СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ НИЖНЕЙ КОНЕЧНОСТИ Российский патент 2025 года по МПК A61F2/60 A61F2/68 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам управления мехатронными устройствами, такими как протезы коленного сустава, и может быть использовано при изготовлении таких протезов для конечного пользователя.

Известен способ управления искусственным ортезом или протезом сустава нижней конечности по патенту РФ №2508078, содержащий создающее сопротивление приспособление, которое снабжено по меньшей мере одним исполнительным механизмом, с помощью которого изменяется сопротивление сгибанию и/или сопротивление разгибанию в зависимости от данных датчиков. Во время пользования суставом с помощью датчиков обеспечивается информация состояния. Сопротивление сгибанию в фазе стояния повышают или не уменьшают, когда выявляют уменьшающийся в направлении вертикали угол инерции голенной части и одновременно нагруженную плюсну.

Из патента EP 3297578 известен способ регулирования протеза, такого как коленный протез, голеностопный протез или коленный/голеностопный протез, содержащий по меньшей мере один сустав, управляемый исполнительным механизмом с микроконтроллером на основе данных, исходящих из по меньшей мере от одного гироскопа и акселерометра, которые способны измерять угловую скорость и ускорение, соответственно, по меньшей мере части протеза. Суть способа заключается в том, что в течение определенного периода времени микроконтроллер контролирует измерения, выдаваемые гироскопом и, по результатам такого контроля, в момент, когда абсолютное значение измерения равно или ниже заданного порога, переводит в состояние ожидания за счет уменьшения или отключения электропитания по меньшей мере один электронный орган протеза за исключением акселерометра.

В заявке WO 2018/089543 раскрыто автономное носимое устройство для ног, использующее массив датчиков, встроенных вдоль опорной области, посредством чего контроллер может генерировать управляющую команду и отправлять управляющую команду протезному, ортопедическому, экзоскелетному или носимому компоненту, чтобы тем самым управлять протезным, ортопедическим, экзоскелетным или носимым устройством. компонент. Способ управления автономным носимым устройством собирает кинетические сигналы от массива датчиков, встроенных в протезный, ортопедический или экзоскелетный компонент, при этом все значения извлекаются по меньшей мере из одного признака собранных кинетических сигналов, которые подаются на контроллер, генерирующий управляющую команду, направляемую на протезный, ортопедический экзоскелетный компонент, чтобы таким образом управлять протезным, ортопедическим или экзоскелетным компонентом во время части цикла ходьбы.

Задача, решаемая при создании заявленного изобретения, состоит в максимально возможном приближение походки пользователя протеза к биомеханической норме, а также в сокращение времени процесса реабилитации, при этом технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в минимизации отклонения параметров движения пользователя протеза от параметров движений людей в норме.

Для достижения поставленного результата предлагается способ управления исполнительными механизмами автоадаптивного узла протеза нижней конечности, включающий измерение значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба (бедра, голени) и их взаимного расположения, полученных с помощью датчиков, преобразование результатов измерения в набор параметров-признаков, классификацию на основании полученного набора необходимого типа двигательной активности (паттерна) пациента, соответствующего норме, построение на основании полученного типа модели состояний протеза в виде набора фаз двигательной активности и правил переходов между ними, построение прогноза изменений с учетом действительного типа двигательной активности и построенного набора фаз, и, на основании данных прогноза, выдачу команды исполнительным механизмам протеза на минимизацию отклонений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба (бедра, голени) и их взаимного расположения от эталонного.

В контексте заявленного решения следующие понятия означают:

тип двигательной активности (паттерн) - способ выполнения движений и принятия положений, производимый спонтанно при взаимодействии с окружающей средой, регулируемый рефлекторными дугами и информацией о двигательном опыте, накопленной центральной нервной системой;

фаза двигательной активности - часть паттерна двигательной активности, например, фаза переноса при ходьбе;

параметр-признак - функция от данных телеметрии, значение которой значимо связано со значением классифицируемого состояния;

эталонная метрика - характерные значения параметра-признака для классифицируемого состояния;

машина состояний - конечный результат, математическая модель дискретного устройства, имеющего один вход, один выход и в каждый момент времени находящегося в одном состоянии из множества возможных;

момент демпфирования в узле коленном (УК) - момент препятствующий вращению УК, тормозящий вращение коленного узла (направленный противоположно вращению УК).

Заявленный способ управления узла коленного (УК) в практическом варианте реализации обеспечивает управление в реальном времени исполнительным механизмом протеза, в частности - управление моментом демпфирования УК в соответствие с критерием минимизации отклонения параметров движения пользователя с ампутацией нижней конечности на уровне бедра от параметров движения людей в норме. Возможность адаптивной подстройки алгоритма управления протезом под особенности локомоторной и постуральной активности пациента позволяет существенно повысить комфорт пользования протезом.

На функциональном уровне процесс управления может быть представлен в виде следующей последовательности этапов:

данные измерений преобразуются в набор параметров-признаков;

на основе набора параметров-признаков и набора эталонных метрик классифицируется тип двигательной активности (паттерна);

в зависимости от классифицированного типа двигательной активности реализуется соответствующая машина состояний, состоящая из набора фаз двигательной активности и правил переходов между ними;

в соответствии с текущими типом и фазой двигательной активности производится прогноз данных измерений, в котором события представляют собой фазы двигательных активностей;

на основе данных прогноза, данных измерений и фактических управляющих воздействиях пользователя выбирается траектория изменения угла в УК и соответствующее управление в виде момента демпфирования в УК, минимизирующего отклонение от эталонной метрики;

дополнительно, данные измерений могут использоваться для дообучения системы для реализации способа.

