XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Во всем мире наблюдается рост авто- и авиакатастроф, техногенных аварий, природных катаклизмов, террористических актов и военных конфликтов, что приводит к увеличению числа пострадавших с травматической болезнью позвоночника. Ежегодно увеличивается количество оперативных вмешательств на позвоночнике и спинном мозге по поводу дискогенных радикулитов, опухолей, кист и других заболеваний. Эти пациенты также пополняют ряды инвалидов, получивших травму позвоночника и спинного мозга, хотя инвалидность, наступившая после этих операций, учитывается по другим графам медицинской статистики.

Россия относится к странам с самыми высокими темпами роста численности инвалидов. По данным Минздрава РФ на 1 января 2019 г. общая численность инвалидов в России составила более 15 млн. чел. Это практически каждый 10 житель страны. Однако, если человек, инвалидность которого наступила из-за какого-нибудь внутреннего заболевания, вполне может самостоятельно обслужить себя, то пациенты с повреждением позвоночного столба и спинного мозга часто всю оставшуюся жизнь остаются прикованными к постели.

В медицине используется такой термин: «вертикализация больного». Вертикальное положение тела и ходьба - это важные условия для обеспечения правильности функционирования внутренних органов больного, они позволяют нормализовать артериальное давление, подвижность суставов, обеспечить вентиляцию легких и т.п. Еще несколько лет назад у людей с травмами позвоночника не было возможностей вести нормальный образ жизни. Но с появлением последних разработок в области биоинженерии у этих людей появилась надежда на возращение к полноценной жизни. И это произошло благодаря появлению специальных устройств - медицинских экзоскелетов.

Экзоскелет представляет собой роботизированный комплекс, который крепится снаружи тела человека и выполняет те функции, которые инвалид по тем или иным причинам выполнять не может. Для этого парализованный человек помещается внутри этого каркаса и управляет им, как собственными ногами и руками. У человека, который ранее всю свою жизнь лежал в постели или сидел в инвалидном кресле, появляется возможность с помощью экзоскелета самостоятельно вставать и садиться, ходить по дому, по улице, по лестницам без посторонней помощи.

Как известно, обобщенная структурная схема любого роботизированного механизма включает в себя четыре системы [1,2] (рисунок 1):

исполнительную систему - манипулятор, предназначенный для взаимодействия с внешней средой;

информационно-измерительную систему для восприятия и преобразования информации о состоянии внешней среды и самого механизма;

система управления манипулятором на основе данных, поступающих как от информационного блока, так и от человека-оператора;

систему связи, служащая для обмена информацией между роботизированным механизмом и человеком-оператором.

Рисунок 1 Структурная схема роботизированного механизма

Управление электроприводами медицинского экзоскелета отличается от традиционного управления приводами, используемых в робототехнике. При формулировке задачи синтеза оптимального управления кроме уравнений объекта управления необходимо выбирать критерий оптимальности, который должен быть достигнут за конечное время при условии выполнения заданных ограничений на управление, фазовый вектор и краевые условия. В качестве критерия оптимальности используют некоторую целевую функцию (например, достижение максимального быстродействия, минимума потребления энергии и др.). При реализации градиентных методов на практике возникает много вопросов, связанных с обоснованием вида функционала качества, длиной шага на каждой итерации, а также с вероятностью сваливания траектории движения в точку локального минимума и решением задачи поиска глобального экстремума.

Переход к цифровым системам управления системами, построенным с использованием современной элементной базы и микропроцессорной техники, позволил перейти к новым технологиям управления электроприводами, которые ранее были недостижимы из-за технических ограничений. К числу таких технологий относится синтез систем электропривода с элементами искусственного интеллекта [3, 4].

Движения человека представляют собой результат сокращения скелетных мышц, обеспечивающих поддержание позы, перемещение отдельных частей тела или всего тела в пространстве. У человека движения контролируются центральной нервной системой (ЦНС); она направляет деятельность органов движения на выполнение той или иной задачи, реализуемой в последовательных мышечных сокращениях. Роль мышц в таких устройствах выполняют электрические приводы. В последние годы наиболее эффективным методом управления манипуляторами в антропоморфных роботизированных механизмах принято считать метод управления с помощью сигналов центральной и периферической нервной системы человека, получивший название «интерфейс мозг-процессор» (ИМП) [5]. Современные модули ИМП регистрируют биоэлектрическую активность и переводят её в управляющие команды с помощью носимого компьютера. С их помощью возможно «мысленное» управление различными внешними устройствами в обход повреждённых нервных путей. Обобщенный принцип работы ИМП приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принцип работы интерфейса «мозг-процессор»

Наиболее информативным и пригодным для нейроуправления биоинформационным сигналом на сегодняшний день является двигательная активность мышц – электромиография (ЭМГ). Основными шагами применения ЭМГ-сигналов с целью биоуправления являются выделение сигналов конкретных мышц и выбор алгоритма контроля движения [6].

Как известно, движение человека происходит благодаря ритмичным сокращениям скелетных мышц. При этом основную работу совершают мышцы, называемые сгибателями и разгибателями. Являясь антагонистами, они постоянно как бы противоборствуют друг другу. Антагонизм этот заложен не в самих мышцах, а в нервных центрах, регулирующих их работу. Команды всем скелетным мышцам, в том числе сгибателям и разгибателям, отдают двигательные центры, которые находятся в головном мозге. Отсюда сигналы поступают в спинной мозг к особым нервным клеткам — мотонейронам, а затем по их длинным отросткам, выходящим за пределы спинного мозга, к соответствующим мышцам. Центры, посылающие команды мышцам-антагонистам, находятся в противоположных функциональных состояниях: возбуждение центра, отвечающего за работу сгибателей, вызывает торможение нервных клеток центра, управляющего разгибателями.

