Биоуправляемые протезы предплечья. Протез предплечья с устройством обратной связи

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

«Биоуправляемые протезы предплечья. Протез предплечья с устройством обратной связи»

МИНСК, 2008

Наряду с проблемой создания высокоэффективных приводных устройств и изыскания соответствующих источников питания, удовлетворяющих современным требованиям по габаритам и энергоемкости, весьма важной является и проблема управления такими протезами. Управление протезами может осуществляться посредством электрических контактов (пли бесконтактных электронных устройств). В этих случаях инвалид осуществляет только управление, а силовые функции выполняют приводные устройства за счет внешнего источника энергии.

С физиологической точки зрения целесообразнее использовать управление, наиболее близкое к естественному. Наиболее физиологичным является биоэлектрическое управление, при котором управляющим сигналом служат электрические потенциалы, возникающие при сокращении мышц. Всякое сокращение (напряжение) скелетных мышц сопровождается появлением в них электрической активности. Интенсивность этой активности тем выше, чем сильнее сокращение мышцы. Биоэлектрические потенциалы мышц могут быть зарегистрированы с помощью электродов, вводимых внутрь мышцы или под кожу, или с помощью поверхностных электродов, накладываемых на кожу над соответствующими мышцами. В последнем случае регистрируются суммарные потенциалы многих мышечных волокон. При поверхностном отведении биоэлектрических потенциалов электромиограмма представляет собой сложный по амплитудному и частотному спектрам переменный электрический сигнал. Установлено, что в зависимости от степени сокращения мышц амплитуды биоэлектрических сигналов могут изменяться от нескольких микровольт до нескольких милливольт, а полоса частот составляет несколько сотен герц. Установлено также, что для управления протезами практически достаточными являются амплитуды биоэлектрического сигнала от 20-- 30 мкВ и выше, а рабочий диапазон частот--100--400 Гц. Мощность биоэлектрического сигнала весьма мала, поэтому для практического использования ее необходимо усиливать. Для этого используются электронные усилители_, с помощью которых уровень биоэлектрического сигнала с мышц повышается до необходимой величины и преобразовывается в форму, пригодную для управления исполнительными органами протеза. Таким образом, биоэлектрическая система управления включает в себя токоотводящее (токосъемное) устройство, предварительный усилитель, преобразователь, оконечный усилитель, исполнительное устройство и источник питания.

В протезах с миотоническим управлением сгибанием и разгибанием пальцев искусственной кисти используется эффект увеличения периметра культи при сокращении ее мышц. При сокращении мышцы культи надавливают па специальный датчик, сигнал с которого через электронную систему управляет движением пальцев искусственной кисти, ротацией кисти.

В настоящее время серийно выпускаются различные конструкции протезов верхних конечностей с внешними источниками энергии. Это протезы предплечья и плеча, оснащенные электромеханическими приводами, с биоэлектрическим, электроконтактным и миотоническим видами управления; протезы плеча с электромеханическим приводом кисти, управляемым с помощью биопотенциалов мыши культи плеча, и тяговым управлением локтевым шарниром.

Биоуправляемые протезы предплечья

В практике протезно-ортопедической помощи больным после ампутации на уровне предплечья применяются следующие разновидности протезов с внешними источниками энергии: протезы с биоэлектрическим управлением и протезы с миотоническим управлением. Разработаны также протезы с биоэлектрической релейной и пропорциональной системами управления и устройством обратной связи по силе схвати, а также с биоэлектрическим управлением двумя функциями.

Протез предплечья со встроенной системой биоэлектрического управления. Протез предназначен для снабжения больных после ампутации на уровне предплечья не выше 6 см от локтевого сустава, с укорочением культи не менее 6 см по сравнению со здоровым предплечьем.

Протез состоит из следующих основных частей: кисти 9 (рис. 1 ) с электромеханическим приводом, гильзы предплечья 6, механизма пассивной ротации кисти 7, усилителей напряжения с токосъемным устройством 3, усилителя мощности 8. стабилизатора питания с электродом «Масса» 5, блока питания /, крепления протеза 4, косметической оболочки 2.

