Многоканальное устройство адаптивного биоэлектрического управления движениями человека
ОП ИСАНИ Е
ИЗОБРЕТЕН ЫЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советски к
Соцмапмстических
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 11.11.74 (21) 2075508/13 с присоединением заявки № (23) Приоритет— (5!) М. Кл.а
А 6! В 5/04
Гбсударстееииык кемитет
Опубликовано 23.08.81. Бюллетень ¹31 (53) УДК 615.47: .6l 6-009. (088.8) ло делам изобретений и открытий
Дата опубликования описания 28.08.81 (72) Авторы изобретения
Л. С. Алеев, Ф. В. Бальчев, М. И. Вовк, В. Н. Горбанев и А. Б. Шевченко
Г - .
1, Ордена .Ленина институт кибернетики АН У !рйтгнской ССР (7!) Заявитель (54) МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОИСТВО АДАПТИВНОГО
БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕ!!ИЯ ДВИЖЕНИЯМИ
ЧЕЛОВЕКА
Изобретение относится к биологической .и медицинской кибернетике, в частности к управлению движениями человека.
Известно многоканальное устройство биоэлектрического управления движениями человека, каждый канал которого содержит цепь стимуляции, состоящую иэ отводящих (от донора) электродов, подключенных через усилитель биопотенциалов к интегратору, модулятора, один из входов которого подключен к выходу интегратора, второй вход — к генератору стимулирующего сигта нала, выход модулятора — ко входу усилителя мощности и стимулирующих (реципиента} электродов, цепь обратной связи, состоящую из последовательно соединенных усилителя биопотенцналов и интегратора, блок разделения, один из входов которого тс подключен к выходу усилителя мощности, выход — к стимулирующим электродам, второй вход — к стимулирующим электродам, второй выход — ко входу цепи обратной связи, и блок сравнения 11 .
Существенным недостатком такого уст- 20 ройства является то, что движения реципиента мало соответствуют движеттиям донора, пОскольку управляющий сигнал подают на
2 нервно-мышечные группы реципиента с нулевого уровня. В то же время известно, что нервно-мышечная система обладает четко выраженным пороговым эффектом, причем порог возбуждения объекта управлениЯ (нервно-мышечных групп реципиента) изза адаптации или изменения функционального состояния в процессе стимуляции претерпевает существенные изменения. В силу приведенных обстоятельств значительная часть информации программного сигнала при работе известного устройства оказы вается потерянной, сокращение мышц .донора и реципиента ие совпадает во времени, при этом отличается и сила сокращениат (нли объем движения). В результате движения реципиента мало соответствуют дви жениям донора.
Цель изобретения — увеличение соот. ветствия движений реципиента движения донора.
Поставленная цель достигается тем, чтат каждый канал содержит блок форкптрова. ння подпорогового уровня, один иэ выходов
Которого подключен к выходу блока срав нения, а выход — к третьему входу моду лятрра, и два триггера Шмидта, вход пер>
ВОГО ТриГГера Шмидта подключен к выходу интегратора цепи обратной связи, выход —— и первому входу блока сравчения, вход второго триггера Шмидта подключен к выходу интегратора цепи стимуляции, а выход — ко BTopoMv входу блока формирования подпорогового уровня и ко второму входу блока сравнения.
На чертеже представлена блок -схема
ОДного канала многоканального устройствг адаптивного биоэлектрического управле ния движениями человека.
Один канал устройства содержит отводящие электроды 1, усилитель 2 биопотенциалов, интегратор 3, модулятор 4, генератор 5 стимулирующего си-íàë,à,,усилитель б мощности, блок 7 разделения, стимулирующие электроды 8, усилитель 9 биопотенцналов, интегратор 10, триггер 11 Шмидта, блок
12 сравнения, блок 13 формирования подпорогового уровня, триггер 14 Шмидта.
Программный сигнал в виде электромио2 граммы, снятой при помощи отводящих электродов 1 с нервно-мышечных групп донОра 4еро3 y сил нтель 2 0I Io IIOTP H IIH 3,. o8 подается на интегратор 3, выполня|ощнй усреднение электромнограммы нервно-мышечных групп донора во времени. Далее 25 программный сигнал поступает на один из входов модулятора 4, на второй вход, коТорого поступает стимулирующий сигнал (например импульсный сигнал) от генератора 5 стимулирующего сигнала. После модулятора через усилитель 6 мощности
35 и блок 7 разделения управляющий сигнал поступает на стимулирующие электроды 8, Наложенные на соответствующие нервномышечные группы реципиента. Вызванная (под влиянием электростимуляции) электромиограмма нервно-мышечных групп реципиента, снятая при помощи, стимулирующих электродов 8, которые в данном случае выполняют функцию отводящих электродов, через блок 7 разделения поступает на усилитель 9 бнонотенциалов. Назначение 4О блока 7 разделения состоит в том, чтобы
Отделить вызванную электромиОГрамму нервно-мйшечных групп реципиента От управляющего сигнала н, например, в случае стимуляции импульсным сиГналом предЮ
45 ставляет собои электрОнныи переключатель, который на время появления импульсов управляющего сигнала подключает стимулирующие электроды 8 к усилителю 6 мощности и отключает стимулирующие электроды 8 от входа усилителя 9 биопотенциалов, а в Отсутствии импульсов управляющего сигнала подключает стимулирующие электроды 8 к усилителю 9 биопотенциалов и отключает стимулирующие электроды 8
От усилителя 6 мОщнОсти. Из $ ñèëIITI= ëII
9 биопотенциалов вызванная электромиорамма нервно- мышечиых Групп вызванной электромиограммы во времени поступает на вход триггера l l Шмидта, с выхода которого на один из входов блока 12 сравне ния поступает прямоугольный импульс, нормированный по амплитуде и передний фронт которого практически совпадает со времечем появления вызванной электромиограммы нервно-мышечных групп реципиента.
