БЕЛОРУССКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТИНФОРМАТИКИИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ натему:
«Биоуправляемыепротезы предплечья.Протезпредплечьяс устройствомобратной связи»
МИНСК, 2008
Наряду спроблемойсозданиявысокоэффективныхприводныхустройств иизысканиясоответствующихисточниковпитания, удовлетворяющихсовременнымтребованиямпо габаритами энергоемкости, весьма важнойявляется ипроблема управлениятакими протезами.Управлениепротезами можетосуществлятьсяпосредствомэлектрическихконтактов(пли бесконтактныхэлектронныхустройств). Вэтих случаяхинвалид осуществляеттолько управление, а силовые функциивыполняютприводныеустройстваза счетвнешнего источникаэнергии.
С физиологическойточки зренияцелесообразнееиспользоватьуправление, наиболее близкоек естественному.Наиболеефизиологичнымявляетсябиоэлектрическоеуправление, при которомуправляющимсигналом служатэлектрическиепотенциалы, возникающиепри сокращениимышц. Всякоесокращение(напряжение)скелетных мышцсопровождаетсяпоявлениемв них электрическойактивности.Интенсивностьэтой активноститем выше, чемсильнее сокращениемышцы. Биоэлектрическиепотенциалымышц могут бытьзарегистрированыс помощью электродов, вводимых внутрьмышцы или подкожу, или с помощьюповерхностныхэлектродов, накладываемыхна кожу надсоответствующимимышцами. В последнемслучае регистрируютсясуммарныепотенциалымногих мышечныхволокон. Приповерхностномотведениибиоэлектрическихпотенциаловэлектромиограммапредставляетсобой сложныйпо амплитудномуи частотномуспектрам переменныйэлектрическийсигнал. Установлено, что в зависимостиот степенисокращениямышц амплитудыбиоэлектрическихсигналов могутизменятьсяот несколькихмикровольтдо несколькихмилливольт, а полоса частотсоставляетнесколько сотенгерц. Установленотакже, что дляуправленияпротезамипрактическидостаточнымиявляются амплитудыбиоэлектрическогосигнала от 20—30 мкВ ивыше, а рабочийдиапазончастот—100—400 Гц.Мощностьбиоэлектрическогосигнала весьмамала, поэтомудля практическогоиспользованияее необходимоусиливать. Дляэтого используютсяэлектронныеусилители, с помощьюкоторых уровеньбиоэлектрическогосигнала с мышцповышаетсядо необходимойвеличины ипреобразовываетсяв форму, пригоднуюдля управленияисполнительнымиорганами протеза.Таким образом, биоэлектрическаясистема управлениявключает в себятокоотводящее(токосъемное)устройство, предварительныйусилитель, преобразователь, оконечныйусилитель, исполнительноеустройствои источникпитания.
В протезахс миотоническимуправлениемсгибанием иразгибаниемпальцев искусственнойкисти используетсяэффект увеличенияпериметракульти присокращенииее мышц. Присокращениимышцы культинадавливаютпа специальныйдатчик, сигналс которогочерез электроннуюсистему управляетдвижениемпальцев искусственнойкисти, ротациейкисти.
В настоящеевремя серийновыпускаютсяразличныеконструкциипротезов верхнихконечностейс внешнимиисточникамиэнергии. Этопротезы предплечьяи плеча, оснащенныеэлектромеханическимиприводами, сбиоэлектрическим, электроконтактными миотоническимвидами управления; протезы плечас электромеханическимприводом кисти, управляемымс помощьюбиопотенциаловмыши культиплеча, и тяговымуправлениемлоктевым шарниром.
Биоуправляемыепротезы предплечья
В практикепротезно-ортопедическойпомощи больнымпосле ампутациина уровне предплечьяприменяютсяследующиеразновидностипротезов свнешними источникамиэнергии: протезы сбиоэлектрическимуправлениеми протезы смиотоническимуправлением.Разработанытакже протезыс биоэлектрическойрелейной ипропорциональнойсистемамиуправленияи устройствомобратной связипо силе схвати, а также с биоэлектрическимуправлениемдвумя функциями.
Протезпредплечьясо встроеннойсистемойбиоэлектрическогоуправления.Протез предназначендля снабжениябольных послеампутации науровне предплечьяне выше6 см от локтевогосустава, сукорочениемкульти не менее6 см по сравнениюсо здоровымпредплечьем.
Протезсостоит изследующихосновных частей: кисти 9(рис. 1 ) сэлектромеханическимприводом, гильзыпредплечья6, механизмапассивнойротации кисти7, усилителейнапряженияс токосъемнымустройством3, усилителямощности 8.стабилизаторапитания с электродом«Масса» 5, блокапитания /, крепленияпротеза 4,косметическойоболочки 2.
Кисть сэлектромеханическимприводом состоитиз пластмассовогокорпуса 5 (рис.2 ),. подвижныхблоков II—IVпальцев 2и
/>
Рис.1 Протезпредплечьясо встроеннойсистемойбиоэлектрическогоуправления.
/>
Рис. 2. Кистьс электромеханическимприводом.
Iпальца, микроэлектродвигателя9 средуктором8, системы рычагов4, соединяющихползунвинтовой пары6 редуктора спальцами кисти.Пальцы кистивращаютсявокруг осей7 и 3. Приизменениинаправлениявращении якоряэлектродвигателядвижениепальцевкисти меняетсяна противоположное, так что, управляявращениемякоря, можновыполнятьсгибание иразгибаниепальцев. Изменениенаправлениявращения якоряв данной конструкцииосуществляетсяпутем. Измененияполярностиподводимогок электродвигателюнапряженияот источникапитания.
Приводмеханизмасостоит изэлектродвигателя1 (рис. 3), эластичноймуфты 2,редуктора3, состоящегоиз зубчатыхколес Zi—Z4винтовой передачи, включающейв себятрехзаходныйвинт 8 иползун 9,направляющихстержней 11для ползуна9, упорногоподшипникаб, муфтыобгона 7. Упорныйподшипник би муфтаобгона 7 заключеныв корпус5. Вращениевала электродвигателя1 черезэластичнуюмуфту 2передаетсяна зубчатыеколесаZ/—Z*и через них —последовательнона муфту обгона7 и трехзаходныйвинт 8. Привращении винта8 ползун9 совершаетпоступательноедвижение относительнонаправляющихстержней 11и приводитв движениесистему рычагов10 пальцевкисти, шарнирносвязанных сползуном 9.Пальцыкисти при этомсовершаютсгибательныеили разгибательныедвижения взависимостиот направлениявращения валаэлектродвигателя.
/>
Рис. 3. Кинематическаясхема механизмакисти.
Муфта обгона7 служит дляавтоматическойсмены упорногоподшипникаскольжения, обеспечивающегосамоторможениепри передачедвижения отползуна к двигателю, на подшипник6 качения, позволяющийдостичь высокогоКПД при передачедвижения отдвигателяк ползуну.
При вращениивинта 8в направлении, соответствующемсмыканию пальцев(движение насхват) ипередаче мощностиот электродвигателяк винту, винт5 в корпусе 5благодаряобгонной муфте8 свободнопрокручиваетсяи упорным подшипникомв данном случаеявляется шариковыйподшипник муфтыобгона 7. Припередаче мощностиот винта к двигателюи при вращениивинта в обратномнаправлениивращаетсякорпус 5. В этомслучае упорнымподшипникомявляется подшипникскольжения, образованныйторцом корпуса5. При раскрытиипальцев за счетвращенияэлектродвигателяроль упорногоподшипникавыполняетшариковыйподшипник 4.При схватепредмета пальцамикисти па ползуне9 возникаетсила, направленнаявдоль осивинта к пальцамкисти. Эта силачерез винт 8прижимаетторец корпуса5 обгонной муфтык корпусу редуктора3 исоздает условиеторможенияпривода за счетсилы трения.Винт 8в этомслучае фиксируетсяот проворачиванияс помощью двухшариков муфтыобгона 7 и специальныхкосых выемокв корпусе 5, чтообеспечиваетфиксацию пальцевкисти присхвате. Гильзапредплечьяобычно изготовляетсяиз слоистогопластика поиндивидуальномугипсовомуслойку с культии удерживаетсяна культе спомощью ремешковогокрепления илис помощью шинно- кожаной манжеты, называемойгильзой плеча, изготовляемойтакже индивидуально.В последнеевремя в практикепротезированияширокое распространениеполучила такназываемаянеспадающаягильза предплечья(см. рис. 1).
Такое креплениеосвобождаетот дополнительныхустройств дляудержанияпротеза накульте. По-видимому, неспадающейгильзе из-заее преимуществследует отдаватьпредпочтениепри изготовлениипротезов предплечья, так как опытпоказывает, что она успешноможет бытьиспользованав большинствеслучаев протезирования.