На аппаратном уровне заявленный способ может быть реализован с использованием системы, включающей, но не ограничивающей, датчики протеза нижней конечности, регистрирующие кинематические и силомоментные параметры двигательной активности, датчики, регистрирующие собственные параметры УК (температура, ток, напряжение, положение исполнительных механизмов), исполнительные элементы, контроллеры управления и элементы информационного взаимодействия с пользователем (динамик, вибромотор, световой индикатор и т.п.).

Обобщенно такая система имеет иерархическую трехуровневую структуру:

верхний уровень служит для классификация паттерна двигательной активности, заключающейся в сопоставление набора параметров-признаков c набором эталонных метрик паттернов двигательной активности;

средний уровень - машина состояний; в зависимости от классифицированного типа двигательной активности реализуется соответствующая машина состояний, состоящая из набора фаз и правил переходов между ними;

нижний уровень - управление исполнительным механизмом протеза; в зависимости от текущей позиции машины состояний реализуется управление моментом сопротивления УК, через управление исполнительным механизмом, на основе прогноза максимальной близости значений углов, сил и моментов в УК к анатомической норме; прогнозируемые значения углов, сил и моментов УК оцениваются в пространстве параметров-признаков, при этом на аппаратном уровне вероятность принадлежности прогнозных значений к эталонным метрикам оценивается посредством цепи Маркова, описывающей зависимость вероятностей принадлежности i-тому элементу в t+Δt момент времени как:

P_(t+Δt)= M_i,j P_t ,

где элементы матрицы M_i,j составляются из оценок вероятностей (частот) перехода за период Δt i-того элемента в j-тый с координатами x.

Итоговым результатом функционирования системы является возможность построения серии прогнозов данных телеметрии при различных управлениях, позволяющих оптимизировать походку пациента под анатомическую норму, ускорив процесс адаптации пациента к УК; кроме того, её использование при минимальной вычислительной сложности позволяет реализовать механизм адаптации параметров управления УК под паттерн походки пациента, а конфигурация системы управления в виде сочетания детерминированных конечных автоматов с цепью Маркова в формате иерархии цепей, где в роли адаптируемых элементов выступают параметры нижнего уровня, позволяет гарантировать управляемость и безопасность эксплуатации протеза при преимуществах адаптивности к пациенту.

Дополнительными преимуществами системы являются её адаптивность, в том числе, возможность дообучения, за счет максимизации критериев качества по вариации коэффициентов базиса функций зависимости управления от данных телеметрии. Критериями качества могут выступать ожидания пациентов о комфортном опыте протеза при различных режимах.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способу управления моментом, препятствующим вращению исполнительного механизма автоадаптивного узла протеза нижней конечности. Способ включает измерение значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности и взаимного расположения узлов сгиба протеза нижней конечности, полученных с помощью датчиков протеза нижней конечности. Способ предусматривает преобразование результатов измерения значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности и взаимного расположения узлов сгиба протеза нижней конечности в набор параметров-признаков. Способ включает классификацию по результатам сопоставления набора параметров-признаков c набором эталонных метрик типов двигательной активности необходимого типа двигательной активности пациента, соответствующего биомеханической норме. Способ включает построение на основании классифицированного типа двигательной активности машины состояний протеза, состоящей из фаз двигательной активности и переходов между такими фазами двигательной активности. Способ предусматривает определение текущей фазы двигательной активности, построение прогноза максимальной близости значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности к биомеханической норме с учетом классифицированного типа двигательной активности. Способ включает построение машины состояний протеза и текущей фазы двигательной активности и на основании построенного прогноза достижение максимальной близости значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности к биомеханической норме. Способ включает выдачу команды исполнительным механизмам протеза на минимизацию отклонений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности и взаимного расположения узлов сгиба протеза нижней конечности от эталонной метрики типов двигательной активности, соответствующей биомеханической норме. Техническим результатом является минимизация отклонения параметров движения пользователя протеза от параметров движений людей в норме.

Способ управления моментом, препятствующим вращению исполнительного механизма автоадаптивного узла протеза нижней конечности, включающий измерение значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности и взаимного расположения узлов сгиба протеза нижней конечности, полученных с помощью датчиков протеза нижней конечности, преобразование результатов измерения значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности и взаимного расположения узлов сгиба протеза нижней конечности в набор параметров-признаков, классификацию по результатам сопоставления набора параметров-признаков c набором эталонных метрик типов двигательной активности необходимого типа двигательной активности пациента, соответствующего биомеханической норме, построение на основании классифицированного типа двигательной активности машины состояний протеза, состоящей из фаз двигательной активности и переходов между такими фазами двигательной активности, определение текущей фазы двигательной активности, построение прогноза максимальной близости значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности к биомеханической норме с учетом классифицированного типа двигательной активности, построение машины состояний протеза и текущей фазы двигательной активности и на основании построенного прогноза максимальной близости значений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности к биомеханической норме выдачу команды исполнительным механизмам протеза на минимизацию отклонений сил, моментов и углов ориентации в пространстве узлов сгиба протеза нижней конечности и взаимного расположения узлов сгиба протеза нижней конечности от эталонной метрики типов двигательной активности, соответствующей биомеханической норме.