RU2627818C1 - Способ бионического управления техническими устройствами - Google Patents

Способ бионического управления техническими устройствами Download PDF

Info

Publication number
RU2627818C1
RU2627818C1 RU2016109214A RU2016109214A RU2627818C1 RU 2627818 C1 RU2627818 C1 RU 2627818C1 RU 2016109214 A RU2016109214 A RU 2016109214A RU 2016109214 A RU2016109214 A RU 2016109214A RU 2627818 C1 RU2627818 C1 RU 2627818C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
muscle
control
muscles
impedance
Prior art date
Application number
RU2016109214A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Игоревич Щукин
Александр Викторович Кобелев
Игорь Константинович Сергеев
Олег Степанович Нарайкин
Original Assignee
Сергей Игоревич Щукин
Александр Викторович Кобелев
Игорь Константинович Сергеев
Олег Степанович Нарайкин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Игоревич Щукин, Александр Викторович Кобелев, Игорь Константинович Сергеев, Олег Степанович Нарайкин filed Critical Сергей Игоревич Щукин
Priority to RU2016109214A priority Critical patent/RU2627818C1/ru
Priority to US16/085,529 priority patent/US10874530B2/en
Priority to PCT/RU2017/000114 priority patent/WO2017160183A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2627818C1 publication Critical patent/RU2627818C1/ru

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A61F2/72—Bioelectric control, e.g. myoelectric
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
    • A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
    • A61B5/296—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electromyography [EMG]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/389—Electromyography [EMG]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/48—Other medical applications
    • A61B5/4851—Prosthesis assessment or monitoring
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63F—CARD, BOARD, OR ROULETTE GAMES; INDOOR GAMES USING SMALL MOVING PLAYING BODIES; VIDEO GAMES; GAMES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • A63F13/00—Video games, i.e. games using an electronically generated display having two or more dimensions
    • A63F13/20—Input arrangements for video game devices
    • A63F13/21—Input arrangements for video game devices characterised by their sensors, purposes or types
    • A63F13/212—Input arrangements for video game devices characterised by their sensors, purposes or types using sensors worn by the player, e.g. for measuring heart beat or leg activity
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/015—Input arrangements based on nervous system activity detection, e.g. brain waves [EEG] detection, electromyograms [EMG] detection, electrodermal response detection
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0531—Measuring skin impedance
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0538—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body invasively, e.g. using a catheter
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/48—Operating or control means, e.g. from outside the body, control of sphincters
    • A61F2/482—Electrical means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/54—Artificial arms or hands or parts thereof

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Neurosurgery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области медицины, а именно к способам управления биоэлектрическими протезами, электронными имплантами или экзоскелетами. Регистрируют электрический импеданс с мышц-антагонистов при выполнении естественного движения этими мышцами. Для регистрации импеданса через мышцы пропускают переменный электрический ток. Рассчитывают текущее значение степени сгибания конечности и полученное значение используют в качестве сигнала управляющего воздействия,. подают его в блок управления и затем на исполнительный механизм. Способ позволяет повысить эффективность бионического управления, что достигается за счет регистрации электрического импеданса с движущейся мышцы и использования в качестве управляющего сигнала расчетной степени сгибания конечности. 7 з.п. ф-лы, 2 пр., 6 ил.

Description

Способ бионического управления техническими устройствами
Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано для управления специальными техническими устройствами, например биоэлектрическими протезами, электронными имплантами, экзоскелетами; компьютером, игровой приставкой или другим специальным техническим устройством.
Принцип действия биоэлектрических протезов основан на том, что после ампутации на культе остается часть мускулатуры, которая может сокращаться. Это приводит к появлению в мышце электрического потенциала, который считывается и передается на микропроцессор протеза.
Экзоскелет - устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счет внешнего каркаса и приводящих элементов.
Робототехнические устройства - устройства, включающие роботов, рабочие органы роботов, а также машины, оборудование, устройства и датчики, поддерживающие роботов во время работы.
Электронейрография - это метод исследования скорости проведения электрического импульса по нервам.
Сигнал электромиограммы - сигнал, полученный в результате сокращения мышцы, возникающий как следствие двигательных намерений человека, характеризует биоэлектрическую активность мышц.
Развитие нейробиологии, нейрохирургии, микроэлектроники и технологий цифровой обработки сигналов создает возможности практической реализации нейроуправляемых систем управления биотехническими устройствами.
В последние годы различные робототехнические устройства все шире внедряются в сферу медицины. Это связано с развитием соответствующей элементной базы мехатронных и сенсорных устройств, разработкой биологически безопасных материалов, а также методов получения/обработки информации о состоянии отдельных органов человека.
При разработке био- или нейроуправляемых биотехнических устройств в первую очередь необходимо определить способ получения информации о совершаемом движении.
В современных биотехнических средствах типа систем взаимодействия человек - компьютер (Human Computer Interaction - HCI) для этого используют биопотенциалы: электроэнцефалограммы (ЭЭГ), электромиограммы (ЭМГ), электронейрограммы (ЭНГ), электроокулограммы (ЭОГ).
Наибольшее распространение получило использование электромиограммы.
Миография - это регистрация сократительной деятельности мышцы. Простейший способ графической регистрации мышечного сокращения - механическая запись с помощью рычага, свободный конец которого пишет на ленте миографа соответствующую кривую - миограмму. Помимо таких механических миографов, используются и оптические, регистрирующие работу мышцы на светочувствительной пленке или бумаге. Миографы разных конструкций обеспечивают регистрацию изотонических или изометрических сокращений мышц. Наиболее совершенным является метод измерения колебаний напряжения мышцы с помощью датчиков, преобразующих механические изменения в электрические, регистрируемые на осциллографе. Таким способом удается регистрировать сокращения отдельных мышечных клеток. Метод миография в сочетании с другими физиологическими методами позволяет изучить основные закономерности сократительной функции мышц.
Электромиография - это метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон; регистрация электрической активности мышечных волокон.
Электромиографию используют для электрофизиологической диагностики поражений нервно-мышечной системы.
Различают спонтанную электромиограмму, отражающую состояние мышц в покое или при мышечном напряжении (произвольном или синергическом), а также вызванную, обусловленную электрической стимуляцией мышцы или нерва. Электромиография позволяет проводить топическую диагностику поражения нервной и мышечной систем (надсегментарных пирамидных и экстрапирамидных структур, мотонейронов передних рогов, спинномозговых корешков и нервов, нервно-мышечного синапса и собственно иннервируемой мышцы), оценивать тяжесть, стадию, течение заболевания, эффективность применяемой терапии.
Известно, что начало мышечного сокращения инициируется электрическими импульсами в нервных стволах, приходящих в мышечные волокна. Эти импульсы деполяризуют мембрану мышечных клеток, в результате чего в мышечных волокнах создается потенциал действия, который быстро распространяется по нервному волокну и приводит к его сокращению. Причем сокращение лишь инициируется этим потенциалом действия, а сам процесс сокращения гораздо длительнее. Используя игольчатые (инвазивные) или поверхностные электроды, можно зарегистрировать сумму потенциалов действия всех вовлеченных в процесс клеток. Этот сигнал называется сигналом электромиограммы (ЭМГ) [De Luca, Carlo (2006), Electromyography. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Second Edition, Volume 3. John Wiley Publisher, pp. 98-109]. Последующая обработка и извлечение информативных признаков из ЭМГ позволяет реализовать управление техническими устройствами, например, биоэлектрическими протезами. [Alter, Ralph (1966), Bioelectric Control of Prostheses, Technical Report: Massachusetts Institute of Technology, Research Laboratory of Electronics].
Создание таких устройств особенно перспективно для восстановления движений после ампутаций и параличей, когда остаточная биоэлектрическая активность усеченных или парализованных мышц естественным образом используется для управления движениями протеза или ортопедического аппарата.
При этом поверхностные или имплантированные электроды культи в результате электрической активности мышцы формируют поступающие на усилитель электрические сигналы, позволяющие получать данные о виде совершаемого движения. Эти данные преобразуются в соответствующие управляющие сигналы исполнительных механизмов искусственной конечности. Очевидно, что для создания качественных протезов с био- и нейроэлектрическим управлением необходим качественный и стабильный сигнал.
Известны способы электромиографического управления протезом (RU №2108768, 1995 г.; DE №2354885, 1972 г.; RU №2508078, 2010 г.; US №5888213, 1999 г.; FR №2957245, 2011 г.).
Недостатком всех известных способов электромиографического управления протезами является то, что сигналы деполяризации от стимулированных одновременно мышц накладываются, поэтому получить сигнал ЭМГ об активности конкретной мышцы крайне тяжело. Кроме того, влияние перекрестных (интерференционных) помех от соседних мышц возрастает с ростом расстояния между измерительными электродами.
При этом сигналы ЭМГ хорошо отражают начало мышечного сокращения, но не дают истинного представления о характере движения мышцы при сокращении.
Кроме того, хотя сигнал ЭМГ один из самых простых электрофизиологических сигналов для измерения, но он же является одним из самых трудных для количественной интерпретации. Поэтому для распознавания различных движений по сигналам ЭМГ необходимо увеличивать количество электродных систем, накладываемых на мышцу, что не всегда возможно, например, при больших уровнях ампутации.
Известны способы определения сократительной способности мышцы, которая регистрируется при контроле нейромышечной функции (уровня нейромышечной блокады) во время наркоза. Методика оценки основана на использовании диагностической электронейростимуляции (Гехт, Коломенская, Строков, 1974; Воронович, Шалатонина, 1979; Старобинец, Волкова, 1981; Молла-Заде, Зенков, 1984). Для этой цели производят раздражение скелетных мышц импульсами электрического тока. Интенсивность вызванного внешней стимуляцией мышечного ответа отражает состояние нейромышечной передачи и, соответственно, влияние миорелаксантов.
Авторам неизвестны источники информации, в которых описано использование пропускаемого через мышцу переменного тока для целей управления биотехническими устройствами.
Наиболее близким к предложенному способу можно считать способ бионического управления движением технического устройства (WO №2012150500, 2012 г.), согласно которому осуществляют формирование управляющего сигнала посредством регистрации электрофизиологического сигнала с мышцы, обработку его, поступление в блок управления и затем на исполнительный механизм.
Недостатки известного способа, как и вышеупомянутых, состоят в том, что управляющий сигнал формируется лишь на основании биоэлектрической активности самих мышц, возникающей как следствие двигательных намерений пользователя протеза.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности получения качественного и стабильного сигнала, который при управлении техническим устройством позволяет формировать пропорциональные степени мышечного сокращения управляющие воздействия с задержкой не более 120 мс.
Технический результат в данном случае состоит в обеспечении возможности получения управляющего сигнала, основанного на регистрации сокращения мышцы во времени.
В этом случае стало возможно отследить, зарегистрировать и превратить в управляющий сигнал «само движение мышцы» во времени, тогда как известные способы снятия биопотенциалов с мышцы с помощью мио-датчиков фиксируют лишь начало сокращения.
Для достижения технического результата в способе бионического управления техническими устройствами, который включает формирование управляющего воздействия посредством регистрации электрофизиологического сигнала с сокращающейся мышцы, обработку сигнала, поступление его в блок управления и затем на исполнительный механизм, регистрацию электрофизиологического сигнала осуществляют путем пропускания через мышцу переменного электрического тока, затем определяют электрический импеданс, а в качестве управляющего воздействия используют изменение электрического импеданса при сокращении мышцы.
Таким образом, в качестве электрофизиологического сигнала используют сигнал электрического импеданса.
Предпочтительно при этом, что пропускают электрический ток с частотой от 10 кГц до 100 МГц и амплитудой от 0,01 до 10 мА.
Предпочтительно при этом, что электрический ток пропускают с использованием токовых электродов, расположенных на поверхности кожных покровов или в глубине тканей.
Предпочтительно при этом, что электроды располагают на мышцах-антагонистах.
Предпочтительно при этом, что одновременно с сигналом электрического импеданса регистрируют сигнал электромиограммы сокращающейся мышцы.
Предпочтительно при этом, что диапазон частот сигнала электромиограммы составляет от 50 до 400 Гц.
Предпочтительно при этом, что в качестве управляющего воздействия используют оба сигнала совместно.
Предпочтительно при этом, что для регистрации сигнала электрического импеданса и одновременно сигнала электромиограммы используют импедансный измерительный преобразователь.
Предпочтительно при этом, что в качестве технического устройства используют протез верхних конечностей.
Предпочтительно при этом, что в качестве технического устройства используют компьютер.
Предпочтительно при этом, что в качестве технического устройства используют игровую приставку.
Предпочтительно при этом, что в качестве технического устройства используют робототехническое устройство.
На рис. 1 показана, (как вариант) синхронная регистрация электрофизиологического сигнала - электрического импеданса и сигнала электромиограммы (ЭМГ) с электродов, расположенных на поверхности кожи над мышцей сгибателем пальцев при выполнении движения «схват кисти».
