Компоненты бионического протеза руки - Aether Biomedical

Бионические протезы рук напрямую связаны с нервами и мышцами тела. Они улавливают электрические сигналы от оставшейся конечности пациента и передают их протезной кисти для использования. Эти протезы рук для эффективной работы используют сочетание датчиков, моторов, батарей, электродов и протезных компонентов. Электроды, расположенные внутри протезной гильзы, отвечают за улавливание сигналов от культи конечности, передавая эту информацию контроллеру, который затем преобразует ее в команды, подходящие для электрических моторов, расположенных в протезных компонентах, для их работы. В ситуациях, когда мышечные сигналы не способны управлять протезом, для управления компонентами используются переключатели или сенсорные площадки.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ БИОНИЧЕСКОГО ПРОТЕЗА РУКИ

1. Микропроцессоры

2. Электроды

3. Батарея

4. Контроллер или системы управления

5. Протезные компоненты

Микропроцессоры

Микропроцессоры - это электронные компоненты, которые используются компьютером или другими электрическими системами для выполнения своей работы. Это центральный вычислительный компонент всего устройства, отвечающий за управление и координацию деятельности всех остальных компонентов. В бионическом протезе руки силовые протезные компоненты управляются моторами и шестернями, которые получают энергию от батарей. В этих протезных руках микропроцессор системы выступает в роли мозга всей системы, поскольку он определяет, управляет и координирует все действия.

Такие системы могут иметь либо один центральный микропроцессор, который управляет всеми компонентами и расположен внутри гильзы, либо отдельные микропроцессоры для управления функцией каждого компонента, размещенные на конкретном компоненте или внутри него. Эти микропроцессоры работают по алгоритмам, которые программируются с помощью портативных беспроводных персональных устройств или через подключенную кабельную систему, управляемую компьютером. Алгоритмы программируются для настройки различных параметров бионических протезов рук, например параметров выбора режима, усиления входного сигнала и порогов, выходных напряжений и токов, а также множества других параметров. При использовании нескольких микропроцессоров программирование и настройка становятся более сложными.

При распознавании образов, когда микропроцессор распознает и изучает паттерн мышечной активности, используется отдельный микропроцессор для одновременного управления различными протезными компонентами. Главное преимущество этой функции распознавания образов заключается в том, что она обеспечивает прямое управление протезом и делает его использование более естественным и простым.

Таким образом, в любом бионическом протезе руки микропроцессоры отвечают за регулирование входных сигналов, управление любыми потребностями системы в мощности и энергии, а также за регулирование и контроль выхода различных компонентов.

Электроды

Электроды в бионических руках являются связующим звеном между источником сигнала в культе конечности и системами управления. Обычно это поверхностные электроды (некоторые также используют имплантируемые электроды), которые, как правило, устанавливаются парами над противоположными группами мышц для получения электромиографических сигналов, возникающих при сокращении мышц. Электроды размещаются внутри гильзы поверх конечности и имеют блок управления для усиления и регулировки коэффициента усиления (увеличения или уменьшения сигнала). Когда электроды обнаруживают сигналы, они подают их в систему управления, нарушая ее баланс и заставляя протезные компоненты выполнять нужную функцию.

Батарея

Батарея является хранилищем энергии бионического протеза руки и служит для подачи необходимой электрической энергии на моторы для работы протезных компонентов по мере необходимости. Батареи являются перезаряжаемыми и бывают 2 типов - (i) батарея встроена в руку, и для зарядки руку необходимо подключать напрямую, (ii) съемная батарея, которую можно извлекать для зарядки.

Для хорошего косметического внешнего вида батареи встраиваются в руки с низкопрофильной конструкцией. Это обеспечивает естественно выглядящую, обтекаемую протезную оболочку. 

Контроллер

Как правило, контроллер состоит из усилителя, процессора сигнала и логического блока, который принимает все решения по управлению. Усилитель служит для усиления электрического сигнала и увеличения его амплитуды. Обычно используются дифференциальные усилители, поскольку они могут легко распознавать и отделять любые внешние помехи. Процессор сигнала отвечает за обработку сигнала и работает со средним значением его абсолютной величины. Мышцы выдают переменный сигнал, который должен быть обработан и преобразован в постоянный ток, чтобы он мог быть улавливаем электродами. Затем этот сигнал используется для управления моторами протезных компонентов.

Управление с помощью переключателя

Самый простой тип системы управления состоит из переключателя, регулирующего ток, поступающий к мотору. Некоторые системы используют электронные переключатели, применяемые для протезных функций. Переключатели отличаются стабильностью, простотой и удобством использования и работают по принципу нажатия или вытягивания. Можно нажать кнопочный микропереключатель или потянуть датчик.

Сенсорные площадки

Сенсорные площадки - это резисторы, чувствительные к усилию, которые выполняют роль временных переключателей и часто заменяют функцию электродов, когда пациент не может эффективно сокращать мышцы культи.  

Протезные компоненты

Гильзы - в зависимости от уровня ампутации, гильзы изготавливаются по анатомии культи, а электроды бионического протеза руки размещаются внутри гильзы, чтобы обеспечить полный контакт. Предпочтительно делать гильзу самоподдерживающейся или удерживаемой на конечности за счет вакуумного крепления, чтобы избежать дополнительной подвесной системы, поскольку она затрудняет движение. Сборки плечо/предплечье крепятся к гильзам, при этом предусмотрено место для размещения батарей.

Терминальные устройства - терминальные устройства бионических протезов рук являются основными произвольными захватывающими устройствами, которые выполняют действия по захвату и удержанию, позволяя пациентам выполнять повседневные задачи. Терминальные устройства называют «мышцей» системы, поскольку они выполняют различные движения и перемещения. Большинство технологически продвинутых терминальных устройств имеют противопоставленный большой палец и пальцы, оснащенные датчиками, которые позволяют использовать различные типы хватов. Электронные терминальные устройства имеют электронный блок с переключателем и мотором, обеспечивающими открытие и закрытие терминального устройства. Терминальное устройство подключается к контроллеру, а порог и коэффициент усиления настраиваются по мере необходимости пациента.

Силовые блоки запястья, локтя и плеча - блоки запястья помогают позиционировать терминальное устройство и также позволяют менять терминальные устройства, например заменять кисть на крюк для выполнения определенной задачи. Силовые локтевые блоки предоставляют бионическому протезу руки возможность поднимать предметы, и эта возможность ограничена мощностью мотора и приводных систем блока. Для того чтобы пациент мог достичь максимальной грузоподъемности системы, локоть должен быть зафиксирован или заблокирован.