Протез предплечья с биоэлектрическим управлением для детей Советский патент 1980 года по МПК A61F1/06 

Изобретение относится к медицине а именно к протезированию и протезостроению и касается протезов верхних конечностей с биоэлектрическим 5 управлением.

Известен .протез предплечья с .биоэлектрическим управлением, содержащий искусственную кисть с электроприводом и косметической оболочкой, Ю механизм пассивной ротации, гильзу предплечья, токосъемное устройство в виде потенциальных электродов и электрода масса, электронный блок управления, включающий усилители биопотенциалов и импульсный преобразователь ij .

Однако известный протез предплечья не может выть использован для протезирования детей, особенно младиаего , 20 возраста, так как не дает возможности производить замену приемной гильзы с изменением размеров культи предплечья вызванным ростом ребенка и, кроме того, требует значитель- 25 ных энергозатрат ребенка при пользовании протезом.

Целью изобретения является обеспечение возможности протезирования в условиях ускоренного роста костных 0

и мышечных тканей культи, а также повышение нгщежности отведения биопотенциалов со слабых и аномально расположенных мышц предплечья при врожденных недоразвитиях конечности и, кроме того, снижение энергозатрат ребенка.

Поставленная цель достигается тем, что гильза предплечья выполнена из двух частей - несущей- и приемной гильз, электрода установлены на приемной гильзе о помощью регулиро- вочных прокладок из синтетического материала и раздельно закреплены винтами с Гс1йкс1ми и металлическими лепестками, причем косметическая оболочка выполнена в виде съемной краги из синтетического материала, а несуцая гильза соединена с приемной гильзой и механизмом ротации телескопически с помощью винтов.