Механизмпассивнойротации кистислужит длиподвижногои разъемногосоединениякисти с гильзойпредплечьяи позволяетпассивноустанавливатьв нужном положениикисть при пользованиипротезом. Механизмсостоит из двухпластмассовыхколец, одно изкоторых имеетуглубления, распределенныенеравномернопо внутреннемукраю, и соединяетсяс гильзой предплечья.Другое кольцоимеет выступыпо наружномукраю, точносоответствующиеуглублениямв первом кольце, и соединяетсяс корпусомкисти.
/>
Рис 4. Блок-схемауправленияпротезом.
При соединениигильзы с кистьюкольцо с выступамизаводится вкольцо с углублениямии поворачиваетсяв нем на пол-оборота.Благодарянеравномерностирасположенияпо окружностиколец выступовн углублении, кисть прочнои в то же времяподвижно снекоторымтрением соединяетсяс гильзой предплечья, позволяя осуществлятьпассивныепронацию исупинациюкисти.
Усилителинапряжения3 (см. рис. 1), усилительмощности 8, стабилизаторпитания с электродом«Масса» 5 образуютдвухканальнуюэлектроннуюсистему управления.Система управленияпредназначенадля усилениямощностибиоэлектрическихпотенциалов, отводимых мышцкульти поверхностнымиэлектродами, соединеннымисо входамисистемы. Управлениепротезом поясняетсяблок-схемой(рис. 4). При напряжении(сокращении)одной из группмышц культипредплечьябиоэлектрическийсигнал с этихмышц отводитсяодной из парэлектродов1 токоотводящегоустройстваи подается навход одногоиз каналовсистемы управления.Сигнал в усилителенапряжения2 усиливаетсяпо амплитуде.Усиленныйсигнал выпрямляетсяи сглаживаетсяв активномдетекторе 3, азатем усиливаетсяпо току в усилителемощности 4. Такимобразом, присокращенииуправляющихмышц, т. с. приподаче на входусилителябиоэлектрическогосигнала определеннойамплитудывыходное реле5 в нагрузкеусилителямощности 4 данногоканала срабатываети подключаетчерез свопконтактыэлектродвигательб привода кистик источникупитания. Пальцыкисти, связанныес приводом, совершают приэтом движение, например, сгибание.Прекращениеподачи сигнала, т. е. расслаблениеуправляющихмышц, вызываетостановку ификсацию пальцевв данном положении.Подача биоэлектрическогосигнала на входвторого каналаусилителя, т.е. сокращениемышцы-антагониста, вызываетсоответственносрабатываниевыходного релеэтого канала, и электродвигательпривода кистиподключаетсяк источникупитания впротивоположнойполярности, что обусловливаетвращение валав противоположномнаправлении, следовательно, пальцы кистив этом случаебудут разгибаться.
Таким образом, подавая попеременнона входы каналовсистемы управлениябиоэлектрическиесигналы величинойвыше порогасрабатывания, можно управлятьдвижениемпальцев кистипротеза в ключевомрежиме, т.е. попринципувключено-выключено.Блок питанияпредставляетсобой батареюиз 10 последовательносоединенныхаккумуляторовтипа ЦНК-0,45. Номинальноенапряжениебатареи составляет12,5 В. Блок питаниясоединяетсяс усилителембиопотенциаловпосредствомгибкого кабеляи электрическогодвухштыревогоразъема и приношении протезаразмещаетсяв карманаходежды или напоясе инвалида.
Косметическаяоболочка (перчатка)на кисть изготовляетсяв основном извспененногополивинилхлоридапо специальнымформам. Массапротеза (безусилится иблока питания)составляетв среднем 0,8-0,9 кг, масса усилителя—0,12 кг, массаблока питания—0,32 кг; габаритныеразмеры—138x78x18 мм.Сила схватана концах пальцевискусственнойкисти — не менее20 Н.
Протезпредплечьяс устройствомобратной связи
Протезпредназначендля больныхпосле ампутациипредплечьяна уровне, непревышающем6 см от локтевогосустава. Укорочениепредплечьядолжно бытьне менее 7,5см по сравнениюс нормой. Такимобразом, протезможет бытьназначен больнымс культейпредплечьяна уровне среднейтрети.
