NO301259B1

NO301259B1 - Anordning for styring av proteser og andre hjelpemidler

Info

Publication number: NO301259B1
Application number: NO954221A
Authority: NO
Inventors: Oeyvind Stavdahl; Aage Groenningsaeter
Original assignee: Cypromed As
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1997-10-06
Also published as: NO954221D0; WO1997015249A1; DE69618482T2; JPH11514276A; DE69618482D1; ATE211639T1; EP0865262A1; NO954221L; AU7345396A; EP0865262B1; ES2170879T3

Abstract

Det er vist en framgangsmåte for styring av proteser og andre hjelpemidler, ved hjelp av vevsmateriale hvis tilstand kan påvirkes av sentralnervesystemet hos en bruker. Tilstanden i vevsmateialet avføles, og informasjon fra denne avfølingen overføres til en enhet (9, 10) som estimerer brukerens motoriske intensjon og styrer protesen i henhold til dette estimatet. Framgangsmåten omfatter å sende ultralydsignaler inn i vevsmaterialet ved hjelp av en ultralydtransducer (6), og så motta de av vevsmaterialet modulerte ultralydsignalene ved en ultralydtransducer (7). Ut fra nevnte mottatte ultralydsignaler estimeres brukerens motoriske intensjon, og i henhold til nevnte estimat av brukerens motoriske intensjon styres et antall protesetilstander.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for styring av proteser og andre hjelpemidler, i samsvar med den innledende delen av krav 1.

Med "protese" menes primært en kunstig hånd, arm, fot, ben eller liknende, med en eller flere motoriserte leddfunksjoner. Begrepet kan utvides til også å omfatte andre mekaniske enheter, benyttet av en funksjonshemmet bruker som kompensasjon for en manglende eller defekt legemsdel eller en del av en slik legemsdel for å erstatte i det minste deler av den manglende funksjonalitet i et defekt lem. Eksempler på dette kan være aktive eller aktivt låsbare ortoser, rullestoler og andre tekniske hjelpemidler. Videre kan protesebegrepet også omfatte alle styrbare tekniske systemer som benyttes av funksjonshemmede og/eller funk-sjonsfriske brukere, så som roboter for telemanipulasjon, miniatyr-manipulatorer for endo-skopi, samt maskiner, verktøy og framkomstmidler generelt; programsystemer, data-maskiner og liknende.

Uttrykket "protesetilstand" angir en mekanisk eller geometrisk tilstand i protesen, så som en vinkel/posisjon, vinkelhastighet/lineær hastighet, moment/kraft eller liknende, eller en kombinasjon av disse.

I det følgende brukes "muskel" både for en muskel i fysiologisk forstand, og for annet vev og/eller konkler/ledd, som kan deformeres eller beveges direkte eller indirekte styrt av personens sentralnervesystem, eller en kombinasjon av disse. "Muskelkontraksjon" beteg-ner resulterende mekaniske og/eller geometriske endringer i en muskel. Begrepet "motorisk intensjon" angir den konkrete funksjon brukeren av oppfinelsen til enhver tid ønsker å aktiv lisere. I tilfellet der protesen er en armprotese i vanlig forstand, angir "motorisk intensjon" den motoriske bevegelse eller det bevegelsesmønster som brukeren ønsker at protesen skal utføre.

Tidligere er kjent bruken av myoelektriske signaler i forbindelse med muskelkontraksjon til styring av proteser. Et eksempler på dette kan finnes i EP-patentskrift 0 421 780. US-patentskrift 4 571 750 viser utnyttelse av myoakustiske signaler til samme formål. Disse kjente framgangsmåtene benytter blant annet det oppfangede signalets styrke som grunnlag for styring av protesen. Varierende grad av fuktighet i huden samt elektrisk og akustisk støy fra omgivelsene forårsaker ofte uønskede variasjoner i signalstyrken, og påvirker dermed direkte styringen av protesen. Myoelektriske og myoakustiske signaler målt på hudoverflaten er dessuten et uttryk for en veid sum av aktiviteten i samtlige underliggende muskler, men det er vanskelig å skille mellom signalbidraget fra de ulike musklene.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å framskaffe en anordning for styring av proteser og andre hjelpemidler, som har større toleranse overfor forstyrrelser enn tidligere kjente løsninger, slik at personens motoriske intensjon lettere kan estimeres. Det er videre et formål med foreliggende oppfinnelse å framskaffe en anordning for styring av proteser, o.l., som muliggjør identifikasjon av muskelkontraksjoner i flere underliggende muskler samtidig, slik at personens motoriske intensjon kan estimeres i større detalj og i et større antall frihetsgrader.

Oppfinnelsens formål oppnås med en anordning med trekk som angitt i den karak-teriserende delen av krav 1. Ytterligere trekk framgår av de tilhørende uselvstendige krav.

I det følgende skal oppfinnelsen forklares nærmere ved hjelp av eksempel på utførelse og med referanse til vedlagte tegninger, der

fig. la viser et aksialt snitt av en legemsdel med en muskel i kontrahert tilstand,

fig. lb viser et aksialt snitt av en legemsdel med en muskel i relaksert (avslappet) tilstand,

fig. 2 viser et tverrsnitt av en legemsdel med ulike vevstrukturer, der det er illustrert med stiplete linjer hvordan geometrisk informasjon om mange muskler kan hentes ut ved hjelp av ultralydmålinger i et antall retninger i samsvar med foreliggende oppfinnelse,

fig. 3 viser et tverrsnitt av en legemsdel med ulike vevstrukturer, der eksterne transducere er anordnet i samsvar med foreliggende oppfinnelse,

fig. 4 viser et tverrsnitt av en legemsdel med ulike vevstrukturer, der eksterne og implanterte transducere og reflektorer er anordnet i samsvar med foreliggende oppfinnelse, og

fig. 5 viser en prinsippskisse for av/på-styring i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

I fig. la er vist en forenklet skisse av en legemsdel 1 med ei hudoverflate 2, en knokkel 3 og en muskel 4. Muskelen 4 er vist i kontrahert (sammentrukket) tilstand, og avstanden fra hudoverflata 2 til knokkelen 3 er betegnet Aa. Fig. lb viser legemsdelen 1 med muskelen 4 i relaksert (avslappet) tilstand, med avstanden fra hudoverflata 2 til knokkelen 3 betegnet Aé. Det ses at muskelens 4 geometri endres ved muskelkontraksjon, slik at avstanden Aa fra hudoverflata 2 til knokkelen 3 ved muskelkontraksjon er større enn avstanden Ab ved muskelrelaksasjon. Graden av muskelkontraksjon i tilfellet vist i fig. la er gitt av størrelsen (<A>a<A>).

Ved måling av relaksert og kontrahert tilstand i musklene, kan i følge oppfinnelsen en ultralydpuls sendes inn i vevet, og ekko mottas fra strukturene i vevet. I virkeligheten finnes de ulike vevstrukturer i flere lag. Dette er vist i fig. 2. Her er et antall muskler 4 distribuert i legemsdelen 1 rundt knokkelen 3. For å måle tilstanden til samtlige muskler 4 er det bare nødvendig med ultralydskudd 5 i et fåtall retninger, i det viste eksemplet anvendes ultralydskudd 5 i fire retninger for å overvåke sju muskler 4. Ved å foreta éndimensjonal datainnsamling (én stråle) kan kun den komponent av muskeldeformasjonen som sammenfaller med stråleretningen observeres. Ved å foreta todimensjonal datainnsamling, dvs. i et plan, kan muskeldeformasjonens komponenter i planet (to dimensjoner) observeres. Ved å foreta tredimensjonal datainnsamling, dvs. i et volum, kan muskeldeformasjonens komponenter i alle tre dimensjoner observeres.

Den praktiske utførelsen av foreliggende oppfinnelse kan skje ved hjelp av ultralydtrans-ducere som har akustisk kontakt med hudens overflate, eventuelt er implantert i kroppen. I fig. 3 er vist tre eksempler på utførelse av oppfinnelsen, der en kombinert sender- og mottakertransducer 6, 7 samt to sendertransducere 6', 6" og to mottakertransducere 7', 7" er plassert på legemsdelen 1, i kontakt med hudoverflaten 2. Ultralydpulser 5 sendes inn i legemsdelen 1 av den kombinerte sender- og mottakertransduceren 6, 7, og ekko fra innenforliggende vevsstrukturer mottas med den samme transduceren 6, 7.1 figur 3 er inntegnet kun ekko fra knokkelen 3, men ekko fra andre vevsstrukturer vil også gi informasjon om muskelkontraksjoner i den aktuelle regionen. Sendertransduceren 6' sender ultralydpulser mot knokkelen 3, og mottakertransduceren 7' mottar ekkoet 5'. Mellom transduceme 6" og 7" sendes ultralydpulser 5" den raskeste veien mellom sender- og mottakertransduceren.

