1 курс 2 сем БТС Боброва / Пункт 3 + выступление / Выступление
.docx1. Выбор регистрируемого физиологического параметра, анализ основных заболеваний, методов регистрации, оценка плюсов/минусов выбранного метода
1.1 Обоснование физических основ регистрируемого параметра
Движения мышц человека связаны с тем, что по нервам, которые иннервируют эти мышцы, проходит электрический импульс. Он и вызывает сокращение мышечных волокон.
Когда человеку хочется сделать движение, мозг генерирует сигнал, даже если конечность отсутствует. Этот сигнал перехватить, то после соответствующей обработки можно получить команду для управления протезом.
Воздействие специфического стимула в результате цепи биохимических реакций способствует повышению проницаемости мембран для ионов Na+, которые, проникая внутрь клетки, ведут к нарастанию деполяризации. Последующее повышение активности K–Na насоса приводит к массивному выбросу Na+ из клетки, что вызывает реполяризацию мембраны с возвращением потенциала к исходному значению.
Скорость проведения нервных импульсов различается в зависимости от нерва и участка нерва. В норме проведение по проксимальным отделам нерва быстрее, чем по дистальным. Этот эффект обусловлен более высокой температурой в туловище, приближающейся к температуре внутренних органов.
Для определения скорости проведения импульсов (СПИ) сначала измеряется время наступления потенциала действия мышцы (в миллисекундах) при стимуляции двигательного нерва возле самой мышцы (латентное время – Т2 – ответа в дистальной точке) и в точке, расположенной проксимальнее по ходу нерва на некотором расстоянии (латентное время – Т1 – в проксимальной точке). Зная расстояние между двумя точками стимуляции (S) и разность латентных периодов (Т1–Т2), можно вычислить скорость проведения нервного импульса (скорость распространения возбуждения – СРВ) по формуле (1):
|
(1) |
,Для большинства нервов в норме СПИ, или СРВ, составляет 45–60 мм/мс или м/с.[10].
В частотной области основными параметрами являются медианная частота и средняя частота. Медианная частота определяется как частота (2), делящая спектральную плотность мощности (СПМ) на две равные части. Вычисляется по формуле (2):
|
(2) |
,где MedF – медианная частота, Гц; P – спектральная плотность мощности, f – частота.
Для анализа медианной частоты, которая используется для характеристики усталости мышц (в норме медианная частота в процессе физической нагрузки снижается), запись сигнала поверхностной электромиограммы разделяется на интервалы по 1 секунде, перекрывающиеся на 50%. Для каждого односекундного интервала вычисляется СПМ (спектральная плотность мощности) и медианная частота.
Средняя частота – частота, на которой СПМ принимает среднее значение (3), вычисляется по формуле:
|
(3) |
,где MeanF – средняя частота, Гц.
Средняя частота – частота, разделяющая спектр мощности в выделенном диапазоне на два равные по площади участка.
Средняя мощность выделенного частотного диапазона характеризует мощность ритмов и выражается в децибелах (дб).
Для механической части протеза использующийся ряд формул был представлен в отсчете.
Диаметр вала для опасного участка определяется по формулам (4) и (5):
Осевой момент сопротивления сечения, исходя из условия прочности определяется по формуле (6):
Недогрузка вала определяется по формуле (7):
Определение общего к.п.д. привода по формуле (8):
Определение ориентировочной мощности электродвигателя происходит по формуле (9):
Определение ориентировочной частоты вращения вала электродвигателя происходит по формуле (10):
Частота вращения ведущего вала привода равна частоте вращения двигателя (11):
Угловая скорость ведущего вала привода определяется по формуле (12):
Частота вращения промежуточного вала привода определяется по формуле (13):
Определение мощности валов привода производится по формуле (14):
Определение вращающих моментов на ведущем, промежуточном и ведомом валах привода по формуле (15):
1.2 Обоснование медицинской составляющей регистрируемого физиологического параметра
Амплитуда биопотенциалов при сокращении мышц увеличивается примерно в 100 раз (5–10 мкВ (мышца в состоянии покоя) до 500–1000 мкВ (мышца в возбужденном состоянии)).[7].
1.3 Анализ заболеваний
травматические ампутации конечностей;
гангрена из–за инфекции, обморожения, ожога, электротравмы, сосудистых заболеваний, диабета;
сочетание повреждения кости, крупных сосудов и нервов, мягких тканей на значительном протяжении;
злокачественные образования;
острая раневая инфекция: остеомиелит, тяжелая флегмона.[5].
