БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Хорошо известно, что любое движение живого организма предваряется и сопровождается изменением биотоков соответствующих мышц. Это наглядно иллюстрирует рисунок 1, где одновременно записаны механограмма движения сгибания кисти и миограмма биотока мышцы сгибателя кисти.

Любую систему, включающую человека и управляемое им техническое устройство, можно рассматривать как биомеханическую систему управления, в к-рой программа работы технического устройства вырабатывается ц. н. с. оператора и кодируется так, чтобы обусловить соответствующие его движения («код движения»), оказывающие управляющие воздействия. Здесь под движением следует понимать не только непосредственно механическое движение, но и, напр., звуки речи и т. п. Так, машина, печатающая под диктовку, также может быть отнесена к этому классу систем. Движения человека не являются единственно возможным источником управляющих сигналов в биомеханической системе управления. Если бы удалось подавать команды, идущие из ц. н. с. непосредственно на органы управления технического устройства, была бы осуществлена система прямого биоэлектрического управления без необходимости какого-либо перекодирования.

Однако отсутствие эффективных способов, позволяющих извлекать из ц. н. с. соответствующую информацию, недостаточный уровень наших знаний о соотношениях, связывающих произвольную деятельность человека с состоянием биопотенциалов его ц. н. с., пока исключают возможность непосредственно использовать эти сигналы для целенаправленного управления.

При переработке биоэлектрической информации в системах биоэлектрического управления нашли применение косвенные методы извлечения управляющей информации, основанные на использовании миографических методов. При этом управляющую информацию получают путем обработки зарегистрированных миографически сигналов биоэлектрического возбуждения мышц, возникающего под влиянием управляющих воздействий ц. н. с., что дает возможность улавливать генерируемые ею команды независимо от того, вызывают они соответствующие движения или нет. В этом случае инвалид, у к-рого ампутирована, напр., кисть руки, может управлять техническим устройством (см. Протезирование биоэлектрическое), используя привычный для него навык управления рукой — для этого достаточно получить информацию о командах, поступающих из ц. н. с. к соответствующим мышцам. В результате миографических исследований было установлено, что зависимость между суммарным мышечным усилием и мощностью биопотенциалов в определенных пределах значений этих величин можно считать линейной. В основу при конструировании первых систем биоуправления было положено представление о том, что интегральный эффект сокращения мышц пропорционален мощности колебаний их биопотенциалов.

Принцип биоэлектрического управления был, по существу, использован в первых же приборах, предназначенных для регистрации биоэлектрической активности (см. Биоэлектрические потенциалы). В любом из таких приборов биоэлектрический сигнал, отводимый от живого организма, воздействует на регистрирующее устройство, осуществляя тем самым функции управления им.

Одной из первых биоэлектрических систем, предназначенных непосредственно для реализации функции управления, следует, вероятно, считать устройство, использованное при выполнении работ, связанных с определением смертельной дозы электрического удара (США, 1936). В числе проведенных опытов были и такие, в которых моментом подачи электрического удара управлял биоток сердечной мышцы. В 1952 г. были исследованы вопросы использования усилий, развивающихся в процессе сокращения мышц культи для целей управления включением и выключением протеза с электрическим приводом; тогда же было высказано предположение о возможности использовать для этой цели биоэлектрический сигнал, возникающий при сокращении мышцы.

Несмотря на высокий общий уровень техники, создание электротехнических, гидравлических, пневматических, электрострикционных и других сервоприводов с минимальными габаритами и весом при максимальной надежности остается сложной технической проблемой.

«Программы» управления, реализуемые указанными выше системами, сравнительно элементарны; они ограничиваются лишь подачей сигналов на включение и выключение технического устройства; вместе с тем даже эти опыты свидетельствовали о широких возможностях использования биоэлектрических систем для самых различных целей управления.

