Wibrująca bransoleta zmniejsza drżenie rąk

Drżenie (wibracja) kończyn, to schorzenie charakteryzujące się rytmicznym i niezależnym od woli ruchem oscylacyjnym. Obserwuje się naprzemienne kurczenie mięśni zginaczy i prostowników; dotyka 4% populacji ludzkiej po 40 roku życia. Obecnie nie ma skutecznego lekarstwa na drżenie kończyn. Czasami pomaga psychoterapia, a zazwyczaj stosuje się, z różnym powodzeniem, leczenie farmakologiczne albo techniki inwazyjne: talamotomię, czy głęboką stymulację mózgu. Ponieważ terapie te mogą generować niebezpieczne efekty uboczne, poszukuje się rozwiązania w konstruowaniu nieinwazyjnych urządzeń osłabiających drżenie. W omawianych badaniach testowano wibrującą bransoletę, nakładaną na przedramię w okolicach nadgarstka. Ma ona działać jako pasywny pochłaniacz energii drgań, dzięki generowaniu własnych wibracji o odpowiednio dopasowanych częstotliwościach. Prototypy wibrujących bransolet testowano na mechanicznym modelu ludzkiego przedramienia.

Wielu ludzi cierpi z powodu nieuleczalnego drżenia rąk (np. w chorobie Parkinsona), a stosowane terapie związane są z ryzykiem groźnych powikłań. Coraz większą uwagę przykuwają zatem urządzenia tłumiące drgania mechanicznie.

• Wibracje o częstotliwości 5,85 Hz, generowane przez wibrującą bransoletę, redukowały drżenie mechanicznego przedramienia, imitującego drgania obserwowane w chorobie Parkinsona (4 – 5,75 Hz).
• Wibrująca bransoleta była najskuteczniejsza w tłumieniu drgań przedramienia o częstotliwości 4,75 Hz, redukując amplitudę tych drgań aż o 86%.
• Stosowanie wibracji może stanowić uzupełnienie rehabilitacji u osób cierpiących z powodu drżenia rąk. 

Opracowano na podstawie:

Vib-bracelet: a passive absorber for attenuating forearm tremor. Buki E, Katz R, Zacksenhouse M, Schlesinger I. Med Biol Eng Comput. 2018 May;56(5):923-930. doi:  10.1007/s11517-017-1742-7.

Badana populacja

W badaniach nad tłumieniem drżenia rąk stosowano model ludzkiego przedramienia. Jego wibracje dopasowywano na podstawie analizy drżenia rąk 12 pacjentów chorych na Parkinsona.

Procedura badania

Aby odpowiednio modelować drżenie rąk pacjentów z chorobą Parkinsona za pomocą mechanicznego przedramienia, analizowano drżenie rąk pacjentów stosując żyroskopy i akcelerometry. Umieszczano je na nadgarstku, środku przedramienia i środku ramienia.

Mierzono drżenie przy braku lub w obecności obciążenia – pierścienie o masie 260 lub 500 g umieszczane w pobliżu nadgarstka. Sprawdzano w ten sposób, kontrolnie, wpływ samej masy pierścienia na amplitudę drgań, bowiem w tym samym miejscu umieszczano następnie, już na mechanicznym przedramieniu, wibrującą bransoletę mającą pochłaniać jego drgania. Na podstawie analizy drgań rąk badanych pacjentów, ustalono modelowe drgania mechanicznego przedramienia (pronacja/ supinacja) na 4,4 – 5,7 Hz.

Wykorzystanie wibracji w badaniu

Urządzenie mające osłabiać drżenie rąk, wibrującą bransoletę, zaprojektowano jako dynamiczny pochłaniacz wibracji. W przeciwieństwie do innych urządzeń tego typu, jest to pochłaniacz pasywny. To znaczy, że nie potrzebuje zewnętrznego zasilania. Wibrująca bransoleta składa się z 2 współosiowych pierścieni. Energię potrzebną do generowania wibracji przeciwdziałających drżeniu przedramienia czerpie z prądów wirowych generowanych na wewnętrznej powierzchni zewnętrznego pierścienia bransolety. Pierścień wewnętrzny – bezpośrednio stykający się z przedramieniem – pozostaje wolnym od napięcia elektrycznego. Prądy wirowe powstają dzięki obecności magnesów umieszczonych pomiędzy pierścieniami. I to właśnie magnesy ostatecznie odpowiadają za magnetyczne pochłanianie drgań, bez dostarczania zewnętrznego źródła zasilania. Stosowana wibrująca bransoleta ważyła 280 g, a jej zewnętrzny promień sięgał 57 mm.

Wewnętrzny pierścień bransolety połączono z zewnętrznym poprzez sprężyny. Strojenie opisywanej bransolety do odpowiedniej częstotliwości pracy polegało na modyfikowaniu sztywności i szerokości  tych sprężyn.

Wyniki

Samo obciążanie nadgarstka (bez wibracji), w porównaniu do nadgarstka nieobciążonego, nie miało wpływu na drgania przedramienia badanych pacjentów (p = 0,375 dla 260 g; p = 0,25 dla 500 g).

Wibrująca bransoleta (z częstotliwością 5,85 Hz) osłabiała wibracje mechanicznego przedramienia w zakresie 4 – 5,75 Hz. Najefektywniej działała na przedramię wibrujące z częstotliwością 4,75 Hz, obniżając amplitudę tych drgań aż o 86%.

Komentarz

Dynamiczne pochłaniacze wibracji są szeroko stosowane do kontroli wibracji w budowie maszyn i inżynierii lądowej. Propozycja wykorzystania mechanizmu ich działania do osłabienia amplitudy drżenia rąk wydaje się bardzo ciekawa. W prezentowanych badaniach wibrująca bransoleta znacznie osłabiała drżenie mechanicznego ramienia, imitującego drżenie obserwowane w chorobie Parkinsona (pronacja/ supinacja).

Wibrująca bransoleta działa jako pasywny dynamiczny pochłaniacz wibracji. Co najważniejsze, może pochłaniać wibracje z dowolnego zakresu, dostosowanego do częstotliwości drżenia rąk konkretnego pacjenta. Ponadto jej masa i rozmiary, ze względu na brak silniczków czy czujników, nie są nadmierne i mieszczą się w granicach komfortowego użytkowania przez pacjentów. Prezentowana wibrująca bransoleta nie obciąża ruchów wolicjonalnych. W przeciwieństwie do urządzeń, które również mogą pasywnie osłabiać wibracje, ale nie poprzez pochłanianie energii określonego zakresu częstotliwości drgań, jak czyni omawiana bransoleta, lecz tłumiąc całe drżenie za pomocą tłumików. Prosta budowa oraz „komfortowe” rozmiary czynią testowany prototyp wibrującej bransolety obiecującym urządzeniem służącym osłabieniu drżenia rąk.

Więcej w: