Биопротез руки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время биомеханика, являющаяся разделом биофизики, обладает большим арсеналом методов исследования локомоторной функции как в статике, так и в динамике, причем изучается не только внешняя картина движения, но и механизм управления, жизнеобеспечение организма, что дает возможность выявить целый комплекс параметров, характеризующих двигательный образ. В это понятие включаются не только механические проявления и движения и реакций окружающей среды, но и условия организации управления движениями, коррелированная деятельность всех организмов и систем организма.

Получаемая в результате биохимических исследований информация служит основой для определения нормы, позволяет количественно определить степень нарушения локомоторной функции при различных патологических состояниях. Она обеспечивает объективную оценку состояния опорно-двигательного аппарата и всей системы организации движений и может быть использована для дифференциальной диагностики обоснования методов восстановительного лечения, создания предпосылок для разработки средств протезной техники, призванных компенсировать утраченные функции. Методическая база биомеханических исследований постоянно совершенствуется, используя новейшие достижения, особенно в области электроники и вычислительной техники.

Биопротезирование

Одна из последних разработок в области протезирования - это так называемые биоэлектрические протезы верхних конечностей, которые приводятся в действие с помощью электродов, считывающих электрический ток, вырабатываемый мышцами культи в момент их сокращения. Затем информация передаётся на микропроцессор, и в результате протез приходит в действие. Благодаря новейшим технологиям искусственные руки позволяют осуществлять вращательные движения в кисти, захватывать и удерживать предметы. Биоэлектрические протезы дают возможность успешно пользоваться и такими вещами, как ложка, вилка, шариковая ручка и т.п

Суть биомеханических протезов состоит в том, что после ампутации культя руки сохраняет остатки имевшейся ранее хватательной мышцы. При их сокращении поступает электрический импульс переменного тока, воспринимающийся расположенными на коже управляющими электродами биомеханического протеза руки. Электронная усилительная система, имеющаяся в этих электродах, даже при незначительном сокращении мышечной ткани позволяет включать/выключать небольшой по своим размерам, но достаточно мощный электродвигатель, осуществляющий перемещение большого и указательного пальца.

Электромеханическое сопряжение в мышцах.

Рассмотрим механизм сокращения мышц на примере кардиомиоцита. Электромеханическое сопряжение - это цикл последовательных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом мышцы.

Основные этапа процесса проследим по рисунку 1.

биопротезирование электрод мышца культя

Процесс сокращения кардиомиоцита происходит следующим образом:

1 - при подаче на клетку стимулирующего импульса открываются быстрые (время активации 2 мс) натриевые каналы, ионы Na+ входят в клетку, вызывая деполяризацию мембраны;

2 - в результате деполяризации плазматической мембраны в ней и в Т-трубочках открываются потенциал-зависимые медленные кальциевые каналы (время жизни 200 мс), и ионы Са2+ поступают из внеклеточной среды, где их концентрация 2*10^(-3) моль/л, внутри клетки (внутриклеточная концентрация Са2+ = 10^(-7) моль/л);

3 - кальций, поступающий в клетку, активирует мембрану СР , являющегося внутриклеточным депо СР, в результате чего возникает так называемый «кальцевый залп». Ионы Са2+ из СР поступают на актин-миозиновый комплекс МФ, открывают активные центры актиновых цепей, вызывая замыкание мостиков и дальнейшее развитие силы и укорочение саркомера;

4 - по окончанию процесса сокращения миофибрилл ионы Са2+ с помощью кальциевых насосов, находящихся в мембране СР, активно заканчиваются внутрь саркоплазматического ретикулума;

5 - процесс электромеханического сопряжения заканчивается тем, что К+ пассивно выходит из клетки, вызывая реполяризацию мембраны;

6 - ионы Са2+ активно выводятся во внеклеточную среду с помощью кальциевых насосов сарколеммы.

Таким образом, в кардиомиоците электромеханическое сопряжение идет в две ступени: вначале небольшой входящий поток кальция активирует мембраны СР, способствуя большему выбросу кальция из внутриклеточного депо, а затем в результате этого выброса происходит сокращение саркомера. Описанный выше двухступенчатый процесс сопряжения доказан экспериментально. Опыты показали, что: а) отсутствие потока кальция извне клетки ) прекращает сокращение саркомеров, б) в условиях постоянства количества кальция, высвобождаемого из СР, изменение амплитуды потока кальция приводит к хорошо коррелирующему изменению силы сокращения. Поток ионов Са" внутрь клетки выполняет таким образом две функции: формирует длительное (200 мс) плато потенциала действия кардиомиоцита и участвует в процессе электромеханического сопряжения.