Figur 4 viser tre eksempler på ultralydmålinger der en transducer eller en passiv reflektor er implantert i legemsdelen 1. Den kombinerte sender- og mottakertransduceren 6,7 er

plassert i akustisk kontakt med hudoverflaten 2, og sender ultralydpulser 5 inn i legemsdelen 1. Samme transducer 6, 7 mottar så ekkoet fra en implantert reflektor 8. Den implanterte sendertransduceren 6' sender ut ultralydpulser 5' som mottas av mottakertransduceren T på hudoverflaten 2. Den implanterte kombinerte sender- og mottakertransduceren 6", 7" sender ut ultralydpulser 5" og mottar ekko fra vevsstrukturene i nærheten. I figuren er bare ekko fra hudoverflaten 2 inntegnet, men ekko fra andre vevsstrukturer vil også gi informasjon om muskelkontraksjoner i den aktuelle regionen.

Forskjellige analysemetoder kan benyttes for å estimere de aktuelle data fra ultralydsignalene mottatt av mottakertransducerne 7, T og 7". Utgangspunktet er en global og/eller en eller flere regionale analyser av det reflekterte eller transmitterte signalet fra muskler og andre vevstrukturer. Denne analysen blir så benyttet til å estimere den motoriske intensjon. Analysen kan baseres på krysskorrelasjon mellom to eller flere ultralydmålinger, som etter-følger hverandre i tid. Krysskorrelasjonsanalysen kan utføres i én, to eller tre dimensjoner for å kunne måle muskelkontrasjoner i et tilsvarende antall dimensjoner. Videre kan en eller flere muskelkontraksjoner klassifiseres og/eller kvantifiseres ved hjelp av mønstergj enkj enningsteknikker.

Analysen kan baseres på måling av vevsbevegelsen i en eller flere dybder ved å integrere faseendringen i det mottatte signalet (hastighetsmåling). Alternativt kan analysen baseres på måling av ultralydpulsens gangtid fra sendertransducer 6,6',6" til mottakertransducer 7,7',7".

For å få sikrere estimater av brukerens motoriske intensjon, kan ultralydmålinger kombineres med målinger av andre observerbare fysiologiske signaler og størrelser. Slike signaler kan eksempelvis være myoelektriske signaler (EMG) og/eller nerve-elektriske signaler (ENG).

Framgangsmåten i samsvar med foreliggende oppfinnelse kan også kombineres med brukerens interaksjon med mekaniske, elektriske og/eller elektromekaniske betjeningsorganer. Som eksempler på dette kan nevnes "snortrekk" basert på skulderbevegelse, brytere eller kraftsensorer.

Estimering av muskelkontraksjon kan skje statisk eller dynamisk. Statisk estimering skjer ved bruk av en eller flere av ovennevnte metoder. Dynamisk estimering kan utføres ved hjelp av en dynamisk tilstandsestimator basert på en matematisk modell av musklenes dynamiske oppførsel, der estimater fra en eller flere av de ovennevnte metoder benyttes som inngangssignaler til estimatoren.

Som berørt ovenfor kan plasseringen av transducerne skje på forskjellige måter. Eksempelvis kan de monteres i protesehylsen, slik at de er i akustisk kontakt med huden når protesen er på. Gel eller spesiell pute av silikon, el. 1., kan være nødvendig for å skape god akustisk kontakt. Videre kan transducerne monteres i en egen hylse, for eksempel et arm-bånd, som festes på legemsdelen, uten stiv mekanisk forbindelse med protesehylsen, slik at transducernes trykk mot huden ikke avhenger av kreftene mellom protesehylsen og legemsdelen. Transducerne kan også implanteres i kroppen. En kan også tenke seg implantering av passive ultralydreflektorer i vevet, slik at disse kan fungere som referanser i puls-ekko målingene.

Flere transducere kan anvendes for å oppnå redundans og kvalitetsforbedringer, mulig-heter for automatisk deteksjon og korreksjon ved feilposisjonering av transducerne i forhold til vevet, mulighet for uavhengig styring av flere protesetilstander, osv. En probe som omfatter flere transducerelementer kan brukes til å sende og måle i flere retninger eller plan ved å faseforskyve signalene assosiert med de enkelte elementene.

I fig. 5 er vist en prinsippskisse av et protesestyringssystem for av/på-styring av en protesetilstand. En ultralydtransducer 6, 7, som innbefatter både sender og mottaker, er plassert på hudoverflata 2 av en legemsdel 1, med god akustisk kontakt. Plasseringen er slik at en muskel 4 ligger mellom transduceren og en innenforliggende knokkel 3, slik at både utsendt ultralydpuls 5 og reflektert ultralydpuls 5' begge passerer gjennom muskelen. Et signal fra transduceren går til en enhet 9 for signalbehandling og estimering. Enheten 9 beregner, på

A

grunnlag av observert signalforløp, et estimat A av avstanden A mellom hudoverflata 2 og den innenforliggende knokkelen. Et signal fra enheten 9 går videre til en enhet 10 som styrer spenningen ua til protesens motor 11, etter følgende algoritme:

Dersom protesemotoren er en permanentmagnetisert likestrømsmotor, vil stasjonær vin-kelhastighet for den aktuerte leddfunksjonen være proporsjonal med spenningen som på-trykkes motoren. Eksemplet i fig. 5 vil derfor fungere slik at proteseleddet for små muskelkontraksjoner (Å<A,) vil stå i ro. En moderat kontraksjon (A,<A<A2) vil gi en konstant hastighet i den ene retingen, mens en kraftig kontraksjon (A>A2) vil gi en konstant hastighet i den andre retningen.

