Оптомиографический датчик электромеханического протеза
OPTOMYOGRAPHIC SENSOR OF AN ELECTROMECHANICAL PROSTHESIS

Изобретение относится к области медицинской техники в сфере протезирования, а именно к устройствам управления электромеханическим протезом, и может быть использована в медицинской промышленности.
Известен оптомиографический датчик электромеханического протеза, который содержит инфракрасные оптические датчики, расположенные в продольных углублениях основания [WO0245621A2, дата публикации: 13.06.2002 г., МПК: A61F 2/54; A61F 2/68; A61F 2/58].
Известен также оптомиографический датчик в составе системы для измерения мышечного состояния и гемодинамики, состоящий из ряда оптических датчиков, расположенных в определенной топологии для уточнения сигнала и улучшения соотношения сигнал-шум [US2013184539A1, дата публикации: 18.07.2013 г., МПК: А61В 5/00; А61В 5/04; А61В 5/0488].
Особенностью рассматриваемых систем 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.
В качестве прототипа для изобретения выбран оптомиографический датчик электромеханического протеза и способ настройки электромеханического протеза, при этом датчик содержит твердый корпус и оптические датчики [CN103610443A, дата публикации: 05.03.2020 г., МПК: A61F 2/58; A61F 2/68].
Недостатком прототипа и известных технических решений является высокая сложность настройки электромеханического протеза с использованием такого электромиографического датчика ввиду необходимости множественных перемещений оптомиографического датчика внутри культеприемной гильзы протеза и регистрации показателей мышечной активности в каждом отдельном положении, поскольку все оптические датчики оптомиографического датчика активируются одновременно. Это требует множественных снятий и установок всего протеза с конечности пользователя, что существенно увеличивает длительность процесса настройки электромеханического протеза и требует расширения функционала имеющегося оптомиографического датчика.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик оптомиографического датчика электромеханического протеза.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей оптомиографического датчика электромеханического протеза.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Оптомиографический датчик электромеханического протеза содержит корпус, имеющий поверхность для взаимодействия с конечностью пользователя, на которой смонтированы оптические датчики для измерения светопроницаемости ткани, подключенные к плате. В отличие от прототипа оптомиографический датчик электромеханического протеза содержит элемент поочередной активации оптических датчиков, корпус содержит элемент настройки интенсивности излучения света, попадающего на приемник оптического датчика, подключенный к плате и расположенный с противоположной стороны корпуса от поверхности для взаимодействия с конечностью пользователя, а оптические датчики предназначены для измерения относительных изменений светопроницаемости ткани, находящейся под датчиком, за счет изменения светорассеяния мышечных волокон при сжатии/растяжении, или кровенаполнении мышечной ткани, или перемещении сухожилий.
Оптомиографические датчики позволяют измерять относительные изменения светопроницаемости ткани, находящейся под датчиком, за счет изменения светорассеяния мышечных волокон при сжатии/растяжении, кровенаполнения мышечной ткани, перемещения сухожилий, а также других изменениях в механических и оптических свойствах, ассоциированных с мышечной активностью, и преобразовывать эти данные в электрический сигнал на выходе датчика для дальнейшей обработки в системе управления протезом.
Каждый оптический датчик содержит излучатель оптического излучения, выполненный как светодиодный или лазерный излучатель, и фотоэлектрический приемник, выполненный как фоторезистор, фотодиод или фототранзистор, обеспечивающие возможность измерения локальных изменений светопроницаемости ткани в целевой области приложения датчика. Световые излучатели обеспечивают возможность создания электромагнитного излучения видимого или ближнего инфракрасного диапазона в спектре от 650 нм до 1200 нм. Фотоэлектрические приемники обеспечивают возможность преобразования света электромагнитного излучения видимого или инфракрасного диапазона, рассеянного в мягких тканях конечности пользователя, в электрический сигнал. При этом между каждой парой излучателя и приемника содержится оптический барьер, препятствующий прямому распространению излучения между ними.
