Протез предплечья с биоэлектрическим управлением для детей

 

Союз Соеетскик

Социалистическик

Республик

ОПHCAHHE

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<н766594 ф л ,/ .rH . (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 01.1178 (21) 2680020/28-13 с присоединением заявки119 (23) Приоритет

Опубликовано 30.09.80, Бюллетень 1ч9 36

Дата опубликования описания 300980 (51)М. Кл.

61 F 1/06

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК 615. 477.

° 21: 616-089-28 (0888) !. 1

Н, И, Кондрашин, Е. П, Полян, Л. М, Воскобойникова, A. П. Кужекин, О. Е. Фельдман и Л. P. Киракозов. с" (72) Авторы изобретения

Центральный ордена Трудового Красного Знамени научноисследовательский институт протезирования и протезостроения (71) Заявитель (54) ПРОТЕЗ ПРЕДПЛЕЧЬЯ С БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ

УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ДЕТЕЙ

Изобретение относится к медицине а именно к протезированию и протезостроению и касается протезов верхних конечностей с биоэлектрическим 5 управлением.

Известен .протез предплечья с ,биоэлектрическим управлением, содержащий искусственную кисть с электроприводом и косметической оболочкой, 10 механизм пассивной ротации, гильзу предплечья, токосъемное устройство в виде потенциальных электродов и электрода масса, электронный блок управления, включающий усилители биопотенциалов и импульсный преобразователь (1) .

Однако известный протез предплечья не может быть использован для протезирования детей, особенно младшего возраста, так как не дает возможности производить замену приемной гильзы с изменением размеров культи предплечья, вызванным ростом ребенка и, кроме того, требует значитель« ных энергозатрат ребенка при пользовании протезом.

Целью изобретения является обеспечение воэможности протезирования в условиях ускоренного роста костных 30 и мышечных тканей культи, а также повышение надежности отведения биопотенциалов со слабых и аномально расположенных ььыц предплечья при врожденных недоразвитиях конечности и, кроме того, снижение энергозатрат ре бен ка, Поставленная цель достигается тем, что гильза предплечья выполнена из двух частей — несущей. и приемной гильз, электроды установлены на приемйой гильзе помощью регулировочных прокладок из син.етического материала и раздельно закреплены винтами с гайками и металлическими лепестками, причем косметическая оболочка выполнена в виде съемной краги из синтетического материала, а несушая гильза соединена с приемной гильзой и механизмом ротации телескопически с помощью винтов.

Кроме того, в электронный блок управления введена времязадающая цепочка, состоящая из параплельно соединенных резистора и конденсатора, включенных в эмиттерную цепь первого транзистора импульсного. преобразователя, а также конденсатор, включенный между базой второго и эмиттером третьего

766594

:ранзистора импульсного преобразователя, На фиг. 1 изображен предлагаемый протез, общий вид; на фиг. 2 — раз— рез А-А на фиг. 1; на фиг ° 3 — принци пи ал ьн ая эле ктри че с к ая схема эле ктронного блока управления протезом.

Протез содержит искусственную кисть 1 с электроприводом 2, механизм

3 пассивной ротации, гильзу предплечья, выполненную из двух чаЧтей — несущей гильзы 4 и приемной гильзы 5, косметическую оболочку 6, выполненную в виде съемной краги из поливинилхлоридной пленки, токосъемное устройство в виде потенциальных электродов 7 и электрода 8 масса, укреп- 15 ленных раздельно при помощи винтов 9, которые с наружной стороны приемной гильзы 5 укреплены гайками 10 с установленнымии под ними мет алличе скими лепестками 11, электронный блок 20

12 упр авле ни я, включ ающий в себя усилители 13 и 14 биопотенциалов и импульсный преобразователь 15„ Причем электронный блок 12 управления содержит времязадающую цепочку, сос- 2д таящую из параллельно соединенных резистора 16 и конденсатора 17, включенных в эмиттерную цепь первого транзистора 18 импульсного преобразователя 15, и конденсатор 19, включенный между базой второго транзистора

20 и эмиттером третьего транзистора

21 импульсного преобразователя 15.

Кроме того, несущая гильза 4 предплечья соединена с механизмом 3 пассивной ротации и с приемной гильзой

5 винтами 22, а токосъемное устройство содержит регулировочные прокладки 23 различной толщины из полиэти— лена, Протез предплечья работ ает сле- 40 дующим образом, Пэскольку электронный блок 12 управления состоит иэ двух идентичных каналов, предназначенных для усиления и преобразования биоэлектрических сигналов, отводимых с мышцсги бателя и раэ ги бател я кисти, опи— сание его работы приведено для случая отведения сигнала с мышцы-сгибателя. При отведении сигналов с мышцы-раз гибателя протекают аналогичные процессы во втором канале.

