MEMS-microfoons en piëzo-elektrische strips halen geluiden van een buigende en verlengde knie op. (Credit: Georgia Tech)

"Het lijkt een beetje op een soort Halloween-gebeuren," zegt Omer Inan. 'Je luistert naar je botten die over elkaar wrijven, of misschien kraakbeen.'

Ingenieurs ontwikkelen een akoestische knieband die is uitgerust met microfoons en vibratiesensoren die geluiden in de verbinding kunnen luisteren en meten - en die kunnen leiden tot een manier om orthopedische specialisten te helpen schade te beoordelen na een blessure en de voortgang van het herstelproces te volgen.

Omer Inan, assistent-professor elektrotechniek en computertechnologie bij Georgia Tech, denkt er al een tijdje over om zo'n apparaat te ontwikkelen. Hij is een voormalige discuswerper aan de Stanford University en heeft jarenlang rondgedraaid als een tornado, waar geen knieën voor zijn gebouwd, dus hij heeft zelf behoorlijk wat kniepijn gehad.

"Ik zou altijd het gevoel hebben dat mijn knie kraakt of meer knalt als ik er meer druk op zou zetten," zegt hij.

Toen hij de eerste opnames van knettergeklank in vroege experimenten hoorde, was Inan opgetogen. "Het was veel luider dan verwacht en veel duidelijker," Dat betekende onmiddellijke vooruitgang. "Het lijkt een beetje op Halloween. Je luistert naar je botten die op elkaar wrijven, of misschien kraakbeen. "Artsen noemen de gezamenlijke krakende" crepitus. "

Sommige 100 jaar geleden dachten artsen dat het racket een bericht kon bevatten en ernaar luisterde met stethoscopen. Inan hoopt dat medisch onderzoek in de toekomst zal voortbouwen op de akoestische sensortechnologie die zijn groep ontwerpt en uiteindelijk het geluid in bruikbare patronen decodeert.

Voor nu, schetsen de onderzoekers het opgenomen geluid uit en matchen het met het bewegingsbereik van het gewricht om te zien waar het knielen en knallen van het been zich precies in het been uitstrekt en buigt. Het resultaat heeft pieken en kronkels die lijken op een elektrocardiogram of ander fysiologisch signaal.

Het akoestische patroon dat een gewonde knie produceert, is duidelijk verschillend van dat van een intacte knie. "Het is grilliger", zegt Inan. "Een gezonde knie produceert een meer consistent patroon van geluiden."

Soldaten en herhaalde verwondingen

In combinatie met medisch onderzoek kan het akoestische apparaat leiden tot goedkope, draagbare monitoren, waar atleten met overbelasting van hun knieën en oudere patiënten die zijn uitgegleden en gevallen van kunnen profiteren. DARPA, die het werk financierde, wil het aantal herhaalde knieblessures op het slagveld verminderen en soldaten helpen veilig weer aan het werk te krijgen.

"Wat de meeste mensen niet weten, is dat musculoskeletale letsels van de knieën en enkels behoren tot de topredenen voor ontslag voor actieve dienstleden", zegt Inan. Rugzakken met een gewicht tot 100 pond drukken soldaten neer, terwijl ze tientallen kilometers marcheren over lastig terrein, over obstakels op slagvelden klimmen en urenlang op haperende plekken hurken.

Zelfs zonder een val of contortion, kan een soldaat in chirurgie landen dan in revalidatie. Het probleem lijkt maanden later misschien gefixeerd, maar al te vaak is het dat niet, en te vaak komt dat door re-blessure.

Na een operatie en therapie kan die knie als nieuw aanvoelen, maar wanneer een overbelaste soldaat erop terugspringt, komen er zwakke plekken van de blessure. Als gevolg hiervan zijn re-letsels 10 keer vaker dan de oorspronkelijke.

Een goedkoop draagbaar apparaat kan soldaten en clinici in de toekomst feedback geven over herstellende knieën om hen te helpen grote schade te voorkomen door zware workloads achterwege te laten wanneer dat nodig is.

Dat kan op de lange termijn ook ten goede komen aan serviceleden. Gewrichtsblessures samen na verloop van tijd, het instellen van gepensioneerde leden van de dienst voor pijn en verlies van mobiliteit lang in het leven van een burger. "Je kunt gevallen van vroege osteoartritis krijgen," zegt Inan.

Externe geluiden

Maar op dit punt is het de missie van Inan om de geluiden op te nemen in potentieel bruikbare kwaliteit die voor een aantal uitdagingen heeft gezorgd. Het kniegewricht is omgeven door vloeistof, waardoor geluidsgolven worden afgestoten die uit het gewricht voor de huid komen. Wanneer een patiënt zich verplaatst, veroorzaakt dit bovendien externe geluiden die nuttige geluiden kunnen overstemmen.

"Het feit dat de meting per definitie moet plaatsvinden tijdens de beweging, is een uitdaging, omdat je niet kunt zeggen dat de persoon stil is en bewegingsartefacten vermijdt," zegt hij.

Om het akoestische apparaat te ontwikkelen, combineerden onderzoekers microfoons met piëzo-elektrische film, een overgevoelige trillingssensor die het beste geluid verzamelt, maar zeer gevoelig is voor interferentie. De microfoons die tegen de huid worden geplaatst, zorgen voor een uitgebreide back-up en voor een praktischer apparaat.

De kniebewaking maakt ook gebruik van een technische vooruitgang die gangbaar is in smartphones. Micro-elektromechanische systemen microfoons, of MEMS, integreren beter met de huidige technologie dan microfoons op basis van eerdere technologieën. Dat maakt de microfoons ook gewoon goedkoop - alleen 50 cent tot een dollar.

Het DARPA Biological Technologies Office ondersteunde het werk. Het papier is online gepubliceerd in het tijdschrift IEEE-transacties in biomedische technologie.

Bron: Georgia Institute of Technology

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon