệ thống thần kinh của cơ thể với mục đích trợ giúp hoặc nâng cao khả năng hoạt động của con người, nhất là ở những người khuyết tật do chấn thương, bệnh lý hay dị tật bẩm sinh.

 

Giả sử, hãy xem xem những gì xảy ra khi bạn nhấc chân lên để bước đi:

1. Trung tâm vận động tại não sẽ gửi tín hiệu đến cơ tại vùng đùi cẳng bàn chân. Những cơ ở vùng này sẽ bắt đầu co, phối hợp nhịp nhàng với nhau để tạo nên cử động và nhấc chân bạn lên.

2. Các tế bào thần kinh tại chân cảm nhận bề mặt mặt đất và gửi tín hiệu lại tới não để điều chỉnh lực và các khối cơ khác giúp bạn đi qua khu vực đó. Ví dụ, cách bạn bước đi trên một sàn gỗ sẽ khác cách bạn bước đi qua một vùng đầy tuyết hoặc bùn lầy...

3. Những tế bào thần kinh sẽ cảm nhận vị trí của chân so với sàn nhà bạn đang đứng rồi gửi về não. Bạn sẽ không cần phải nhìn xuống chân để xem vị trí của chân như thế nào.

4. Khi bạn nhấc chân để bước đi, não bộ sẽ gửi những tín hiệu thích hợp tới chân và bàn chân để thực hiện cử động hạ chân xuống.

Hệ thống này bao gồm cảm biến – sensors (tế bào thần kinh, cơ), bộ truyền động – actuators (cơ) và bộ điều khiển – controller (não bộ/tuỷ sống). Trong bài viết này, chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu về cách hoạt động của các thiết bị biomechatronics, lợi ích của chúng, và các nghiên cứu đang được tiến hành xung quanh các thiết bị như vậy.

Các thành phần của một thiết bị Biomechatronic

Mỗi hệ thống biomechatronics đều có những thành phần như sau:

Cảm biến sinh học – Biosensor

 

Biosensor giúp nhận ra « mục đích » của người sử dụng. Tuỳ theo tổn thương ở cơ quan nào và loại thiết bị được sử dụng, các cảm biến sẽ lấy thông tin từ sợi thần kinh hoặc hệ thống cơ. Cảm biến sẽ gửi các thông tin này về hệ thống điều khiển của thiết bị, từ đó tạo ra các cử động thích hợp. Các cảm biến cũng phản hồi thông tin từ chân tay và hệ thống truyền động (ví dụ như vị trí hay lực sử dụng) và đưa thông tin này về hệ thống điều khiển hoặc hệ thần kinh/cơ của người sử dụng.

Các cảm biến sinh học có thể là hệ thống dây giúp phát hiện điện thế hoạt động như galvanic detectors (loại máy dò dòng điện sinh ra bởi các chất hoá học) gắn trên da, các điện cực được cấy trực tiếp vào cơ, và/hoặc một lưới các điện cực bán dẫn xung quanh sợi thần kinh.

Cảm biến cơ học – Mechanical Sensors

 

Cảm biến cơ học cho biết những thông tin về thiết bị (ví dụ như vị trí các chi, lực tác động cũng như tải trọng) rồi gửi tới cảm biến sinh học và/hoặc bộ điều khiển. Có nhiều thiết bị cơ học được sử dụng, ví dụ như lực kế và máy gia tốc kế.

Bộ điều khiển – Controller

Bộ điều khiển chính là cầu nối giữa hệ thần kinh hoặc hệ thống cơ với thiết bị. Nó phân tích các thông tin, mục đích của người dùng rồi gửi tới bộ truyền động của thiết bị. Nó cũng phân tích các thông tin phản hồi từ các cảm biến cơ học và cảm biến sinh học. Bộ điều khiển cũng theo dõi và điều khiển các cử động của thiết bị biomechatronic.

Bộ truyền động – Actuator

 

Hệ thống truyền động giống như những khối cơ nhân tạo vậy, nó giúp tạo nên lực và chuyển động. Bộ truyền động có thể là một mô-tơ hỗ trợ hoặc thay thế các khối cơ của cơ thể, tuỳ theo mục đích thiết bị này dùng để hỗ trợ hay là để thay thế các bộ phận của cơ thể.