Управляющий биоэлектрический сигнал, отводимый с мышцы-сгибателя кисти, посредством токосъемного устройства усиливается: усилителем 13 биопотен-55 циалов,выполненным на интегральной микросхеме 24 и транзисторе 25, и поступает на вход импульсного преобразователя 15, где при помощи активного детектора, выполненного на дио- @) де 26 и транзисторе 18, преобразуется в последовательность однополярных импульсов, Последние поступают на вход триггера с одним устойчивым состоянием — транзисторы 20 и 21. В

1 и сходном состоянии транзи стор 20 открыт, транзистор 21 закрыт, а конденсатор 19 полностью заряжен, при— чем его положительная обкладка приложена к базе транзистора 20. B момент появления на коллекторе транзистора

18 отрицательных импульсов конденсатор 19 начинает разряжаться по следующей цепи: открытый транзистор 18, резисторы 16 и 27. Уменьшение положительного потенциала на базе транзистора 20 приводит к его закрыванию, что, в свою очередь, вызывает лавинообразное открывание транзистора 21, т.е. происходит переброс триггера иэ одного состояния в другое. На выходе триггера (эмиттер транзистора 21) формируется последовательность прямоугольных импульсов, частота следования и длительность которых пропорциональны частоте следования и длительности импульсов входного биоэлектрического сигнала на уровне, определя— емом порогом срабатывания импульсного преобразователя 15. Порог срабатывания последнего определяется, главным образом, параметрами активного детектора. Оба канала импульсного преобразователя 15 имеют одинаковые пороги срабатывания, что позволяет ограничиваться лишь одной времязадающей цепочкой, состоящей из конден сатора 17 и резистора 16 для обоих каналов "разу.

После прекращени я подачи биоэлект рического сигнала транзистор 18 закрывается, и начинается процесс переэаряда конденсатора 19 в исходной полярности по следующей цепи: плюс источника питания, резистор 28, конденсатор 19, резистор 27, минус источника питания. До тех пор, пока положительный потенциал на конденсаторе 19 (т.е. на базе транзистора

20) не станет достаточным для отпирания, триггер находится в переброшенном состоянии, т.е. на его выходе сохраняется премоугольный импульс, Последовательность положительных прямоугольных импульсов с выхода триггера (эмиттер транзистора 21) поступает на базу усилителя мощности (тран:— зистор 29) . Усиленные по мощности импульсы с коллектора транзистора 29 поступают на вход транзисторного моста (транзисторы 30-33), Транзисторы

30 и 31 открываются, что обеспечивает подключение электропривода 2 к источнику питания в определенной полярности, т. е. прои сходит схват ки сти .

При подаче на вход второго канала управляющего биоэлектрического сигнала, отводимого с мышцы-разгибателя кисти, происходят аналогичные процессы, но электропривод 2 подключается к источнику питания в противоположной полярности, т.е. происходит раскрытие кисти.

766594

Формул а и з о бр ет е ни я

1. Протез предплечья с биоэлектрическим управлением для детей, содержащий искусственную кисть с электро55 принодом и косметической оболочкой, механизм пассивной ротации, гильзу предплечья, токосъемное устройство в виде потенциальных электродов и электрода масса, электронный блок упрайлейия, включающий усилители биопотенциалов и импульсный преобразователь,отличающийся тем, что, с целью обеспечения воэможности протезирования в условиях ускоренного роста костных и мышечных

Весьма важной особенностью такой схемы является использование конденсатора 19. Как указывалось выше, триггер находится в переброшенном состоянии дэ тех пор, пока не закончится процесс перезаряда конденсатора 19 до исходного значения. Поскольку время перезаряда конденсатора 19 определяется в основном большой величиной резистора 28, задний фронт импульсов будет несколько затянут. Это обстоятельство приводит к тому, что переброс триггера. н исходное состояние происходит не сразу после окончания дей ст ни я входного биоэлектрического импульса, а с некоторой з адержкой, т.е. импульсы, поступающие на зле кт- 15 ропривод 2 кисти 1 имеют длительность, превышающую длительность импульсов входного. биоэлектрического сигнала, В данной системе управления в качестве управляющего параметра использу- 20 ется среднее нремя превышени я биоэлектрическим сигналом определенного уровня. Из вест но, что в пределах

50% максимальной биоэлектоической акти вности мышцы (что сост вет ствует диапазону пропорционального управления) этот параметр линейно нарастает, т,е. большей активности соответствует большее среднее время превышения.

