Активні біоуправляемая протези верхніх і нижніх кінцівок

Біопротезуванні верхніх і нижніх кінцівок, втрачених в результаті травм або хвороби спирається на більш прості рішення. Деякі найпростіші рішення в якійсь мірі лише естетично відновлюють зовнішність кінцівок, інші рішення відновлюють деякі функції. На рис.18 наведено класифікацію протезів, в якій виділені класи активних і біоуправляемая протезів.

Розроблені на основі теорії балістичних синергій [21], протези нижніх кінцівок не є активними і не використовують біосигналів, але ефективно використовують пружність пружин протезів.

В тягових протезах верхніх кінцівок, спочатку як пасивних, руху схвата кисті викликалися за рахунок додаткових рухів збереженої частини руки або за рахунок руху тулуба. Передавальною ланкою спочатку були гнучкі тяги, згодом з'явилися активні тягові протези, в яких руху тяг відтворювалися вбудованими двигунами.

Активними, але не біоуправляемая, є міотоніческіе протези, в яких керуючими сигналами є зусилля інваліда. Датчики у вигляді мікровимикачів або тензоелементов вимірюють ці зусилля і передають на виконавчі приводи кисті.

Розглянуті способи протезування без використання біосигналів мають ряд недоліків. Кермові тяги обтяжують інваліда, ускладнюють руху плечового пояса, число керуючих команд так само, як при Міотонічна управлінні, обмежена (одна-дві команди). Перешкодами для управління є випадкові зовнішні поштовхи в гільзу кукси протеза. Проте, найпростіші протези розроблені у вигляді модульних конструкцій і випускаються серійно [22, 23].

Розвитку біоуправляемая протезів сприяли досягнення в області електрофізіології, біомеханіки, мікроелектроніки, адаптивних систем управління із зворотними зв'язками.

В даний час відома німецька фірма "Otto Bock", яка серійно випускає пасивні і активні протези. На рис.19 наведено активний протез колінного суглоба.

Найбільш значні результати по біопротезуванні в 70-80-х роках вУкаіни відомі по роботах ЦНДІ ПП [23]. У роботах ЦНІІПП народилося принципово новий напрямок в протезуванні кінцівок - створення протезів з біоелект-рической системою управління або біоуправляемая протезів. Суть нового принципу побудови штучних конеч-ностей полягає в тому, що управління зовнішніми джерелами енергії, за рахунок якої працює протез, в своїй основі по-добно природної координації рухів здорової людини.

В живому організмі, що управляють передаються м'язам за допомогою біоелектричних імпульсів, що відображає-чих команди центральної нервової системи. Подібно до цього в протезі руки з біоелектричних управлінням роль команд-них сигналів виконують біоструми, що відводяться від усічених м'язів кукси. Механізмом, який виконує команди, є штучна кисть, забезпечена малогабаритним електрич-ного приводом з автономним живленням.

Рис.20 Активні протези і екзоскелетони

Одними з перших робіт в області активних протезів і екзоскелетонів є роботи Міомір Вукобратовіча [24]. Під його керівництвом були розроблені екзоскелетони, в одному варіанті з електричними, в іншому з пневматичними приводами тазостегнового, колінного і гомілковостопного суглобів для обох ніг пацієнта (рис.21). Екзоскелетон призначався для посилення дистрофически слабких м'язів нижніх кінцівок людини під час ходьби.

Японська компанія Matsushita розробила роботизований костюм. який допоможе реабілітації частково паралізованих людей (рис.22). Коли людина, що страждає паралічем на одну руку, робить рух здоровою рукою, паралізована рука робить те ж саме рух, напружуючи і згинаючи компресори, які грають роль мускулатури. Повторюючи руху здорової руки, людина в роботизованому костюмі може тренувати свою хвору руку до відновлення нормального функціонування конечності.Ріс.22

Костюм важить 1,8 кг. Він був розроблений спільно компанією

Інша токійська компанія Cyberdine розробила автоматизований костюм HAL (Hybrid Assistive Limb) (рис. 23), який допомагає людям похилого віку та людям з обмеженими здібностями ходити. Пристрій з датчиками буде доступно в Японії за орендну плату, становить 2200 $ в місяць. 22-фунтова комп'ютерна система, що працює від батареї, кріпиться до талії. Вона управляє приводами на скобах, які кріпляться ременями до стегон і колін, і забезпечують автоматизовану допомогу під час ходьби.

- управління, що використовує в якості команд або сигналів зворотного зв'язку сигнали біоелектричної активності. Жива тканина, реагуючи на електро. роздратування, може проводити і генерувати струм. Коли збудження з нерва переходить на м'яз, в ній відбувається процес збудження і виникають біоелектричні потенціали, а потім вже розвивається і більш повільний процес - скорочення м'язи. Осцилограми потенціалів м'язів, що знаходяться в порушенні, наз. електроміограму (ЕМГ). Осн. параметрами ЕМГ при знятті їх поверхневими електродами є амплітуда і частота потенціалів. Найбільш широкого поширення набули методи Б. у. в основі яких лежить використання біоелектр. активності м'язів. Дослідження показали, що для більшості скелетних м'язів існують залежності між потужністю біосигналів, напругою і швидкістю скорочення або подовження м'язів. Ці залежності використовуються при проектуванні біотех. систем управління, призначених для моделювання рухових реакцій.