В 1957 г. разработана структурная схема простой (разомкнутой) системы произвольного биоэлектрического управления (рис. 2). Здесь биоэлектрические сигналы, отводимые от мышцы, уровень возбуждения к-рой меняется в соответствии с «программой» ц. н. с., обрабатываются в блоке управления технического устройства, обладающего автономным источником энергии, и используются для целей управления исполнительными механизмами системы. Одним из важнейших усовершенствований СБУ следует считать введение отрицательных обратных связей (см. Обратная связь).

На рисунке 3 изображен первый макет биоэлектрической системы, построенной в 1957 г. в Центральном научно-исследовательском ин-те протезирования и протезостроения (ЦНИИПП), оформленной в виде искусственной кисти человека, управляемой биотоками мышц, сгибающих и разгибающих пальцы руки.

Для целей отведения биотоков были использованы так наз. накладные электроды (используемые, напр., в электромиографии), установленные на участках кожи, расположенных непосредственно над мышцей, используемой для целей управления. Этот способ отведения получил наиболее широкое применение, в частности, в биоэлектрическом протезировании.

На рисунке 4 представлена осциллограмма биотоков, отведенных накладными электродами с поверхностного сгибателя пальцев при различных условиях его напряжения. Сложный вид кривой объясняется тем, что отводимые биотоки представляют собой суммарный эффект действия биотоков мышечных волокон данной мышцы, а также многочисленные колебания биопотенциалов, генерируемых смежными мышцами. В этой системе одновременно отводились биотоки с двух мышц-антагонистов — сгибателя и разгибателя пальцев. В результате этого на вход в техническую часть системы подавались две группы управляющих сигналов (рис. 5, функциональная блок-схема). Каждый из потенциалов, снимаемых с наклеенных на кожу электродов, значительно усиливался электронным линейным усилителем (рис. 5, 1) и поступал на вход двухполупериодного выпрямителя (рис. 5, 2); с выхода выпрямителя напряжение подавалось на вход интегрирующего блока (рис.5, 5), напряжение на выходе к-рого приблизительно пропорционально (при соответствующем выборе параметров интегрирующей цепочки) мгновенному значению мощности биотоков.

В макете, изображенном на рисунке 3, в качестве исполнительного органа (сервомеханизма), приводящего в движение искусственную кисть, было спроектировано устройство, управляемое дискретными токовыми посылками (так наз. электромеханический шаговый двигатель). Эта особенность исполнительного механизма привела к необходимости ввести в блок обработки управляющей информации непрерывно-дискретное преобразование. С этой целью непрерывно меняющееся напряжение с выхода интегратора (рис. 5, 3) подавалось на устройство (рис. 5, 4), формирующее импульсы постоянной амплитуды и длительности. (В нижней части рис. 4 эти дискретные сигналы, представляющие как бы программу движения искусственной кисти, записаны в форме вертикальных черточек, частота которых изменяется в соответствии с изменением уровня потенциала мышц.)

После усиления по мощности (рис. 5, 5) сформированные импульсы подаются на вход механического устройства. Контрольный осциллоскоп (рис. 5, 6) обеспечивает возможность визуального наблюдения за величиной напряжения, снимаемого с мышцы. Шаговый сервопривод, управляемый двумя цепочками таких дискретных сигналов, работает в дифференциальном режиме.

При конструировании первого макета биоэлектрической системы преследовалась цель апробировать принцип Б. у. техническим устройством. Естественно, что при этом вопросы снижения веса и габаритов системы, ее надежности и долговечности отступили на второй план. Наиболее громоздкой и тяжеловесной частью системы оказалась усилительная аппаратура (на рис. 3 не показана), т. к. установку было необходимо защитить от внешних наводок. Несмотря на эти недостатки, первый макет биоэлектрической системы подтвердил полную возможность реализовать идею Б. у. и определил задачи дальнейших исследований. В результате последующих разработок были созданы малогабаритные электронные блоки управления, построенные на полупроводниковых приборах, и разработаны различные исполнительные узлы как дискретного, так и непрерывного действия.

Наибольший интерес представляет так наз. биоточный манипулятор (рис. 6), созданный Институтом машиноведения АН СССР и ЦНИИПП в 1958 г. Этот манипулятор действовал как своеобразный мышечный усилитель и мог многократно увеличивать силу схвата по сравнению с усилием, развиваемым человеком. В его схему был включен блок настройки коэффициента усиления.

На рисунке 7 показана условная схема этого манипулятора. В отличие от первого макета (рис. 3), исполнительная система непрерывного типа построена с использованием гидропривода. Источником энергии служит электродвигатель (1), который приводит в движение двуполостной гидронасос (2). Из насоса жидкость под давлением поступает в приборы управления. Поток жидкости в этих приборах перекрывается иглами, приводимыми в движение электромагнитами (3). Одновременно в приборы управления из узла управления (7) поступают сигналы, определяющие уровень возбуждения электромагнитов и соответственно — положение игл. В зависимости от этого происходит распределение потоков жидкости, перепускаемых в рабочие полости силового гидроцилиндра (4). Гидроцилиндр соединен с толкателем, приводящим в движение схват (5) искусственной кисти.

Источником сигналов, управляющих уровнем возбуждения магнитов, служат биотоки, отводимые накладными электродами с мышц, сгибающих и разгибающих пальцы рук оператора. Электроды укреплены в специальном браслете, надеваемом на руку оператора (6). Отведение и обработка биосигналов производится по функциональной схеме (рис. 5) за исключением того, что отпадает необходимость преобразования непрерывного сигнала в совокупность дискретных модулированных по частоте токовых посылок.

При создании биоточного манипулятора большое внимание было уделено разработке компактного электронного блока управления, питание к-рого осуществлялось от миниатюрного кадмиево-никелевого аккумулятора. Наличие трансформаторного входа защищало систему от влияния внешних шумов и наводок. Габариты блока управления позволяли использовать его и размещать в таких устройствах, как, напр., гильза протеза предплечья.

В СССР и за рубежом в проблемах Б. у. центральное место заняли работы по практической реализации идеи Б. у. в области протезирования, которые были развернуты в ряде стран после того, как в 1950 г. в Советском Союзе были созданы и выданы инвалидам первые образцы протезов предплечья с биоэлектрическим управлением. Наряду с этим продолжаются исследования, имеющие целью повысить эффективность и расширить возможности и, соответственно, области применения нового способа управления для исследовательских, диагностических и лечебных целей.

Библиография:

Гурфинкель В. С. и др. Биоэлектрическое управление, М., 1972, библиогр.;

Кобринский А. Е. и др. Биоэлектрическая система управления, Докл. АН СССР, т. 117, № 1, с. 78, 1957; Basmajian J. V. a. Stecko G. A new bipolar electrode for electromyography, J. appl. Physiol., v. 17, p. 849, 1962; Вattye С. Κ., Nightingale A. a. Whillis J. The use of myo-electric currents in the operation of prostheses, J. Bone Jt Surg., v. 37-B, p. 506, 1955; Berger N. a. Huppert C. R. The use of electrical and mechanical muscular forces for the control of an electrical prosthesis, Amer. J. occup. Ther., v. 6, p. 110; 1952; Ferris L. P. a. o. Effect of electric shock on the heart, Electrical Engineering, v. 55, p. 498, 1936, bibliogr.; Hirsh С., Kaiser E. a. Petersen J. Telemetry of myo-potentials, Acta orthop. scand., v. 37, p. 156, 1966; Inman V. T. a. o. Relation of human electromyogram to muscular tension, Electroenceph. clin. Neurophysiol., v. 4, p. 187, 1952; Lippоld О. C. J. Relation between integrated action potentials in human muscle and its isometric tension, J. Physiol. (Lond.), v. 117, p. 492, 1952; Scott R. N. Myo-electric control of prostheses, Arch. phys. Med., v. 47, p. 174, 1966; Tucker F. R. a. Scott R. N. Development of a surgically implanted myo-telemetry control system, J. Bone Jt Surg., v. 50-B, p. 771, 1968.

A. E. Кобринский.