Кисть с электромеханическим приводом состоит из пластмассового корпуса 5 (рис. 2 ),. подвижных блоков II --IV пальцев 2 и

Рис.1 Протез предплечья со встроенной системой биоэлектрическогоуправления.

Рис. 2. Кисть с электромеханическим приводом.

I пальца, микроэлектродвигателя 9 с редуктором 8, системы рычагов 4, соединяющих ползун винтовой пары 6 редуктора с пальцами кисти. Пальцы кисти вращаются вокруг осей 7 и 3. При изменении направления вращении якоря электродвигателя движение пальцев кисти меняется на противоположное, так что, управляя вращением якоря, можно выполнять сгибание и разгибание пальцев. Изменение направления вращения якоря в данной конструкции осуществляется путем. Изменения полярности подводимого к электродвигателю напряжения от источника питания.

Привод механизма состоит из электродвигателя 1 (рис. 3), эластичной муфты 2, редуктора 3, состоящего из зубчатых колес Zi--Z4 винтовой передачи, включающей в себя трехзаходный винт 8 и ползун 9, направляющих стержней 11 для ползуна 9, упорного подшипника б, муфты обгона 7. Упорный подшипник б и муфта обгона 7 заключены в корпус 5. Вращение вала электродвигателя 1 через эластичную муфту 2 передается на зубчатые колеса Z/--Z* и через них -- последовательно на муфту обгона 7 и трехзаходный винт 8. При вращении винта 8 ползун 9 совершает поступательное движение относительно направляющих стержней 11 и приводит в движение систему рычагов 10 пальцев кисти, шарнирно связанных с ползуном 9. Пальцы кисти при этом совершают сгибательные или разгибательные движения в зависимости от направления вращения вала электродвигателя.

Рис. 3. Кинематическая схема механизма кисти.

Муфта обгона 7 служит для автоматической смены упорного подшипника скольжения, обеспечивающего самоторможение при передаче движения от ползуна к двигателю, на подшипник 6 качения, позволяющий достичь высокого КПД при передаче движения от двигателя к ползуну.

При вращении винта 8 в направлении, соответствующем смыканию пальцев (движение на схват) и передаче мощности от электродвигателя к винту, винт 5 в корпусе 5 благодаря обгонной муфте 8 свободно прокручивается и упорным подшипником в данном случае является шариковый подшипник муфты обгона 7. При передаче мощности от винта к двигателю и при вращении винта в обратном направлении вращается корпус 5. В этом случае упорным подшипником является подшипник скольжения, образованный торцом корпуса 5. При раскрытии пальцев за счет вращения электродвигателя роль упорного подшипника выполняет шариковый подшипник 4. При схвате предмета пальцами кисти па ползуне 9 возникает сила, направленная вдоль оси винта к пальцам кисти. Эта сила через винт 8 прижимает торец корпуса 5 обгонной муфты к корпусу редуктора 3 и создает условие торможения привода за счет силы трения. Винт 8 в этом случае фиксируется от проворачивания с помощью двух шариков муфты обгона 7 и специальных косых выемок в корпусе 5, что обеспечивает фиксацию пальцев кисти при схвате. Гильза предплечья обычно изготовляется из слоистого пластика по индивидуальному гипсовому слойку с культи и удерживается на культе с помощью ремешкового крепления или с помощью шинно - кожаной манжеты, называемой гильзой плеча, изготовляемой также индивидуально. В последнее время в практике протезирования широкое распространение получила так называемая неспадающая гильза предплечья (см. рис. 1).

Такое крепление освобождает от дополнительных устройств для удержания протеза на культе. По-видимому, неспадающей гильзе из-за ее преимуществ следует отдавать предпочтение при изготовлении протезов предплечья, так как опыт показывает, что она успешно может быть использована в большинстве случаев протезирования.

Механизм пассивной ротации кисти служит дли подвижного и разъемного соединения кисти с гильзой предплечья и позволяет пассивно устанавливать в нужном положении кисть при пользовании протезом. Механизм состоит из двух пластмассовых колец, одно из которых имеет углубления, распределенные неравномерно по внутреннему краю, и соединяется с гильзой предплечья. Другое кольцо имеет выступы по наружному краю, точно соответствующие углублениям в первом кольце, и соединяется с корпусом кисти.

Рис 4. Блок-схема управления протезом.

При соединении гильзы с кистью кольцо с выступами заводится в кольцо с углублениями и поворачивается в нем на пол-оборота. Благодаря неравномерности расположения по окружности колец выступов н углублении, кисть прочно и в то же время подвижно с неко-торым трением соединяется с гильзой предплечья, позволяя осуществлять пассивные пронацию и супинацию кисти.

Усилители напряжения 3 (см. рис. 1), усилитель мощности 8, стабилизатор питания с электродом «Масса» 5 образуют двухканальную электронную систему управления. Система управления предназначена для усиления мощности биоэлектрических потен-циалов, отводимых мышц культи поверхностными электродами, соединенными со входами системы. Управление протезом поясняется блок-схемой (рис. 4). При напряжении (сокращении) одной из групп мышц культи предплечья биоэлектрический сигнал с этих мышц отводится одной из пар электродов 1 токоотводящего устройства и подается на вход одного из каналов системы управления. Сигнал в усилителе напряжения 2 усиливается по амплитуде. Усиленный сигнал вы-прямляется и сглаживается в активном детекторе 3, а затем усиливается по току в усилителе мощности 4. Таким образом, при сокращении управляющих мышц, т. с. при подаче на вход усилителя биоэлектрического сигнала определенной амплитуды выходное реле 5 в нагрузке усилителя мощности 4 данного канала срабатывает и подключает через своп контакты электродвигатель б привода кисти к источнику питания. Пальцы кисти, связанные с приводом, совершают при этом движение, например, сгибание. Прекращение подачи сигнала, т. е. расслабление управляющих мышц, вызывает остановку и фиксацию пальцев в данном положении. Подача биоэлектрического сигнала на вход второго канала усилителя, т. е. сокращение мышцы-антагониста, вызывает соответственно срабатывание выходного реле этого канала, и электродвигатель привода кисти подключается к источнику питания в противоположной полярности, что обусловливает вращение вала в противоположном направлении, следовательно, пальцы кисти в этом случае будут разгибаться.

Таким образом, подавая попеременно на входы каналов системы управления био-электрические сигналы величиной выше порога срабатывания, можно управлять движением пальцев кисти протеза в ключевом режиме, т.е. по принципу включено-выключено. Блок питания представляет собой батарею из 10 последовательно соединенных аккумуляторов типа ЦНК-0,45. Номинальное напряжение батареи составляет 12,5 В. Блок питания соединяется с усилителем биопотенциалов посредством гибкого кабеля и электрического двухштыревого разъема и при ношении протеза размещается в карманах одежды или на поясе инвалида.

Косметическая оболочка (перчатка) на кисть изготовляется в основном из вспененного поливинилхлорида по специальным формам. Масса протеза (без усилится и блока питания) составляет в среднем 0,8-0,9 кг, масса усилителя --0,12 кг , масса блока питания --0,32 кг; габаритные размеры--138x78x18 мм. Сила схвата на концах пальцев искусственной кисти -- не менее 20 Н.

Протез предплечья с устройством обратной связи

Протез предназначен для больных после ампутации предплечья на уровне, не превышающем 6 см от локтевого сустава. Укорочение предплечья должно быть не менее 7,5 см по сравнению с нормой. Таким образом, протез может быть назначен больным с культей предплечья на уровне средней трети.

