4. Активные биоуправляемые протезы верхних и нижних конечностей

Биопротезирование верхних и нижних конечностей, утраченных в результате травм или болезни опирается на более простые решения. Некоторые простейшие решения в какой-то степени лишь эстетически восстанавливают внешность конечностей, другие решения восстанавливают некоторые функции. На рис.18 приведена классификация протезов, в которой выделены классы активных и биоуправляемых протезов.

Рис.18

Разработанные на основе теории баллистических синергий [21], протезы нижних конечностей не являются активными и не используют биосигналы, но эффективно используют упругость пружин протезов.

В тяговых протезах верхних конечностей, вначале как пассивных, движения схвата кисти вызывались за счёт дополнительных движений сохранившейся части руки или за счёт движения туловища. Передающим звеном вначале были гибкие тяги, впоследствии появились активные тяговые протезы, в которых движения тяг воспроизводились встроенными двигателями.

Активными, но не биоуправляемыми, являются миотонические протезы, в которых управляющими сигналами являются усилия инвалида. Датчики в виде микровыключателей или тензоэлементов измеряют эти усилия и передают на исполнительные приводы кисти.

Рассмотренные способы протезирования без использования биосигналов имеют ряд недостатков. Управляющие тяги обременяют инвалида, затрудняют движения плечевого пояса, число управляющих команд так же, как при миотоническом управлении, ограничено (одна-две команды). Помехами для управления являются случайные внешние толчки в гильзу культи протеза. Тем не менее, простейшие протезы разработаны в виде модульных конструкций и выпускаются серийно [22, 23].

Развитию биоуправляемых протезов способствовали достижения в области электрофизиологии, биомеханики, микроэлектроники, адаптивных систем управления с обратными связями.

В настоящее время известна немецкая фирма “Otto Bock”, серийно выпускающая пассивные и активные протезы. На рис.19 приведен активный протез коленного сустава.

Рис.19

Наиболее значительные результаты по биопротезированию в 70-80-х годах в России известны по работам ЦНИИ ПП [23]. В работах ЦНИИПП родилось принципиально новое направление в протезировании конечностей — создание протезов с биоэлект­рической системой управления или биоуправляемых протезов. Сущность нового принципа построения искусственных конеч­ностей состоит в том, что управление внешними источниками энергии, за счет которой работает протез, в своей основе по­добно естественной координации движений здорового человека.

В живом организме управляющие воздействия передаются мышцам посредством биоэлектрических импульсов, отража­ющих команды центральной нервной системы. Подобно этому в протезе руки с биоэлектрическим управлением роль команд­ных сигналов выполняют биотоки, отводимые от усеченных мышц культи. Механизмом, исполняющим команды, является искусственная кисть, снабженная малогабаритным электри­ческим приводом с автономным питанием.

По материалам симпозиума 2004 г. в Пенсильвании [12, 13] известны активные протезы и экзоскелетоны, приведенные на рис.20.

Рис.20 Активные протезы и экзоскелетоны

Одними из первых работ в области активных протезов и экзоскелетонов являются работы Миомира Вукобратовича [24]. Под его руководством были разработаны экзоскелетоны, в одном варианте с электрическими, в другом с пневматическими приводами тазобедренного, коленного и голеностопного суставов для обеих ног пациента ( рис.21). Экзоскелетон предназначался для усиления дистрофически слабых мышц нижних конечностей человека во время ходьбы.

Рис.21

Японская компания Matsushita разработала роботизированный костюм , который поможет реабилитации частично парализованных людей (рис.22). Когда человек, страдающий параличом на одну руку, делает движение здоровой рукой, парализованная рука делает то же самое движение, напрягая и сгибая компрессоры, которые играют роль мускулатуры. Повторяя движения здоровой руки, человек в роботизированном костюме может тренировать свою больную руку до восстановления нормального функционирования конечности.Рис.22

Костюм весит 1,8 кг. Он был разработан совместно компанией

Были проведены испытания костюма в госпитале, и планируется поставить производство на коммерческую основу. Приблизительная цена костюма для использования в реабилитационных клиниках составит 17000 долл., для домашнего использования – около 2000 долл.

Другая токийская компания Cyberdine разработала автоматизированный костюм HAL (Hybrid Assistive Limb) (рис. 23), который помогает пожилым людям и людям с ограниченными способностями ходить. Устройство с датчиками будет доступно в Японии за арендную плату, составляющую 2200$ в месяц. 22-фунтовая компьютерная система, работающая от батареи, крепится к талии. Она управляет приводами на скобах, которые крепятся ремнями к бедрам и коленям, и обеспечивают автоматизированную помощь во время ходьбы. 

