Система и способ управления электромеханическим протезом
SYSTEM AND METHOD OF ELECTROMECHANICAL PROSTHESIS CONTROL

Группа изобретений относится к области медицинской техники в сфере протезирования, а именно к системам управления электромеханическим протезом, и может быть использована в медицинской промышленности.
Известны система и способ управления электромеханическим протезом, при этом система содержит модуль управления электромеханическим протезом с контроллером и интерфейсом для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и излучателя и приемника, выполненными с возможностью обмена данными, а способ заключается в том, что контроллер определяет относительную интенсивность света, отраженного от кожного покрова пользователя электромеханического протеза на основании сигнала, полученного от приемника, и преобразования этого показателя в дискретные управляющие сигналы для исполнительного механизма электромеханического протеза [WO0245621A2, дата публикации 13.06.2002 г., МПК: A61F2/54; A61F2/68; A61F2/58].
Известны система и способ управления электромеханическим протезом, при этом система содержит модуль управления электромеханическим протезом с контроллером и интерфейсом для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и излучателя и приемника, выполненными с возможностью обмена данными, а способ заключается в том, что контроллер определяет относительную интенсивность света, отраженного от поверхности конечности пользователя электромеханического протеза на основании сигнала, полученного от приемника, и преобразования этого показателя в прерывающиеся сигналы активации исполнительного механизма электромеханического протеза [US2013184539A1, дата публикации 18.07.2013 г., МПК: A61B5/00; A61B5/04; A61B5/0488].
Особенностью рассматриваемых технических решений является то, что они, в основном, основывают управление протеза на гемодинамическом состоянии мышечной ткани, для чего необходимо расположить датчики в непосредственной близи к целевой мышце, вследствие чего возможны ложные срабатывания исполнительного механизма электромеханического протеза, либо наоборот – отсутствие срабатываний в нужный момент, что существенным образом ухудшает показатели эффективности системы в целом.
В качестве прототипа выбраны система и способ управления электромеханическим протезом, при этом система содержит модуль управления электромеханическим протезом с контроллером и интерфейсом для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и излучателя и приемника, выполненными с возможностью обмена данными, а способ заключается в том, что контроллер определяет относительную интенсивность света, рассеянного в мышечных тканях конечности пользователя электромеханического протеза на основании сигнала, полученного от приемника, и преобразования этого показателя в дискретные управляющие сигналы для исполнительного механизма электромеханического протеза [CN103610443A, дата публикации 05.03.2020 г., МПК: A61F2/58; A61F2/68].
Недостатком прототипа и известных технических решений является низкая точность управления электромеханическим протезом на основе гемодинамического состояния мышечной ткани, поскольку управляющие сигналы хоть и обеспечивают низкую величину ложных срабатываний, но при этом они основаны только на состоянии мышечных волокон. Другим недостатком прототипа и существующих технических решений является то, что управляющие сигналы протеза дискретны, что наделяет электромеханический протез возможностью выполнения только ограниченного набора команд, при этом не всегда имеется возможность получения сигналов именно от мышечных волокон ввиду большой вариативности при формировании культи пользователя протеза. Вследствие этого становится невозможным выполнение пользователем точных действий, требующих тонкой моторики электромеханического протеза или плавного управления, что существенно сказывается на эффективности управления электромеханическим протезом.
Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в повышении эффективности управления электромеханическим протезом.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении точности управляющих сигналов модуля управления электромеханическим протезом.
Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Система управления электромеханическим протезом содержит модуль контроллер управления электромеханическим протезом, интерфейс для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и излучателя и приемника, выполненными с возможностью обмена данными, при этом контроллер выполнен с возможностью определения относительной интенсивности света, рассеянного в мышечных тканях пользователя электромеханического протеза на основании сигнала, полученного от приемника, его преобразования в управляющие сигналы для исполнительного механизма электромеханического протеза и передачу управляющего сигнала на интерфейс для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза. В отличие от прототипа контроллер управления электромеханическим протезом выполнен с возможностью преобразования относительных изменений, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий и кожного покрова пользователя электромеханического протеза, в полученном от приемника сигнале, в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза и передачи этих управляющих сигналов на интерфейс для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза.
Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Способ управления электромеханическим протезом включает получение сигнала от приемника через интерфейс, определение контроллером управления электромеханическим протезом относительной интенсивности света, рассеянного в мышечных тканях пользователя электромеханического протеза, на основании сигнала, полученного от приемника, преобразование контроллером этого сигнала в управляющий сигнал для исполнительного устройства электромеханического протеза, и передачу этого сигнала контроллером на исполнительный механизм электромеханического протеза через интерфейс. В отличие от прототипа контроллером управления электромеханическим протезом на основании сигнала, полученного от приемника, осуществляется преобразование относительных изменений, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий и кожного покрова пользователя электромеханического протеза, в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза и осуществляется их передача от контроллера управления электромеханическим протезом на интерфейс для подключения исполнительного механизма электромеханического протеза.
В качестве целевых структур и тканей для получения сигналов от приемника выступают сухожилия и кожный покров пользователя электромеханического протеза, а также может выступать подкожная жировая ткань. Основным принципом работы является то, что в результате механического перемещения прилежащих мышечных волокон, целевые структуры и ткани могут изменять свои физические и оптические свойства, из-за чего общая светопроницаемость также будет изменяться. Например, при механическом натяжении в результате активности мышц антагонистов кожный покров и подкожная жировая ткань могут уменьшить толщину, вследствие чего общая светопроницаемость будет увеличиваться и соответственно увеличиваться интенсивность рассеянного света. И, наоборот, при напряжении и уплотнении мышечной ткани и прилегающих кожных покровов светопроницаемость будет уменьшаться за счет увеличения светорассеяния и соответственно интенсивность света будет также уменьшаться, что приводит к снижению интенсивности сигнала приемника.
Макроскопические перемещения подкожных структур, в частности сухожилий, в значительной степени изменяют светопроницаемость за счет своей оптической плотности. Так, перемещение сухожилий в сторону приложения излучателя и приемника будет уменьшать светопроницаемость, и, наоборот, создание полостей под излучателем и приемником будет увеличивать светопроницаемость и увеличивать интенсивность света, что соответственно увеличит интенсивность сигнала от приемника.
Такой подход обеспечивает возможность управления контроллером электромеханическим протезом за счет изменения интенсивности света путем учета состояния не только мышечной ткани, но и положения сухожилий в подкожном покрове, а также состояния самого кожного покрова. Благодаря тому, что данные компоненты имеют монотонные зависимости от интенсивности мышечной активности, полученный контроллером динамический диапазон изменения сигнала с приемника с учетом всех его параметров позволяет в дальнейшем осуществить его преобразование в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза.
Контроллер управления электромеханическим протезом может быть представлен интегральной схемой или микросхемой со специализированным программным обеспечением, которая обеспечивает возможность определения на основании полученного от приемника сигнала не только относительной интенсивности света, рассеянного в мышечных тканях пользователя, но и интенсивности рассеянного света в примыкающих к мышечным тканям сухожилиях и кожном покрове пользователя электромеханического протеза. Эти параметры, ассоциированные с мышечной активностью, могут обладать непрерывной монотонной зависимостью от состояния самой мышечной ткани.
Контроллер для осуществления градуального управления электромеханическим протезом может быть выполнен с возможностью анализа спектра сигнала на основе мощности осцилляций в полученном от приемника сигнале. Использование гармонически модулированного излучения, например, синусоиды, позволяет расширить признаковое пространство на амплитудные и фазовые характеристики. Контроллер для этого может содержать средство анализа спектра сигнала, поступающего от приемника, которое позволяет выделить в сигнале отдельные синусоиды и разделить полученный сигнал на составляющие.
Способ анализа спектра сигнала может быть реализован как программно на контроллере, так и аппаратно, с использованием интегральных микросхем.
