Модель мышцы
МОДЕЛЬ МЫШЦЫ, содержащая блок формирования параболического напряжения и блок моделирования функции электромеханического преобразования мышечного волокна, выполненный из п последовательно соединенных интегрирующих усилителей, причем в обратную связь () х интегрирующих усилителей включен резистор, выход последнего интегрируняцего усилителя является выходом модели и соединен с входом блока формирования параболического напряжения ji с первым входом первого интегрирукицего усилителя блока моделирования функции электромеханического преобразования мышечного волокна, о т л ичающаяся тем, что, с целью повьпнения точности моделирования и упрощения конструкции, она дополни- , тельно содержит два пропорциональнодифференцирующих звена, сумматор и пороговый элемент, причем первьй и второй входы сумматора являются соответственно информационным и установочными входами модели, третий и четвертый входы сумматора подключены соответственно к выходам пропорционально-дифференцирующих звеньев, , выход сумматора через пороговый эле (Л мент соединен с вторым входом первого интегрирзпощего усилителя блока моделирования функции электромеханического преобразования мышечного волокна , вход первого пропорциональнодифференцирующего звена подключён к выходу модели мышцы, вход второго IND пропорционально-дифференцирующего звена соединен с выходом блока формиvl рования параболического напряжения. а
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„SU„„1029761 (51) 4 С 06 G 7 60
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Ф 1
1 1
1 сО (21) 3414316/18-24 (22) 31.03.82 (46) 23. 12.87. Бюл. Р 47 (71). Институт физиологии им.И.П.ПавI лова (72) С.П.Романов (53) 681.333 (088.8) (56) Принг Дж. Модель мышцы. В сб.
"Иоделирование в биологии", И.,1963, . с. 85-125.
Авторское свйдетельство СССР
Р 765825, кл. G 06 С 7/60,26.07.1978.
Авторское свидетельство СССР
734798, кл. G 06 G 7/60, 10.01.1978 °, (54)(57) Юдщь щ щцы, содержащая блок формирования параболического напряжения и блок моделирования функции электромеханического преобразования мышечного волокна, выполненный из и последовательно соединенных г интегрирующих усилителей, причем в обратную связь (а=1) = х интегрирующих усилителей включен резистор, выход последнего интегрирующего усилителя является выходом модели и сое. динен с входом блока формирования параболического напряжения и с первым входом первого интегрирующего усилителя блока моделирования функ-. ции электромеханического преобразования мышечного волокна, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности моделирования и упрощения конструкции, она дополнительно содержит два пропорциональнодифференцирующих звена, сумматор и пороговый элемент, причем первый и второй входы сумматора являются соответственно информационным и установочными входами модели, третий и четвертый входы сумматора подключены соответственно к выходам пропорционально-дифференцирующих звеньев,, Я выход сумматора через пороговый элемент соединен с вторым входом пер- . вого интегрирующего усилителя блока моделирования функции электромеханического преобразования мышечного во- р локна, вход первого пропорциональнодифференцирующего звена подключен к выходу модели мьпнцы, вход второго пропорционально-дифференцирующего звена соединен с выходом блока форми- 1 © рования параболического напряжения. 4
С5
>ю
1029761
Изобретение относится. к области моделирования биологических систем и может использоваться как объект при исследовании нейтрональных механизмов управления мышечным сокращением.
Известны различные модели мышцы, представленные набором упругих и вязких элементов, и математические модели, воспроизводящие особенности сокращения мышечных волокон. Суще ствуют модели мышцы, воспроизводящие функциональные свойства мышцы с помощью передаточных функций.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является модель .мышцы, содержащая блок электромеханического преобразования, выполнен-. . ный в виде п последовательно соединенных интеграторов с сопротивлениями в цепях обратной связи, нелинейный элемент и блок умножения, один из входов которого является входом модели мышцы, другой вход присоединен к выходу нелинейного элемента, а выход к входу первого интегратора, выход последнего интегратора является выходом модели и соединен с входом нелинейного элемента.
Недостатком прототипа является сложность реализации модели из-за применяемых блоков умножения и нелинейности, характеристику которой необходимо набирать на диодно- Фзистив ных элементах. Переход к набору нелинейной зависимости, присущей другому типу мышечного волокна, требует перестройки всех диодно-резистивных элементов, количество которых определяется задаваемой точностью линейно-кусочной аппроксимации воспроизведения физиологической характеристики. Трудность перестройки нелинейной зависимости не позволяет исследо.вать на одной модели характеристики преобразования входного импульсного потока в выходное напряжение сокращения, присущее различным типам мьппц. В модели не учтены также динамические характеристики изменения силы сокращения, связанные со скоростью изменения входного импульсного потока. Все это сужает область при менимости модели при излучении механизмов развития силы реальных мьппц, Целью изобретения является повышение точности моделирования и упрощение конструкции модели.
Эта цель достигается тем, что в модель мышцы, содержащую блок формирования параболического напряжения и блок моделирования функции электромеханического преобразования мышечного волокна, выполненный из и последовательно соединенных интегрирующих усилителей, причем в обратную связь (n=1)=ых интегрирующих усилителей включен резистор, выход последнего интегрирующего усилителя является выходом модели и соединен с входом блока формирования параболического напряжения и с первым входом первого интегрирующего усилитеI ля блока моделирования функции электромеханического преобразования мышечного волокна, введены два пропорционально-дифференцирующих звена, сумматор и пороговый элемент, причем первый и второй входы сумматора являются соответственно информационным и установочными входами модели, третий и четвертый входы сумматора подключены к выходам пропорционально-дифференцирующих звеньев, выход сумматора через пороговый элемент соединен со вторым входом первого интегрирующего усилителя блока моделирования функции электромеханического преобразования мышечного волокна, вход первого пропорционально-дифференцирующего звена подключен к выходу модели мышцы, а вход второго пропорционально-дифференцирующего звена соединен с выходом блока формирования параболического напряжения.