Các nghiên cứu về Biomechatronics

Rất nhiều phòng nghiên cứu trên khắp thế giới đang tập trung nghiên cứu về Biomechatronics, bao gồm MIT, Đại học Twente (Hà Lan), và Đại học California tại Berkeley. Những nghiên cứu hiện tại tập trung vào ba mảng lớn:

1. Phân tích chức năng vận động của cơ thể, từ đó có thể thiết kế ra các thiết bị biomechatronic.

2. Nghiên cứu cách các thiết bị điện tử có thể tương tác với hệ thần kinh (cấy những điện cực vào não và cơ, dán những điện cực galvanic trên da...).

3. Thử nghiệm dùng các khối cơ của cơ thể làm bộ truyền động cho các thiết bị điện tử.

 

Phân tích chức năng vận động của cơ thể. Sự hoạt động của cơ thể rất phức tạp. Chúng ta cần phải hiểu rõ về chức năng hoạt động để có thể thiết kế các thiết bị biomechatronics một cách hoàn hảo.

Tiến sĩ Peter Veltink cùng cộng sự tại trường Đại học Twente phân tích hành động bước đi của cơ thể bằng cách đo đạc qua hệ thống máy quay, phân tích phản lực từ đất bằng lực kế, và phân tích hoạt động của cơ với electromyograms (ghi lại hoạt động điện sinh ra do sự co cơ). Phân tích sự khác nhau giữa người thường và người khuyết tật giúp chúng ta hiểu hơn về cơ chế vận động khi đi lại và giúp chẩn đoán chính xác hơn những vấn đề liên quan tới dáng đi ở bệnh nhân khuyết tật. Nhóm của Veltink tương tự cũng đánh giá sự thăng bằng của cơ thể khi đi lại cũng như khi đứng yên.

Nhóm của Tiến sĩ Hugh Herr tại MIT sử dụng máy tính và các camera để phân tích cử động để nghiên cứu về thăng bằng, sự co rút chân trong khi chạy, và sự bảo toàn momen động lượng khi bước đi.

 

Sự tương tác giữa các thiết bị với cơ thể con người. Một phần quan trọng hợn ở đây, là khả năng kết nối thiết bị với hệ thống thần kinh và cơ của cơ thể để người sử dụng có thể gửi và nhận các tín hiệu và thông tin từ thiết bị.

Nhóm của Peter Veltink tại Netherlands sử dụng các điện cực được cấy trực tiếp để kích thích các khối cơ. Họ đang nghiên cứu phát triển các phương thức cảm giác và điều khiển các khối cơ phía sau chân, có tác dụng nâng chân lên khi đi lại. Điều này sẽ giúp điều trị những bệnh nhân bị liệt và đột quỵ không có khả năng điều khiển đôi chân của mình.

Hai thành viên trong nhóm, Hermie Hermens và Laura Kallenberg đã sử dụng các điện cực đặt trên da được nối với màn hình để theo dõi hoạt động điện của khối cơ phía dưới (electromyography) chứ không dùng những điện cực cấy trực tiếp vào cơ. Cách này giúp giảm bớt đau đớn và bất tiện cho bệnh nhân.

Nhóm của Veltink cũng sử dụng cách đo điện cơ đồ electromyogram để tạo phản hồi và điều khiển chiếc cẳng chân giả. Khi ghép chân giả, góc hoạt động của đầu gối được xác định và thông tin sẽ được truyền đi tới khối cơ ở phía trên đùi ở bên chân bị cắt cụt. Bệnh nhân có thể cảm nhận được các hoạt động và học cách phân tích chúng. Ngoài ra hoạt động điện của khối cơ phía trên được sử dụng để điều khiển cẳng chân giả phía dưới.

Tiếp theo, hãy tìm hiểu nghiên cứu của các nhà khoa học đến từ MIT.