Кроме того, в электронный блок управления введена времязадающая цепочка, состоящая из параллельно соединенных резист6ра1 и конденсатора, включенных в эмиттерную цепь первого транзистора импульсного преобразователя, а также конденсатор, включенный между базой второго и эмиттером третьего транзистора импульсного преобразователя . На фиг. 1 изображен предлагаемый протез, общий вид; на фиг. 2 - разрез Л-А на фиг. 1; на фиг, 3 - принципиальная электрическая схема элект ронного блока управления протезом. Протез содержит искусственную кисть 1 с электроприводом 2, механиз 3 пассивной ротации, гильзу предплечья, выполненную из двух чадтей - не сущей гильзы 4 и приемной гильзы 5, косметическую оболочку 6, выполненную в виде съемной краги из поливинилхлоридной пленки, токосъемное уст ройство в виде потенциальных электро дов 7 и электрода 8 масса, укреп ленных раздельно при помощи винтов 9 которые с наружной стороны приемной гильзы 5 укреплены гайками 10 .с установленными под ними металлическими лепестками 11, электронный блок 12 управления, включающий в себя усилители 13 и 14 биопотенциалов и импульсный преобразователь 15. Причем электронный блок 12 управления содержит времязадающую цепочку, состоящую из параллельно соединенных резистора 16 и конденсатора 17, включенных в эмиттерную цепь первого транзистора 18 импульсного преобразо вателя 15, и конденсатор 19, включен ный между базой второго транзистора 20и эмиттером третьего транзистора 21импульсного преобразователя 15. Кроме того, несущая гильза 4 предплечья соединена с механизмом 3 пассивной ротации и с приемной гильзой 5 винтами 22, а токосъемное устройст во содержит регулировочные прокладки 2 3 различной толщины из полиэтилена. Протез предплечья работает следующим образом. Поскольку электронный блок 12 .управления состоит из двух идентичных каналов, предназначенных для усиления и преобразования биоэлектрических сигналов, отводимых с мышц сгибателя и разгибателя кисти, описание его работы приведено для случая отведения сигнала с мышцы-сги бателя. При отведении сигналов с мышцы-разгибателя протекают аналоги ные процессы во втором канале. Управляющий биоэлектрический сиг нал, отводимый с лглицы-сгибателя ки ти, посредством токосъемного устрой ва усиливается:усилителем 13 биопот циалов,выполненным на интегральной . микросхеме 24 и транзисторе 25, и поступает на вход импульсного преоб разователя 15, где при помощи актив ного детектора, выполненного на дио де 26 и транзисторе 18, преобразует в последовательность однополярвых импульсов. Последние поступают на вход триггерас одним устойчивымсо тоянием - транзисторы 20 и 21. В исходном состоянии транзистор 20 открыт, транзистор 21 закрыт, а конденсатор 19 полностью заряжен, причем его положительная обкладка приложена к базе транзистора 20. В момент появления на коллекторе транзистора 18 отрицательных импульсов конденсатор 19 начинает разряжаться по следующей цепи: открытый транзистор 18, резисторы 16 и 27. Уменьшение положительного потенциала на.базе тпанзистора 20 приводит к его закрыванию, что, в свою очередь, вызывает ла)инообразное открывание транзистора 21, т.е. происходит переброс триггера из одного состояния в другое. На выходе триггера (эмиттер транзистора 21) формируется последовательность прямоугольных импульсов, частота следования и длительность которых пропорциональны частоте следования и длительности импульсов входного биоэлектрического сигнала на уровне, определяемом порогом срабатывания импульсного преобразователя 15. Порог срабатывания последнего определяется, главным образом, параметрами активного детектора. Оба канала импульсного преобразователя 15 имеют одинаковые пороги срабатывания, что позволяет ограничиваться лишь одной времязадающей цепочкой, состоящей из конденсатора 17 и резистора 16 для обоих каналов сразу. После прекращения подачи биоэлект рического сигнала транзистор 18 закрывается, и начинается процесс перезаряда конденсатора 19 в исходной полярности по следующей цепи: плюс источника питания, резистор 28, конденсатор 19, резистор 27, минус источника питания. До тех пор, пока положительный потенциал на конденсаторе 19 (т.е. на базе транзистора 20) не станет достаточным для отпирания, триггер находится в переброшенном состоянии, т.е. на его выходе сохраняется премоугольный импульс. Последовательность положительных прямоугольных импульсов с выхода триггера (эмиттер транзистора 21) поступает на базу усилителя мощности (транзистор 29), Усиленные по мощности импульсы с коллектора транзистора 29 поступают на вход транзисторного моста (транзисторы 30-33),.Транзисторы 30 и 31 открываются, что обеспечивает подключение электропривода 2 к источнику питания в определенной полярности, т.е, происходит схват кисти. При подаче на вход второго канала управляющего биоэлектрического сигнала, отводимого с мышцы-разгибателя кисти, происходят аналогичные процессы., но электропривод 2 подключается к источнику питания в противоположной полярности, т.е. происходит раскрытие кисти. Весьма важной особенностью такой схемы является использование конден сатора 19. Как указывалось выше, тр тер находится в переброшенном состо нии дэ тех пор, пока не закончится процесс перезаряда конденсатора 19 до исходного значения. Поскрльку вр мя перезаряда конденсатора 19 определяется в основном большой величиной резистора 28, задний фронт импу сов будет несколько затянут. Это об тоятельство приводит к тому, что пе реброс триггера в исходное состояни происходит не сразу после окончания действия входного биоэлектрического импульса, а с некоторой задержкой, т.е. импульсы, поступающие на элект ропривод 2 кисти 1 имеют длительност превышающую длительность импульсов входного.биоэлектрического сигнала. В данной системе управления в качест ве управляющего параметра используется среднее время превышения биоэлектрическим сигналом определенного уровня. Известно, что в пределах 50% максимальной биоэлектрической активности мышцы (что соответствует диапазону пропорционального управле ния) этот параметр линейно нарастает т.е. большей активности соответству ет большее среднее время превышения Очевидно, что для получения максимальной скорости движения исполнительного механизма, в случае применения среднего времени превышения в качестве управляющего параметра, необходимо приложить активность, близкую с максимальной. Использование же конденсатора 19 позволяет получить максимальную скорость перемещения и силу схвата пальцев кисти при значительно меньшем уровне актив ности мышц, т.е. позволяет связать с рость перемещения пальцев кисти и активность мышцы большим коэффициентом пропорциональности. Учитывая специфику протезирования детей, это обстоятельство следует признать весь ма важным, поскольку энергозатраты оператора (ребенка) значительно уменьшаются. Применение конденсатора 19 имеет еще одно преимущество. Благодаря своим частотно зависиьмм свойствам он позволяет из всего частотного спектра биоэлектрического сигнала выбрать достаточно узкий интервал, на котором обеспечивается наиболее широкий динамический диапазон управления. Подбором величины емкости конденсатора 19 осуществляется изме нение наклона регулировочной характеристики, т.е. изменение упомянутого выше коэффициента пропорциональности. Времязсшающая цепочка, включающая конденсатор 17 и.резистор 16, пред назначеиа для ограничения времени потребления электроприводом 2 тока от источника питания. При подаче на вход биоэлектрического сигнала большей амплитуды (соответствующей максимальной скорости перемещения пальцев кисти)электропривод переходит в режим работы на постоянном токе,т.о коэффициент заполнения выходных импульсов становится равным единице. При длительном удержании такого сигнала на входе, в цепи электропривода будет протекать максимальный ток. Время полного схвата и раскрытия кисти, составляет около одной секунды. Поэтому время заряда конденсатора 17 в lj5-2 раза больше в случае протекания через транзистор 18 максимального значения среднего тока. В момент отпирания транзистора 18 конденсатор 17 начинает заряжаться по следующей цепи; источник питания, резистор 28, транзистор 18, конденсатор 17. Если на входе действует биоэлектрический сигнал с малым коэффициентом заполнения, то конденсатор 17 успевает разряжаться в паузах между импульсами через резистор 16. Если е коэффициент заполнения входных биоэлектрических импульсов близок к единице, то через 1,5-2 секунды конденсатор 17 полностью зарядится,что практически приведет к разрыву цепи питания транзистора 18, т.е. к прекращению работы всего канала,а следовательно, к обесточиванию электропривода. При прекращении подачи на вход большого биоэлектрического сигнала конденсатор 17 очень быстро разряжается через малое сопрСТивление резистора 16 и схема возвращается в исходное состояние. Таким образом, в результате вышеизложенного выполнения протеза предплечья обеспечивает возможность протезирования в условиях ускоренного роста костных и мышечных тканей культи, повышается надежность отведения биопотенциалов со слабых и аномально расположенных мышц предплечья при врожденных недоразвитиях конечности и достигается снижение энергозатрат ребенка. Формула изобретения 1. Протез предплечья с биоэлектрическим управлением для детей, содержащий искусственную кисть с электроприводом и косметической оболочкой, механизм пассивной ротации, гильзу предплечья, токосъемное устройство в виде потенциальных электродов и электрода масса, электронный блок управления, включающий усилители биопотенциалов и импульсный преобразователь, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности протезирования в условиях ускоренного роста костных и мышечных