PROSTHESIS OF THE LOWER LIMB

Г. А. Солодимова, А. Н. Спиркин

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

БИОНИЧЕСКОГО ПРОТЕЗА НИЖНЕЙ КОНЕЧНОСТИ

 G. A. Solodimova, A. N. Spirkin

THE INFORMATION-MEASURING SYSTEM BIONIC

PROSTHESIS OF THE LOWER LIMB

А н н о т а ц и я. Актуальность и цели. Объектом исследования являются бионические протезы нижних конечностей, максимально приближенные по конструкции к ампутированной конечности, для управления которыми используются биоэлектрические сигналы, возникающие в мышечных клетках и считываемые с мышц культи. Предметом исследования являются методы и алгоритмы управления протезом нижней конечности. Целью работы является разработка информационно-измерительной системы для управления бионическими протезами нижних конечностей, позволяющей распознавать сигналы мышечной активности и адаптироваться под конкретного пациента. Материалы и методы. Для решения поставленных задач в работе использовались методы структурного и функционального анализа, основных положений теории автоматического управления. Результаты. Предложена структурная схема системы управления бионическим протезом, отличающаяся простотой настройки, повышенной надежностью, удобством использования. Выводы. Использование предложенной системы в отечественных протезах позволит максимально заменить утраченную в результате ампутации конечность при значительно меньших по сравнению с зарубежными образцами затратах.

A b s t r a c t. Background. The object of the study are bionic prostheses of the lower limbs, as close to the design as possible to the amputated limb, for the control of which bioelectric signals appearing in muscle cells and read from the stump muscles are used. The subject of the study are methods and algorithms for controlling the prosthesis of the lower limb. The aim of the work is the development of an information and measurement system for the control of bionic prostheses of the lower extremities, which makes it possible to recognize the signals of muscle activity and to adapt to the specific patient. Materials and methods. To solve the set tasks, the methods of structural and functional analysis, the main provisions of the theory of automatic control, were used in the work. Results. A block diagram of the bionic prosthesis control system is proposed, which is characterized by simplicity of adjustment, increased reliability, convenience of use. Conclusions. The use of the proposed system in domestic prostheses with will make it possible to replace the lost extremity lost as a result of amputation with significantly lower costs compared to foreign samples. 

К л ю ч е в ы е с л о в а: ампутация, бионический протез, электрод, электромиография, акселерометр, датчик угла поворота, беспроводное управление, радиотрансивер.

K e y w o r d s: amputation, bionic prosthesis, electrode, еlectromyography, accelerometer, angle sensor, wireless control, radio transceiver.

Ни одно общество не может избежать такого социального явления, как инвалидность. Ежегодно только в России признаются инвалидами свыше 1 млн человек, причем больше половины из них – это люди с ампутированными конечностями. Согласно статистическим данным, наиболее часто люди теряют ноги. К числу причин, приводящих к ампутации нижних конечностей, следует отнести военные конфликты, дорожный и производственный травматизм, стихийные бедствия и техногенные катастрофы, также такие заболевания, как облитерирующие поражения сосудов, атеросклероз и сахарный диабет.

Практически до конца XX в. все изобретения в области протезирования были механического характера. Основными проблемами механических протезов были отсутствие какой-либо связи с организмом, негибкость и недолговечность. Протезы, заменяющие ампутированную конечность, не могли функционировать как полноценный их прототип – это всего лишь суррогат, заменяющий активные части тела, но неспособный приблизиться по возможностям к естественному аналогу. Это и есть главный минус протезов – их «внешний» характер и низкая функциональность. Все, что остается делать их обладателю, это использовать их как элемент гардероба, который со временем изнашивается и становится непригодным к дальнейшей эксплуатации.

В последние годы в сфере протезирования появилось такое направление, как «биомехатроника», которое представляет собой соединение робототехники и нервных клеток человека. Задачей научных исследований в этом направлении является разработка искусственных конечностей (бионических протезов), которыми можно будет управлять лишь силой мысли, а функциональность будет повторять заменяемую конечность человека с максимальной точностью. Бионические протезы ног – это модели со встроенными микропроцессорами, которые можно программировать для более естественной ходьбы и других движений. Сегодня на Западе существует целая индустрия [1], создающая протезы, которые позволяют человеку, потерявшему конечность, оставаться полноценным членом общества. 

Отечественная реабилитационная техника предлагает, как правило, только косметические протезы, представляющие собой анатомические муляжи, которые не обеспечивают должного уровня реабилитационного эффекта. Стоимость зарубежных образцов бионических протезов слишком высока для отечественного потребителя. Таким образом, разработка отечественных протезов нижних конечностей с адаптивными информационно-измерительными системами управления является актуальной задачей, решение которой позволит улучшить качество функционирования протезов и значительно снизить их стоимость.