Для дополнительного повышения точности расположения оптомиографического датчика на мягких тканях конечности пользователя, а также для повышения стабильности работы датчика при регулярной съемке и установке протеза на конечность он содержит несколько рядом расположенных излучателей и приемников, что упрощает выбор оптимального оптического датчика или нескольких оптических датчиков для управления протезом. Топология (расположение оптических датчиков в корпусе) может быть подобрана индивидуально для конкретного пользователя, исходя из состояния культи и расположения на ней целевых областей.
Корпус датчика преимущественно имеет плоскую низкопрофильную форму, обеспечивает несущие функции и может быть представлен в виде подложки или платы, на которой могут быть смонтированы световые излучатели и фотоэлектрические приемники, либо в качестве отдельного элемента, выполненного из любого известного конструкционного материала, на котором или внутри которого может быть закреплена плата. Корпус имеет поверхность для взаимодействия с конечностью пользователя, которая может быть расположена с противоположной или на смежной стороне корпуса, предназначенной для закрепления датчика в культеприемнике протеза. Также эта поверхность характеризуется тем, что на ней могут быть расположены барьеры, препятствующие прямому распространению света между излучателем и фотоэлектрическим приемником в оптическом датчике. Корпус датчика содержит интерфейс питания и интерфейс обмена информацией со внешней системой управления, например, микроконтроллером.
Дополнительно для повышения точности расположения оптомиографического датчика на мягких тканях конечности пользователя корпус и плата оптомиографического датчика могут быть выполнены с использованием гибких материалов, например, полиимид или лавсан для платы, и поливинил хлорид, силикон или резина для корпуса. Излучатель и приемник при этом могут иметь миниатюрные размеры и могут быть смонтированы на корпусе методом поверхностного монтажа. Такая техническая реализация позволяет надежно и с однородным прилеганием закрепить датчик на поверхности мягких тканей конечности, в том числе и при механическом перемещении кожи, вызванным мышечной активностью.
Оптические датчики установлены на поверхности корпуса оптомиографического датчика, предназначенного для взаимодействия с конечностью пользователя, что позволяет организовать передачу проходящего через подкожные структуры конечности пользователя света от излучателя к фотоэлектрическому приемнику оптического датчика. Также они могут быть расположены на поверхностях, смежных с поверхностью для взаимодействия с конечностью пользователя при условии отсутствия препятствующих оптическому излучению и приему излучения со стороны корпуса элементов. При этом излучатель и фотоэлектрический приемник каждого оптического датчика могут быть установлены в соответствующие углубления корпуса таким образом, чтобы оптические оси излучателя и приемника были перпендикулярны поверхности для взаимодействия с конечностью пользователя.
Расстояние между излучателем и фотоэлектрическим приемником в оптическом датчике может варьироваться в диапазоне от 5 до 50 мм в зависимости от состояния культи пользователя протеза в то время, как расстояние между излучателями и фотоэлектрическими приемниками соседних оптических датчиков обусловлено только количеством используемых в оптомиографическом датчике оптических датчиков и геометрическими размерами датчика, платы и используемых электронных компонент. Например, в наиболее предпочтительном варианте использования излучателя 850 нм, расстояние между световым излучателем и фотоэлектрическим приемником каждого оптического датчика составляет от 10 до 15 мм, а расстояние между соседними оптопарами - от 5 до 20 мм.
Оптомиографический датчик содержит элемент поочередной активации оптических датчиков, что обеспечивает возможность активации только одного или нескольких оптических датчиков из имеющихся для проведения более тонкой настройки оптомиографического датчика или для выбора оптимального оптического датчика.