Сокращение одних и расслабление других мышц и дает нам возможность произвести, скажем, различные движения. При этом мышцы выступают не просто как пассивные исполнители приказов: они и сами принимают активное участие в регуляции своей деятельности. Как только разгибатели расслабились и растянулись, активизируются заложенные в них специфические рецепторы — мышечные веретена (такими рецепторами снабжена каждая скелетная мышца нашего тела).

Есть одно непременное условие, без которого мышцы не смогут работать: и сгибатели и разгибатели должны быть в состоянии тонуса — постоянного непроизвольного напряжения. Тонус также находится под контролем высших центров регуляции и мышечных веретен. Но приказы, отдаваемые мышцам, побуждают их не к быстрым сокращениям и расслаблениям, а к стойким, длящимся продолжительное время. Так, при ходьбе за поднятие бедра отвечает подвздошно-поясничная мышца, а за опускание бедра – большая ягодичная мышца. Четырехглавая мышца бедра разгибает колено, а седалищно-бедренные мышцы сгибают колено (рисунок 3). Надо отметить, что и в этом случае между мышцами-антагонистами имеется своеобразное противоборство, благодаря которому человек получает возможность удерживать определенную позу или изменять ее.

Рисунок 3 Расположение ЭМГ-электродов на нижних конечностях:

1 - сгибатель бедра (подвздошно-поясничная мышца); 2 - разгибатель бедра (большая ягодичная мышца); 3 - разгибатель голени (четырехглавая мышца бедра); 4 — сгибатель голени (седалищно-бедренные мышцы)

Электромиографические исследования показывают, что амплитуда биопотенциалов варьируется в пределах от 5-10 мкВ (мышца в состоянии покоя) до 500-1000 мкВ (при сокращении мышцы) [8]. 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.

В качестве примера авторами предлагается обобщенная структурная схема медицинского экзоскелета, управление электроприводами которого осуществляется с помощью ЭМГ-сигналов (рисунок 4). Система управления содержит узел измерения углов поворота бедра и колена соответственно правой и левой ноги, узел измерения параметров ЭМГ-сигнала, узел измерения усилия, узел измерения силы реакции, интегральную систему сбора данных об измеренных параметрах, контроллер приводов и исполнительные механизмы соответственно правой и левой ноги.

Рисунок 4 Структурная схема медицинского экзоскелета

Конструктивно медицинский экзоскелет выполнен из жестких звеньев, прикрепляемых к туловищу пользователя с помощью ремней параллельно его нижним конечностям. Узел измерения ЭМГ измеряет биопотенциалы с четырех пар ЭМГ-электродов, расположенных на каждой ноге на сгибателях и разгибателях соответственно бедра и колена. Узел измерения усилия измеряет разность между усилием, создаваемым приводом экзоскелета, и мышечным усилием самого пользователя. Узел измерения углов измеряет углы поворота звеньев конструкции экзоскелета, которые эквивалентны углам поворота соответственно тазобедренного сустава и колена. Для измерения углов поворота используются резистивные потенциометры, встроенные в шарниры, соединяющие звенья экзоскелета. Для фиксации отрыва пятки и носка в точках контакта со стопой размещены датчики давления, измеряющие силу реакции.

Система работает следующим образом. В момент возникновения намерения движения на электродах регистрируется биоэлектрическая активность, проявляющаяся ростом амплитуды сигналов ЭМГ. Сигналы ЭМГ поступают в узел измерения ЭМГ, где происходит их усиление и фильтрация, и далее для дальнейшей обработки в интегральную систему сбора данных, на другие входы которой поступают сигналы с узлов измерения углов, усилий и силы реакции. Интегральная система обрабатывает полученные сигналы и вырабатывает сигнал для управления электроприводами.

Наличие датчиков в системе управления позволит реагировать на внешние раздражители подобно человеку: противодействовать приложенной нагрузке, уменьшать вибрации, изменять форму и увеличивать плавность и естественность передвижения. Создание экзоскелета с предложенной структурой бионического управления позволит приблизить ходьбу больного к естественному стереотипу движения и обеспечить оптимальные энергозатраты.

Список используемых источников

Витензон, А. С. От естественного к искусственному управлению локомоцией [Текст] /А.С. Витензон, К.А. Петрушанская: Научно-медицинская фирма МБН, - М., 2003. – 448 с.

Гурфинкель В.С., Биоэлектрическое управление/Малкин В.Б., Цетлин М.Л., Шнейдер А.Ю. – М.: Наука, 1972. – 245 с.

Козаченко В.Ф. Микроконтроллерные системы управления электроприводами: современное состояние и перспективы развития. – М.: МЭИ, 2014. – 135с. 

Дубровский В.И. Федорова В.Н. Биомеханика: учебник для высших и средних заведений. – М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. – 672 с.

Бернштейн Н.А. Биомеханика и физиология движения / Под редакцией В.П. Захарченко – М.: Издательство «Институт практичечской психологии», 2012. – 608 с.

Витензон, А. С. Зависимость биомеханических параметров от скорости ходьбы. Протезирование и протезостроение. [Текст]: учеб. для вузов / А.С. Витензон, ЦНИИПП, – М. 1974. – С. 53-65

Ломов, Б.Ф. Человек в системах управления. – М.: Медицина, 2007. –354с.

Рангайян, Р.М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход. учебное пособие. - М. : Физматлит, 2010. - 436 с.

Код для цитирования: Скопировать