Для реализации способа авторами разработана схема устройства, показанная на рис. 2, где ТЭ - токовый электрод, ИЭ - измерительный электрод, ИП - измерительный преобразователь.
Авторами были разработаны также электродные системы, представляющие собой основание (из резины или пластмассы), на котором закреплены четыре электрода, как показано на рис. 3.
Через электроды 1 и 4 подается ток (токовые электроды), а напряжение измеряется как разность потенциалов между электродами 2 и 3 (потенциальные электроды).
Способ реализуют в соответствие со схемой, показанной на рис. 4.
Микропроцессор генерирует управляющие сигналы на источник ток 1, который пропускает переменный электрический ток (частота 100 кГц, амплитуда 3 мА) через токовые электроды, расположенные на поверхности кожных покровов над мышцей.
Напряжение на потенциальных электродах, которое регистрирует входной усилитель, представляет собой алгебраическую сумму синфазной помехи, сигнала ЭМГ и амплитудно-модулированного напряжения на частоте 100 кГц, возникающее как разность потенциалов от воздействия источника тока (сигнал электрического импеданса). Основное назначение входного усилителя - подавление синфазной помехи.
Сигнал ЭМГ отделяется от сигнала электрического импеданса полосовым фильтром с полосой пропускания от 50 Гц до 400 Гц (фильтр ЭМГ-канала). Амплитудно-модулированный сигнал электрического импеданса отделяется от сигнала ЭМГ полосовым фильтром с полосой пропускания от 10 кГц до 1 МГц (фильтр канала импеданса) и детектируется синхронным детектором. Для работы синхронного детектора в качестве несущей опорной частоты микропроцессор генерирует тот же опорный сигнал, что и для соответствующего источника тока. После дополнительного усиления, оба канала оцифровываются аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Так получают сигнал управления с одной мышцы.
Однако для получения более качественного и стабильного сигнала управления техническим устройством следует использовать второй канал прибора, который, работая аналогичным образом, регистрирует сигнал электрического импеданса и сигнал ЭМГ со второй мышцы - мышцы-антагониста.
Чтобы исключить взаимное влияние двух электроимпедансных каналов, используется фазовое или временное разделение каналов. В случае фазового разделения каналов, источник тока 1 генерирует синусоиду, а источник тока 2 - косинусоиду. В случае временного разделения каналов, источники тока работают попеременно в разные моменты времени.
Одним из возможных вариантов использования предложенного способа может служить устройство для бионического управления протезом кисти, которое состоит из: двух тетраполярных электродных систем; двухканального импедансного измерительного преобразователя; блока обработки; блока управления и исполнительного механизма - протеза кисти, как показано на рис. 5.
Электродные системы располагаются на культе, в проекциях сохранившихся мышц-антагонистов (разгибателей и сгибателей кисти). Инвалид напрягает и расслабляет мышцы так же, как при естественных движениях сгибания и разгибания кисти (показано на графиках рис. 6.)
При разгибании кисти (17-я секунда) импеданс первого измерительного канала (канал разгибателей) уменьшается, а импеданс второго измерительного канала (канал сгибателей) увеличивается. При сгибании (21 секунда) процесс противоположный.
В данном примере, блок обработки вычисляет степень сгибания кисти (0% - кисть раскрыта полностью, 100% - кисть сжата полностью) по формуле
Figure 00000001
где I1, I2 - текущее значение импеданса первого и второго канала соответственно,
min(X1-X2) - минимальное значение разности импедансов первого и второго каналов,
max(X1-Х2) - максимальное значение разности импедансов первого и второго каналов,
В данном примере:
min(X1-Х2)=14,5-22=-7,5 (Ом) - достигается в момент времени 17 секунд,
max(X1-Х2)=19-18,5=0,5 (Ом) - достигается в момент времени 21 секунда.
Таким образом, можно вычислить степень сгибания кисти в любой момент времени, например, для 20 секунды:
Figure 00000002
Вычисленное значение текущей степени сгибания кисти передаются на блок управления, который формирует соответствующие команды на исполнительный механизм (кисть), необходимые для достижения соответствующе степени сгибания.
Следующие примеры иллюстрируют изобретение, не ограничивая его по существу.
Пример 1. Управление экзоскелетом
Управление экзоскелетом осуществляют по аналогичному принципу с некоторыми отличиями. Электродные системы размещаются в проекциях мышц-антагонистов. Оператор осуществляет естественные движения этими мышцами (например, сгибает-разгибает кисть). После вычисления степени сгибания кисти, сигнал передается на блок управления и далее на исполнительный механизм (привод экзоскелета). Для управления разными типами движений, необходимо расположить по две пары электродных систем на соответствующие мышцы-антагонисты.
Пример 2. Управление компьютером (например, громкостью звука)
Электродные системы размещаются в проекциях мышц-антагонистов (например, сгибателей-разгибателей кисти) на здоровой руке или на культе (если оператор-инвалид). Вычисленное значение текущей степени сгибания кисти передается на блок управления, который соединяется с компьютером по одному из стандартных интерфейсов (USB, последовательный порт, ИК-порт). Специализированное программное обеспечение компьютера принимает полученную информацию о степени сгибания кисти и устанавливает громкость звука, равную текущей степени сгибания кисти.

Claims (8)

1. Способ бионического управления техническим устройством, включающий формирование управляющего воздействия посредством регистрации электрофизиологического сигнала с сокращающейся мышцы, обработку его, подачу сигнала в блок управления и затем на исполнительный механизм, отличающийся тем, что в качестве электрофизиологического сигнала регистрируют электрический импеданс с мышц-антагонистов при выполнении естественного движения этими мышцами; для регистрации импеданса через мышцы пропускают переменный электрический ток, рассчитывают текущее значение степени сгибания конечности и полученное значение используют в качестве сигнала управляющего воздействия.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропускают электрический ток с частотой от 10 кГц до 100 МГц и амплитудой от 0,01 до 10 мА.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрический ток пропускают с использованием токовых электродов, расположенных на поверхности кожных покровов или в глубине тканей.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для регистрации сигнала электрического импеданса используют импедансный измерительный преобразователь.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве технического устройства используют протез верхних конечностей.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве технического устройства используют компьютер.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве технического устройства используют игровую приставку.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве технического устройства используют робототехническое устройство.
RU2016109214A 2016-03-15 2016-03-15 Способ бионического управления техническими устройствами RU2627818C1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109214A RU2627818C1 (ru) 2016-03-15 2016-03-15 Способ бионического управления техническими устройствами
US16/085,529 US10874530B2 (en) 2016-03-15 2017-03-06 Method of bionic control of technical devices
PCT/RU2017/000114 WO2017160183A1 (en) 2016-03-15 2017-03-06 Method of bionic control of technical devices.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109214A RU2627818C1 (ru) 2016-03-15 2016-03-15 Способ бионического управления техническими устройствами

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2627818C1 true RU2627818C1 (ru) 2017-08-11

Family

ID=59388130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016109214A RU2627818C1 (ru) 2016-03-15 2016-03-15 Способ бионического управления техническими устройствами

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10874530B2 (ru)
RU (1) RU2627818C1 (ru)
WO (1) WO2017160183A1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2673151C1 (ru) * 2017-07-26 2018-11-22 Сергей Игоревич Щукин Способ бионического управления техническими устройствами
RU2748428C1 (ru) * 2020-02-05 2021-05-25 Андрей Николаевич Брико Комплекс для бионического управления техническими устройствами
RU2756162C1 (ru) * 2020-07-05 2021-09-28 Андрей Николаевич Брико Способ и комплекс бионического управления техническими устройствами
RU2762766C1 (ru) * 2021-02-15 2021-12-22 Общество с ограниченной ответственностью "МОТОРИКА" Система и способ управления электромеханическим протезом

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2627818C1 (ru) * 2016-03-15 2017-08-11 Сергей Игоревич Щукин Способ бионического управления техническими устройствами
DE102018205306B3 (de) 2018-04-09 2019-07-18 Fachhochschule Lübeck Orthesen- oder Prothesen-System und Verfahren zur Orthesen- oder Prothesensteuerung oder -regelung
CN111317600B (zh) * 2018-12-13 2022-03-15 深圳先进技术研究院 一种假肢控制方法、装置、***、设备和存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA26599U (en) * 2007-06-11 2007-09-25 Mykola Vasyliovych Kosinov Colloidal solution of metal or mixture of metals
FR2957245A1 (fr) * 2010-03-15 2011-09-16 Oscar Feltrin Prothese de main a moteur electrique
WO2012150500A1 (en) * 2011-05-03 2012-11-08 Victhom Human Bionics, Inc. Impedance simulating motion controller for orthotic and prosthetic applications
RU2550417C2 (ru) * 2010-02-25 2015-05-10 Турбомека Гибкая опора заднего подшипника с упором для газотурбинного двигателя

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3735425A (en) * 1971-02-10 1973-05-29 Us Of America The Secretary Of Myoelectrically controlled prothesis
AT323317B (de) 1972-11-08 1975-07-10 Viennatone Hoergeraete Myoelektrische steuerschaltung
DE4416509C1 (de) 1994-05-10 1995-11-23 Bock Orthopaed Ind Verfahren zur myoelektrischen Steuerung eines Kunstgliedes
US5888213A (en) 1997-06-06 1999-03-30 Motion Control, Inc. Method and apparatus for controlling an externally powered prosthesis
US20070038311A1 (en) * 2005-08-11 2007-02-15 Rehabilitation Institute Of Chicago System and method for improving the functionality of prostheses
DE102009052895A1 (de) 2009-11-13 2011-05-19 Otto Bock Healthcare Products Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines künstlichen orthetischen oder prothetischen Kniegelenkes
TWI467520B (zh) 2010-11-10 2015-01-01 Univ Nat Chiao Tung 建構個人化神經刺激模型之系統及方法
WO2013188650A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-19 Articulate Labs, Inc. Adaptive stimulation apparatus and technique
US9241669B2 (en) 2012-07-18 2016-01-26 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. Neuromuscular sensing for variable-optic electronic ophthalmic lens
WO2015061453A1 (en) * 2013-10-22 2015-04-30 Msssachusetts Institute Of Technology Peripheral neural interface via nerve regeneration to distal tissues
RU2627818C1 (ru) * 2016-03-15 2017-08-11 Сергей Игоревич Щукин Способ бионического управления техническими устройствами
DE102016114075B3 (de) * 2016-07-29 2017-11-16 Otto Bock Healthcare Products Gmbh Orthopädietechnisches System und Verfahren zu dessen Steuerung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA26599U (en) * 2007-06-11 2007-09-25 Mykola Vasyliovych Kosinov Colloidal solution of metal or mixture of metals
RU2550417C2 (ru) * 2010-02-25 2015-05-10 Турбомека Гибкая опора заднего подшипника с упором для газотурбинного двигателя
FR2957245A1 (fr) * 2010-03-15 2011-09-16 Oscar Feltrin Prothese de main a moteur electrique
WO2012150500A1 (en) * 2011-05-03 2012-11-08 Victhom Human Bionics, Inc. Impedance simulating motion controller for orthotic and prosthetic applications