Элемент поочередной активации оптических датчиков обеспечивает возможность замыкания и размыкания цепи питания световых излучателей и/или приемников и может быть представлен в виде одного многопозиционного или нескольких однопозиционных ручных или электрических переключателей, подключенных в цепь питания компонентов датчика. При этом элемент поочередной активации оптических датчиков может быть расположен с противоположной стороны корпуса от поверхности для взаимодействия с конечностью пользователя, что обеспечивает возможность активации оптических датчиков снаружи культеприемной гильзы протеза. Либо этот элемент может быть представлен в виде микросхемы или контроллера с функцией автоматического переключателя в случае электрического переключателя. Элемент поочередной активации оптических датчиков может быть представлен отдельным элементом и может быть подключен к оптическим датчикам или плате проводами, либо он может быть смонтирован непосредственно на плате и может быть подключен к оптическим датчикам посредством контактных дорожек.
Дополнительно для расширения функциональных возможностей оптомиографического датчика он может содержать элемент настройки интенсивности излучения света, попадающего на приемник оптического датчика, который может быть представлен подстроечным механическим или электрическим цифровым потенциометром, подключенным в цепь питания приемника и расположенным с противоположной стороны корпуса от поверхности для взаимодействия с конечностью пользователя. При этом он может быть смонтирован на плате и может быть подключен к оптическим датчикам посредством контактных дорожек.
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что оптомиографический датчик электромеханического протеза, снабжен элементом поочередной активации оптических датчиков, подключенным к оптическим датчикам что позволяет задействовать при калибровке датчика отдельные оптические датчики, благодаря чему определить оптический датчик с наибольшей интенсивностью излучения света, попадающей на приемник в процессе изменения состояния конечности пользователя протеза, выполненный из гибких материалов, благодаря чему обеспечивается равномерное прилегание датчика к мягким тканям конечности пользователя.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей оптомиографического датчика электромеханического протеза, тем самым, улучшаются его эксплуатационные характеристики.
Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1 - Оптомиографический датчик электромеханического протеза, изометрия, вид сверху.
Фиг. 2 - Оптомиографический датчик электромеханического протеза, изометрия, вид снизу.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Оптомиографический датчик электромеханического протеза содержит корпус 1, в углублениях которого расположены оптические датчики 2, 3 и 4, состоящие из инфракрасных излучателей и фотоэлектрических приемников, смонтированных на плате (не показана на фигурах), при этом с другой стороны платы в углублении корпуса 1 смонтированы выключатели питания 5, 6, 7 инфракрасных излучателей оптических датчиков 2, 3 и 4 соответственно, подключенные к инфракрасным излучателям, При этом приемники подключены через подстроечный резистор 8. При этом на плате также смонтирован интерфейс 9 для подключения датчика к контроллеру электромеханического протеза (не показан на фигурах), подключенный к оптическим датчикам 2, 3 и 4.
Изобретение работает следующим образом.
Электромеханический протез верхней конечности с установленным и закрепленным внутри его гильзы оптомиографическим датчиком закрепляли на культе верхней конечности пользователя протеза. В процессе калибровки оптомиографического датчика электромеханического протеза пользователь осуществлял мышечную активность, направленную на изменение угла раствора кисти руки протеза, что приводило к сокращению мышечной ткани в подкожных структурах культи пользователя протеза.
В процессе калибровки оптомиографического датчика оператор поочередно задействовал оптические датчики 2, 3 и 4 посредством выключателей питания 5, 6, 7 инфракрасных излучателей через монтажное отверстие в культеприемнике протеза. В процессе сокращения мышечной ткани происходило изменение величины рассеяния ИК-излучения в тканях конечности пользователя протеза и, соответственно, изменение интенсивности света, получаемого приемником каждого оптического датчика 2, 3 и 4. При этом за счет индикации на контроллере электромеханического протеза осуществлялась регистрация наиболее высокого показателя относительной интенсивности света, получаемого каждым отдельным оптическим датчиком 2, 3 и 4. Путем регулировки подстроенного резистора 8 осуществлялась более тонкая настройка приемников оптических датчиков 2, 3 и 4.
Таким образом достигался технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей оптомиографического датчика электромеханического протеза, тем самым улучшались его эксплуатационные характеристики.