Устройство замещения утраченных функций человека с использованием обратной связи

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Устройство относится к областям медицинской реабилитационной и информационно-измерительной техники, а именно к устройствам для повышения качества жизни обездвиженных пациентов и для управления внешними вспомогательными устройствами посредством электромиографического сигнала по типу интерфейса «человек-машина».
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из предшествующего уровня техники известно носимое головное устройство, измеряющее активность мозга и лицевых мышц (данные источника информации GB 2396421 A). Устройство предназначено для модификации, генерирования или вывода визуальных или звуковых сигналов для восприятия пользователем, причем упомянутое устройство приспособлено для использования на голове пользователя, и указанное устройство дополнительно приспособлено для обнаружения активности мозга пользователя и/или активности лицевых мышц. Недостатком данного решения является необходимость размещения датчиков для анализа активности лицевых мышц на крыльях носа пользователя и вокруг глаз, что является нефизиологичным для использования в повседневной жизни пользователя ввиду ограничения рутинной мимической деятельности из-за наложения электродов.
Также известно устройство для управления программным обеспечением посредством электромиограммы (данные источника информации US 20060004298 A1). Устройство позволяет пользователю выполнять контроль посредством биоэлектрической активности и включает в себя устройство для регистрации и обработки электромиограммы, компьютерный дисплей и компьютер. Недостатком данного решения является необходимость постоянного зрительного контроля процесса управления, что не позволяет применить данную систему в устройстве без отображающего блока, например, для управления инвалидным креслом.
Наиболее близким аналогом данного технического решения для объединения сигналов датчиков активности мышц и сигналов инерциального датчика для контроля посредством жестов рук (данные источника информации US 20140240103 A1). Носимое электронное устройство включает в себя конструкцию в виде браслета, надетую, например, на предплечье пользователя, на котором размещены датчики активности мышц, инерционные датчики и микропроцессор. Микропроцессор способен идентифицировать некоторые жесты, выполненные пользователем, на основе активности мышц, обнаруженной датчиком активности мышц, и движения, обнаруженного инерционным датчиком. В ответ на идентификацию жеста электронное устройство, пригодное для ношения, беспроводным образом передает один или несколько сигналов для взаимодействия с управляемым подключенным устройством. Недостатком данного решения является отсутствие обратной связи с пользователем, что повышает процент ошибочного выполнения действий при использовании данного устройства, особенно в случае пользователей с нарушениями двигательной активности.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Задача, на которую направлено предлагаемое техническое решение, заключается в замещении утраченных физиологических функций пользователя, таких как движение или коммуникация с повышением точности управления приводами исполнительных устройств.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство содержит
носимое на голове устройство-обруч для размещения датчиков ЭМГ;
по меньшей мере один беспроводной датчик ЭМГ;
по меньшей мере один модуль обработки и преобразования сигнала ЭМГ;
по меньшей мере один модуль согласования с исполнительными приводами;
Характеризующееся тем, что носимое устройство-обруч содержит по меньшей мере один модуль управления с обратной связью, совместимый с современными ПК и роботизированными средствами реабилитации, при этом управление основано на способе управления внешними вспомогательными устройствами посредством произвольных движений пользователя, вследствие которых генерируется электромиографический сигнал и классифицируется на основе методов машинного обучения;
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность управления внешними устройствами или средствами коммуникации пользователем с ограниченными физическими возможностями посредством ЭМГ сигнала обездвиженными пациентами с сохранной активностью лицевых мышц посредством совершения произвольной мышечной деятельности.
Сущность технического решения поясняется следующими рисунками и схемами.
На фиг. 1 схематично показан внешний вид устройства на голове пользователя. Устройство замещения утраченных функций содержит носимое на голове устройство-обруч для размещения датчиков ЭМГ (1), разъемы под датчики могут быть выполнены по типу контакта «кнопка», либо по типу отверстий в материале обруча; беспроводные датчики ЭМГ (2), по меньшей мере один модуль обработки и преобразования сигнала ЭМГ (3), по меньшей мере один модуль согласования с исполнительными приводами (4), а также модуль управления с обратной связью, совместимый с современными ПК и роботизированными средствами реабилитации (5). Эластичный ремень (6), выполненный с креплениями для датчиков, позволяющий разместить датчики с учетом анатомии конкретного индивида.
