ไมโครโฟน MEMS และแถบเพียโซอิเล็กทริกรับเสียงของการงอเข่าและการยืดออก (เครดิต: จอร์เจียเทค)

“มันเหมือนกับเรื่องฮัลโลวีนที่เกิดขึ้นนิดหน่อย” Omer Inan กล่าว "คุณกำลังฟังกระดูกของคุณถูกันหรืออาจจะเป็นกระดูกอ่อน"

วิศวกรกำลังพัฒนาสายรัดเข่าแบบอะคูสติกที่ติดตั้งไมโครโฟนและเซ็นเซอร์การสั่นสะเทือนที่สามารถฟังและวัดเสียงภายในข้อต่อได้ และอาจนำไปสู่วิธีที่จะช่วยผู้เชี่ยวชาญด้านศัลยกรรมกระดูกประเมินความเสียหายหลังจากได้รับบาดเจ็บและติดตามความคืบหน้าในการฟื้นตัว

Omer Inan ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ที่ Georgia Tech กำลังคิดที่จะพัฒนาอุปกรณ์ดังกล่าวมาระยะหนึ่งแล้ว เขาเคยเป็นนักขว้างจักรที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด และใช้เวลาหลายปีหมุนไปรอบๆ ราวกับพายุทอร์นาโด ซึ่งเข่าไม่ได้สร้างขึ้นมา ดังนั้นตัวเขาเองจึงมีอาการปวดเข่าอยู่บ้าง

“ฉันมักจะรู้สึกเหมือนหัวเข่าของฉันลั่นดังเอี๊ยดหรือแตกมากขึ้นถ้าฉันเครียดมากขึ้น” เขากล่าว

เมื่อเขาได้ยินการบันทึกครั้งแรกของการบดแบบแตกร้าวในการทดลองช่วงแรก Inan รู้สึกยินดีเป็นอย่างยิ่ง “มันดังกว่าที่คาดไว้มากและชัดเจนกว่ามาก” นั่นหมายถึงความคืบหน้าในทันที “มันเหมือนกับเรื่องฮัลโลวีนที่เกิดขึ้นนิดหน่อย คุณกำลังฟังกระดูกของคุณถูกันหรืออาจจะเป็นกระดูกอ่อน” แพทย์เรียกการแตกของข้อต่อว่า "crepitus"

เมื่อประมาณ 100 ปีที่แล้ว แพทย์คิดว่าแร็กเกตอาจมีข้อความและฟังด้วยเครื่องตรวจฟังของแพทย์ Inan หวังว่าในอนาคต การวิจัยทางการแพทย์จะสร้างเทคโนโลยีการตรวจจับเสียงที่กลุ่มของเขาออกแบบ และในที่สุดก็ถอดรหัสเสียงให้เป็นรูปแบบที่มีประโยชน์

สำหรับตอนนี้ นักวิจัยกำลังสร้างกราฟของเสียงที่บันทึกไว้และจับคู่กับช่วงการเคลื่อนไหวของข้อต่อเพื่อดูว่าส่วนใดตรงที่การยืดและงอเข่าของขาทำให้เกิดเสียงดังเอี๊ยดและเสียงดัง ผลลัพธ์มียอดและหยักคล้ายคลื่นไฟฟ้าหัวใจหรือสัญญาณทางสรีรวิทยาอื่นๆ

รูปแบบอะคูสติกที่หัวเข่าที่ได้รับบาดเจ็บนั้นแตกต่างจากหัวเข่าที่ไม่บุบสลายอย่างเห็นได้ชัด “มันเอาแน่เอานอนไม่ได้” Inan กล่าว “เข่าที่แข็งแรงจะสร้างเสียงที่สม่ำเสมอมากขึ้น”

ทหารและบาดเจ็บซ้ำ

หากจับคู่กับการวิจัยทางการแพทย์ อุปกรณ์เสียงอาจนำไปสู่จอภาพที่สวมใส่ได้ราคาไม่แพง ซึ่งอาจเป็นประโยชน์กับนักกีฬาที่ต้องแบกรับภาระที่หัวเข่ามากเกินไป และผู้ป่วยสูงอายุที่ลื่นล้ม DARPA ซึ่งให้ทุนสนับสนุนงานนี้ ต้องการลดอาการบาดเจ็บที่เข่าในสนามรบซ้ำ และช่วยให้ทหารกลับมาปฏิบัติหน้าที่ได้อย่างปลอดภัย

