Simulink-модель для управления бионическим протезом нижней конечности
Анализ основных свойств, определяющих качество протеза. Знакомство с simulink-моделью биоэлектрического управления протезом нижней конечности. Общая характеристика наиболее распространенных видов протезов: косметические, тяговые, биоэлектрические.
| Рубрика | Медицина |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.02.2019 |
| Размер файла | 1,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Simulink-модель для управления бионическим протезом нижней конечности
В работе предлагается Simulink-модель биоэлектрического управления протезом нижней конечности. При встраивании предложенной модели в систему управления позволяет приблизить ходьбу на протезе к естественному стереотипу движения, так как используются биопотенциалы самого ампутатнта.
Несмотря на значительный прогресс медицины, встречаются ситуации, при которых самым эффективным способом лечения является ампутация конечности. Согласно статистическим данным наиболее часто люди теряют ноги. Только в России ежегодно делаются более 500 тысяч операций по ампутациям нижних конечностей. Потеря нижней конечности неминуемо приводит к внезапному ограничению двигательной активности, что в свою очередь отражается на физиологическом, психическом и чувственном состояниях всего организма человека, меняя его общественный статус и снижая качество жизни.
Для реабилитации инвалидов существуют различные типы протезов: косметические, тяговые, биоэлектрические и т.д. Основными свойствами, определяющими качество протеза, являются функциональность и косметичность. В настоящее время наиболее полно этими свойствами обладают бионические протезы, максимально приближенные по конструкции к ампутированной конечности, для управления которыми используются биоэлектрические сигналы самого инвалида. Как известно [1, 2], биоэлектрическое воздействие, передаваемое от центральной нервной системы к мышцам, отражается на поверхности кожи человека повышением амплитуды биопотенциалов. Метод исследования нервно-мышечной системы посредством регистрации биоэлектрических потенциалов в медицине принято называть электромиографией (ЭМГ). Электромиографические исследования показывают, что амплитуда биопотенциалов варьируется в пределах от 5-10 мкВ (мышца в состоянии покоя) до 500-1000 мкВ (при сокращении мышцы). Особенно ярко это явление выражено в двигательных точках - местах наибольшего скопления двигательных единиц (мышечных волокон, управляемых одним мотонейроном). Область двигательной точки является максимально возбудимым участком мышцы. С неё можно снимать биопотенциал с максимальной по всей мышцы амплитудой. Расположив электроды в этих областях, можно получить исходный сигнал для управления бионическим протезом.
На основе биоэлектрического управления, использующего сигналы ЭМГ в качестве управляющих сигналов, можно создать качественный и удобный бионический протез (рисунок 1).
Рисунок 1. Внешний вид бионического протеза
На кафедре «Информационно-измерительная техника и метрология» Пензенского государственного университета ведутся работы по созданию бионического протеза. Авторами предлагается структурная схема блока регистрации ЭМГ-сигнала, позволяющего сформировать сигнал для управления протезом (рисунок 2).
Рисунок 2. Структурная схема системы управления бионическим протезом
протез биоэлектрический конечность
Она состоит из электродной матрицы ЭМ, нормирующего усилителя НУ, полосового фильтра ПФ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и микропроцессора МП. Блок работает следующим образом. Электроды ЭМ 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 усилителем НУ. Усиленный сигнал поступает на полосовой фильтр, полоса пропускания которого соответствует диапазону изменения сигнала ЭМГ. Далее сигнал оцифровывается с помощью АЦП и поступает для дальнейшей обработки на МП, который обрабатывает его и формирует сигнал, управляющий исполнительными механизмами протеза.
На основе разработанной структурной схемы была разработана Simulink -модель, представленная на рисунке 3[3].
Рисунок 3. Схема simulink-модели
Поскольку для снятия ЭМГ сигналов используются поверхностные электроды, то ЭМГ сигналы снимаются с нескольких точек. В модели используются реальные ЭМГ сигналы, которые были взяты с банка физиологических сигналов PhysioNet [4]. Simulink-модель вычисляет суммарный ЭМГ сигнал, вид суммарного ЭМГ сигнала изображен на рисунке 4.
Рисунок 4. Суммарный ЭМГ сигнал
протез биоэлектрический конечность
Сигнал поступает на вход фильтра. Выходной сигнал фильтра представлен на рисунке 5. Для получения сигнала, удобного для управления исполнительными механизмами протеза нижней конечности, необходимо получить огибающую, что делается в модели с помощью блока, реализующего функцию Гильберта. Выходной сигнал огибающей представлен на рисунке 5.
Рисунок 5. Сигнал после полосового фильтра и огибающая
С помощью АЦП и микроконтроллера в дальнейшем ЭМГ сигнал можно использовать для управления аппаратной частью бионического протеза. Сигнал, регистрируемый на АЦП, представлен на рисунке 6.
Рисунок 6. Сигнал для управления исполнительными механизмами протеза
Таким образом, при встраивании предложенной модели в систему управления позволит приблизить ходьбу на протезе к естественному стереотипу движения, так как используются биопотенциалы самого ампутатнта.
Список литературы
протез биоэлектрический конечность
1.Дубровский В.И. Федорова В.Н. Биомеханика. Учебник для высших и средних заведений. М.:ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. -672 с.
2.Рангайян, Р.М. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход. [Электронный ресурс]: Учебное пособие.-- М.: Физматлит, 2010. -- 436 с. Режим доступа: http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=2292.
3.Дьяконов В. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. - М.: Солон - Пресс, 2002.
4.https://www.physionet.org/.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Жалобы больного на отёк, распирающие боли в правой нижней конечности при ходьбе и опускании ноги вниз. Результаты общего осмотра. Данные лабораторных методов исследования, консультации специалистов. Тромбоз глубоких вен правой нижней конечности.