Протезы нижних конечностей должны обеспечивать выполнение двух базовых функций: функцию опоры (пациента на протез) и функцию крепления (протеза к телу пациента). За выполнение первой функции отвечает вся конструкция протеза, в том числе и культеприемная гильза, а за выполнение второй – система крепления, являющаяся частью культеприемной гильзы. Помимо этих функций, протезы нижних конечностей должны обеспечивать устойчивость во время стояния и во время движения (статическую и динамическую устойчивость соответственно), адекватную динамичность (подвижность его составных частей относительно друг друга), конструктивную (механическую) прочность, надежность и долговечность и косметичность (восполнение эстетических потерь из-за ампутации). По внешнему виду протез должен быть похож на здоровую конечность, а ходьба на нем по кинематическому рисунку должна (по возможности) приближаться к ходьбе здорового человека и не должна быть излишне утомительной [2, 3]. 

Ходьба является одним из основных и естественных видов перемещения тела человека в пространстве [4]. Она представляет собой сложное, разновременно симметричное, циклическое движение, связанное с отталкиванием тела от опорной поверхности и перемещением его в пространстве. Последовательность положения конечности взрослого человека при ходьбе показана на рис. 1. При ходьбе тело поочередно опирается то на правую, то на левую ногу. Акт ходьбы отличается точной повторяемостью отдельных его компонентов, т.е. каждый из них представляет точную копию в предыдущем шаге. В акте ходьбы деятельное участие принимают также верхние конечности человека: при выносе вперед правой ноги правая рука движется назад, а левая – выносится вперед, т.е. руки и ноги человека при ходьбе совершают движения в противоположных направлениях.

изменений угла (амплитуда). В норме эти амплитуды составляют: в ТБС 26– 30°; в КС в опорный период шага – 12–15°; в переносный период – 55–62°; в ГСС подошвенное сгибание равно 17–20°; тыльное – 8–10°. В ПФС при опоре сначала идет выпрямление до 0°, а при заднем толчке (от заднего толчка опорной ноги тело устремляется вперед) в ПФС снова происходит сгибание до 10–12°. Помимо мышц нижних конечностей, при ходьбе включаются в динамическую работу почти все мышцы туловища, шеи и верхних конечностей [4, 6].

При ходьбе человек взаимодействует с опорной поверхностью, при этом возникают силовые факторы, называемые главным вектором и главным моментом сил реакции опоры. Типичные графики вертикальной и продольной составляющих главного вектора опорной реакции при ходьбе в произвольном темпе в норме представлены на рис. 3,в. Для графика вертикальной составляющей главного вектора опорной реакции характерно наличие двух вершин, соответствующих переднему (опора на пятку) и заднему (отталкивание передним отделом стопы) толчкам. Амплитуды этих вершин превышают вес человека Р и достигают 1,1–1,25Р. Продольная составляющая главного вектора сил реакции опор имеет тоже две вершины разных знаков: первая, соответствующая переднему толчку, направлена вперед; вторая, соответствующая заднему толчку, направлена назад. Максимумы продольной составляющей главного вектора опорной реакции достигают 0,25Р. Есть еще одна составляющая главного вектора опорной реакции – поперечная. Она возникает при переступании с одной ноги на другую и ее максимум достигает 8–10 % от веса человека [7].

Основной механизм, определяющий эффективность ходьбы, – это перемещение общего центра тяжести тела (ОЦТ). ОЦТ при ходьбе (рис. 3,а) наряду с поступательными движениями (вперед) совершает еще движения боковые и в вертикальном направлении. В последнем случае размах (вверх и вниз) достигает величины 4 см (у взрослого человека), при этом туловище опускается больше всего именно тогда, когда одна нога опирается всей подошвой, а другая вынесена вперед. Боковые движения (качания в стороны) центра тяжести доходят до 2 см. Колебания ОЦТ в стороны связаны с перемещением на опорную ногу всей массы тела, благодаря чему траектория ОЦТ проходит непосредственно над площадью опоры. Чем ходьба быстрее, тем эти колебательные движения меньше, что объясняется влиянием инерции тела. Перемещение ОЦТ представляет собой типичный синусоидальный процесс с частотой, соответствующей двойному шагу в медиолатеральном направлении, и с удвоенной частотой в переднезаднем и вертикальном направлении. 

Ходьбу в биомеханике принято рассматривать с позиции модели прямого и обратного маятника, при этом тело и сегменты конечностей представляют как систему физических маятников (рис. 4). Известно, что маятник имеет максимум потенциальной энергии E_p в высшей точке и превращает ее в кинетическую E_k, отклоняясь вниз. При этом некоторая часть энергии расходуется на трение. Во время ходьбы, уже в самом начале периода опоры, как только ОЦТ начинает подниматься, кинетическая энергия движения превращается в потенциальную, и наоборот, переходит в кинетическую, когда ОЦТ опускается (рис. 5) [8, 9].

Рис. 4. Анализ процесса ходьбы с позиции теории перевернутого маятника

Рис. 7. Структурная схема управления бионическим протезом

передвижения. А создание отечественного бионического протеза с управлением на основе предложенной ИИС позволит приблизить ходьбу на протезе к естественному стереотипу движения при оптимальных энергозатратах ампутанта.