Hugh Herr và thiết bị biomechatronics của MIT

 

Nhóm của Hugh Herr tại MIT đang phát triển một loại điện cực vi mạch (sieve integrated circuit electrode – một loại vi mạch chứa những con chip plastic cực nhỏ cùng với các mạch điện). Trong cấu trúc này, hai gốc thần kinh sẽ được nối với nhau qua một kênh điều khiển (guidance channel – một ống nhỏ giúp giữ các đầu sợi thần kinh gần lại nhau). Kênh này chứa một cái sàng nhỏ với các lỗ được nối với một điện cực trên bảng vi mạch. Khi các sợi thần kinh phát triển và đi qua các lỗ này, chúng sẽ đồng thời tiếp xúc với các điện cực.

Các thiết bị chỉnh hình và lắp ghép cao cấp. Nhóm của Hugh Herr cũng đang nghiên cứu để tạo nên những bộ phận giả với những cử động giống người thường:

 

- Đầu gối giả có thể cảm nhận được lực, momen xoắn, vị trí cũng như điều chỉnh độ đung đưa và di động của gối so với cơ thể người. Trong thiết bị này là một loại dịch lưu biến từ - magnetorheologic fluid, gồm có dầu chứa rất nhiều những hạt sắt siêu nhỏ (đường kính khoảng 0.1-10 microns). Một điện từ trường xung quanh thiết bị có thể thay đổi độ nhớt của khối dịch do các hạt sắt khi đặt trong điện từ trường chúng sẽ xếp thành hàng tương ứng với các đường sức từ. Khi bước đi, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh cường độ điện từ trường sao cho chất lỏng có độ nhớt thích hợp, từ đó bệnh nhân có thể đi lại một cách bình thường nhất. Được thương mại hoá, đây là một sản phẩm được sản xuất bởi Ossur có tên Rheo-KneeTM.

 

- Đề điều trị chứng “chân rớt” (drop foot – mũi chân bị rủ xuống khi nhấc chân lên do tổn thương thần kinh mác chung hoặc tổn thương các cơ gấp bàn chân), một thiết bị chỉnh hình được phát triển để điều khiển khớp cổ chân khi bệnh nhân bước đi. Thiết bị này giúp bệnh nhân có được những bước đi dễ dàng hơn so với những thiết bị hiện có.

Hiện tại và tương lai của các thiết bị Biomechatronics

Hầu hết các bộ truyền động sử dụng trong chỉnh hình và ghép các bộ phận đều là những mô-tơ điện hoặc các dây điện có khả năng co lại khi có dòng điện chạy qua. Các thiết bị ấy chỉ có khả năng tạo nên lực co, nó không thể giúp bệnh nhân phản xạ tốt và không kết nối với các mô cơ của cơ thể. Vậy nếu có thể tạo ra được những bộ truyền động bằng chính những khối cơ của cơ thể thì sao? Tại phòng thí nghiệm của Hugh Herr tại MIT, họ đã thử nghiệm một con cá robot có thể bơi được nhờ lắp mô cơ của chân ếch. Con cá robot đó có những thành phần sau:

 

- Một cái phao bằng nhựa giúp con cá nổi.

- Hệ thống dây điện.

- Đuôi bằng silicon giúp tạo lực bơi.

- Pin lithium để cung cấp năng lượng.

- Bộ điều khiển nhỏ.

- Cảm biến hồng ngoại giúp kết nối bộ điều khiển với một thiết bị điều khiển cầm tay.

- Một đơn vị kích thích điện để kích thích cơ co.

Những mô cơ của chân ếch được gắn vào hai bên của chiếc đuôi và thân nó, các điện cực dùng để kích thích được gắn lên các khối cơ. Chúng được kích thích xen kẽ nhau để tạo nên cử động của đuôi và giúp con cá bơi được. Người ta đặt con cá vào một bể nước muối với nồng độ thích hợp để khối cơ vẫn sống được. Con cá có thể bơi tiến, lùi, quay và dừng lại. Đây là một trong những nguyên mẫu của thiết bị biomechatronics sử dụng bộ truyền động “sống”.