Особенностью данной конструкции протеза является возможность управления скоростью перемещения пальцев искусственной кисти и величиной силы схвата. Управление скоростью перемещении н силой схвата осуществляется изменением амплитуды биоэлектрического сигнала, подаваемого па вход системы управлении, т. с. изменением степени сокращении (напряжения) управляющих мышц культи. Скорость перемещения пальцев кисти находится в прямой зависимости от степени напряжения мышц культи, а сила схвата -- от времени подачи (продолжительности) управляющего сигнала на вход системы управления. Протез состоит из следующих основных узлов: кисти 9 (рис. 5) с электромеханическим приводом, усилителя мощности с преобразователем и узлом обратной связи 8, электромагнитного вибратора 7, гильзы предплечья б, электрода «Масса» 5, усилителей напряжения 4, распределительной коробки 3, соединительного кабеля 2, блока питания 1, датчика давления 10. Принцип действия протеза с устройством обратной связи существенно отличается от принципа действия описанных ранее протезов, в которых система управления работает в ключевом режиме. Управление протезом может быть пояснено с помощью блок-схемы (рис. 6). Биоэлектрические сигналы отводятся с помощью поверхностных электродов 1 с мышц культи, предварительно усиливаются по амплитуде в усилителях 2 напряжения, детектируются и усиливаются по току в интеграторах 3, затем преобразовываются частотно-импульсным преобразователем 4 в последовательность прямоугольных импульсов, изменяющихся по длительности и частоте пропорционально амплитуде отводимого с мышц управляющего сигнала. Далее преобразованный сигнал поступает в усилитель мощности 5, в нагрузке которого через коммутаторы б включен электродвигатель привода кисти 7. При сокращении управляющей мышцы, например сгибателей кисти, биоэлектрический сигнал через усилитель 2 и интегратор 3 одного из каналов вызывает первоначально срабатывание коммутатора б в данном канале системы, в результате чего электродвигатель 7 привода подключается к усилителю мощности 5, а затем срабатывает преобразователь 4 и через усилитель мощности сигнал вызывает сгибание пальцев искусственной кисти.

Рис. 5 Протез предплечья с блоком обратной связи.

Рис. 6. Блок-схема управления протезом с устройством обратной связи.

Аналогично работает и второй канал, управляющий разгибанием пальцев кисти от мышц-разгибателей. Плавно изменяя амплитуду сигнала с мышцы, можно плавно изменять скорость движения пальцев кисти. Система обратной связи состоит из датчика давления 8, расположенного в 1 пальце кисти, усилителя 9, усиливающего сигналы датчика давления, звена 10, ограничивающего время работы преобразователя 11, преобразующего непрерывный сигнал датчика в импульсные дискретные сигналы, усилителя мощности 12 и электромагнитного вибратора 13, сердечник которого при надетом протезе касается кожи культи. При схвате предмет воздействует на датчик, который изменяет свое электрическое сопротивление при сдавливании и воздействует в свою очередь па преобразователь 11, генерирующий прямоугольные импульсы, частота следования которых прямо пропорциональна силе, действующей па датчик.

Прямоугольные импульсы снова усиливаются по мощности и приводят в действие электромагнитный вибратор 13, включенный в качестве нагрузки Ц, усилителе 12. Колебания сердечника вибратора воспринимаются человеком через кожу культи, и по частоте вибрации сердечника определяется сила схвата на концах пальцев искусственной кисти. Чтобы у человека не возникала адаптация к вибрационному раздражению культи, информация о силе схвата поступает не постоянно, а через звено 10, которое ограничивает по времени вибрационное раздражение. Установлено, что промежуток времени, равный 1,5--3 с, достаточен для распознавания величины силы схвата.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белова А.Н. Нейрореабилитация.-М. Антидор, 2000 г. - 568с.

2. Прикладная лазерная медицина. Под ред. Х.П. Берлиена, Г.И. Мюллера.- М.: Интерэкспорт, 2007г.

3. Александровский А.А. Компьютеризованная кардиология. Саранск; "Красный Октябрь" 2005: 197.

4. Разработка и постановка медицинских изделий на производство. Государственный стандарт Республики Беларусь СТБ 1019-2000.

5. Штарк М.Б., Скок А.Б. Применение электроэнцефалографического биоуправления в клинической практике. М. - 2004 г

6. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Общая физиотерапия. М.,СПб.: СЛП, 2008.

7. Ультрафиолетовое излучение в профилактике инфекционных заболеваний./ А.Л. Вассерман, М.Г. Шандала, В. Г.Юзбашев. М. 2003г.