история болезни [25,5 K], добавлен 19.03.2012Жалобы на зуд и отек в левой нижней конечности. Специфические методы диагностики и бициллинопрофилактика первичной рожи левой нижней конечности средней степени тяжести в эритематозно-буллезной форме. Эритема с неровными контурами и четкими границами.
история болезни [27,9 K], добавлен 19.11.2013Анатомическая топография артериальной системы таза. Артерии нижней конечности. Закономерности ветвления артерий. Межсистемные артериальные анастомозы - соединения (соустья) между ветвями разных артерий. Микроциркуляторное русло – сосуды капиллярного типа.
лекция [15,5 K], добавлен 18.02.2009Топография и лимфатическая система нижней конечности, ее каналы и отверстия, содержащие сосуды и нервы. Структура лимфатических капилляров кожи по В.Н. Надеждину. Особенности формирования, виды и размещение лимфатических сосудов и узлов нижней конечности.
реферат [656,6 K], добавлен 01.12.2009Ориентация парных костей мозгового и лицевого черепа, пояса верхних конечностей, грудной клетки и тазовой кости, свободной нижней конечности. Скелет свободной нижней конечности: бедренная, большеберцовая и малоберцовая кости, надколенник и стопа.
презентация [1,4 M], добавлен 14.05.2014Понятие протеза, его сущность и описание его свойств. Биоуправляемые протезы предплечья. Протез предплечья с устройством обратной связи и со встроенной системой биоэлектрического управления. Блок-схема управления протезом, описание механизма ее работы.
реферат [449,1 K], добавлен 16.01.2009Понятие и классификации травматической ампутации нижней конечности. Понятие о реабилитации, ее задачи, принципы и средства. Принципы медицинской и физической реабилитации. Лечебная физкультура при травматической ампутации, двигательная активность больных.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 15.06.2014Общая характеристика мостовидных протезов, основные принципы конструирования и биомеханика, показания к протезированию и общие особенности изготовления и применения. Форма промежуточной части протеза и ее отношение к окружающим тканям протезного ложа.
курсовая работа [37,5 K], добавлен 01.06.2015Боли левой стопы, усиливающиеся в ночное время. Ангиография аорто-подвздошного сегмента и артерий нижних конечностей. Ультразвуковая допплерография артерий. Аорто-бифеморальное шунтирование. Пульсация магистральных артерий на левой нижней конечности.
история болезни [16,8 K], добавлен 26.03.2012Ознакомление со строением стопы и особенностями ее кровоснабжения. Рассмотрение наиболее распространенных патологий дистального отдела нижней конечности и его сводов. Методы лечения и профилактики продольного и поперечного плоскостопия в детском возрасте.
контрольная работа [3,4 M], добавлен 03.09.2011Изучение структуры и процедуры методического анализа, его сущность и содержание. Анализ учебно-программной документации. Спецификация учебных элементов. Методы построения скелета верхних и нижних конечностей. Пластика и механизмы движения конечностей.
курсовая работа [112,1 K], добавлен 09.03.2011Жалобы на вынужденное положение конечности, острую боль в области нижней трети левой голени. Клинический диагноз: закрытый оскольчатый перелом обеих костей левой голени в нижней трети со смещением. Репозиция отломков под местной анестезией, прогноз.
история болезни [14,3 K], добавлен 23.03.2009Изучение особенностей анатомического строения детей. Обобщение основных видов травм, их клинических симптомов, диагностики и методов лечения: травма сосудисто-нервного пучка, перелом ключицы, плечевой кости, костей предплечья, костей нижней конечности.
реферат [58,3 K], добавлен 01.10.2011Причины возникновения первичного рака нижней челюсти. Предраковые заболевания нижней челюсти. Дистанционная гамматерапия на очаг и регионарные поднижнечелюстные лимфатические узлы. Проведение резекции или экзартикуляции половины нижней челюсти.
реферат [17,6 K], добавлен 04.09.2016Одиночные переломы тела нижней челюсти в ее центральном отделе, на боковом участке, угла нижней челюсти, ветви нижней челюсти. Рабочая классификация неогнестрельных переломов нижней челюсти: по локализации, переломы ветви челюсти, по характеру перелома.
реферат [24,2 K], добавлен 24.07.2012Изучение съемных протезов, таких как пластмассовые пластинчатые протезы, пластмассовые пластинчатые иммедиатпротезы, бюгельные протезы, съемные сектора, сегменты зубных рядов. Протезы на телескопических коронках. Уход за пластиночным съемным протезом.
контрольная работа [24,3 K], добавлен 17.11.2010Общая характеристика переломов нижней челюсти, их классификация по этиологии и локализации, характеру и количеству линий переломов, смещению обломков. Взаимоотношение костных обломков. Клиническая симптоматика неогнестрельных переломов нижней челюсти.
презентация [3,3 M], добавлен 22.05.2016Боли в левой конечности, потеря чувствительности, чувство онемения, похолодание и побледнение конечности, боли в конечности при прохождении расстояния более 25 метров. Недостаточное поступление кислорода к мышцам ног вследствие поражения сосудов.
история болезни [30,0 K], добавлен 20.04.2013Общая характеристика и анализ распространенности рака нижней челюсти, клиническая картина и патогенез данного заболевания. Этапы развития недоброкачественной опухоли, закономерности ее диагностики, прогноз на жизнь и выздоровление больных пациентов.
презентация [554,8 K], добавлен 10.06.2016Аномалия развития глубоких магистральных вен нижней конечности с нарушением их проходимости. Частота возникновения порока. Гемангиома, гипертрофия костей и мягкий тканей и варикозное расширение вен. Повышение периферического артериолярного сопротивления.
презентация [1007,9 K], добавлен 09.02.2015
