MEMS-mikrofoner og piezoelektriske strimler opfanger lyde fra et bøjende og forlængende knæ. (Kredit: Georgia Tech)

"Det er lidt som om der sker en slags Halloween-ting," siger Omer Inan. "Du lytter til dine knogler, der gnider hinanden eller måske brusk."

Ingeniører udvikler et akustisk knæbånd udstyret med mikrofoner og vibrationssensorer, der kan lytte og måle lyde inde i leddet - og kan føre til en måde at hjælpe ortopædespecialister med at vurdere skader efter en skade og spore fremskridt.

Omer Inan, lektor i elektroteknik og computerteknik ved Georgia Tech, har i nogen tid tænkt på at udvikle en sådan enhed. Han er tidligere diskoskaster ved Stanford University og tilbragte år med at hvirvle rundt som en tornado, som knæ ikke er bygget til, så han har selv lidt lidt af knesmerter.

”Jeg ville altid føle, at mit knæ knirkede eller poppede mere, hvis jeg lagde mere stress på det,” siger han.

Da han hørte de første optagelser af sprængning i tidlige eksperimenter, var Inan meget glad. ”Det var meget højere end forventet og meget klarere,” Det betød øjeblikkelig fremgang. ”Det er lidt som om der sker en slags Halloween-ting. I lytter til jeres knogler, der gnider hinanden eller måske brusk. ” Læger kalder den fælles krakning "crepitus."

For omkring 100 år siden troede lægerne, at ketcher måske indeholdt en besked og lyttede til det med stetoskoper. Inan håber, at medicinsk forskning i fremtiden vil bygge på den akustiske sensorteknologi, som hans gruppe designer, og til sidst afkode lyden til nyttige mønstre.

For nu tegner forskere den optagede lyd og matcher den til leddens bevægelsesområde for at se, hvor præcist i benets udstrækning og bøjning af knæet skabes knæk og popper. Resultatet har toppe og squiggles, der ligner et elektrokardiogram eller andet fysiologisk signal.

Det akustiske mønster, som et skadet knæ producerer, adskiller sig markant fra et intakt knæ. ”Det er mere uregelmæssigt,” siger Inan. "Et sundt knæ giver et mere ensartet mønster af lyde."

Soldater og gentagne skader

Hvis det er parret med medicinsk forskning, kan det akustiske udstyr føre til billige bærbare skærme, som kan være til fordel for atleter, der har overbelastet deres knæ, og ældre patienter, der er gled og faldet. DARPA, som finansierede arbejdet, ønsker at skære ned på gentagne slagskades knæskader og hjælpe med at få soldaterne tilbage til deres arbejde sikkert.

”Det, som de fleste ikke ved, er, at knogler og ankler er muskel- og knogleskader, der er blandt de vigtigste årsager til udskrivning for medlemmer af aktive tjenestegrene,” siger Inan. Rygsække, der vejer op til 100 pund, presser soldater ned, mens de marcherer i snesevis af miles over vanskeligt terræn, klatrer over forhindringer på slagmarkerne og krummer på trange steder i timevis.

Selv uden et fald eller forvrængning kan en soldat lande i kirurgi og derefter i genoptræning. Problemet kan virke løst måneder senere, men alt for ofte er det ikke, og alt for ofte skyldes det re-skade.

Efter kirurgi og terapi kan det knæ føles som nyt, men når en alt for stor soldat hopper tilbage på det, sparker svaghederne fra skaden ind. Som et resultat er re-skader 10 gange hyppigere end de oprindelige.

En billig bærbar enhed kunne give soldater og klinikere i fremtiden feedback om rekonvaleserende knæ for at hjælpe dem med at undgå større re-skader ved at afstå fra tunge arbejdsbelastninger, når det er nødvendigt.

Det kan også gavne servicemedlemmer på lang sigt. Ledskader forværres over tid, hvilket sætter pensionerede servicemedlemmer op for smerte og mobilitetstab langt ind i det civile liv. ”Du kan have tilfælde af tidlig slidgigt,” siger Inan.

Eksterne lyde

Men på dette tidspunkt er Inans mission at optage lydene i potentielt brugbar kvalitet, hvilket har givet nogle udfordringer. Knæleddet er omgivet af væske, som slår lydbølger, der kommer ud af leddet for huden. Når en patient bevæger sig rundt, forårsager det også fremmede lyde, der kan drukne nyttige lyde.

”Det faktum, at målingen skal ske pr. Definition under bevægelse, er en udfordring, fordi du ikke bare kan fortælle personen at være stille og undgå bevægelsesgenstande,” siger han.

For at udvikle den akustiske enhed kombinerede forskere mikrofoner med piezoelektrisk film, en overfølsom vibrationssensor, der samler den bedste lyd, men som er meget følsom over for interferens. Mikrofonerne placeret mod huden giver en rigelig sikkerhedskopi og en mere praktisk enhed.

Knæskærmen drager også fordel af en teknisk fremgang, der er almindelig i smartphones. Mikroelektromekaniske systemmikrofoner eller MEMS integreres bedre med den nuværende teknologi end mikrofoner baseret på tidligere teknologier. Det gør også mikrofonerne direkte billige - kun 50 cent til en dollar.

DARPA Biological Technologies Office støttede arbejdet. Papiret offentliggøres online i tidsskriftet IEEE-transaktioner inden for biomedicinsk teknik.

Kilde: Georgia Institute of Technology

Relaterede bøger

at InnerSelf Market og Amazon