Với sự tiến bộ của công nghệ làm áo giáp, các binh lính trong chiến tranh Iraq được bảo vệ tính mạng sau các vụ nổ, tuy nhiên họ phải chịu các thương tổn ở vùng không được bảo vệ, như cánh tay, tay, đùi cẳng bàn chân... Điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu về thiết bị chỉnh hình và ghép bộ phận giả tân tiến hơn, giống như thiết bị đã được phát triển trong phòng thí nghiệm của MIT. Bộ Cựu chiến binh và Bộ Quốc Phòng đã tài trợ cho rất nhiều nhóm  nghiên cứu để có thể giúp đỡ cho những binh lính bị thương sau chiến tranh.

Gần đây, Claudia Mitchell, một lính thuỷ đánh bộ, đã được thử nghiệm ghép một cánh tay giả được phát triển bởi Bác sĩ Todd Kuiken tại Viện Phục hồi chức năng tại Chicago. Phẫu thuật viên, bác sĩ Gregory Dumainian tại Bệnh viện Northwestern Memorial – Chicago đã hướng các sợi thần kinh điều khiển cánh tay của cô tới vùng ngực. Các sợi thần kinh phát triển lại ngay dưới da ngực. Điện cực siêu nhỏ được gắn trên da ghi lại hoạt động điện của các sợi thần kinh và gửi tín hiệu tới mô-tơ trên cánh tay giả. Cô đã có thể điều khiển lại cánh tay bằng suy nghĩ của mình. Thiết bị này không thực sự là một thiết bị biomechatronics vì tín hiệu chỉ được truyền một chiều – từ Claudia tới cánh tay. Bác sĩ Kuiken vẫn đang nỗ lực nghiên cứu để có thể tạo ra được phản hồi từ cánh tay về cơ thể, bao gồm cả các cảm giác như đau hay áp lực.

Cho đến bây giờ, chúng ta mới chỉ biết được làm cách nào mà các thiết bị biomechatronics có thể giúp đỡ những người bị suy giảm hoặc mất chức năng vận động. Vậy các thiết bị này có thể giúp gì cho người bình thường hay không? Chúng có thể giúp con người có sức mạnh phi thường như Steve Austin trong “Six Million Dollar Man” hay không? Về vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Đại học California tại Berkeley đã phát triển một cỗ máy – một bộ khung xương ngoài cơ thể để nâng cao khả năng vận động của người thường. Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) sử dụng các khối kim loại vận động bằng các mô-tơ để có thể dễ dàng di chuyển hơn. Các cảm biến và bộ truyền động của thiết bị gửi thông tin phản hồi để điều chỉnh các cử động cũng như tải trọng. Bộ điều khiển thiết bị được gắn và đeo sau lưng. Thiết bị nặng khoảng 100 pounds, ngoài ra nó có thể giúp chúng ta mang theo 70 pound sau lưng, nhưng sau cùng ta chỉ cảm giác mình đang mang theo 5 pound thôi vậy.

BLEEX có thể được dùng trong quân đội cũng như với người dân. Với BLEEX, người lính có thể mang vác được nhiều đồ hơn qua đoạn đường dài mà không mệt mỏi. Tương tự, các bác sĩ quân đội có thể đưa những người bị thương ra khỏi chiến trường. Những người lính cứu hoả có thể mang theo nhiều đồ đạc đi một quãng đường dài tới nơi mà xe không thể vào được...

 

Khi được phát triển và đưa vào sử dụng, các thiết bị biomechatronic sẽ được sử dụng với nhiều mục đích:

- Hỗ trợ cho bệnh nhân bị suy giảm hoặc mất chức năng vận động.

- Luyện tập cho bệnh nhân bị suy giảm chức năng vận động (vật lý trị liệu).

- Có thể điều chỉnh cho phù hợp với mỗi bệnh nhân mà không cần dùng các thiết bị khác.

- Nâng cao khả năng của người bình thường.

Hạn chế chính của loại thiết bị này, là khả năng dễ bị nhiễm trùng (do đây là quá trình cấy ghép các thiết bị khác vào cơ thể), đau và khó chịu. Dù sao thì, công nghệ mới này cũng là bước tiến mới giúp những người khuyết tật có khả năng vận động trở lại và có thể, còn tốt và khoẻ hơn trước đây.