Протезирование с использованием системы БОС

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОТЕЗИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ БОС

Н.Н. Канатникова, Е.В. Забродина, М. Логачев, Я. Ефремов,

ФГБОУ ВО "Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко" Министерства здравоохранения РФ

Аннотация

ПРОТЕЗИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ БОС

Н.Н. Канатникова - ассистент кафедры медицинской информатики и статистики Воронежского государственного медицинского университета им. Н.Н. Бурденко,

Е.В. Забродина, М. Логачев, Я. Ефремов - студенты лечебного факультета Воронежского государственного медицинского университета им. Н.Н. Бурденко.

Неточность управления может приносить неудобство пользователю, часто приводит к отказу от протеза. Кроме того, это может ограничивать эффективность обратной сенсорной связи. Надежный контроль позволит в полной мере проявить преимущества сенсорной обратной связи.

Ключевые слова: биологическая обратная связь, миоэлектрический метод, миоэлектрический протез.

Актуальность проблемы

Миоэлектрический метод - это метод, представляющий собой управление протезом, при помощи активации тех же мышц (сгибателей/разгибателей пальцев), которые отвечали за выполнение функций (сжимание/разжимание руки) до ампутации. Однако, электромиографические сигналы, полученные с использованием поверхностных электродов, могут содержать шумы и неточности вследствие ограничений, присущих записывающему устройству, и элемент управления, таким образом, может быть довольно неточным. По этой причине, протез может реагировать непоследовательно и не согласованно с намерениями пользователя. Например, сжимание протеза с той силой, которая требуется, характеризовалось значительной изменчивостью, т.е. протез мог не повторять сокращение мышцы так, как это требуется. Неточность управления может приносить неудобство пользователю, часто приводит к отказу от протеза. Кроме того, это может ограничивать эффективность обратной сенсорной связи. Действительно, это может быть довольно бесполезно ощущать состояние системы, если человек не может произвести последовательность действий, надёжно управлять протезом. Таким образом, чрезвычайно актуальной задачей является улучшение согласованности команд. Надежный контроль позволит в полной мере проявить преимущества сенсорной обратной связи.

Анализ проблемы

При установлении миоэлектрического протеза важно провести правильную подготовку культи. Она включает в себя: формирование культи во время операции ампутации с учётом выбранного способа прикрепления гильзы протеза; выведение мышц из ампутированной конечности в область культи (на них будут установлены датчики, улавливающие электрические потенциалы); изготовление гильзы по индивидуальным меркам (это позволит избежать в будущем микротравм кожи, сдавления, опрелостей).

На настоящий момент, существует новое понятие в управлении миоэлектрическими протезами, разработанное специально для повышения согласованности ответного движения протеза, позволяющее пользователю сократить вариабельность сигнала, создаваемого мышцами. Новый подход был опробован экспериментально и тесты показали, что он значительно улучшает производительность как обычного сжимания, так и в исполнении определённых задач. ЭМГ и биологическая обратная связи широко применялись в прошлом и использовалась во многих областях, включая реабилитацию, но контекст был другой.

При помощи компьютера и биологической обратной связи отображается интенсивность, с которой сокращается мышца. Это может использоваться как инструмент для подготовки функционального протеза, а также может содействовать обучению пользователей управлению силой движений протеза, благодаря тому, что на экран монитора выводится соотношение между электрическим импульсом (силой сокращения мышцы) и результирующей силой. Это позволяет сопоставлять ощущение мышечного сокращения, а также чувство усилия с результатом. Это исследование является первой демонстрацией того, что БОС можно использовать для улучшения онлайн управления протезом. Намеченная цель заключается во включении этой обратной связи как стандартного компонента, позволяющего расширить возможности протеза.

При помощи БОС была решена проблема того, что генерируемая сила увеличивается / уменьшается резкими скачками. Это прерывистое изменение силы является неотъемлемой характеристикой работы протеза, связанное, например, со сбоем в проведении импульса. Тем не менее, с биологической обратной связью, разброс стал меньше по величине, и направление генерируемой силы приближалось к желаемому результату. Обеспечение биологической обратной связи уменьшило ошибки при передаче сигнала. Снижение было небольшим, но довольно значимым.

Важным направлением в развитии системы БОС является разработка чувствительной механической руки. Данный протез оснащён множеством особых датчиков, отвечающих за его тактильную чувствительность. Благодаря этому пациенты обретут возможность ощущать протез как собственную руку, чувствовать прикосновения, температуру, выполнять сложные действия: писать, завязывать шнурки и т.п. Также существует кисть руки, которой можно управлять не только при помощи нервных импульсов, но и через мобильный телефон, скачав на него необходимую программу, позволяющую использовать дополнительные функции.

Некоторую сложность представляет ситуация, когда место ампутации находится выше предплечья и, соответственно, мышцы этого участка отсутствуют, а значит и импульсы от них получить невозможно. В таком случае, сжимание и разжимание кисти происходит благодаря действию бицепса (сгибатель) и трицепса (разгибатель), которые сохраняют электроактивность. Управлять таким протезом сложнее и для этого требуется большее количество тренировок. Регулировать работу протеза можно также при помощи ЭЭГ, т.е. напрямую от мозга. Для этой цели может использоваться так называемый ЭЭГ-шлем, который улавливает активность разных участков мозга и, при помощи компьютера, преобразует её в механическое движение.