11а ьгорой вход блока 12 сравнение с выхода триггера 4 Шмидта поступает прямоугольный импульс, нормированный по амплитуде, длительность которого р а в на вре мени существования интегрированной электромиограммы нервно-мышечных групп донора, поступающей на вход триггера 14 Шмидта от интегратора 3. Блок 12 сравнения служит для временного сравнения появления электромиограммы нервно-мышечных групп донора (программного сигнала) с появлением вызванной электромиограммы нервно-мышечных групп реципиента (первый и второй входы блока сра внения запускаются передними фронтами прямоугольных импульсов, поступающих, соответственно, от триггеров 11 и 14 Шмидта, и сигнал рассогласования служит для формирования импульса„нормированного по амплитуде, но длительность которого равна времени запаздывания между появлением электромиограммы донора и появлением вызванной электромиограммы реципиента,, то есть про порциональна уровню порога возбуждения нервно-мышечных групп реципиента (чем больше порог возбуждения стимулируемых нервно-мышечных групп реципиента, тем больше длительность импульса рассогласования). С выхода блока 12 сравнения. упомянутый выше импульс рассогласования поступает на один из входов блока 13 формирования подпорогового уровня, иа второй вход которого поступает прямоугольный импульс с выхода триггера 14 Шмидта.
Блок формирования подпорогового уровня представляет со "îé емкостной накопитель, с выхода которого на третий вход модулятора 4 поступает экспоненцнально нараста ющий импульс (скорость нарастания выбирается по минимуму болевых ощущений при стимуляцин, но в то же время должна быть на порядок выше максимально возможной скорости нарастания программного сигнала), амплитуда которого пропорциональна длительности импульса рассогласования, поступающего из блока 12 сравнения, а длительность определяется появлением заднего фронта импульса, поступающего от триггера 14 Шмидта. 8 результате на третий вход модулятора 4 из блока 13 поступает сигнал, уровень которого пропорционален уровню порога возбуждения нервно-мышечных групп реципиента, но не превышает его, причем этот подпороговый уровень существу ет только во время появления программного сигнала, а на выходе модулятора 4 формируется управляющий сигнал, по форме повторяющий стимулирующий сигнал (на пример импульсный сигнал), по амплитуде пропорциональный велячине среднего зйачения электромиограммы нервно-мышечных групп донора (программному сигналу), и суммироваиный с уровнем, который близок к пороговому для нервно-мышечных групп реципиента, но не превышает его. Причем, суммирование осуществляется только во время существования программного сигнала. Таким образом, на нервно-мышечные группы реципиента управляющий сигнал подается не с нулевого урОвня, а с уровня близкого к пороговому для нервно-мышечных групп реципиента, причем при изменении порога возбуждения нервно-мышечных групп реципиента соответственно изменяются и подпороговый уровень Вследствие такого суммирования сокращения мышц реципиента и донора лучше совпадают во времени, меньше отличаются по силе (или объему движения), то есть движения реципиента более соответствуют движениям донора (программе управлении). Кроме того, управление движениямн становится адаптивным, поскольку в процессе стимуляции. амплитуда управляющего сигнала, соответствуя программе управления автоматически приспосабливается (по порогу возбуждения) под объект управления.
Введение в каждый канал устройства указанных новых элементов позволяет в. процессе стимуляции подавать иа нервномышечные группы реципиента управляющий сигнал не с нулевого уровня, а с уровня, близкого к пороговому для нервно-мышечных групп реципиента, причем управляющий сигнал, соответствуя программе управления, автоматически приспосабливается (по порогу возбуждения) под объект управления.
При помощи предлагаемого:устройства достигается адаптивное биоэлектрическое управление, при котором движения реципиента в большей степени соответствуют движениям донора (программе управле ння).
Формула изобретения
Многоканальное устройство адаптивного биоэлектри еского управления движениямя человека, каждый канал которого содержит цепь стимуляции, состоящую иэ отводящих (от донора) электродов, подключенных ЧЬ рез усилитель биопотенцналов к ннтеграто ру, модулятора, один из входов которого подключен к выходу интегратора, второй вход — к генератору стимулирующего сигнала,. выход модулятора — ко входу усилителя мощности и стимулирующих (реципиента) электродов, цепь обратной связИ, состоящую из последовательно соединенных усилителя биопотенциалов и интегратора, блок разделения, один из входов которого подключен к выходу усилителя мощности, выход — к стимулирующим электродам, второй вход — также к стимулирующим электродам, второй выход — ко входу цепи обратной связи, и блок сравнения, огяичаю2в щееся тем, что, с целью повышения соответствия. движений реципиента заданной программе (например движениям донора), каждый канал содержит блок формирования подпорогового уровня, один из входов
25 которого подключен к выходу блока сравнения, а выход — к третьему входу модулятора, и два триггера Шмидта, вход первого триггера Шмидта подключен к выходу интегратора цепи обратной связи, выход— к первому входу блока сравнения, вход втозв рого триггера Шмидта подключен к выходу интегратора цепи стимуляции, а выход— ко второму входу блока формирования подпорогового уровня и ко второму входу блока сравнения.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
I. Моделирование в биологии Й медицине. Вып. 2, Киев, 1966, с. 34 — 39 (прото40 тип}.
856436
Jf 0m реци танту рецилиеищд
Составитель Л. Соловьев
Редактор В. Данко Техред А. Войкас Корректор Ю. Макаренко
Заказ. 7034/2 Тираж 687 Подписное
ВНИИПИ Государственною комитета СССР но делам изобретениА н оч крытиА !!3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4