Очевидно, что для получения максимальной скорости движения испол- 30 нительного механизма, н случае применения среднего времени превышения . н качестве управляющего параметра, необходимо приложить активность, близкую с максимальной. Использова- 35 ние же конденсатора 19 позволяет получить максимальную скорость перемещения и силу схната пальцев кисти при значительно меньшем уровне активности мышц, т.е. позволяет связать ско-40 рость перемещения пальцев кисти и активность мышцы большим коэффициентом пропорциональности. Учитывая специфику протезирования детей, это обстоятельство следует признать весь ма важным, поскольку энергозатраты 45 оператора (ребенка) значительно уменьшаются.

Применение конденсатора 19 имеет еще одно преимущество. Благодаря своим частотно зависимым свойствам 50 он позволяет из всего частотного спектра биоэлектрического сигнала выбрать достаточно узкий интервал, на котором обеспечивается наиболее широкий динамический диапазон управления. Подбором величины емкости конденсатора 19 осуществляется изменение наклона регулировочной характеристики, т,е. изменение упомянутого выше коэффициента пропорциональности °

Времязадающая цепочка, включающая конденсатор 17 и резистор 16, предназначеиа для ограничения времени потребления электроприводом 2 тока от источника питания, При подаче на вход биоэлектрического сигнала большей амплитуды (соответствующей максимальной скорости перемещения пальцев кчсти)электропрннод переходит в режим работы на постоянном токе,т.е коэффициент заполнения .выходных импульсов становится равным единице.

При длительном удержании такого сигнала на входе, в цепи электропривода будет протекать максимальный ток, Время полного схвата и раскрытия кисти, составляет около одной секунды.

Поэтому время заряда конденсатора 17 н 1,5-2 раза больше в случае протекания через транзистор 18 максимальное го значения среднего тока. В момент отпирания транзистора 18 конденсатор 17 начинает заряжаться по следующей цепи; источник питания, резистор 28, транзистор 18, конденсатор

17. Если на входе действует биоэлектрический сигнал с малым коэффициентом заполнения, то конденсатор 17 ,успевает разряжаться в паузах между импульсами через резистор 16. Если же коэффициент заполнения входных биоэлектрических импульсов близок к единице, то через 1,5-2 секунды кон— денсатор 17 полностью зарядится,что практически приведет к разрыву цепи питания транзистора 18, т.е. к прекращению работы всего канала,а следовательно, к обесточиванию электропривода. При прекращении подачи на вход большого биоэлектрического сигнала конденсатор 17 очень быстро разряжается через малое сопрстинление резистора 16 и схема нозвращается н исходное состояние, Таким образом, в результ ате вышеизложенного ныполнени я протеза предплечья обеспечивает воэможность протезирования в усЛовиях ускоренного роста костных и мышечных тканей культи, повышается надежность отведения биопотенци ало н со слабых и аномально расположенных мышц предплечья при нрожденных недоразвитиях конечности и достигается снижение энергоз атрат ребенка

766594 фне I

° ие. J

Составитель В. Головин

Редактор Г. Прусова Техред O. Легеза

Корректор М. Коста

Заказ 7036/2 Тираж 673 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 тканей культи, а также повышения надежности отведения биопотенциалов со слабых и аномально расположенных мышц предплечья при врожденных недоразвитиях конечности, гильза предплечья выполнена из двух частей — несущей и приемной гильз, электроды установлены на приемной гильзе с помощью регулировочных прокладок из синтетического материала и раздельно закреплены винтами с гайками и металлическими лепестками, причем косметическая оболочка выполнена в виде съемной краги иэ синтетического материала, а несущая гильза соединена с приемной гильзой и механизмом ротации телескопически с помощью винтов.

2. Протез по п. 1, о т л и ч а юшийся тем,что, с целью снижения энергозатрат ребенка, в электронный блок управления введена времязадающая цепочка, состоящая из параллельно соединенных резистора и конденсатора, включенных в эмиттерную цепь первого транзистора импульсного преобразователя, а также конденсатор включенный между базой второго и эмиттером третьего транзистора импульсного преобр аз ов ателя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Шнейдер A. Ю. Услитель мощности с импульсным преобразователем для биоэлектрических систем пропорциональ15 НОго управления. — Протезирование и протезостроение, вып. XXYII, ЦНИИПИ (прототип) °