При классическом подходе обратной связи пользователю передается состояние протеза (скорости и / или силы), тогда как в новый способ обратной связи также информирует пользователя о его / ее собственной скрытых переменных, т.е. миоэлектрических сигналов, которые он / она генерирует. Эксперименты показали, что обеспечение биологической обратной связи улучшило качество контроля силы при обычных задачах (хватании, силы сжимания) как у трудоспособных субъектов, так и двух инвалидов, которые были опытными пользователями миоэлектрического протеза. С EMG отображением в виде визуальной панели на экране компьютера, субъекты могли видеть и изменять текущий уровень активности своих мышц, тем самым контролировать команды, которые они посылают протезу. управление протез согласованность контроль

В традиционном подходе миоэлектрические сигналы-скрытые переменные, которыми можно управлять только с помощью косвенных сигналов, такие как субъективный опыт (ощущения сокращения мышц) и / или наблюдаемых действий. Этот способ, однако, ненадежен, особенно из-за изменчивости миоэлектрических сигналов, считанных с использованием поверхностных электродов. ЭМГ позволяет пользователю улучшить точность команд с помощью активного управления, т.е. быстрого локального доступа, в котором пользователь меняет силу мышечных сокращений, основанный на онлайн-ЭМГ.

Вывод

Системы БОС все прочнее входят в жизнь человека, и следующим шагом является реализация этого подхода с использованием практических интерфейсов, таких как электротактильные стимуляции, а также проверки на более широком кругу субъектов. Протез, оснащенный БОС, может повысить доверие пользователей к системе, позволяя управлять последовательной и надежной силой.

Литература

1. Алгоритмизация выявления патологии в шейном отделе позвоночника при проведении общей анестезии / Р.Л. Баранов, Л.И. Фирсова, О.В. Судаков, Н.Ю. Алексеев // Прикладные информационные аспекты медицины. 2015. Т. 18. № 2. С. 11-15.

2. Боль в спине - новые возможности лечения / Н.Ю. Алексеев, Н.Ю. Кузьменко, Ю.Н. Алексеев // Инновационный Вестник Регион. 2008. № 2. С. 51-53.

3. Есауленко И.Э. Информационная система выбора диагностически значимых признаков вегетативного синдрома. / И.Э. Есауленко, Н.А. Гладских, С.И. Штаньков, М.А. Железняков // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2011. Т. 10. №4. С. 864-869.

4. Есауленко И.Э. Информационная система выбора диагностически значимых признаков вегетативного синдрома / И.Э. Есауленко, Н.А. Гладских, С.И. Штаньков, М.А. Железняков // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2011. Т. 10. №4. С. 864-869.

5. Использование интегрального показателя в характеристике тяжести ТЧМТ по неврологическим признакам / И.Э. Есауленко, В.Л. Радушкевич, Н.А. Гладских, Е.В. Богачева // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2014. Т. 13. № 1. С. 164-166.

6. Львович И.Я. Алгоритм работы системы интеллектуальной поддержки принятия врачебных решений на основе вероятностных моделей Байеса / Львович И.Я., Гладских Н.А., Гладышев М.В., Токарь В.А. // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2010. Т. 9. №4. С. 922-929.

7. Львович И.Я. Программное обеспечение методов диагностики механизмов переломов костей, основанных на сравнении вероятностных характеристик признаков и определении количества информации / И.Я. Львович, Е.В. Дмитриев, Н.А. Гладских, Е.В. Богачева // В сборнике: Развитие технических наук в современном мире. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. 2014. С. 63-67.

8. Основные этапы и особенности обработки статистической информации в процессе судебно-медицинской идентификации личности с целью построения моделей недостающих частей тела по имеющимся / В.И. Бахметьев, Д.В. Бавыкин, Д.В. Судаков, О.В. Судаков // Прикладные информационные аспекты медицины. 2015. Т. 18. № 5. С. 27-33.

9. Расчет диагностических оценок эффективности использования Мексидола при оказании медицинской помощи пострадавшим с ТЧМТ на догоспитальном и раннем госпитальном этапах / И.Э. Есауленко, В.Л. Радушкевич, Н.А. Гладских, Е.В. Богачева // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2013. Т. 12. № 4. С. 896-901.

10. Родионов О.В. Медицинские системы и комплексы: учебное пособие / О.В. Родионов, О.В. Судаков, Е.А. Фурсова // ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет". Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2011. 108 с.

11. Родионов О.В. Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий / О.В. Родионов, Е.А. Фурсова, О.В. Судаков//учебное пособие, ГОУ ВПО ВГТУ. 2006. Ч.3. -176 с.

12. Тревожно-депрессивные расстройства у больных с острым, подострым и хроническим синдромом боли в нижних отделах спины / П.Ю. Алексеев, Н.Ю. Кузьменко, Н.Ю. Алексеев // Прикладные информационные аспекты медицины. 2012. Т. 15. № 1. С. 3-7.

13. Хирургическое лечение длительно незаживающих ран нижних конечностей / Ю.П. Холубкевич, А.Е. Бачманов, О.В. Родионов, О.В. Судаков // Прикладные информационные аспекты медицины. 2007. Т. 10. № 2. С. 28-30.

14. Эффективность применения вакуумно-мембранного мышечно-скелетного вытяжения в комплексном лечении синдрома боли в нижних отделах спины / Н.Ю. Алексеев, Ю.Н. Алексеев, Н.Ю. Кузьменко, Э.В. Минаков // Практическая медицина. 2011. № 3-1 (50). С. 56.

15. Alekseev Yu.N. Optimal choice of vacuum-membrane skeletal muscle extension / Yu.N. Alekseev, B.M. Smirnov, N. Yu. Alekseev // Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2002. Т. 133. № 2. С. 160-163.

16. Alexeev Yu., Alexeeva N.V., Alexeev N. Yu., Alexeeva N. Yu., Alexeev P. Yu./ International Journal on Immunorehabilitation. 1998. № 8. С. 165.

Размещено на Allbest.ru