УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ РУКИ

Полезная модель относится к области медицинской техники и может быть использована в системах управления биоэлектрическими протезами верхних конечностей, а именно протезами предплечья или кисти.
Устройства для получения биоэлектрических сигналов для управления протезами конечностей представляют собой, в общем случае, электромиографический датчик или систему датчиков, расположенных на здоровой части конечности с помощью каких-либо приспособлений для крепления этих датчиков на коже. Наилучшее качество сигнала обеспечивают имплантируемые датчики, электроды которых вживляются в биоткань и имеют непосредственный гальванический контакт с периферическими нервными отростками [Патент США №6996435, Опубл. 7 февраля 2006]. Однако сама процедура имплантирования довольно сложна, травматична и имеет высокую стоимость. Удалить при необходимости вживленный датчик также непросто.
Поэтому тогда, когда требуется быстрое подсоединение и отсоединение протеза, используют накладные электродные датчики с различными устройствами их крепления. Самым простым из известных решений является использование кусочков пластыря для приклеивания электродной системы датчиков к коже [Патент США №6605046, Опубл. 12 августа 2003]. Известны решения, когда для для улучшения качества сигнала используют токопроводящие гели, заполняющие пространство между электродом датчика и кожей [Патент США №3464404, Опубл. 2 сентября 1969]. Для качественного крепления электрода к коже используют также устройства с пневмоотсосом, позволяющие прижать электрод к коже за счет сильного разрежения воздуха в изолированном
пространстве под специальным резиновым колпачком [Патент США №5345935, Опубл. 13 сентября 1994].
Однако крепление описанных датчиков часто не обладает достаточным удобством использования и надежностью. Процедура приклеивания и отклеивания датчиков не может быть многоразовой и требует замены липких элементов. Сам липкий состав может вызывать раздражение кожи. Использование гелей и присосок часто только усложняет и удлиняет процесс крепления датчиков. Кроме того, слабый электромиографический сигнал часто подвергается действию наводок и помех.
В некоторой степени описанные проблемы решаются с помощью следующего устройства, выбранного в качестве прототипа и которое близко к предлагаемому по технической сущности. Это устройство [Патент США №6622035, Опубл. 16 сентября 2003, А61В 5/0408] для получения биоэлектрических сигналов содержит так называемый активный датчик плоской круглой формы и приспособление для его крепления на коже в виде кольца с липким слоем по краю датчика. Активным датчик называется потому, что он, кроме собственно множества электродов в виде маленьких иголок, имеет еще в своем составе активные электронные каскады (усиления, фильтрации и т.д.), выполненные в микроэлектронном исполнении и размещенные на наружной плоскости самого датчика. Электроды-иголки слегка протыкают верхний слой эпидермиса при прикладывании и приклеивании датчика, чем обеспечивается надежность электрического контакта с кожей. Все электроды связаны со входом усилителя. Непосредственная близость усилительных и обрабатывающих каскадов к электродам позволяет минимизировать влияние наводок на полезный сигнал. Усиленный сигнал подается по экранированному проводу в схему управления протезом.
Однако недостатки по части удобства использования таких устройств для управления протезом руки остаются, а именно: частое прикрепление и открепление протеза должно сопровождаться заменой липкого элемента крепления, а длительное использование датчика с игольчатыми электродами вызывает раздражение кожи.
Задачей, решаемой данной полезной моделью, является повышение удобства использования устройства получения биоэлектрических сигналов за счет усовершенствования конструкции активных датчиков и приспособления для их крепления на поверхности кожи.
Задача решается за счет того, что в известном устройстве получения биоэлектрических сигналов для управления протезом руки, содержащем активный датчик и приспособление для его крепления на коже, имеются следующие отличительные особенности: активных датчиков может быть несколько, а приспособление для их крепления на коже едино для всех датчиков, каждый из активных датчиков выполнен на основе миниатюрной печатной платы эллипсовидной формы, на нижней стороне которой смонтированы два оппозитно расположенных неплоских гладких электрода длиной 6-10 мм, разнесенных друг от друга на 10-15 мм и выступающих над поверхностью платы на 1-2 мм, а на верхней стороне платы смонтирована электронная схема, включающая в себя последовательно включенные дифференциальный усилитель, фильтр и детектор, причем входы дифференциального усилителя электрически связаны с соответствующими электродами, в середине платы распаян жгут электрических проводов, соединяющий цепи питания и выход детектора датчика с соответствующими контактами на электроуправляемом протезе руки, приспособление для крепления активных датчиков на коже представляет собой эластичный перфорированный рукав из непроводящего материала, с одинаковыми круглыми отверстиями, диаметр которых равней или немного меньше малого диаметра эллипса платы.
