IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Во всем мире инвалидность относится к числу наиболее острых медико-социальных проблем. Ежегодно только в России признаются инвалидами свыше 1 млн. человек, причем больше половины из них – это люди с ампутированными конечностями. К числу причин, приводящих к ампутации нижних конечностей, следует отнести военные конфликты, дорожный и производственный травматизм, стихийные бедствия и техногенные катастрофы, также такие заболевания, как облитерирующие поражения сосудов, атеросклероз и сахарный диабет. Потеря нижней конечности неминуемо приводит к внезапному ограничению двигательной активности, что в свою очередь отражается на физиологическом, психическом и чувственном состояниях всего организма человека, меняя его общественный статус и снижая качество жизни.

Для реабилитации инвалидов существуют различные типы протезов: косметические, тяговые, биоэлектрические и т.д. Основными свойствами, определяющими качество протеза, являются функциональность и косметичность. В настоящее время наиболее полно этими свойствами обладают бионические протезы, максимально приближенные по конструкции к ампутированной конечности, для управления которыми используются физиологические сигналы самого инвалида.

На Западе существует целая индустрия [1], создающая бионические протезы, позволяющая человеку, потерявшему конечность, оставаться полноценным членом общества. Отечественная реабилитационная техника предлагает, как правило, только косметические протезы, представляющие собой анатомические муляжи ампутированных нижних конечностей. На рынке представлены в основном зарубежные образцы бионических протезов, стоимость которых слишком высока для российского потребителя. Таким образом, разработка отечественных бионических протезов, не уступающих зарубежным образцам, является актуальной задачей, решение которой позволит улучшить качество функционирования протезов и значительно снизить их стоимость.

В настоящее время на кафедре «Информационно-измерительной техники и метрологии» Пензенского государственного университета ведутся работы по созданию системы управления бионического протеза нижних конечностей. Как известно [2], биоэлектрическое воздействие, передаваемое от центральной нервной системы к мышцам, отражается на поверхности кожи человека повышением амплитуды биопотенциалов. Электромиографические исследования показывают, что амплитуда биопотенциалов варьируется в пределах от 5-10 мкВ (мышца в состоянии покоя) до 500-1000 мкВ (при сокращении мышцы). Особенно ярко это явление выражено в двигательных точках – местах наибольшего скопления двигательных единиц (мышечных волокон, управляемых одним мотонейроном). Область двигательной точки является максимально возбудимым участком мышцы. С неё можно снимать биопотенциал с максимальной по всей мышцы амплитудой. Расположив электроды в этих областях, можно получить исходный сигнал для управления бионическим протезом.

Авторами предлагается обобщенная структурная схема системы управления бионическим протезом, приведенная на рисунке 1. В состав системы входят два блока – блок съёма и обработки информации и блок управления. С помощью матрицы, состоящей из N активных электродов (АЭ1…АЭn) и одного пассивного электрода (ПЭ), расположенных в двигательных точках оставшейся после ампутации части ноги, регистрируют биопотенциалы, которые далее усиливаются нормирующими усилителями (НУ1-НУn), фильтруются с помощью полосовых фильтров (ПФ1-ПФn) и поступают на коммутатор, управляемый микропроцессором (МП). Коммутатор поочередно подключает сигналы с выхода полосовых фильтров на вход АЦП1, преобразующего аналоговые сигналы в цифровой код, который далее поступает на МП.

Рисунок 1

После обработки поступивших сигналов МП подает команду на два контроллера – колена (КК) и ступни (КС). Они предназначены для управления пневматическими приводами колена (ППК) и ступни (ППС), которые управляют исполнительными механизмами (ИМ) «колена» и «ступни».

В состав блока управления встроен узел обратной связи, представленный датчиками наклона (ДН) и давления (ДД), которые посылают в МП информацию о движении тела, распределении веса и угле наклона. Это дает МП возможность предвидеть следующее движение владельца и среагировать на него. Датчик давления вмонтирован в подошву протеза и представляет собой набор тензометрических первичных преобразователей, включенных по схеме моста Уитстона (преобразователя сопротивления тензорезисторов в напряжение (ПСН)). Датчик наклона располагается в месте «голеностопного сустава» и представляет преобразователь на основе конденсатора. Емкость датчика наклона преобразуется в напряжение с помощью преобразователя емкости в напряжение (ПЕН). Схема расположения датчиков и электродов разработанной системы управления бионическим протезом приведена на рисунке 2.

Рисунок 2

Реализация классических алгоритмов управления протезом с учетом всех возможных режимов работы приводила бы к усложнению блока управления и снижению быстродействия работы исполнительных механизмов. Использование искусственной нейронной сети позволяет значительно упростить алгоритмы управления и получить надежные и интуитивные способы передвижения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Roy SH, De Luca G, Cheng S, Johansson A, Gilmore LD, De Luca CJ. Electro-Mechanical stability of surface EMG sensors. – Medical and biological engineering and computing, 45, 2007.

2. Славуцкий Я.Л. Физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами. – М.: Медицина, 1982.

Код для цитирования: Скопировать