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КРИВОШЕЕВ С.В. и др. Применение электромиографии при реализации различных стротегий управления бионического протеза руки. XI Всероссийский съезд по функциональным пролемам теоритической и прикладной механики. 2015, с. 2085-2086. Young A.J. et.al. A comparison of the real-time controllability of pattern recognition to conventional myoelectric control for discrete and simultaneous movements. J Neuroeng Rehabil. 2014 Jan 10;11:5. ВОРОТНИКОВ С.А. и др. Биометрическая система управления протезом руки. Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013, 3, с. 147-162. ASRMANN O.C. et al. Bionic reconstruction to restore hand function after brachial plexus injury: a case series of three patients. Lancet. 2015 May 30;385(9983):2183-9. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2673151C1 (ru) * 2017-07-26 2018-11-22 Сергей Игоревич Щукин Способ бионического управления техническими устройствами
RU2748428C1 (ru) * 2020-02-05 2021-05-25 Андрей Николаевич Брико Комплекс для бионического управления техническими устройствами
RU2756162C1 (ru) * 2020-07-05 2021-09-28 Андрей Николаевич Брико Способ и комплекс бионического управления техническими устройствами
RU2762766C1 (ru) * 2021-02-15 2021-12-22 Общество с ограниченной ответственностью "МОТОРИКА" Система и способ управления электромеханическим протезом

Also Published As

Publication number Publication date
US10874530B2 (en) 2020-12-29
US20190099279A1 (en) 2019-04-04
WO2017160183A1 (en) 2017-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2627818C1 (ru) Способ бионического управления техническими устройствами
Farrell A comparison of the effects of electrode implantation and targeting on pattern classification accuracy for prosthesis control
Oddo et al. Intraneural stimulation elicits discrimination of textural features by artificial fingertip in intact and amputee humans
Jamal Signal acquisition using surface EMG and circuit design considerations for robotic prosthesis
US6936012B2 (en) Method and apparatus for identifying constituent signal components from a plurality of evoked physiological composite signals
Chen et al. Sonomyography (SMG) control for powered prosthetic hand: a study with normal subjects
Crouch et al. Comparing surface and intramuscular electromyography for simultaneous and proportional control based on a musculoskeletal model: A pilot study
Stachaczyk et al. Adaptive spatial filtering of high-density EMG for reducing the influence of noise and artefacts in myoelectric control
Fara et al. Robust, ultra low-cost mmg system with brain-machine-interface applications
RU2673151C1 (ru) Способ бионического управления техническими устройствами
Fara et al. Prediction of arm end-point force using multi-channel MMG
Keenan et al. Coherence between surface electromyograms is influenced by electrode placement in hand muscles
Al-Quraishi et al. Multichannel EMG data acquisition system: Design and temporal analysis during human ankle joint movements
Kunju et al. EMG signal analysis for identifying walking patterns of normal healthy individuals
Shalaby Development of an electromyography detection system for the control of functional electrical stimulation in neurological rehabilitation
Paleari et al. Towards NIRS-based hand movement recognition
Briko et al. Effect of electrode pressure on neuromuscular signals during hand movements
Schill et al. Automatic adaptation of a self-adhesive multi-electrode array for active wrist joint stabilization in tetraplegic SCI individuals
Sharma et al. Movement control of robot in real time using EMG signal
Ali EMG signals detection technique in voluntary muscle movement
RU2748428C1 (ru) Комплекс для бионического управления техническими устройствами
Cecchini Average threshold crossing validation for functional electrical stimulation applied to surface electromyographic signals
Bradford et al. High-density Surface and Intramuscular EMG Data from the Tibialis Anterior During Dynamic Contractions
Centracchio A New Piezoelectric Sensor for Forcemyography Application
Pecolt et al. Conversion of bioelectric sEMG signals into analog form for the BLDC motors control