Многоканальное устройство адаптивного биоэлектрического управления движениями человека Советский патент 1981 года по МПК A61B5/04 

(54) МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОГО БИОЭЛЕКТРИЧЕСЬСОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯМИ Изобретение относится к биологической и медицинской кибернетике, в частности к управлению движениями человека. Известно многоканальное устройство биоэлектрического управления движениями человека, каждый канал которого содержит цепь стимуляции, состоящую из отводящих (от донора) электродов, подключенных через усилитель биопотенциалов к интегратору, модулятора, един из входов которого подключен к выходу интегратора, второй вход - к генератору стимулирующего сигнала, выход модулятора - ко входу усилителя мощности и стимулирующих (реципиента) электродов, цепь обратной связи, состоящую из последовательно соединенных усилителя биопотенциалов и интегратора, блок разделения, один из входов которого подключен к выходу усилителя мощности, выход - к стимулирующим электродам, второй вход - к стимулирующим электродам, второй выход - ко входу цепи обратной связи, и блок сравнения Ij. Существенным eдocтaткoм такого устройства является то, что движения реципиента мало соответствуют движениям донора, поскольку управляющий сигнал подают на

ЧЕЛОВЕКА нервно-мышечные группы реципиента с нулевого уровня. В то же время известно, что нервно-мыщечная система обладает четк выраженным пороговым эффектом, причем порог возбуждения объею-а управлений (нервно-мышечных групп реципиента) изза адаптации или изменения функционального состояния в процессе стимуляции претерпевает сущ ественные изменения. В силу приведенных обстоятельств значительная часть информации программного сигнала при работе известного устройства оказывается потерянной, сокращение мыщц донора и реципиента не совпадает во времени, при этом отличается и сила сокращени$ (или объем движения). В результате движения реципиента мало соответствуют дни жениям донора. Цель изобретения - увеличение соответствия движений реципиента движения донора. Поставленная цель достигается тем, что каждый канал содержит блок подпорогового уровня, один из рыходоб Которого подключен к выходу блока срав нения, а выход - к третьему входу моду ят9ра, и два триггера Шмидта, вхаа.пер soro триггера Шмидта подключен к выходу интегратора цепи обратной связи, выход - к первому входу блока сравнения, вход второго триггера Шмидта подключен к выходу интегратора цепи стимуляций, а выход - ко второму входу блока формнрования подгюрогового уровня и ко второму входу блока сравнения.

На чертеже представлена/ блок -схема одного канала многоканального устройстнг адаптивного биоэлектрического управле НИИ движениями человека.

Один канал устройства содержит отводящие электроды , усилитель 2 биопотенциалов, интегратор 3, модулятор 4, генератор 5 стимулирующего сигнала, усилитель б мощности, блок 7 разделения, стнмул 1рующие электроды 8, усилитель 9 биопотенциалов, интегратор 10, триггер 11 Шмидта, блок 12 сравнения, блок 13 формирования подпорогового уровня, триггер i4 Шмидта.

Программный сигнал в виде электромиограммы, снятой при помощи отводящих электродов 1 с нервио-рлышечных групп донора, через усилитель 2 биопотенциалов подается на интегратор 3, вы ю;п1яющнй усреднение электромиограммы иервко-мышечных групп донора во времени. Далее программный сигнал поступает на один sta входов модулятора 4, на второй вход коtoporo поступает стимулирующий сигнал (например импульсный сигнал) от генератора 5 стимулирующего сигнала. После модулятора через усилитель 6 мощности и блок 7 разделения управляющий сигнал поступает на стимулирующие электроды 8, {аложенные на соответствующие нервномышечные групггы реципиента. Вызванная {под влиянием электростимуляции) электромиограмма нервно-мыщечных групп реципиента,снятая при помощи,стимулирующих электродов 8, которые в данном ггучае Выполняют функцию отводящих электродов, через блок 7 разделения поступает н усилитель 9 биопотенциалов. Назьачение блока 7 разделения состоит в том, чтобы отделить вь{званную электромнограмму нервно-мйшечных групп реципиента от -управляющего сигнала и, например, в случае стимуляции импульсным сигналом представляет собой электронный переключатель, который на время появления импульсов управляющего сигнала подключает стимулирующие электроды 8 к усилителю 6 моолности и отключает стимулирующие электроды 8 от входа усилителя 9 бнонотенциалев, а в отсутствии импульсов управляющего сигнала подключает стимулирующие электроды 8 к усилителю 9 биопотенциалов и отключает стимулирующие электроды 8 от усилителя 6 мощности. Из усилителя 9 биопотенциалов вызванная электромиограмма нервно-мышечных групп вызванной алектромиограммы во времени поступает на- вход триггера I Шмидта, с выхода к6

