X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Несмотря на значительный прогресс медицины, встречаются ситуации, при которых самым эффективным способом лечения является ампутация конечности. Согласно статистическим данным наиболее часто люди теряют ноги. Только в России ежегодно делаются более 500 тысяч операций по ампутациям нижних конечностей. 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 биоэлектрические сигналы самого инвалида. Как известно [1, 2], биоэлектрическое воздействие, передаваемое от центральной нервной системы к мышцам, отражается на поверхности кожи человека повышением амплитуды биопотенциалов. Метод исследования нервно-мышечной системы посредством регистрации биоэлектрических потенциалов в медицине принято называть электромиографией (ЭМГ). 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.

На основе биоэлектрического управления, использующего сигналы ЭМГ в качестве управляющих сигналов, можно создать качественный и удобный бионический протез (рисунок 1).

Рисунок 1 – Внешний вид бионического протеза

На кафедре «Информационно-измерительная техника и метрология» Пензенского государственного университета ведутся работы по созданию бионического протеза. Авторами предлагается структурная схема блока регистрации ЭМГ-сигнала, позволяющего сформировать сигнал для управления протезом (рисунок 2).

Рисунок 2 – структурная схема системы управления бионическим протезом

Она состоит из электродной матрицы ЭМ, нормирующего усилителя НУ, полосового фильтра ПФ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и микропроцессора МП. Блок работает следующим образом. Электроды ЭМ расположены в местах расположения мотонейронов (двигательных единиц). В момент возникновения намерения движения на электродах регистрируется биоэлектрическая активность, проявляющаяся ростом амплитуды сигнала ЭМГ. Сигнал ЭМГ усиливается усилителем НУ. Усиленный сигнал поступает на полосовой фильтр, полоса пропускания которого соответствует диапазону изменения сигнала ЭМГ. Далее сигнал оцифровывается с помощью АЦП и поступает для дальнейшей обработки на МП, который обрабатывает его и формирует сигнал, управляющий исполнительными механизмами протеза.

На основе разработанной структурной схемы была разработана Simulink –модель, представленная на рисунке 3[3].

Рисунок 3 - Схема simulink-модели

Поскольку для снятия ЭМГ сигналов используются поверхностные электроды, то ЭМГ сигналы снимаются с нескольких точек. В модели используются реальные ЭМГ сигналы, которые были взяты с банка физиологических сигналов PhysioNet [4]. Simulink-модель вычисляет суммарный ЭМГ сигнал, вид суммарного ЭМГ сигнала изображен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Суммарный ЭМГ сигнал

Сигнал поступает на вход фильтра. Выходной сигнал фильтра представлен на рисунке 5. Для получения сигнала, удобного для управления исполнительными механизмами протеза нижней конечности, необходимо получить огибающую, что делается в модели с помощью блока, реализующего функцию Гильберта. Выходной сигнал огибающей представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Сигнал после полосового фильтра и огибающая

С помощью АЦП и микроконтроллера в дальнейшем ЭМГ сигнал можно использовать для управления аппаратной частью бионического протеза. Сигнал, регистрируемый на АЦП, представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Сигнал для управления исполнительными механизмами протеза

Таким образом, при встраивании предложенной модели в систему управления позволит приблизить ходьбу на протезе к естественному стереотипу движения, так как используются биопотенциалы самого ампутатнта.

Список литературы

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

Рангайян, Р.М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход. [Электронный ресурс]: Учебное пособие.— М.: Физматлит, 2010. — 436 с. Режим доступа: http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=2292

Дьяконов В. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. – М.: Солон – Пресс, 2002.

https://www.physionet.org/

Код для цитирования: Скопировать