Следует отметить, что не во всех мышечных клетках организма процесс сопряжения происходит, как в кардиомиоците. Так, в скелетных мышцах теплокровных потенциал действия короткий (2 -- 3 мс) и медленный поток ионов кальция в них отсутствует. В этих клетках сильно развита Т-система поперечных трубочек, подходящих непосредственно к саркомерам близко к z-дискам (см. рис. 1). Изменения мембранного потенциала во время деполяризации через Т-систему передается в таких клетках непосредственно на мембрану СР, вызывая залповое высвобождение ионов Са2+ и дальнейшую активацию сокращения (3, 4, 6). Временной ход описанных процессов показан на рисунке. 1

Общим для любых мышечных клеток является процесс освобождения ионов Са2+ и внутриклеточных депо -- саркоплазматического ретикулума и дальнейшая активация сокращения. Ход кальциевого выброса из СР экспериментально наблюдается с помощью люминесцирующего в присутствии ионов Са2+ белка экворина, который был выделен из светящихся медуз.

Процесс расслабления мышцы повторяет все этапы только в обратном порядке.

Протез предплечья с биоэлектрическим управлением двумя функциями.

Вопрос о биоэлектрическом управлении двумя функциями протеза -- сгибанием и разгибанием пальцев искусственной кисти и пронацией и супинацией гильзы предплечья (кисти) может быть решен различными способами. Один способ заключается в создании четырехканальной системы управления, в которой каждый канал обеспечивает независимое управление одним из указанных выше четырех движений двух механизмов (кисти и ротации гильзы предплечья) от четырех мышц культи предплечья. Это может быть сделано простым повторением обычной двухканальной системы управления одной функцией. Достоинствами такой системы являются относительная простота построения схемы и возможность одновременного и независимого управления двумя движениями в различных сочетаниях: сгибание пальцев с одновременной пронацией гильзы предплечья, сгибание пальцев с супинацией гильзы предплечья и т. д. Кроме того, такая система более полно соответствует управлению конечностью в норме. Однако эта система обладает рядом существенных недостатков, снижающих перспективность ее широкого практического применения. Основными из них являются трудность получения четырех независимых сигналов с мышц культи при большом разнообразии травм, и характера ампутации, существенное увеличение габаритных размеров, массы и стоимости системы управления.

Другой способ заключается в последовательном управлении четырьмя движениями исполнительных механизмов от биоэлектрических сигналов двух групп мышц культи -- сгибателем и разгибателей кисти, как это имеет место в протезах с одной управляемой функцией. Достоинствами такого способа являются небольшие габаритные размеры и масса системы управления, относительная простота управления, достаточная надежность работы всей системы управления, возможность использования ограниченного числа мышц для управления несколькими движениями, простота тренировки мышц на раздельную и комбинационную посылку управляющих сигналов. Недостаток этого способа -- невозможность выполнения одновременно двух движений. Суть способа последовательного управлении состоит в том, что система управления при определенных условиях подключается либо к приводу искусственной кисти, либо к приводу механизма ротации.

Переключение системы производится произвольно, по желанию больного. В общем случае подобная система управления может быть представлена блок-схемой (Рисунок 2).