Структурная схема модели мышцы изображена на чертеже, содержащая блок 1 моделирования функции электромеханического преобразования мьппечного волокна, интегрирующие усилители 2, резисторы 3, конденсаторы 4, сумматор 5, пороговый элемент 6, пропорционально-дифференцирующие звенья
7,блок 8 формирования параболического напряжения, вход 9, устанавливающий начальный уровень возбудимости мышечного волокна, аналог мембранно- го потенциала, диод 10 и варистор 11.
Величины резисторов 3 в блоке 1 определяют вид кривой одиночного сокращения, сумматор 5 и пороговый .элемент, моделирующий электровозбудимые свойства мышечной мембраны, звенья 7 и блок 8 моделируют свойство мышечных мембран изменять уро:вень возбудимости в зависимости от силы и скорости ее изменения.
1029761
4 дить в соответствии с решением ураве нения
au= K, e (р) . A-K,а,(p)A .
Модель работает следующим образом
В исходном состоянии, в отсутстви импульсов на входе модели, на выходах всех блоков напряжение равно ну5 лю. При .поступлении на вход модели импульсов постоянной амплитуды и длительности, их амплитуда сравнивается с пороговым значением напряжения, установленным по входу 9 сумматора 5 и порогового элемента 6, моделирующих электровозбудимые свойства мьппечной мембраны, и превышающая пороговое значение амплитуды входного импульса воздействует на вход первого интегрирующего усилителя блока 1, моделирующего функцию электромеханического преобразования, на выходе которого формируется напряжение, соответствующее кривой разви- 20 тия силы сокращения реальной мышцы..
Напряжение с выхода модели мышцы поступает на вход звена 7 и блока 8, моделирующих свойство мышечных мемб ран изменять уровень возбудимости, 25 и в соответствии с параметрами каждого дифференцирующего звена и пропорциональной составляющей входного сигнала напряжения на выходах звеньев 7, изменяют исходный уровень порогового сигнала, моделирующего электровозбудимые свойства мышечной мембраны.
Для звеньев 7 и блока 8, моделирующих свойство мьппечных мембран изменять уровень возбудимости от силы сокращения и скорости его изменения, передаточная функция запишется в виде
Т P Т Р (К + — — — — ) .А- К+ --)х
1+Т P 1+ Т Р 40 и
1 к А где К вЂ” коэффициент передачи постоянной составляющей для каждого звена
7, А" — величина активности силы сокращения на выходе 12 модели мышцы. 45 ь
Параболическая зависимость А силы сокращения при втором члене передаточной функции обеспечивается варистором 11. Существенным для моделиро-вания является то, что напряжения 50 на выходе звеньев 7 суммируются в сумматоре 5, моделирующем электровозбудимые свойства мьппечных мембран, с разными коэффициентами, которые в конечном виде и определяют закономерность преобразования интенсивности входного импульсного потока в силу сокращения мышцы, т.е. изменение порогового уровня Еи будет припева
Если К > К, то, когда сила сокращения невелйка (при малых частотах следования импульсов на входе модели), превалирует первый член уравнения и увеличивается возбудимость мышечного волокна, так как снижается порог и вырастает превышение амплитуды входного импульса над исходным уровнем мембранного потенциала, следствием .чего является превышение силы сокращения на 2,3 и 4 импульса, столь характерное для реальных мышц. При дальнейшем увеличении частоты следования импульсов сила сокращения достигает такого значения, что возрастает влияние второго члена уравнения, и эффективность возбуждения начинает падать из-за увеличения порога, т.е. снижения амплитуды импульса на выходе элемента б, воздействующего на блок 1, моделирующего функцию электромеханического преобразования.
Таким образом, изменением величины коэффициентов К„ и К легко подбирается на модели характеристика преобразования интенсивности входного импульсного потока в силу активного сокращения, характерную для различных типов мышцы. Коэффициенты в переда- . точных функциях с звеньев 7 позволяют воспроизвести в модели динамические характеристики изменения свойств мышечных мембран, присущие. тоническим или фазическим, быстрым или медленным мышечным волокнам.
Таким образом, с помощью введен-. ных узлов с соответствующими характеристиками преобразования входных сигналов и их структурных связей. промоделировано свойство мышечного волокна изменять характеристики электровозбудимости мембран в заси° симости от силы сокращения, что позволило воспроизвести средствами моделирования закономерность преобразования входного импульсного по- . тока в силу сокращения. Использование типовых звеньев в передаточных характеристиках делает модель легко воспроизводимой, а использование сов-. ременных операционных усилителей для реализации этих звеньев малогабаритной. Кроме легкости настройки модели для реализации характеристик преобразования частоты следования им102976
Составитель
Техред Л.Сердюкова
Редактор «В . Фельдман
Корректор И.Пожо
Заказ 6415
Тираж 671 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета CCCP по делам изобретений и открытий
113035Ä Иосква, Ж-35,. Раушская наб., д. 4/5
Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 пульсов в силу сокращения, присущую конкретным типам мышечных волокон, данные модели возможно использовать в большом количестве в.одной уста.новке при исследовании взаимодействия различных типов мышечных волокон или мышечных групп в задачах координированного управления двигательной активностью
1 в
Параметры модели выбираются таким образом, что модель мышцы работает в реальном масштабе времени, что позволяет непосредственно сравнивать результаты модельных и физиологических экспериментов. Модель мышцы может использоваться как преобразователь при конструировании бионических технических систем управления.