Контроллер может содержать средство дифференциального измерения сигнала, поступающего от парного приемника оптического излучения, которое обеспечивает возможность усиления или уменьшения отдельных компонент в этом сигнале. Например, для усиления вклада от компоненты оптического сигнала, связанного с перемещением глубоких подкожных структур, по сравнению с компонентой, связанной с изменением состояния подкожного жирового слоя, анализируемый сигнал будет представлять разницу между показаниями приемников, расположенных вдалеке и вблизи от одного и того же излучателя.
Дополнительно контроллер может содержать средства для выполнения алгоритмов машинного обучения, на основе которых им может быть построена математическая модель управления электромеханическим протезом. Также математическая модель управления электромеханическим протезом может быть построена с применением алгоритмов машинного обучения на стороннем устройстве и может быть загружена в контроллер. Данная модель может быть предварительно обучена на данных, полученных в процессе полуавтоматической калибровки электромеханического протеза за счет выполнения пользователем определенных наборов целевых движений. В зависимости от модели машинного обучения, контроллер может передавать, как градуальные, так и дискретные управляющие команды. Без ограничения общности, математическая модель управления протезом может описывать не только статическое состояние протеза, как, например, абсолютный угол сгибания кисти протеза, но и динамическое, например, направление и скорость сгибания кисти протеза.
Для осуществления всех операций система содержит интерфейс для подключения приемника, обеспечивающий возможность передачи сигнала в контроллер, интерфейс для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и интерфейс для подключения питания, либо элемент питания. При этом интерфейсы могут быть представлены любыми известными электрическими соединителями и могут быть подключены к контроллеру посредством монтажа на одной плате, либо любыми другими известными способами проводной и беспроводной передачи данных.
Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:
–– контроллером осуществляется преобразование относительных изменений, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий в полученном от приемника, сигнале, что позволяет учитывать состояние не только мышечной ткани, но и положения сухожилия в подкожном покрове, а также состояния самого кожного покрова, в том числе и подкожного жирового слоя, благодаря чему обеспечивается широкий динамический диапазон относительной интенсивности рассеянного света для управления электромеханическим протезом.
–– контроллером осуществляется преобразование полученного сигнала в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза и осуществляется их передача от контроллера на интерфейс для подключения исполнительного механизма электромеханического протеза, что позволяет постепенно воздействовать на положение исполнительного устройства электромеханического протеза.
Совокупность существенных признаков группы изобретений обеспечивает возможность получения динамического диапазона относительной интенсивности рассеянного света в мышечных тканях, примыкающих к ним сухожилиях и кожном покрове пользователя, на основании которого контроллер получает градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза, что позволяет непрерывно отображать состояние целевых структур конечности пользователя, измеряемое приемником, на исполнительное устройство электромеханического протеза, постепенно воздействуя на его положение.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности управляющих сигналов модуля управления электромеханическим протезом, тем самым повышается эффективность управления электромеханическим протезом.
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известно преобразование относительной интенсивности света, рассеянного только в мышечных тканях пользователя электромеханического протеза только в дискретные управляющие команды для исполнительного устройства электромеханического протеза. При этом преобразование относительной интенсивности света, который рассеивается в примыкающих к мышечным тканям сухожилиях и кожных покровах совокупно с преобразованием относительных изменений в полученном сигнале от приемника, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий и кожных покровов пользователя электромеханического протеза, в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза, из уровня техники не известно. Также из уровня техники неизвестно получение градуальных управляющих сигналов для исполнительного устройства электромеханического протеза на основании широкого диапазона относительной интенсивности света, которое обеспечивает возможность непрерывного отображения состояния конечности пользователя на исполнительное устройство электромеханического протеза. Это свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, который заключается в том, что способ управления электромеханическим протезом реализуется системой управления электромеханическим протезом, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения».