Двухканальная система управления состоит из токосъемного устройства 1, предварительных усилителей 2, преобразователей 3, оконечных усилителей 4 с нагрузкой в виде реле 5, как это имеет место в системах релейного управления для протезов с одной управляемой функцией, описанных ранее. Здесь вводится лишь одно новое звено -- переключающее устройство б, имеющее в нагрузке реле РЗ, с помощью которого система может быть соединена с одним из двух электродвигателей Ml или М2 приводов кисти или механизма ротации соответственно. В исходном состоянии система управления соединена, например, с приводом кисти и управление осуществляется так же, как и в протезах с одной функцией: сигналы с мышц-сгибателей кисти управляют сгибанием, а с мышц-разгибателей -- разгибанием пальцев искусственной кисти. При подаче кратковременного и резкого сигнала с управляющей мышцы срабатывает переключающее устройство б и к системе управления через контакты реле РЗ подключается электродвигатель М2 привода ротации гильзы предплечья. Управление электродвигателем М2 осуществляется так же, как и двигателем M1 , от тех же управляющих мышц, по более медленным сокращением их, чем при переключении, причем полярность включения двигателя М2 выбирают такой, чтобы мышцы-сгибатели управляли пронацией, а мышцы-разгибатели--супинацией гильзы предплечья. Переключение системы снова на управление искусственной кистью производится повторной посылкой кратковременного резкого сигнала с управляющей мышцы, в результате чего переключающее устройство возвращается в исходное состояние, т. е. контакты реле РЗ подключают к системе управления электродвигатель M1. Переключение возможно как с одной, так и с обеих управляющих мышц.

Рисунок 2. Блок-схема системы биоэлектрического управления двумя функциями.

Протез предплечья с биоэлектрическим управлением движения пальцев и ротацией искусственной кисти ПР2-37 предназначен для протезирования инвалидов с культей предплечья 6 см и более от локтевого сгиба и короче предплечья сохранившейся руки не менее чем на 8 см, при отсутствии мышечной ротации либо при ее ограничении 30 градусов.

Протез состоит из (Рисунок 3): узла - кисть искусственная с системой биоэлектрического управления и приводом ротации, гильзы предплечья и блока питания. Приемная гильза выполнена не спадающей и не требует дополнительного крепления. Конструкция протеза предусматривает применение приемной гильзы с использованием других видов крепления (ремешковое, уздечкой, манжетка ЦИЭТИН, кожаная гильза плеча и т.д.).

Рис.3 Общий вид: 1 - кисть искусственная, 2 - релейный усилитель мощности, 3 - усилитель биопотенциалов, 4 - электрод «масса», 5 - распределительная коробка, 6 - шнур питания с вилкой, 7 - привод ротации кисти, 8 - гильза предплечья, 9 - источник питания.

Кисть и механизм ротации вместе с оконечным усилителем и переключающим устройством образуют один общий узел-полуфабрикат.

Рисунок 4. Кинематическая схема привода ротации кисти.

Механизм ротации состоит из редуктора цилиндрической формы, в корпусе которого размещен электродвигатель. Редуктор состоит из двух ступеней зубчатой передачи Z1 и Z2 (Рисунок. 4), самотормозящейся винтовой пары Z3 и зубчатой передачи с внутренним зацеплением Z4, Z5.

Максимальный вращающий момент привода составляет 0,5 - 5Н*м; число поворотов -- не менее 15 об/мин; масса протеза не превышает 1,2 кг.

Система управления в основном такая же, как и для протезов с одной управляемой функцией. В систему управления добавлено лишь электронное переключающее устройство для коммутации системы с управления сгибанием и разгибанием пальцев кисти па управление пронацией и супинацией предплечья и обратно. Блок питания в данном протезе используется такой же, что и в протезе с одной управляемой функцией. Блок-схема биоэлектрической системы пропорционального управления сгибанием и разгибанием пальцев кисти и ротации предплечья представлена на Рисунке 5.

Рисунок 5. Блок-схема системы биоэлектрического пропорционального управления двумя функциями.

Как видно из рисунка, принцип действия системы управления тот же, что и системы пропорционального управления кистью в протезе предплечья, а переключающее устройство такое же, как в протезе предплечья. Таким образом, система пропорционального управления двумя функциями действует так же, как и релейная система последовательного управления этими же функциями, с тем лишь различием, что здесь скорость исполнительных органов (пальцев кисти и ротации предплечья) изменяется пропорционально величине входного биоэлектрического (управляющего) сигнала.

Список литературы

1. «БИОФИЗИКА» под редакцией профессора В.Ф. Антонова, Издание первое, Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, Москва, 2000

2. «Протезирование детей с дефектами конечностей» под редакцией профессора В.И. Филатова, Ленинград «МЕДИЦИНА», 1981

3. «Справочник по протезированиию» под редакцией профессора В.И. Филатова, Ленинград «МЕДИЦИНА», 1978

4. Штарк М.Б., Скок А.Б. «Применение электроэнцефалографического биоуправления в клинической практике», М. - 2004 г

Размещено на Allbest.ru