Особенностьюданной конструкциипротеза являетсявозможностьуправленияскоростьюперемещенияпальцев искусственнойкисти и величинойсилы схвата.Управлениескоростьюперемещениин силой схватаосуществляетсяизменениемамплитудыбиоэлектрическогосигнала, подаваемогопа вход системыуправлении, т. с. изменениемстепени сокращении(напряжения)управляющихмышц культи.Скорость перемещенияпальцев кистинаходится впрямой зависимостиот степенинапряжениямышц культи, а сила схвата— от времениподачи (продолжительности)управляющегосигнала на входсистемы управления.Протезсостоит изследующихосновных узлов: кисти 9(рис. 5) сэлектромеханическимприводом, усилителямощности спреобразователеми узлом обратнойсвязи 8,электромагнитноговибратора 7, гильзы предплечьяб, электрода«Масса» 5, усилителейнапряжения4, распределительнойкоробки 3,соединительногокабеля 2,блокапитания 1, датчикадавления 10.Принципдействия протезас устройствомобратной связисущественноотличаетсяот принципадействия описанныхранее протезов, в которых системауправленияработает включевомрежиме. Управлениепротезом можетбыть поясненос помощью блок-схемы(рис. 6).Биоэлектрическиесигналы отводятсяс помощьюповерхностныхэлектродов1 смышц культи, предварительноусиливаютсяпо амплитудев усилителях2 напряжения, детектируютсяи усиливаютсяпо току в интеграторах3, затемпреобразовываютсячастотно-импульснымпреобразователем4 впоследовательностьпрямоугольныхимпульсов, изменяющихсяпо длительностии частотепропорциональноамплитудеотводимогос мышц управляющегосигнала. Далеепреобразованныйсигнал поступаетв усилительмощности 5, внагрузке которогочерез коммутаторыб включенэлектродвигательпривода кисти7. При сокращенииуправляющеймышцы, напримерсгибателейкисти, биоэлектрическийсигнал черезусилитель 2и интегратор3 одногоиз каналоввызываетпервоначальносрабатываниекоммутатораб вданном каналесистемы, в результатечего электродвигатель7 привода подключаетсяк усилителюмощности 5, азатемсрабатываетпреобразователь4 ичерез усилительмощности сигналвызывает сгибаниепальцев искусственнойкисти.
/>
Рис. 5 Протезпредплечьяс блоком обратнойсвязи.
/>
Рис.6. Блок-схемауправленияпротезом сустройствомобратной связи.
Аналогичноработает ивторой канал, управляющийразгибаниемпальцев кистиот мышц-разгибателей.Плавно изменяяамплитудусигнала с мышцы, можно плавноизменять скоростьдвижения пальцевкисти. Системаобратной связисостоит издатчика давления8, расположенногов 1 пальце кисти, усилителя9, усиливающегосигналы датчикадавления, звена10, ограничивающеговремя работыпреобразователя11, преобразующегонепрерывныйсигнал датчикав импульсныедискретныесигналы, усилителямощности 12и электромагнитноговибратора 13,сердечниккоторого принадетом протезекасается кожикульти. Присхвате предметвоздействуетна датчик, которыйизменяет своеэлектрическоесопротивлениепри сдавливаниии воздействуетв свою очередьпа преобразователь11, генерирующийпрямоугольныеимпульсы, частотаследованиякоторых прямопропорциональнасиле, действующейпа датчик.
Прямоугольныеимпульсы сноваусиливаютсяпо мощностии приводят вдействиеэлектромагнитныйвибратор 13,включенныйв качественагрузки Ц,усилителе12. Колебаниясердечникавибраторавоспринимаютсячеловеком черезкожу культи, и по частотевибрации сердечникаопределяетсясила схватана концах пальцевискусственнойкисти. Чтобыу человека невозникалаадаптация квибрационномураздражениюкульти, информацияо силе схватапоступает непостоянно, ачерез звено10, котороеограничиваетпо временивибрационноераздражение.Установлено, что промежутоквремени, равный1,5—3 с, достаточендля распознаваниявеличины силысхвата.
ЛИТЕРАТУРА
1.Белова А.Н.Нейрореабилитация.-М.Антидор, 2000 г. –568с.
2.Прикладнаялазерная медицина.Под ред. Х.П.Берлиена, Г.И.Мюллера.- М.: Интерэкспорт,2007г.
3.АлександровскийА.А. Компьютеризованнаякардиология.Саранск; «КрасныйОктябрь» 2005: 197.
4.Разработкаи постановкамедицинскихизделий напроизводство.Государственныйстандарт РеспубликиБеларусьСТБ1019-2000.
5.Штарк М.Б., СкокА.Б. Применениеэлектроэнцефалографическогобиоуправленияв клиническойпрактике. М. — 2004 г
6.Боголюбов В.М., ПономаренкоГ.Н. Общая физиотерапия.М., СПб.: СЛП, 2008.
7.Ультрафиолетовоеизлучение впрофилактикеинфекционныхзаболеваний./А.Л. Вассерман, М.Г. Шандала, В. Г.Юзбашев.М. 2003г.