информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

аватар: Аль-кавати Ахмед Абдо

Биоэлектрическое управление. В 1957 г. в СССР впервые был построен протез - искусственная рука, управляемая биоэлектрическими импульсами мышц человека. Родилась электронная физиология.
На рис.1 дана схема манипуляционной системы с биоэлектрическим управлением.Обозначения: 1 - команды, передаваемые от мозга к мышцам через нервную систему; 2 - электроды на предплечье: небольшой ремешок с несколькими электродами, прижатыми к точкам, где находятся мышцы, вызывающие сгибание и разгибание пальцев (рис.2, б); 3 - широкополосные линейные усилители биотоков; 4 - преобразователи, превращающие биотоки в импульсы, управляющие работой малогабаритных электродвигателей или гидравлического привода (они приводят в движение пальцы искусственной руки). Каждый палец имеет собственный исполнительный механизм, а их суставы закреплены в миниатюрных подшипниках качения.
Если оператором искусственной руки является инвалид, то используются биоэлектрические сигналы, снимаемые с мышц культи предплечья (рис.1,б).

151

(рис.1)  Искусственная рука: а - функциональная схема; б - конструкция электрического протеза (масса вместе с питанием 1 кг, усилитель собран на 20 транзисторах)

Почему посылка управляющих сигналов из центров мозга, например команда сжать пальцы несуществующей руки, вызывает именно такие действия искусственной руки? Нервная система передает информацию от рецепторов (нервных клеток, чувствительных к определенным внешним возбудителям: механическим, световым, звуковым и т. п.) к мозговым центрам. Когда рецептор получил возбуждение, он посылает сигнал. Но не сразу. Здесь действует правило: «Все или ничего». Сигнал будет послан лишь в том случае, если его интенсивность превзойдет порог возбуждения. Тогда вдоль нервного волокна пойдут в направлении мозга импульсы, несущие информацию: «горячо», «холодно», «тихо», «громко», «светло» и т. п.
Если импульсы, идущие от центров мозга, управляют, например, движениями ладони, то частота импульсов будет тем выше, чем сильнее сжимается ладонь. Частота этих импульсов меняется от десятков герц до 300...500 Гц, однако амплитуда их остается постоянной (около 0,1 В). Амплитуда импульсов не зависит от уровня возбуждения,а только определяется свойствами данного нерва. Известно, что скорость распространения импульсов не превышает 100 м/с.
Управляющие нервные импульсы вызывают возбуждение элементарного мышечного волокна, изменяя его биоэлектрический потенциал. Это волокно может находиться в двух состояниях: сокращения или расслабления. Нужно лишь снять эти электрические сигналы с соответствующих мышц, находящихся под кожей и на поверхности тела (рис.2, б), и после усиления использовать для управления различными техническими устройствами.

152

(рис.2)  Способ отведения биоэлектрических сигналов: а - электроды; б - место приложения электродов к мускулам; в - схема усилителя биоэлектрических сигналов мускулов и мозга; в качестве изолирующего материала следует применять полированное оргстекло или полистирол: диапазон частот 0,5...30 Гц, без конденсатора С до 20 кГц; на входе усилителя можно включить широкодиапазонный аттенюатор; транзистор Т1 должен иметь малый уровень собственных шумов и высокий коэффициент передачи тока. Транзисторы следует подбирать так, чтобы общий коэффициент усиления составлял 500 000