Группа изобретений поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 – Система для реализации способа управления электромеханическим протезом, состоящая из модуля управления электромеханическим протезом и инфракрасного оптомиографического датчика с проводными интерфейсами, изометрия, вид сверху.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Система управления электромеханическим протезом содержит модуль 1 управления протезом, который содержит смонтированные на одной плате контроллер (не показан на фигурах), разъем 2 для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза, разъем 3 для подключения оптомиографического датчика с излучателями и приемниками, разъем 4 питания и оптомиографический датчик 5, закрепленный в культеприемной гильзе электромеханического протеза, содержащий пару 6, состоящую из инфракрасного излучателя и приемника инфракрасного излучения, и разъем 7 для подключения к модулю 1 управления протезом.
К выходу разъема 2 подключено исполнительное устройство в виде шагового электродвигателя электромеханического протеза (не показан на фигурах), а к его входу подключен контроллер. Также контроллер подключен к выходу разъема 3, ко входу которого подключен оптомиографический датчик 5. Также он подключен к выходу разъема 4 питания, ко входу которого подключены положительный и отрицательный выводы источника питания напряжением 12 В. Подключение компонентов внутри модуля 1 управления протезом осуществляется посредством контактных дорожек на плате, а оптомиографического датчика 5 и исполнительного устройства электромеханического протеза к модулю 1 управления – проводами.
Группа изобретений работает следующим образом.
Электромеханический протез верхней конечности с установленным и закрепленным внутри его гильзы оптомиографическим датчиком 5 закрепляли на культе верхней конечности пользователя протеза.
Пользователь осуществлял активность, направленную на изменение угла раствора кисти руки протеза, что приводило к сокращению как мышечной ткани, так и примыкающих к ней сухожилий в подкожных структурах культи пользователя протеза, а также ее кожного покрова, что фиксировалось приемником инфракрасного излучения пары 6. Сигнал обрабатывался контроллером и определялось светорассеяние света как в мышечной ткани пользователя электромеханического протеза, так и в примыкающих к ней сухожилиях и кожном покрове пользователя электромеханического протеза.
При этом, в случае, когда происходило локальное кровенаполнение мышечной ткани, вызванное ее сокращением, происходило увеличение светорассеяния в подкожных структурах и относительная интенсивность, регистрируемая контроллером, изменялась в отрицательном направлении (имела отрицательную величину электрического напряжения). В случае, когда мышечная ткань во время сокращения уменьшала кривизну мышечных волокон, или соответствующие сухожилия отходили от поверхности кожи, то светорассеяние в подкожной структуре и примыкающим к сухожилиям кожным покровам уменьшалось, при этом относительная интенсивность света увеличивалась (имела положительную величину электрического напряжения).
Полученный сигнал относительной интенсивности света использовался контроллером для генерации градуальных управляющих сигналов, которые подавались им на вход разъема 2 и обеспечивали плавное изменение скорости его вращения и динамическое замедление или ускорение изменения угла раствора кисти руки, что позволяло выполнять операции, требующие от пользователя электромеханического протеза тонкой моторики в его действиях.
Использование алгоритмов машинного обучения при работе с оптическими сигналами может быть реализовано следующим образом, но не ограничено им. Во время калибровки на экране монитора с интервалом в пять секунд отображается одно из двух движений в случайном порядке: сгибание кисти протеза или разгибание кисти протеза. Во время выполнения движений оптические сигналы пользователя записываются на внешнее устройство хранения для дальнейшего анализа. При анализе полученных сигналов строится математическая модель динамического управления протезом, с использованием анализа главных компонент и логистических регрессий. Выводом из математической модели является функция активации, лежащая в диапазоне от -1 до +1, в которую заложено направление перемещения кисти («минус» для сгибания, «плюс» для разгибания) и скорость перемещения, где «0» - отсутствие движения, «1» - самое быстрое движение. После калибровки, анализа сигналов и обучения модели, ее параметры записываются в контроллер для дальнейшего использования. Таким образом, с помощью алгоритмов машинного обучения обеспечивается преобразование относительных изменений, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий, в полученном от приемника сигнале, в градуальные управляющие сигналы для исполнительного механизма электромеханического протеза.
Таким образом достигался технический результат, заключающийся в повышении точности управляющих сигналов модуля управления электромеханическим протезом, тем самым повышалась эффективность управления электромеханическим протезом.