торого на один из входов блока 12 сравне пня поступает прямоугольный импульс, нормированный по амплитуде и передний фронт которого практически совпадает со временем появления вызванной электромнограммы нервно-мыщечных групп реципиента. На ьторой вход блока 12 сравнение с выхода триггера 14 Шмидта поступает прямоугольный импульс, нормированный по амплятуде, длительность которого равна времени существования интегрированной электромиограммы нервно-мыщечных групп донора, поступающей на вход триггера 14 Шмидта от интегратора 3. Блок 12 сравнения служит Д.Г1Я временного сравнения появления электромиоГраммы нервно-мышечных групп донора (программного сигнала) с появлением вызваЛюй электромиограммы нервно-мыщечных групп реципиента (первый и второй входы блока сравнения ззггускаются передними фронтами прямоугольных импульсов, поступающих, соответ :твенно, от триггеров II и 14 Шмидта, и сигнал рассогласования служит для формирований импульса, нормированного по амплитуде, но длительность которого равна времени запаздывания между появлением электромиограммы донора и появлением вызванной Электромиограммы реципиента,, то есть про порциональна уровню порога возбуждения нервно-мыщечных групп реципиента (чем больще порог возбуждения стимулируемых нервно-мыщечных групп реципиента, тем больше длительность импульса рассогласования). С вы.хода блока 2 сравнения, упомянутый выше импульс рассогласования поступает на один из входов блока 13 формирования подпорогового уровня, на второй вход которого поступает прямоугольный нмпульс с выхода триггера 14 Шмидта. Блок формирования подпорогового уровня представляет собой емкостной накопитель, с выхода которого на третий вход модулятора 4 поступает экспоненциально нараста ющий импульс (скорость нарастания выби-. рается по минимуму болевых ощущений при стимуляции , но в то же время должна быть на порядок выше максимально возможной скорости нарастания программного сигнала), амплитуда которого пропорциональ; на длительности импульса рассогласования, поступающего из блока 12 сравнения, а длительность определяется появлением заднего фронта импульса, поступающего от триггера 14 Шмидта. В результате на третий вход модулятора 4 из блока 13 поступает сигнал, уровень которого пропорционален уровню tiopora возбуждения нервно-мыщечных групп реципиента, но не превыщает его, прячем этот подпороговый уровень существу ет только во время появления программного сигнала, а на выходе модулятора 4 формируется управляющийсигнал, по форме повторяющий стимулирующий сигнал (на пример иашульсный сигнал), по амплитуде Пропорциональный величине среднего 4ййчения электромиограмиы нервно-мышечных ifpynn донора (программному сигналу), и суммнрованный с уровнем, который близок к пороговому для нервно-мышечных групп реципиента, но не превышает его. Причем, суммирование осуществляется только во время существования программного сигнала. Таким образом, на нервно-мышечные группы рецнпиента управляющий снгнал подается не с нулевого урЬвня, а с уровня к пороговому для нервно-мышечных групп рецнпиента, причем при изменении порога возбуждення нервно-мышечных групп реципиента соответственно изменяются и подпороговый уровень Вследствне такого суммирования сокращення мышц реципиента и донора лучше совпадают во временн, меньше отличаются по силе (или объему движения), то есть движения рецнпиента более соответствуют движениям донора (программе управления). Кроме того, управление двнжениями становится адаптнвным, поскольку в процессе стимуляции амплитуда управляющего сигнала, соответствуя программе управления автоматически приспосабливается (по порогу возбуждения) под объект управления. Введение в каждый канал устройства указанных новых элементов позволяет э процессе стнмуляции подавать на нервномышечные группы рецнпиента управляюишй сигнал не с нулевого уровня, а с уроаня, близкого к пороговому Для нервно-мыщечных групп рецнпиента, причец управляющий снгнал, соответствуя программе управления, автоматнчески приспосабливается (по порогу возбуждення) под объект управления. При помощи предлагаемого -устройства достигается адаптивное бноэлектрнческое управление, при котором двнження реципиента в большей степени cooтвeтcтвyюf движениям донора (программе управле ння). Формула изобретения Многоканальное устройство адаптивного бноэлектри еского управления движеннями человека, каждый канал которого содержит цепь стимуляции, состоящую ИЭ ОТВОДЯШ1ГХ (от донора) электродов, подключенных 4feрез уснлнтель биопотенциалов к ннтеграто ру, модулятора, однн из входов которого подключен к выходу интегратора, второй вход - к генератору стимулирующего снгнала,. выход модулятора - ко входу усилителя мощности и стимулирующих (реципиента) электродов, цепь обратной связи, состоящую нз последовательно соединенных уснлнтеля бнопотенциалов и интегратора, блок разделения, однн нз входов которого подключен к выходу усилителя мощности, выход - к стимулирующим электродам, второй вход - также к стимулирующим электродам, второй выход - ко входу цепи обратной связи, и блок сравнения, отлияающееся тем, что, с целью повышення соответствия движений реципиента заданной программе (напрнмер движениям донора), каждый канал содержит блок формировання подпорогового уровня, однн нз входов которого подключен к выходу блока сравнення, а выход - к третьему входу модулятора, и два трнггера Шмидта, вход первого триггера Шмидта подключен к выходу ннтегратора цепи обратной связи, выход - к первому входу блока сравнения, вход втоporq трнггера Шмндта подключен к выходу интегратора цепи стнмуляции, а выход - ко второму входу блока формирования подпорогового уровня и ко второму входу блока сравнения. Источннкн информации, принятые во вннмание при экспертизе I. Моделирование в биологии и медицине. Вып. 2, Киев, 1966, с. 34-39 (прототип).

ХОт

реципиенту реципиента