1.4 Методы регистрации
Для регистрации электрического импульса, сокращающий мышечные волокна, используется электромиография (ЭМГ). Это метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон; регистрация электрической активности мышц.[9].
Метод |
Инвазивный |
Неинвазивный |
Достоинства |
1. Метод более точен |
1. Легко закрепить и снять 2. Просто заменить электрод в случае поломки 3. Безболезненность |
Недостатки |
1. Процедура болезненна (установка игольчатого электрода) |
1. Сигналы слабые 2. Сигналы малоразличимы между собой |
Выбранный способ ЭМГ: поверхностный (неинвазивный), так как процесс крепления электродов безболезненный, относительно простой, исключает нарушение целостности кожного покрова. Все это является основой для длительного использования.
1.5 Оценка плюсов/минусов выбранного метода
Выбран поверхностный (неинвазивный) способ, так как процесс крепления электродов безболезненный, относительно простой, исключает нарушение целостности кожного покрова. Все это является основой для длительного использования. Недостатками этого метода являются слабость и малоразличимость сигналов, наличие шумов. Полученный сигнал является суммарным.[2].
2. Разработка структурной и функциональных схем
2.1 Структурная схема
Электроды расположены в местах расположения мотонейронов (двигательных единиц). В момент возникновения намерения движения на электродах регистрируется биоэлектрическая активность, проявляющаяся ростом амплитуды сигнала ЭМГ. Сигнал ЭМГ усиливается нормирующим усилителем. Усиленный сигнал поступает на полосовой фильтр, полоса пропускания которого соответствует диапазону изменения сигнала ЭМГ. Сигнал оцифровывается с помощью АЦП и поступает для дальнейшей обработки на центральное микропроцессор.
Датчик ускорения (акселерометр) расположен на оставшейся мышце бедра. Сигнал акселерометра поступает на блок интеграторов, выходной сигнал первого интегратора пропорционален угловой скорости движения бедра, выходной сигнал второго – углу вращения бедра в саггитальной плоскости (плоскости, делящей тело человека на левую и правую половину). Выходной сигнал второго интегратора оцифровывается с помощью АЦП и поступает в центральное микропроцессор.
Центральный микропроцессор устройство обрабатывает полученную с АЦП блоков протеза информацию и создает команды для функционирования исполнительного механизма, который преобразует цифровые команды в механические действия.
Для коррекции движения используются датчики обратной связи, которые включают в себя датчики угла поворота колена, датчики угла поворота лодыжки и датчики касания. Блоки датчиков касания носка и пятки необходимы для определения фаз ходьбы переднего и заднего толчка в моменты касания или отрыва от опоры. Сигнал усиливается и оцифровывается АЦП 3, выходной сигнал которого поступает в центральное микропроцессор.
Беспроводный блок управления состоит из радиотрансивера, принимающего и передающего сигналы между смартфоном и центральным микропроцессором.
Блок питания подключается через USB порт, который управляется USB процессором, соединенным с центральным микропроцессором.[8].
2.2 Функциональная схема
Протез подсоединяется к персональной электронно–вычислительной машине–1 (ПЭВМ–1), который на дисплей–1 выводит электромиограмму с культи бедра, рабочие параметра протеза. На другой ноге наложены электроды от цифрового электромиографа, подключенного к персональной электронно–вычислительной машине–2 (ПЭВМ–2), который выводит данные на дисплей–2. Врач и техник анализируют полученную информацию, выполняют необходимую коррекции. Система внешних факторов влияет на пациента, врача, техника, протез.[6].
3. Разработка алгоритма регистрации и обработки сигнала
Для снятия сигнала необходимы активный, пассивный, индифферентный (референтный) электроды. Активный электрод находится над двигательной точкой мышцы или над нервом, т.е. в активной зоне генерации потенциала, а референтный электрод отнесен от точки регистрации на некоторое расстояние (на сухожилие мышцы или на 2–3 см от точки проекции нерва), т.е. находится вне зоны генерации потенциала. Согласно договоренности, активным электродом считается тот электрод, под которым разность потенциалов является отрицательной. Условным обозначением активного электрода является знак «–», а референтного – знак «+». Обе пластины накожного биполярного регистрирующего электрода для регистрации потенциала сенсорного нерва обычно располагают над нервом с межэлектродным расстоянием 4 см. [8].
Частота дискретизации – 1000 Гц.
Список литературы