Рис.23

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

— управление, использующее в качестве команд или сигналов обратной связи сигналы биоэлектрической активности. Живая ткань, реагируя на электр. раздражение, может проводить и генерировать ток. Когда возбуждение с нерва переходит на мышцу, в ней происходит процесс возбуждения и возникают биоэлектрические потенциалы, а затем уже развивается и более медленный процесс — сокращение мышцы. Осциллограммы потенциалов мышц, находящихся в возбуждении, наз. электромиограммами (ЭМГ). Осн. параметрами ЭМГ при снятии их поверхностными электродами являются амплитуда и частота потенциалов. Наиболее широкое распространение получили методы Б. у., в основе которых лежит использование биоэлектр. активности мышц. Исследования показали, что для большинства скелетных мышц существуют зависимости между мощностью биосигналов, напряжением и скоростью сокращения или удлинения мышц. Эти зависимости используются при проектировании биотех. систем управления, предназначенных для моделирования двигательных реакций.

Б. у. двигательными ф-циями развивается в двух направлениях: управление тех. устр-вами (напр., протезами) с использованием внешних источников энергии (биопротезирование) и программное многоканальное Б. у. мышечной деятельностью при помощи командных сигналов, в основе которых лежит использование энергетических свойств биопотенциалов мышц,

Биоуправляемые протезы руки, впервые созданные в СССР, получили широкое признание и распространение. Ведется разработка многофункциональных биоуправляемых протезов конечностей. В блок-схеме биоуправляемого протеза руки биопотенциалы, снимаемые при помощи поверхностных электродов с мышцы, усиливаются в усилителе биопотенциалов, детектируются и сглаживаются в интеграторе. Напряжение на выходе этого блока пропорционально мгновенному значению мощности биотоков. С интегратора напряжение поступает в преобразователь, в котором непрерывные сигналы преобразовываются в частотноимпульсные. Пройдя черезусилитель мощности, импульсы поступают на вход мех. устр-ва. Для управления движением используются биотоки, отводимые с двух мышц - антагонистов, и, соответственно, два канала усиления и преобразования информации. На основании физиол. исследований в лаборатории космических исследований (США) реализовано управление с помощью выделения т. н. «миографического образа». Управляющая ф-ция при этом определяется мгновенным состоянием биоэлектр. активности группы управляющих мышц, участвующих в естественном движении, при помощи логического устр-ва. Участие соответствующих мышц при движении руки «вверх — вниз», «к себе — от себя» кодируется двоичным кодом.

Большую роль в создании биоуправляемых протезов играют системы с обратной связью. Для их разработки используют датчики разных типов: вибрационные, тензометрические, электромех. и др. Для В. у. мышечной деятельностью посредством преобразующего тех. устр-ва по принципу «мышца — устройство — мышца» или «человек — машина — человек» используют энергетические свойства биопотенциалов мышц.

Изучение характера биоэлектр. активности мышц методом ЭМГ позволяет сравнивать физиол. возможности выполнения активных двигательных актов в различных ситуациях. Результаты исследований дают возможность приступить к созданию сложных систем Б. у. активными движениями конечностей и тела человека. К системам такого типа можно отнести устройство, реализующее метод программного многоканального Б. у. — «Миотон», созданное в Ин-те кибернетики АН У ССР. В «Мио-тоне» имеется несколько каналов, и это позволяет регистрировать и управлять активностью групп мышц, участвующих в сложном движении. При управлении используются закономерности изменения степени биоэлектрической нервно-мышечной активности в процессе выполнения некоторых движений. В основу положены данные математической статистики, которые показывают, что среднее значение ЭМГ соответствует сумме частот элементарных электр. импульсов, возникающих в нервно-мышечной системе, а следовательно — степени возбуждения мышцы (блок-схему одного из каналов устр-ва «Миотон» см. на илл. между стр. 176—177). Принцип работы этого устр-ва состоит в том, что сигнал, снимаемый с мыши, участвующих в определенном двигательном акте (алгоритм движения), усиливается и служит для выработки сигнала, который подается на мышцы реципиента. Реципиент при соответствующем подборе амплитуд возбуждающих сигналов повторяет движение донора. Алгоритм движения, заранее записанный в блоке «Магнитной памяти», может многократно повторяться для воспроизведения определенных движений. Каждый канал устр-ва может работать независимо. Элемент обратной связи, введенный в устр-во по принципу «бйоэлектро-локации», позволяет автоматически корректировать управляющий сигнал при помощи ответной импульсации реципиента. Навязывание больным движений, близких к естественным, способствует развитию структурно-информационных перестроек в нервной системе, позволяя шире использовать ее компенсаторные механизмы во время лечения некоторых двигательных расстройств. «Миотон» успешно применяют при лечении больных с нарушениями двигательных функций.

Подобные исследования проводятся и за рубежом: в Югославии, Канаде, США и Польше. В США, напр., создан аппарат кисти, в котором для раскрытия используется стимуляция паретичной мышцы. В качестве управляющей используется трапециевидная мышца. Расширяются исследования по созданию средств Б. у. сердечным ритмом, дыханием

и работой искусственных органов и систем на основе поддержания гомеостатического постоянства уровней непрерывных показателей внутренней среды организма. Совершенствование методов Б. у. позволит в ближайшее время расширить их применение не только в области медицины, но и в области техники.