Поскольку сокращение мышц пропорционально изменению их биоэлектрических потенциалов, легко выделить из непрерывно меняющегося сигнала его определенный параметр - мощность и этот сигнал после усиления (рис.2, в) снова преобразовать в импульсы с частотой, пропорциональной мощности биотоков и использовать для приведения в движение исполнительного механизма искусственной руки.
Для управления манипулятором используют биосигналы двух групп мышц (сгибающих и разгибающих). Было применено два параллельных канала усиления и преобразования данных, чтобы исполнительный механизм, реагирующий на разность сигналов, управлялся биотоками двух «противоположных» мышц.
Можно также ожидать, что инвалиды будут пользоваться несколькими добавочными руками, подключенными параллельно живым.
Уже построен «мощный» робот высотой 5 м, управляемый биосигналами сидящего в нем человека. Достаточно легкого движения руки человека - и робот вырывает дерево вместе с корнями.
Создано также и другое устройство - усилитель мускульной силы человека. Это легкий стальной «скелет» с сервомеханизмами, управляемыми биоэлектрическими импульсами. Человек при использовании такой конструкции развивает силу, в шесть раз большую, чем обычно.
Имеются уже биоэлектрические «рукавицы», благодаря которым космонавт или подводник может свободно одной рукой выполнять работу, требующую приложения силы около 40 даН. Добавлением служат усилители силы пальцев. Энергия для усиления человеческих мускулов берется от электрических или гидравлических систем.
Искусственные руки становятся все длиннее. Это значит, что вместо проводов, соединяющих их с человеком, применяются радиоволны. Такие руки, управляемые на расстоянии с помощью биоэлектрических импульсов, работают при больших температурах, в атомных устройствах и т. п.
Рост скоростей в технике привел к тому, что нормальные реакции водителя или пилота стали недостаточными. Ученые начали интересоваться системами «человек - машина». Скажем, в системе «человек - автомобиль» время реакции водителя с момента принятия решения до включения ножного тормоза 0,4...0,5 с. Само время передачи нервных импульсов от мозга до мышц ног (при скорости распространения нервных импульсов порядка 100 м/с) - около 0,15 с. За время 0,5 с автомобиль пройдет путь около 12,5 м при скорости 100 км/ч.
Конструкторы попытались сократить путь нервных импульсов и время реакции. Водитель во время опыта получал очки со стальными спиральными пружинками, снабженными серебряными электродами, которые прижимаются к надбровным дугам. Электроды соединены с транзисторным усилителем, на выходе которого находится реле, управляющее сильным электромагнитом, связанным с автомобильным тормозом. В случае опасности достаточно водителю нахмурить брови, чтобы автомобиль начал тормозить уже через 0,15 с. При скорости 100 км/ч путь, пройденный автомобилем до момента торможения, будет составлять только 3,75 м вместо 12,5 м. Кроме автоматического тормоза, который срабатывает через 0,15 с, автобиль имеет и обычный ножной тормоз.
Сейчас пытаются использовать изменения выражения лица пилота для управления сверхзвуковыми самолетами. Миниатюрные электроды заменят известные сегодня виды управления (ручное и ножное).
Пилоты космических станций получат возможность управлять с помощью движения глаз. Речь идет о том, что поворот глаз вызывает изменение биоэлектрических потенциалов глазных мышц в пределах 10...40 мкВ. При этом сохраняется линейная зависимость между углом поворота глаз до 30° и амплитудой биотоков. Эту линейную зависимость можно использовать для управления с помощью усилителей и сервомеханизмов.
Пытаются также использовать нетипичные реакции мышц, возникающие в момент перегрузок, для управления движущимися объектами.
Интересные результаты дают эксперименты, связанные с непосредственной передачей мыслей на расстояние. В будущем такой метод управления позволит усовершенствовать различные производственные и транспортные процессы.
В чем заключается идея экспериментов, видно из рис.3.

154

(рис.3) Биологическая радиосвязь: а - функциональная схема; б - размещение электродов усилителя биотоков мозга; в - активность электрических волн мозга альфа-ритма (последовательность сигналов во время отдыха, но не сна) и реакция задержки (Л) в момент концентрации внимания или волн

Когда мозг отдыхает, его так называемый альфа-ритм имеет частоту 7...13 Гц (длина волны 23...43 000 км) и амплитуду 5...50 мкВ. В момент концентрации внимания (мысли) или появления внешних сигналов, предположим, световых (или только мысли о них) амплитуда альфа-ритма уменьшается и наступает так называемая реакция задержки (рис.3, е). Именно эти колебания используются для передачи управляющих сигналов на расстоянии в включении и выключении лампочки.
Балансный усилитель управляется разностью биопотенциалов, возникающих между двумя точками черепной коробки, но не реагирует на одновременное изменение напряжения в этих точках.
Напряжение снимается между нейтральным электродом, обычно расположенным в верхней точке черепной коробки, и двумя другими, которые могут быть размещены по-разному (рис,4).