На фиг.1 показано расположение на теле пациента предлагаемого устройства и управляемого от него протеза. На фиг.2 показана конструкция активного датчика, а на фиг.3 - его функциональная схема. На фиг.4 показано расположение активного датчика между эластичным перфорированным рукавом и кожей пациента.
В позициях на рисунках обозначены: 1 - здоровая часть конечности пациента, 2 - приспособление для крепления активных датчиков на коже, представляющее собой эластичный перфорированный рукав, 3 - отверстия в эластичном перфорированном рукаве, 4 - активные датчики, 5 - жгуты электрических проводов, 6 - электрический разъем электроуправляемого протеза руки, 7 - электроуправляемый протез руки, 8 - эллипсовидная плата активного датчика, 9 - электроды активного датчика, 10 - контактная колодка активного датчика, 11 - дифференциальный усилитель, 12 - фильтр, 13 - детектор, 14 - кожный покров конечности пациента.
Каждый из активных датчиков 4 выполнен на основе миниатюрной эллипсовидной печатной платы 8, на нижней стороне которой смонтированы два оппозитно расположенных неплоских гладких электрода 9 длиной 6-10 мм, разнесенных друг от друга на 10-15 мм и выступающих над поверхностью платы на 1-2 мм, а на верхней стороне платы смонтирована электронная схема, включающая в себя последовательно включенные дифференциальный усилитель 11, фильтр 12 и детектор 13, причем входы дифференциального усилителя 11 электрически связаны с соответствующими электродами 9, в середине платы посредством контактной колодки 10 распаян жгут электрических проводов 5, соединяющий цепи питания и выход детектора датчика с соответствующими контактами на электроуправляемом протезе руки посредством разъема 6.
Устройство подготавливают к работе следующим образом.
На здоровую часть конечности пациента 1 надевают эластичный перфорированный рукав 2. Крепят на руке электроуправляемый протез 7. Затем закрепляют активные датчики 4. Каждый из них закрепляют в эластичном рукаве 2 путем проталкивания узкого конца платы 8 в отверстие 3 в эластичном перфорированном рукаве 2 электродами вниз. Причем при вставке активного датчика 4 деформируют отверстие 3 таким образом, чтобы и второй край эллипса платы 8 оказался под эластичным перфорированным рукавом 2. В результате эластичный перфорированный рукав 2 должен покрывать и прижимать плату 8 к поверхности кожи 14 как показано на фиг.4. Необходимо, чтобы длинная сторона платы 8 располагалась вдоль мышечных волокон. При этом обеспечивается качественный контакт электродов 9 с кожей, - хорошему контактированию способствует также выпуклая форма электродов. Через отверстие 3 выходит жгут соединительных проводов 5, распаянный в середине платы. Другой конец жгута подсоединяют к разъему 6 на электроуправляемом протезе 7.
Устройство работает следующим образом.
Между электродами 9 активного датчика 4, прижатыми к поверхности кожи 14, при сокращении мышц появляется так называемый электромиографический сигнал в виде переменного напряжения, который усиливается дифференциальным усилителем 11, проходит через фильтр 12 и затем дектектируется детектором 13, после которого уже в виде постоянного напряжения подается в электроуправляемый протез 7 для включения соответствующего привода.
Перфорация в эластичном перфорированном рукаве 2 несет двойную функциональную нагрузку: во-первых, она является средством быстрого и легкого закрепления активных датчиков 4 в нужных местах; во-вторых, она является средством вентиляции, благодаря которому выделения пота испаряются с поверхности кожи.
Дифференциальный усилитель, известный в электронике [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк. - 1991. - С.396] в данном случае оказывается выгоднее обычного усилителя, так как позволяет подавить синфазную наводку. Фильтр 12 представляет собой активный полосовой фильтр [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк. - 1991. - С.434], пропускающий сигнал только в информативной полосе частот. Детектор 13 в простейшем случае может представлять собой нелинейный элемент с фильтром низкой частоты [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк. - 1991. - С.470-480].
Описанное устройство обладает следующими достоинствами по сравнению с известными аналогами:
1) активные датчики электромиографического сигнала могут легко и быстро устанавливаться и извлекаться благодаря особой конструкции эластичного рукава 2 и особой форме платы 8 активного датчика; это обеспечивает быстроту установки и снятия всего протеза в целом;
2) благодаря множественной перфорации в эластичном рукаве 2 есть возможность подбирать наилучшее расположение датчиков, располагая их в местах, обеспечивающих высокий уровень сигнала и избирательность к сокращению определенных групп мышц;
3) гладкие выпуклые электроды 9 активных датчиков 4 не раздражают и не травмируют кожу, и в то же время, они надежно прижаты;
4) достигается достаточная помехоустойчивость благодаря применению активных датчиков 4, в которых электроды 9 расположены очень близко к усилителю, а также благодаря применению дифференциального усилителя 11 и фильтра 12.