На фиг. 2 показана блок-схема работы устройства с раскрытием способа управления.
На фиг. 3 показана возможная интеграция носимого устройства-обруча с роботизированным инвалидным креслом. Такое устройство содержит носимое головное устройство-обруч (1), инвалидное кресло с электроприводом (2), Дисплей ПК (3), Устройство воспроизведения речи (4), встроенный процессор и средства беспроводной передачи данных (5), парковочный радар (б) и источник питания (7).
Работает устройство следующим образом.
Носимое ЭМГ устройство (фиг. 1) может быть исполнено из гибких материалов с эластичными свойствами, для регуляции по размеру может содержать вставку, состоящую из упругого материала или из ремня с фастексом (поз. 6), что позволяет использовать устройство пользователем с разными обхватами головы, в том числе детям.
Носимое ЭМГ устройство располагают на голове пользователя, размещая электроды датчиков (поз. 2) над необходимыми мышцами, например над лобной и височной. Пользователь совершает произвольное мышечное движение с участием мышц, над которыми расположены датчики. Устройство может соединяться с ЭВМ по каналу беспроводной связи посредством модуля (поз. 3). Обработка данных может происходить как на микропроцессоре датчика устройства (поз. 2) так и на внешней ЭВМ посредством модуля (поз. 5). Вначале происходит обучение пользователя с помощью ПК. Пользователь, выполняя команды на экране, совершает не менее двух произвольных движений мышцами в лицевой области (например, сжатие челюсти, поднятие бровей, сведение бровей, расслабление). Каждое движение выполняется несколько секунд согласно команде на экране. На данном этапе происходит запись в базу данных и формирование на ее основе обучающей выборки.
В устройстве-обруче при этом электродные пластины датчика регистрируют возникающую электромиограмму. ЭМГ-сигнал проходит через усилитель, далее через ФВЧ и ФНЧ и поступает на АЦП. Сигнал разбивается оконной функцией на сегменты. Данные всех движений объединяются, рассчитываются математические статистики - максимальное значение и дисперсия, формируется вектор обучающих признаков. Данные центрируются и нормируются. Полученный вектор поступает на вход классификатора на основе методов машинного обучения, после чего система готова к использованию. Датчик устройства имеет обратную связь с пользователем, реализованную в виде вибродатчика (поз. 5). Сигнал вибродатчика подтверждает классификацию движения.
В процессе эксплуатации пользователь может произвольно выполнять любое из записанных в базу данных движений. Сигнал обрабатывается способом, описанным выше, но обработка ведется в режиме скользящего окна, и для каждого текущего оконного значения полученной статистики происходит сравнение со значением из базы данных. На основе чего классификатором принимается решение о типе совершенного движения. После определения типа движению присваивается управляющая команда и подается на приводы исполнительных органов средств реабилитации, например, как на фиг. 3. Так, принятое решение передается на приводы исполнительных органов соответствующего устройства, например, сжатию челюстей соответствует движение инвалидного кресла вперед.
Заявляемое устройство ввода информации имеет следующие преимущества перед известными устройствами аналогичного назначения:
- основано на использовании беспроводных датчиков, что позволяет достигнуть повышения точности благодаря отсутствию артефактов движения;
- хорошо держится на голове благодаря тому, что преимущественно выполняется из гибких материалов с эластичными свойствами, для регуляции по размеру может содержать вставку, состоящую из упругого материала или из ремня с фастексом, что позволяет использовать устройство пользователем с разными обхватами головы, в том числе детям;
- обеспечивает возможность быстрой смены исполнительных команд благодаря наличию классификатора на основе методов машинного обучения;
- легко интегрируется с ПК и роботизированными средствами реабилитации, может использоваться для управления ПК, инвалидным креслом, экзоскелетом, протезом, а также в технологиях типа «умный дом»;
- имеет эргономичную конструкцию - это обеспечивает возможность физиологичного использования на постоянной основе, что важно для людей с нарушениями двигательной активности.