Биоэлектрическое управление

— управление, использующее в качестве команд или сигналов обратной связи сигналы биоэлектрической активности. Живая ткань, реагируя на электр. раздражение, может проводить и генерировать ток. Когда возбуждение с нерва переходит на мышцу, в ней происходит процесс возбуждения и возникают биоэлектрические потенциалы, а затем уже развивается и более медленный процесс — сокращение мышцы. Осциллограммы потенциалов мышц, находящихся в возбуждении, наз. электромиограммами (ЭМГ). Осн. параметрами ЭМГ при снятии их поверхностными электродами являются амплитуда и частота потенциалов. Наиболее широкое распространение получили методы Б. у., в основе которых лежит использование биоэлектр. активности мышц. Исследования показали, что для большинства скелетных мышц существуют зависимости между мощностью биосигналов, напряжением и скоростью сокращения или удлинения мышц. Эти зависимости используются при проектировании биотех. систем управления, предназначенных для моделирования двигательных реакций.

Б. у. двигательными ф-циями развивается в двух направлениях: управление тех. устр-вами (напр., протезами) с использованием внешних источников энергии (биопротезирование) и программное многоканальное Б. у. мышечной деятельностью при помощи командных сигналов, в основе которых лежит использование энергетических свойств биопотенциалов мышц,

Биоуправляемые протезы руки, впервые созданные в СССР, получили широкое признание и распространение. Ведется разработка многофункциональных биоуправляемых протезов конечностей. В блок-схеме биоуправляемого протеза руки биопотенциалы, снимаемые при помощи поверхностных электродов с мышцы, усиливаются в усилителе биопотенциалов, детектируются и сглаживаются в интеграторе. Напряжение на выходе этого блока пропорционально мгновенному значению мощности биотоков. С интегратора напряжение поступает в преобразователь, в котором непрерывные сигналы преобразовываются в частотноимпульсные. Пройдя черезусилитель мощности, импульсы поступают на вход мех. устр-ва. Для управления движением используются биотоки, отводимые с двух мышц - антагонистов, и, соответственно, два канала усиления и преобразования информации. На основании физиол. исследований в лаборатории космических исследований (США) реализовано управление с помощью выделения т. н. «миографического образа». Управляющая ф-ция при этом определяется мгновенным состоянием биоэлектр. активности группы управляющих мышц, участвующих в естественном движении, при помощи логического устр-ва. Участие соответствующих мышц при движении руки «вверх — вниз», «к себе — от себя» кодируется двоичным кодом.

Большую роль в создании биоуправляемых протезов играют системы с обратной связью. Для их разработки используют датчики разных типов: вибрационные, тензометрические, электромех. и др. Для В. у. мышечной деятельностью посредством преобразующего тех. устр-ва по принципу «мышца — устройство — мышца» или «человек — машина — человек» используют энергетические свойства биопотенциалов мышц.

Изучение характера биоэлектр. активности мышц методом ЭМГ позволяет сравнивать физиол. возможности выполнения активных двигательных актов в различных ситуациях. Результаты исследований дают возможность приступить к созданию сложных систем Б. у. активными движениями конечностей и тела человека. К системам такого типа можно отнести устройство, реализующее метод программного многоканального Б. у. — «Миотон», созданное в Ин-те кибернетики АН У ССР. В «Мио-тоне» имеется несколько каналов, и это позволяет регистрировать и управлять активностью групп мышц, участвующих в сложном движении. При управлении используются закономерности изменения степени биоэлектрической нервно-мышечной активности в процессе выполнения некоторых движений. В основу положены данные математической статистики, которые показывают, что среднее значение ЭМГ соответствует сумме частот элементарных электр. импульсов, возникающих в нервно-мышечной системе, а следовательно — степени возбуждения мышцы (блок-схему одного из каналов устр-ва «Миотон» см. на илл. между стр. 176—177). Принцип работы этого устр-ва состоит в том, что сигнал, снимаемый с мыши, участвующих в определенном двигательном акте (алгоритм движения), усиливается и служит для выработки сигнала, который подается на мышцы реципиента. Реципиент при соответствующем подборе амплитуд возбуждающих сигналов повторяет движение донора. Алгоритм движения, заранее записанный в блоке «Магнитной памяти», может многократно повторяться для воспроизведения определенных движений. Каждый канал устр-ва может работать независимо. Элемент обратной связи, введенный в устр-во по принципу «бйоэлектро-локации», позволяет автоматически корректировать управляющий сигнал при помощи ответной импульсации реципиента. Навязывание больным движений, близких к естественным, способствует развитию структурно-информационных перестроек в нервной системе, позволяя шире использовать ее компенсаторные механизмы во время лечения некоторых двигательных расстройств. «Миотон» успешно применяют при лечении больных с нарушениями двигательных функций.

Подобные исследования проводятся и за рубежом: в Югославии, Канаде, США и Польше. В США, напр., создан аппарат кисти, в котором для раскрытия используется стимуляция паретичной мышцы. В качестве управляющей используется трапециевидная мышца. Расширяются исследования по созданию средств Б. у. сердечным ритмом, дыханием

и работой искусственных органов и систем на основе поддержания гомеостатического постоянства уровней непрерывных показателей внутренней среды организма. Совершенствование методов Б. у. позволит в ближайшее время расширить их применение не только в области медицины, но и в области техники.

Дата добавления: 2015-07-12