Б. у. руховими ф-ціями розвивається в двох напрямках: управління тех. пристрої вами (напр. протезами) з використанням зовнішніх джерел енергії (біопротезуванні) і програмне багатоканальне Б. у. м'язової діяльністю за допомогою командних сигналів, в основі яких лежить використання енергетичних властивостей биопотенциалов м'язів,

Біоуправляемая протези руки, вперше створені в СРСР, отримали широке визнання і поширення. Ведеться розробка багатофункціональних біоуправляемая протезів кінцівок. У блок-схемі біоуправляемая протеза руки біопотенціали, що знімаються за допомогою поверхневих електродів з м'язи, посилюються в підсилювачі биопотенциалов, детектируются і згладжуються в інтеграторі. Напруга на виході цього блоку пропорційно миттєвому значенню потужності біострумів. З інтегратора напруга надходить в перетворювач, в якому безперервні сигнали перетворюються в частотноімпульсние. Пройшовши черезусілітель потужності, імпульси надходять на вхід хутро. пристрої. Для управління рухом використовуються біоструми, що відводяться з двох м'язів - антагоністів, і, відповідно, два канали посилення і перетворення інформації. На підставі фізіолого. досліджень в лабораторії космічних досліджень (США) реалізовано управління за допомогою виділення т. н. «Міографічний образу». Керуюча ф-ція при цьому визначається миттєвим станом біоелектр. активності групи керуючих м'язів, що беруть участь в природному русі, за допомогою логічного пристрої. Участь відповідних м'язів при русі руки «вгору - вниз», «до себе - від себе» кодується двійковим кодом.

Велику роль у створенні біоуправляемая протезів грають системи зі зворотним зв'язком. Для їх розробки використовують датчики різних типів: вібраційні, тензометричні, електро. і ін. Для В. у. м'язової діяльністю за допомогою перетворює тих. пристрої за принципом «м'яз - пристрій - м'яз» або «людина - машина - людина» використовують енергетичні властивості биопотенциалов м'язів.

Вивчення характеру біоелектр. активності м'язів методом ЕМГ дозволяє порівнювати физиол. можливості виконання активних рухових актів в різних ситуаціях. Результати досліджень дають можливість приступити до створення складних систем Б. у. активними рухами кінцівок і тіла людини. До систем такого типу можна віднести пристрій, що реалізує метод програмного багатоканального Б. у. - «Міотонія», створене в Ін-ті кібернетики АН У РСР. У «Міо-тоні» є кілька каналів, і це дозволяє реєструвати і управляти активністю груп м'язів, що беруть участь в складному русі. При управлінні використовуються закономірності зміни ступеня біоелектричної нервово-м'язової активності в процесі виконання деяких рухів. В основу покладені дані математичної статистики, які показують, що середнє значення ЕМГ відповідає сумі частот елементарних електро. імпульсів, що виникають в нервово-м'язової системи, а отже - ступеня збудження м'язи (блок-схему одного з каналів пристрої «Міотонія» см. на іл. між стор. 176-177). Принцип роботи цього пристрої полягає в тому, що сигнал, що знімається з миші, що беруть участь в певному руховому акті (алгоритм руху), посилюється і служить для вироблення сигналу, який подається на м'язи реципієнта. Реципієнт при відповідному підборі амплітуд збуджуючих сигналів повторює рух донора. Алгоритм руху, заздалегідь записаний в блоці «Магнітною пам'яті», може багаторазово повторюватися для відтворення певних рухів. Кожен канал пристрої може працювати незалежно. Елемент зворотного зв'язку, введений в пристрої під за принципом «бйоелектро-локації», дозволяє автоматично коригувати керуючий сигнал за допомогою відповідної імпульсації реципієнта. Нав'язування хворим рухів, близьких до природних, сприяє розвитку структурно-інформаційних перебудов в нервовій системі, дозволяючи ширше використовувати її компенсаторні механізми під час лікування деяких рухових розладів. «Міотонія» успішно застосовують при лікуванні хворих з порушеннями рухових функцій.

Подібні дослідження проводяться і за кордоном: в Югославії, Канаді, США і Польщі. У США, наприклад. створений апарат кисті, в якому для розкриття використовується стимуляція паретичной м'язи. У якості керуючої використовується трапецієподібний м'яз. Розширюються дослідження зі створення засобів Б. у. серцевим ритмом, диханням

і роботою штучних органів і систем на основі підтримки гомеостатичного сталості рівнів безперервних показників внутрішнього середовища організму. Удосконалення методів Б. у. дозволить найближчим часом розширити їх застосування не тільки в області медицини, але і в області техніки.