I microfoni MEMS e le strisce piezoelettriche raccolgono i suoni di un ginocchio che si piega e si estende. (Credito: Georgia Tech)

"È un po 'come una sorta di Halloween che sta accadendo", dice Omer Inan. "Stai ascoltando le tue ossa che si sfregano l'un l'altro, o forse la cartilagine."

Gli ingegneri stanno sviluppando una fascia da ginocchio acustica equipaggiata con microfoni e sensori di vibrazione in grado di ascoltare e misurare i suoni all'interno dell'articolazione e potrebbe portare a un modo per aiutare gli specialisti ortopedici a valutare i danni dopo un infortunio ea monitorare i progressi nel recupero.

Omer Inan, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla Georgia Tech, ha pensato da tempo di sviluppare un dispositivo del genere. È un ex lanciatore di dischi alla Stanford University e ha passato anni a girare come un tornado, per cui le ginocchia non sono adatte, quindi ha sofferto un po 'di dolore al ginocchio.

"Mi sentirei sempre come se il mio ginocchio scricchiolasse o scoppiasse di più se stavo mettendo più stress su di esso", dice.

Quando ascoltò le prime registrazioni di macinature crude nei primi esperimenti, Inan fu deliziato. "Era molto più forte del previsto e molto più chiaro", questo significava un progresso immediato. "È un po 'come una sorta di Halloween che sta succedendo. Stai ascoltando le tue ossa che si sfregano l'un l'altra, o forse la cartilagine. "I dottori chiamano la screpolatura" crepitio ".

Alcuni anni fa 100, i medici pensavano che la racchetta potesse contenere un messaggio e ascoltarla con stetoscopi. Inan spera che in futuro la ricerca medica si baserà sulla tecnologia di rilevamento acustico che il suo gruppo sta progettando e alla fine decodificherà il suono in schemi utili.

Per ora, i ricercatori stanno disegnando l'audio registrato e lo abbinano all'intervallo di movimento dell'articolazione per vedere dove esattamente nella gamba che si estende e piegando il ginocchio si creano scricchiolii e schiocchi. Il risultato ha picchi e scarabocchi che assomigliano a un elettrocardiogramma o altro segnale fisiologico.

Il modello acustico prodotto da un ginocchio infortunato è marcatamente diverso da quello di un ginocchio intatto. "È più irregolare", dice Inan. "Un ginocchio sano produce un modello più coerente di rumori".

Soldati e ripetere le ferite

Se associato alla ricerca medica, il dispositivo acustico potrebbe portare a monitor economici e indossabili, a vantaggio degli atleti che hanno sovraccaricato le ginocchia e dei pazienti anziani che sono scivolati e caduti. La DARPA, che ha finanziato il lavoro, vuole ridurre le lesioni ripetute al ginocchio sul campo di battaglia e aiutare a riportare i soldati in servizio in sicurezza.

"Quello che la maggior parte della gente non sa è che le lesioni muscoloscheletriche delle ginocchia e delle caviglie sono tra i principali motivi di dimissione per i membri del servizio attivo", dice Inan. Gli zaini che pesano fino a 100 sterili fanno pressione sui soldati, mentre marciano per decine di miglia su terreni difficili, superano gli ostacoli sui campi di battaglia e si accovacciano per ore in spazi angusti.

Anche senza una caduta o una contorsione, un soldato può atterrare in chirurgia poi in riabilitazione. Il problema può sembrare risolto mesi dopo, ma troppo spesso non lo è, e troppo spesso a causa della ri-ferita.

Dopo l'intervento chirurgico e la terapia, quel ginocchio può sembrare nuovo, ma quando un soldato troppo esperto vi salta sopra, i punti deboli dell'infortunio entrano in gioco. Di conseguenza, le ferite riportate sono 10 volte più frequenti di quelle iniziali.

Un dispositivo indossabile economico potrebbe dare ai soldati e ai medici il feedback futuro sulle ginocchia di convalescenza per aiutarli a evitare gravi lesioni, astenendosi da pesanti carichi di lavoro quando necessario.

Ciò potrebbe portare benefici ai membri del servizio anche a lungo termine. Le lesioni articolari si sono accumulate nel tempo, fissando i membri del servizio in pensione per il dolore e la perdita di mobilità a lungo nella vita civile. "Puoi avere casi di artrosi precoce", dice Inan.

Rumori estranei

Ma a questo punto, la missione di Inan è registrare i suoni in una qualità potenzialmente utile che ha posto alcune sfide. L'articolazione del ginocchio è circondata da fluido, che attenua le onde sonore che stanno uscendo dall'articolazione per la pelle. Inoltre, quando un paziente si muove, causa rumori estranei che possono soffocare suoni utili.

"Il fatto che la misurazione debba avvenire per definizione durante il movimento è una sfida, perché non si può semplicemente dire alla persona di stare ferma ed evitare artefatti da movimento", dice.

Per sviluppare il dispositivo acustico, i ricercatori hanno combinato i microfoni con il film piezoelettrico, un sensore di vibrazioni ipersensibili che raccoglie il suono migliore, ma è molto sensibile alle interferenze. I microfoni posizionati contro la pelle offrono un ampio backup e un dispositivo più pratico.

Il monitor del ginocchio sfrutta anche un progresso tecnico comune negli smartphone. I microfoni per sistemi microelettromeccanici, o MEMS, si integrano meglio con la tecnologia attuale rispetto ai microfoni basati su tecnologie precedenti. Ciò rende anche i microfoni decisamente economici: solo i centesimi di 50 a un dollaro.

L'ufficio Tecnologie Biologiche DARPA ha supportato il lavoro. Il documento è pubblicato online sulla rivista Transazioni IEEE in ingegneria biomedica.

Fonte: Georgia Institute of Technology

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