"สิ่งที่คนส่วนใหญ่ไม่รู้ก็คืออาการบาดเจ็บของกระดูกและกล้ามเนื้อที่หัวเข่าและข้อเท้าเป็นสาเหตุอันดับต้นๆ ของการปลดประจำการสำหรับสมาชิกที่ปฏิบัติหน้าที่" Inan กล่าว กระเป๋าเป้ที่มีน้ำหนักมากถึง 100 ปอนด์กดทับทหาร ขณะที่พวกเขาเดินทัพเป็นระยะทางหลายสิบไมล์บนภูมิประเทศที่ยากลำบาก ปีนข้ามสิ่งกีดขวางในสนามรบ และหมอบอยู่ในที่คับแคบเป็นเวลาหลายชั่วโมง

แม้จะไม่มีการล้มหรือบิดเบี้ยว ทหารก็สามารถเข้ารับการผ่าตัดและเข้ารับการบำบัดได้ ปัญหาอาจดูเหมือนได้รับการแก้ไขในอีกหลายเดือนต่อมา แต่บ่อยครั้งก็ไม่เป็นเช่นนั้น และบ่อยเกินไปนั่นเป็นเพราะการบาดเจ็บซ้ำ

หลังการผ่าตัดและการรักษา เข่านั้นอาจรู้สึกเหมือนใหม่ แต่เมื่อทหารที่กระตือรือร้นมากเกินไปกระโดดกลับมา จุดอ่อนจากอาการบาดเจ็บก็เข้ามา ส่งผลให้อาการบาดเจ็บซ้ำบ่อยกว่าครั้งแรกถึง 10 เท่า

อุปกรณ์สวมใส่ราคาไม่แพงสามารถให้ข้อเสนอแนะแก่ทหารและแพทย์ในอนาคตเกี่ยวกับการพักฟื้นเข่า เพื่อช่วยหลีกเลี่ยงการบาดเจ็บครั้งใหญ่ด้วยการงดเว้นจากการทำงานหนักเมื่อจำเป็น

ที่อาจเป็นประโยชน์ต่อสมาชิกบริการในระยะยาวเช่นกัน การบาดเจ็บที่ข้อต่อเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้สมาชิกบริการที่เกษียณอายุมีความเจ็บปวดและสูญเสียการเคลื่อนไหวในชีวิตพลเรือนเป็นเวลานาน "คุณสามารถมีกรณีของโรคข้อเข่าเสื่อมได้" Inan กล่าว

เสียงรบกวนจากภายนอก

แต่ ณ จุดนี้ ภารกิจของ Inan คือการบันทึกเสียงในคุณภาพที่อาจมีประโยชน์ซึ่งทำให้เกิดความท้าทายบางอย่าง ข้อเข่าล้อมรอบด้วยของเหลวซึ่งทำให้คลื่นเสียงที่ออกจากข้อต่อของผิวหนัง นอกจากนี้ เมื่อผู้ป่วยเคลื่อนที่ไปมา จะทำให้เกิดเสียงจากภายนอกที่อาจกลบเสียงที่มีประโยชน์

“ความจริงที่ว่าการวัดต้องเกิดขึ้นตามคำจำกัดความระหว่างการเคลื่อนไหวเป็นสิ่งที่ท้าทาย เพราะคุณไม่สามารถบอกให้คนๆ นั้นอยู่นิ่งๆ และหลีกเลี่ยงสิ่งประดิษฐ์ที่เคลื่อนไหวได้” เขากล่าว

ในการพัฒนาอุปกรณ์อะคูสติก นักวิจัยได้รวมไมโครโฟนกับฟิล์มเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์การสั่นสะเทือนที่มีความไวสูงซึ่งรวบรวมเสียงที่ดีที่สุด แต่มีความไวต่อสัญญาณรบกวนมาก ไมโครโฟนที่วางแนบกับผิวหนังทำให้มีการสำรองข้อมูลที่เพียงพอและสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง

จอภาพหัวเข่ายังใช้ประโยชน์จากความก้าวหน้าทางเทคนิคทั่วไปในสมาร์ทโฟน ไมโครโฟนระบบไมโครไฟฟ้าหรือ MEMS ทำงานร่วมกับเทคโนโลยีปัจจุบันได้ดีกว่าไมโครโฟนที่ใช้เทคโนโลยีก่อนหน้านี้ นั่นยังทำให้ไมโครโฟนราคาถูกสุดๆ เพียง 50 เซ็นต์ต่อหนึ่งดอลลาร์

สำนักงานเทคโนโลยีชีวภาพ DARPA สนับสนุนงานนี้ บทความนี้เผยแพร่ทางออนไลน์ในวารสาร ธุรกรรมของ IEEE ในวิศวกรรมชีวการแพทย์.

ที่มา: สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย

หนังสือที่เกี่ยวข้อง

at ตลาดภายในและอเมซอน