155

(рис.4)  Эксперимент с зажиганием и гашением лампы концентрацией внимания («воли»)

Нейтральный электрод соединен с корпусом усилителя, который должен быть хорошо заземлен.
Следует помнить, что из-за поворота головы или глаз, неправильного расположения проводов, соединенных с электродами, а также под влиянием работы сердца могут возникать так называемые НЧ помехи, а вследствие электрической активности мышц - ВЧ помехи. Входной блок усилителя должен иметь фильтр нижних частот с постоянными времени 0,1; 0,3 и 0,7 с для ослабления НЧ помех. Усилитель нужно тщательно экранировать и обеспечить хороший электрический контакт его с землей.
Колебания с частотой альфа-ритма модулируют несущую частоту передатчика, работающего на волне 60 км. Такая длина волны позволяла избежать помех от радиостанций и электрических полей. На выходе приемника имеется реле и гнезда для подключения миниатюрной лампы.
Серебряные электроды прижимаются резиновыми лентами вместе с прокладкой из марли, пропитанной водным раствором поваренной соли, к голове экспериментатора. Волосы можно не убирать. Хорошие результаты дает легкое втирание в кожу головы проводящей пасты с раствором поваренной соли. Надежный контакт и правильный выбор места для электродов определяют результаты эксперимента. Если нет в наличии цилиндра Фарадея, то неплохо экранировать экспериментатора от посторонних полей с частотой 50 Гц, а также от помех, связанных с работой радиостанций, с влиянием атмосферного электричества. Особенно досаждают помехи с частотой электросети, так как они похожи на сигналы, посылаемые мозгом. Описанные явления позволили открыть наличие психологической обратной связи между человеком и исполнительным механизмом. Создаются система мозг - усилитель - модулятор - передатчик - приемник (с сигнальной лампой) - глаз - мозг. Включение или выключение лампы зависит от мысленного приказа индуктора, от его волевого усилия. Например, таким способом можно останавливать и запускать игрушку или зажигать лампы. Наконец, уже сейчас поговаривают о самолетах, управляемых непосредственно волей и мыслью пилота, и о передаче этих биоэлектрических сигналов с Земли по радио или телевизионным каналам.
Применение биоэлектрических импульсов позволяет «синхронизировать» различные электрические медицинские устройства с работой организма человека. На этом принципе основана работа различных стимуляторов (возбудителей) сердца, парализованных рук и ног, стимуляторов родов и т.п. Иногда биотоки здоровой части тела управляют работой больных органов. Более того, можно записать работу здорового органа и сохранить эту запись на всякий случай. В перспективе это позволит сконструировать искусственное электрическое сердце. Для его питания можно попробовать использовать биопотенциалы специально возбужденных мышц человека или разность температуры между поверхностью тела и окружающей средой.
Много усилий затрачивается на поиск источников электроэнергии у животных. В качестве биоэлектростанции можно применить, например, электрического угря. Во время опыта в течение 8 ч мышь без вреда для здоровья питала своей энергией радиопередатчик. Может быть в будущем крупные животные будут в течение всей своей жизни поставлять нам дешевую энергию, получаемую от биотоков.
Биологический элемент, состоящий из двух электродов (из платины и нержавеющей стали), имеет Э.Д.С. 0,1...0,65 В и мощность 114...155 мкВт. Один электрод приживляется на животе крысы, собаки или кролика, а другой - под кожей на груди. Электроды можно также разместить в любом месте системы кровообращения. Тем самым мы как бы получаем разновидность «жидкого топлива».
Установлено, что даже растения имеют электрические потенциалы, хотя и менее интенсивные, чем у людей или животных. Речь может идти о биоэлектрической стимуляции развития растений. Если это удастся, то урожаи будут более частыми и обильными.
 

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

6 + 2 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии