Детектор сигнала в системах биоэлектрического управления протезами (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК A61F2/54 

1

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к протезам с биоэлектрическим управлением, в которых используются в качестве управляющего сигнала биопотенциалы мьпиц ин- валида.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости по отношению к периодическим и флуктуацион- ным, а также к периодическим и импульсным помехам.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства по первому варианту; на фиг. 2 - то же, по второму варианту; на фиг. 3 - функциональная схема разновидности устройства по второму варианту; на фиг.4 - принципиальная .электрическая схема, разновидности устройства по второму варианту.

Детектор сигнала в системах биоэлектрического управления протезами по первому варианту (фиг.1) содержит последовательно соединенные выпрямитель 1, сглаживающий фильтр 2, полосовой частотный фильтр 3, усилитель 4, дополнительный выпрямитель 5, дополнительньй сглаживающий фильтр 6

Детектор по второму варианту (фиг.2) содержит вьтрямитель 1, сглаживающий фильтр 2, полосовой частот- ньй фильтр 3, усилитель 4, дополнительный вьтрямитель 5, второй сглаживающий фильтр 6, третий сглаживающий фильтр 7j элемент 8 выделения наименьшего сигнала.

Детектор сигнала по первому варианту работает следующим образом.

Электромиографический сигнал выпрямляется в выпрямителе 1, выпрямленный сигнал усредняется или сглаживается в сглаживающем фильтре 2. Таким образом, выделяется огибающая электромиографического сигнала. Полосовой частотный фильтр 3 исключает постоянную составляющую сигнала, т.е. вьщеляет флуктуации огибающей Полосовой частотный фильтр 3 выделяет также полосу частот флуктуации огибающей, обеспечивающих лучшее функционирование системы: устраняются низкочастотные составляющие, вызывающие заметную неравномерность перемещения исполнительного механизма, в пределах частотного спектра сигнала на выходе полосового частсЗт ного фильтра 3,- обеспечивается пре- вьш1ение флуктуации огибающей сигна

.

. . -10

7008

ла по сравнению с флуктуациями огибающей помехи. Усилитель 4 усиливает сигнал до величины, при которой может происходить выпрямление сигна- 5. ла применяемыми в настоящее время приборами. Дополнительный выпрямитель 5 и дополнительный сглаживающий фильтр 6 выпрямляют и сглаживают сигнал, формируя однополярный сигнал и устраняя флуктуации выходного сигнала, повышая тем самым ппавность движения исполнительного механизма.

Детектор сигнала по второму ва- рианту работает следующим образом.

. В вьшрямителе 1, сглаживающем фильтре 2, полосовом частотном фильтре 3, усилителе 4, в дополнительном выпрямителе 5, во втором сглаживающем фильтр е 6 осуществляется вьщеле- ние флуктуации огибающей .сигнала, третий сглаживающий фильтр 7 одновременно формирует огибающую электромиографического сигнала. Коэффициент усилителя 4 отрегулирован таким образом, чтобы при отсутствии помех уровни сигнала с выхода второго и третьего сглаживающих фильтров 6 и 7 были наиболее близкими. При наличии помехи с малым уровнем флуктуации огибающей по сравнению с его средним значением сигнал и помеха проходят элемент выделения наименьшего сигнала 8 только с выхода вто- 35 рого сглаживающего фильтра 6, так как на выходе третьего сглаживающего фильтра 7 сигнал имеет большее значение. При наличии помехи с большим уровнем флуктуации огибающей (напри- мер, импульсной) по сравнению со

средним значением помехи сигнал и помеха проходят элемент выделения наименьшего сигнала 8 только с выхода третьего сглаживающего фильтра 7. В предлагаемом детекторе осуществляется вьщеление флуктуации огибающей электромиографического сигнала. Как показывает теория образования электромиографического сигнала и экс- 50 периментальные данные, величина флуктуации огибающей сигнала определяется уровнем электромиографического сигнала и увеличивается с его увеличением, т.е. несет ту же информацию 55 о степени сокращения мьш1цы.

Эффект достигается тем, что электромиографический сигнал имеет больший уровень флуктуации, чем у рас30

3

пространенных видов периодических и флуктуационных помех. Так как флуктуации электромиографического сигнала на выходе предлагаемого детектора являются управляющим сигналом, не- 5 сущим необходимую информацию, то

12470

тем самым повьшается отношение сигнал - помеха, т.е. повышается помехоустойчивость системы управления.

Дпя упрощения схемы детектора по второму варианту первый и третий сглаживающие фильтры могут быть объединены (фиг.З). По сравнению со схемой на фиг.2 исключен.третий сглася частотной характеристикой ус илит€ ля биопотенциалов, который предполагалось использовать с данным детекто ром, и характеристиками периодически помех. В усилителе биопотенциалов подавляется основная частота сетевых наводок 50 Гц и поэтому возникает не обходимость подавления высших гармо. ник, образуемых, в частности, и в О усилителе биопотенциалов. Верхняя граничная частота частотной характет ристики усилителя биопотенциалов 400-600 Гц. Эти данные определяют ча тотную характеристику усилителя 4

живающий фильтр. Выход сглаживающе- 5 70-600 Гц. Б качестве второго сглач

го фильтра 2 подключен ко входу полсового частотного фильтра 3 и к одному из входов элемента 8 выделения наименьшего сигнала.

На фиг. 4 представлена принципиальная электрическая схема детектора, реализующая разновидность устройства по второму варианту.

Каскад на транзисторе Т1 реализует вьтрямитель 1 и сглаживающий фильтр 2, каскад на транзисторе Т2 выполняет функцию полосового частотного фильтра 3, каскад на транзисторе ТЗ реализует усилитель 4, дополнительный вьтрямитель 5 и второй сглаживающий фильтр 6, каскад на транзисторе Т4 - элемент выделения наименьшего сигнала 8,

Особенностью разновидности устройства по второму варианту по сравнению с его основной схемой является то, что параметры первого сглаживающего фильтра выбираются исходя из требований не детектора флуктуации огибающей, а детектора текущего среднего, В связи с этим осуществляется большее подавление флуктуации, огибающей, чем это необходимо для дете;квполне коррелированы и схема сре ет выбросы флуктуации, если они не повторяются в другом детекторе. Использование детектора сигнала

тора флуктуации огибающей. Это приво- з по первому варианту оправдано при

дит к необходимости повысить коэффициент усиления усилителя 4. В приведенной схеме в качестве первого сглаживающего фильтра использована одно- звенная RC-цепь с постоянной времени ел 0,085 с.

Выбор полосы пропускания частотного фильтра в данной схеме определяетмалом уровне импульсных помех. При импульсных помехах большой величи ны целесообразно применение второг варианта детектора сигнала, в кото ром в зависимости от вида помех функционирует детектор среднего ур -ня сигнала или детектор флуктуации огибающей сигнала.

5

70084

ся частотной характеристикой ус илит€ .- ля биопотенциалов, который предполагалось использовать с данным детектором, и характеристиками периодических помех. В усилителе биопотенциалов подавляется основная частота сетевых наводок 50 Гц и поэтому возникает необходимость подавления высших гармоник, образуемых, в частности, и в усилителе биопотенциалов. Верхняя граничная частота частотной характет ристики усилителя биопотенциалов 400-600 Гц. Эти данные определяют частотную характеристику усилителя 4

живающего фильтра 6 использовался од- нозвенный RC-фильтр с постоянной времени 0,1с,

Приведенная схема обеспечивает подавление шумового сигнала с нормальным распределением амплитуды сигнала более, чем в 2 раза большее, чем в детекторе среднего значения сигнала, синусоидальных помех частотой

100 Гц - более, чем в 2 раза,

200 Гц - в 20 раз, действие синусоидального сигнала частотой 350 Гц не удалось обнаружить. Высшие гармоники ограниченного по амплитуде синусоидального сигнала частотой 50 Гц снижались более, чем в 20 раз. Кроме того, приведенная схема обеспечивает то, что сигнал на выходе имеет меньшие флуктуации, чем .сигнал

на выходе детектора флуктуации огибающей и детектора среднего значения. Это объясняется тем, что сигналы на выходе обоих вариантов детекторов перед элементом, вьщелягащим

наименьшее значение сигнала, не

вполне коррелированы и схема срезает выбросы флуктуации, если они не повторяются в другом детекторе. Использование детектора сигнала

по первому варианту оправдано при

малом уровне импульсных помех. При импульсных помехах большой величины целесообразно применение второго варианта детектора сигнала, в котором в зависимости от вида помех функционирует детектор среднего уров- -ня сигнала или детектор флуктуации огибающей сигнала.

фиг. 3

I-12В

R5-J,8M

Л 9В

71

Т2

Редактор Р.Волощук

Составитель М.Пластинин Техред И.Гайдош

Заказ 4042/6Тираж 660

ВНИИПИ Государственного комитета СССР 1 , -1п-,Г изобретений и открытий П3035, Москва, Ж-35, Раушская наб. д 4/5

про„ззо„с.гвв,™-„„л,„.р.ф„,еск„в„р: ;;; :: : --; --;--;--73фиг. V

7

5

Корректор Е.Сирохман Подписное

1. Детектор сигнала в системах биоэлектрического управления протезами, содержащий последовательно соединенные выпрямитель и сглаживающий фильтр, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости по отношению к периодическим и флуктуационным помехам, он содержит последовательно подключенные полосовой частотный фильтр, усилитель, дополнительный выпрямитель и дополнительный сглаживающий фильтр, выход сглаживающего фильтра соединен с входом полосового частотного фильтра. 2. Детектор сигнала в системах биоэлектрического управления протезами, содержащий последовательно соединенные выпрямитель и сглаживающий фильтр, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения помехоустойчивости по отношению к периодическим и импульсным помехам, он содержит последовательно соединенные полосовой частотный фильтр, усилитель, дополнительный выпрямитель,второй сглаживающий фильтр, элемент выделения наименьшего сигнала и третий сглаживающий фильтр, причем вход полосового частотного филЬтра соединен с выходом сглаживающего фильтра, вход которого через третий сглаживающий фильтр подключен к второму входу элемента выделения наименьшего сигнала. с «б (Л го 4:аь Фие. 7