Российская академия наук Программа фундаментальных исследований Президиума ран фундаментальные науки – медицине

Вид материала

Содержание

Аппаратурно-программный комплекс для диагностики внешнего дыхания и физической работоспособности человека. этап 3. опытно-констр
И их методического обеспечения
Адаптивная управляющая система для биоэлектрического протеза верхней конечности
А.А. Жданов

Подобный материал:

1 ... 33 34 35 36 37 38 39 40 ... 74

АППАРАТУРНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ И ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЧЕЛОВЕКА. ЭТАП 3. ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИЕ РАБОТЫ

ПО СОЗДАНИЮ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ КОМПЛЕКСА

И ИХ МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Ю.Я. Кисляков ¹⁾, Л.П. Кислякова ¹⁾, Михайлов В.М.²⁾, И.А. Полукаров ²⁾

¹⁾Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург,

²⁾ ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН, Москва

В процессе выполнения проекта разработан многопараметрический комплекс для исследований и массовой диагностики физического здоровья и работоспособности человека. Он представляет собой компьютеризированную диагностическую систему модульного типа для одновременного контроля параметров дыхания и содержания респираторных газов (О₂ и СО₂) в выдыхаемом воздухе и окружающей среде и определения на этой основе показателей механики дыхания и аэробного энергообмена. Комплекс состоит из трех измерительных, двух компьютерных модулей (управления и анализа) и блока пробоподготовки. В ходе выполнения 3-го этапа создан опытный образец комплекса, который позволяет осуществлять параллельную регистрацию с быстро-действием 0.1 с в ходе каждого дыхательного цикла. 8 показателей: 5 измеряемых (объемная скорость дыхания, содержание О₂ и СО₂ в выдыхаемом воздухе, температура среды, атмосферное давление) и 3 из ряда вычисляемых показателей (легочные объемы и емкости, показатели легочной вентиляции, интенсивность потребления О₂, интенсивность выделения СО₂). По этому перечню показателей производится расчет энергозатрат на выполнение физической работы различной мощности и продолжительности, который является основой для оценки физического здоровья и работоспособности. Проведенные медико-технические иссле-дования показывают, что погрешность измерений объемной скорости выдоха в диапазоне 0.2–10 л/с составляет не более + 2 %, содержания О₂в газовых смесях в диапазоне 0-200 мм рт.ст. + 0.2 мм рт.ст., СО₂ в диапазоне 0–150 мм рт.ст. +0.3 мм рт.ст. Предел абсолютной погрешности измерений температуры в диапазоне 20–40 ^оС составляет +0.2 ^оС; атмосферного давления в диапазоне 630–800 мм рт.ст. +0.5 мм рт.ст. Полученные характеристики соответствуют лучшим образцам зарубеж-ных аналогов.

Быстродействие и высокие аналитические характеристики опытного образца были достигнуты на основе применения комплекса новых решений. Разработана новая миниатюризированная конструкция комбинированной измерительной ячейки со встроенными заменяемыми сенсорами, автоматическими системами пробоотбора и термостати-рования каждого сенсора, что позволило устранить погрешности измерений вследствие образования конденсата на сенсорах и существенно улучшить не только аналитические, но и эксплуатационные характеристики опытного образца. Разработаны и применены новые технологии изготовления миниатюризированных сенсорных электро-химических и оптических элементов, использованы новые отечественные высокоэффективные свето- и фотодиоды в области 4.26 мкм и фотодетекторы с высокой чувствительностью в этой области спектра. При этом, в сенсорный блок встроены входные каскады микропроцессорных измерителей, в том числе, на основе новых отечественных электронных микрочипов – интеграторов, позволяющих с высокой точностью измерять токи от 10^-12 до 10^-7 А. Габариты приборного комплекса существенно миниатюризированы благодаря применению новейших микроэлектрон-ных и компьютерных технологий для регистрации, отображения и анализа информации.

В результате выполненной работы создан малогабаритный аппаратурно-программный комплекс с высокими аналитическими характеристиками и низким энергопотреблением. По аналитическим показателям он соответствует лучшим импортным дорогостоящим комплексам, а по функциональным возможностям, экономическим показателям и удобству при эксплуатации превосходит их. В таких комплексах крайне нуждаются медицинские, спортивные, оздоро-вительные учреждения страны.

АДАПТИВНАЯ УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОТЕЗА ВЕРХНЕЙ КОНЕЧНОСТИ

НА ОСНОВЕ НОВОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО БИОНИЧЕСКОГО МЕТОДА АВТОНОМНОГО АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

А.А. Жданов¹⁾, Е.Л. Полян¹⁾, Г.Н. Буров²⁾, К.К. Щербина²⁾

¹⁾Институт системного программирования РАН, Москва

²⁾ Научно-практический центр медико-социальной экспертизы, протезирования и реабилитации инвалидов им. Г.А. Альбрехта Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию, Санкт-Петербург

Ампутация конечностей является одним из тяжелейших последствий не только военных, бытовых и производственных травм, но и, в большинстве случаев, болезней, вызывающих поражения сосудистой системы, в основном – диабета. Безальтернативным методом возвращения пострадавшему хотя бы некоторой функциональности утерянной конечности является протезирование. Однако идеологическая основа обеспечения управляемой подвижности протезов в массовом их производстве остается такой же, какой она была заложена в середине XIX века, несмотря на достижения научно-технического прогресса в других областях. Прогресс коснулся, главным образом, только материалов, применяемых для изготовления протезов. В последние годы, благодаря развитию механики, электрического приборостроения и микропроцесс-сорной техники, появились оригинальные разработки высокотехно-логичных конструкций протезов. При этом фокус проблемы переместился в идеологию построения системы управления протезом. Основным считается подход, состоящий в попытках съема данных о нервной импульсации с доступных органов тела инвалида, интерпретации этих данных и их использовании в качестве управляющих сигналов для исполнительных механизмов протеза. Однако этот путь упирается в сложнейшие проблемы а) нетравмирующего съема необходимых данных по нервной активности (технологическая проблема) и б) интерпретации этих данных в команды и настройки управляющего тракта (теоретическая проблема теории управления).

Настоящий проект представляет новый подход к построению управляемого протеза, состоящий в применении авторского метода «Автономного адаптивного управления» (ААУ) в сочетании с продвинутым методом распознавания образов. Идея решения состоит в следующем. Желаемое движение конечности автоматически распознается по показаниям нетравмирующих акселерометрических датчиков на начальной фазе этого движения имеющейся конечностью, что достигнуто применением современных методов распознавания образов. Затем желаемое движение интерпретируется и выполняется под управлением системы автономного адаптивного управления, при этом способ выполнения желаемого движения автоматически находится и корректируется именно адаптивным алгоритмом управления. Тем самым в целом реализуется ситуация, при которой протез, благодаря применению самообучаемой системы управления, самостоятельно «учится» понимать, чего именно хочет от него оператор-инвалид. Основные компоненты, обеспечивающие данный процесс управления, разработаны как на программных, так и на аппаратных моделях протеза в рамках выполненного проекта и будут представлены в докладе.

[Буров Г.Н., Жданов А.А., Королёв В.В., Полян Е.Л., Устюжанин А.Е. Автоматическое управление сгибанием кисти биоэлектрического протеза предплечья // Современные технологии в задачах управления автоматики и обработки информации: Труды XVI Международного н.-т. семинара. Сентябрь 2007 г. Алушта. – Тула.: изд-во ТулГУ, 2007]

Blog