Enheten 10 kan erstattes av en kontinuerlig funksjon. Eventuelt kan det legges inn en tilbakekopling fra en eller flere protesetilstander for å få en mer avansert styring.

Claims

1. Anordning for styring av proteser og andre hjelpemidler, ved hjelp av vevsmateriale hvis tilstand kan påvirkes av sentralnervesystemet hos en bruker, omfattende: minst en transducer (6, 7) som er anordnet for å avføle tilstanden i vevsmaterialet, idet informasjon fra denne avfølingen overføres til en enhet (9, 10) for signalbehandling og estimering av brukerens motoriske intensjon, hvilken enhet er anordnet for å styre protesen i henhold til dette estimatet, karakterisert ved at den minst ene ultralydtransduceren (6, 7) er anordnet for å sende ultralydsignaler inn i vevsmaterialet, den minst ene ultralydtransduceren (6, 7) er anordnet for å motta de av vevsmaterialet modulerte ultralydsignalene, og enheten (9, 10) for signalbehandling og estimering er koplet til den minst ene ultralydtransduceren (6, 7), og ut fra nevnte mottatte ultralydsignaler estimerer brukerens motoriske intensjon.

2. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at en og samme ultralydtransducer (6, 7) er anordnet for sending og mottak av ultralydsignaler.

3. Anordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at en første ultralydtransducer (6) er anordnet for sending av ultralydsignaler og at en andre ultralydtransducer (7) er anordnet for mottak av ultralydsignaler.

4. Anordning i samsvar med krav 1-3, karakterisert ved at den minst ene ultralydtransduceren (6, 7) er anordnet for sending og mottak av ultralydsignaler sekvensielt og i faste eller varierende tidsintervaller.

5. Anordning i samsvar med krav 1-3, karakterisert ved at den minst ene ultralydtransduceren (6, 7) er anordnet for kontinuerlig sending og mottak av ultralydsignaler.

6. Anordning i samsvar med krav 1-5, karakterisert ved at den minst ene ultralydtransduceren (6, 7) er anordnet for sending og mottak av ultralydsignaler i én eller flere retninger.

7. Anordning i samsvar med krav 1-5, karakterisert ved at den minst ene ultralydtransduceren (6, 7) er anordnet for sending og mottak av ultralydsignaler i to eller flere dimensjoner, for å observere muskeldeformasjoner i planet, hhv. rommet.

8. Anordning i samsvar med krav 1-7, karakterisert ved at mottakertransduceren (7) er anordnet for å motta ultralydsignaler som er overført fra sendertransduceren (6), ved spredning/refleksjon fra strukturer i vevsmaterialet.

9. Anordning i samsvar med krav 1-7, karakterisert ved at mottakertransduceren (7) er anordnet for å motta ultralydsignaler som reflekteres av et antall ultralydreflektorer (8) som er beregnet på å bli implantert i legemsdelen.

10. Anordning i samsvar med krav 1-7, karakterisert ved at at mottakertransduceren (7) er anordnet for å motta ultralydsignaler som er overført fra sendertransduceren (6), ved direkte transmisjon gjennom vevsmaterialet.

11. Anordning i samsvar med krav 1-10, karakterisert ved at den minst ene ultralydtransduceren (6, 7) er beregnet på å ligge på utsida av legemsdelen og i akustisk kontakt med denne.

12. Anordning i samsvar med krav 1-10, karakterisert ved at den minst ene ultralydtransduceren (6, 7) er beregnet på å bli implantert i legemsdelen.

13. Anordning i samsvar med ett av de foregående krav, karakterisert ved at enheten (9, 10) for signalbehandling og estimering er anordnet for å estimere brukerens motoriske intensjon ved krysskorrelsasjonsanalyse av et antall i tid etterfølgende ultralydmålinger, eller sett av målinger.

14. Anordning i samsvar med ett av de foregående krav, karakterisert ved at enheten (9, 10) for signalbehandling og estimering er anordnet for å kombinere ultralydmålinger med målinger av andre observerte fysiologiske tilstander eller signaler, så som myoelektriske signaler (EMG), nerve-elektriske signaler (ENG), eller brukerens interaksjon med mekaniske, elektriske og/eller elektromekaniske betjeningsorganer.