PL174876B1

PL174876B1 - Ubiór do sterowanej stymulacji elektrycznej mięśni

Info

Publication number: PL174876B1
Application number: PL94313937A
Authority: PL
Inventors: Arthur Prochazka; Marguerite Wieler; Zoltan R. Kenwell; Michel Gauthier
Original assignee: Neuromotion Inc
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1998-09-30
Also published as: CA2173430A1; AU7850694A; AU678065B2; ATE162089T1; DE69407987T2; US5562707A; PL313937A1; GB9321086D0; JPH09503937A; BR9407821A; ES2111336T3; DE69407987D1; CN1135722A; DK0725665T3; EP0725665A1; CA2173430C; EP0725665B1; WO1995010323A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest ubiór do sterowanej stymulacji elektrycznej mięśni w ciele l_udzkim, dla przywrócenia funkcji motorycznych oraz zapewnienia funkcji zaciskania i otwie_rania ręki. Ubiór ten jest przeznaczony do użytku przez ludzi częściowo sparaliżowanych albo _ci_erpiących na drżenie rąk albo inne drżenie lub drgawki.

Znane jest użycie sygnałów przełączników lub czujników do sterowania funkcyjną _stymulacją elektryczną, na przykład użycie czujnika położenia ramienia do sterowania wypracowywaniem nadgarstka przez wszczepiony funkcyjny stymulator elektryczny, który został _opi_sany w publikacji L. Vodovnika, 1971, Rozwój systemów ortopedycznych stosujących f_unkcyj_ną stymulację elektryczną i sterowanie mioelektryczne, Progress Report, Uniwersytet

174 876 w Lubljanie, przygotowany dla Służby Opieki Społecznej i Rehabilitacji Ministerstwa Zdrowia i Edukacji uSa, zgodnie z umową nr SRS-YUGO 23-68.

Znane są także czujniki naramienne używane do sterowania otwieraniem ręki i uchwytem zaciskowym, opisane przez P.H. Peckhama, E.B. Marsolaisa i J.T. Mortimera, 1980, w publikacji Chirurgia ręki, 5, strony 462-469; P.H. Peckhama i M.W. Keitha, 1992, podtytułem Protetyka motoryczna do przywracania funkcji kończyn górnych w publikacji Protetyka nerwowa: Zastępowanie funkcji motorycznej po wypadku lub inwalidztwie, wyd. R.B. Stein, P.H. Peckham i D.B. Popovic, Nowy Jork: Oxford University Press; oraz w europejskim opisie patentowym nr 145504-A, opisie patentowym USA nr 4558704 i kanadyjskim opisie patentowym nr1263446-A.

Znane jest także zastosowanie czujnika pozycji nadgarstka do sterowania mięśniami nogi, opisane przez A. Prochazka i C.M. Wilesa, 1983, w publikacji Elektryczna stymulacja częściowo sparaliżowanych mięśni nogi u człowieka, umożliwiająca ruch sterowany sprzężeniem zwrotnym wytworzonym przez nadgarstek, J. Physiol. 343, 20P. Użycie wyłącznika umieszczonego na pasku zegarka w celu wywołania uchwytu zaciskowego zostało opisane przez Y. Handa, M. Itchie, T. Handa, H. Takakashi, C. Saito, J. Kameyama i N. Hoshimiya, 1989, w publikacji Sterowanie funkcyjną stymulacją elektryczną przez wieloprzegubowy układ w sparaliżowanej kończynie górnej, Osaka Int. Workshop FNS, strony 91-95. Zostało także opisane wieloczęściowe urządzenie, w którym czujniki pozycji nadgarstka są stosowane do stymulacji uchwytu zaciskowego, przez P.E. Crago, P.H. Peckhama, J.M. Mansoura, N. Lana,

K. Kilgore'a i H.J. Chizecka, 1991, a,b,c, w publikacji Funkcyjna nerwowo-mięśniowa stymulacja do przywracania uchwytu ręki, kontrakt NEH NO1-NS-9-2356, Progress Report, 7, 8 i 9, czerwiec, wrzesień i grudzień, 1991; przez P.E. Crago, P.H. Peckhama, J.M. Mansoura, N. Lana,

K. Kilgore'a i H.J. Chizecka, 1992, w publikacji Funkcyjna nerwowo-mięśniowa stymulacja do przywracania uchwytu ręki, kontrakt NIH NO1-NS-9-2356, Progress Report, 10, 11 i 12, marzec, czerwiec i wrzesień 1992; przez P.H. Peckhama i M.W. Keitha, 1992, Protetyka motoryczna do przywracania funkcji kończyny górnej w publikacji Protetyka nerwowa: Zastępowanie funkcji motorycznej po wypadku lub inwalidztwie, wyd. R.B. Stein, P.H. Peckham i D.B. Popovic, Nowy Jork: Oxford University Press. Zastosowanie funkcyjnej stymulacji elektrycznej do tłumienia drżenia opisali A. Prochazka, J. Elek i M. Javidan, 1992, w publikacji Tłumienie drżenia patologicznego poprzez funkcyjną stymulację elektryczną, I. Technique, Annals of Biomedical Engineering, 20, strony 205-224·.

W kilku znanych metodach wspomnianych powyżej stosuje się podskórne elektrody druciane lub funkcyjne stymulatory elektryczne wszczepiane w całości, czyli wymagane są czynności inwazyjne dla ręki i nadgarstka w celu uzyskania działającego układu. Takie znane układy wymagają także rozległego dostosowania do każdego użytkownika stosującego te układy i ponieważ zawierają kilka osobnych części wymagających oddzielnego założenia pacjentowi, są niewygodne w użyciu. W żadnym ze znanych układów nie opisano urządzenia umożliwiającego osobom niesprawnym ruchowo łatwego i niezależnego zakładania i zdejmowania urządzenia do uruchamianego nadgarstkiem sterowania ręką.

Znany jest z opisu patentowego USA nr 4 558 704 system sterowania ręką do stymulacji czynności chwytania sparaliżowaną ręką. System zawiera układ czujnikowy do detekcji ruchu ramienia przez sparaliżowaną osobę. Czujnik przekazuje sygnały ruchu ramienia do skomputeryzowanego sterownika, który wytwarza sygnały stymulacji dla elektrod stymulacyjnych zamontowanych w mankiecie noszonym na przedramieniu, podtrzymującym stymulowaną rękę. Sterowanie w obwodzie zamkniętym jest realizowane przy zastosowaniu rękawiczki, do której są zamocowane czujnik długości i czujnik ciśnienia, przyłączone w celu naprzemiennego wykorzystania. Stymulacja położonych głęboko mięśni jest realizowana przez umieszczenie elektrod stymulujących obok siebie w zespołach, które są tak usytuowane, żeby powodować skupianie energii stymulacji w miejscu położenia mięśnia. Ten system sterowania ręką wytwarza sygnały elektryczne sterujące ruchem ręki, a czujnik ramienia jest wykorzystywany do dostarczania sygnałów rozkazu, natomiast czujniki palców i końców palców są wykorzystywane do dostarczania sygnału sprzężenia zwrotnego.

174 876

Znany jest z opisu patentowego USA nr 4 569 352 system sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, umożliwiający chodzenie, zawierający elementy do ograniczania ruchu bioder i kolan we wspólnej płaszczyźnie, pierwsze elementy stymulacyjne do stymulacji grup mięśni biodrowych i podkolanowych dla powodowania ruchu w tej wspólnej płaszczyźnie, pierwsze elementy czujnikowe do wyczuwania ruchu bioder i wytwarzania pierwszego, odpowiadającego temu ruchowi, sygnału sprzężenia zwrotnego, drugie elementy stymulacyjne do stymulacji grup mięśni powodujących ruch kolan w tej wspólnej płaszczyźnie, w koordynacji z ruchem bioder, drugie elementy czujnikowe do wyczuwania ruchu kolan i wytwarzania drugiego, odpowiadającego temu ruchowi, sygnału sprzężenia zwrotnego, elementy do podtrzymywania kostek, trzecie elementy stymulacyjne do stymulacji grup mięśni powodujących ruch kostek, który jest skoordynowany z ruchem bioder i kolan, trzecie elementy czujnikowe do wyczuwania ruchu kostek i wytwarzania trzeciego, odpowiadającego temu ruchowi, sygnału sprzężenia zwrotnego oraz programowany mikroprocesor do odbioru pierwszego, drugiego i trzeciego sygnału sprzężenia zwrotnego i wytwarzania sygnałów sterujących dla pierwszych, drugich i trzecich elementów stymulacyjnych.

Znany jest z opisu patentowego USA nr 4 580 572 ubiór do dostarczania lub odbioru impulsów elektrycznych, zawierający wiele torów przewodzenia wykonanych z materiału przewodzącego, stosowany do przyłączania zewnętrznego urządzenia elektrycznego do różnych punktów skóry użytkownika. Ubiórjest przeznaczony do kontroli elektrycznej miejsc stymulacji elektrycznej. Wyznaczone miejsca ubioru są pobudzane przez zwilżenie ich płynem przewodzącym. Ubiór ten jest wykonany z tkaniny nie przewodzącej elektrycznie, mającej małe szczeliny i z co najmniej jednego cienkiego elementu elektrodowego mającego otwór i zamocowanego na zewnątrz do ubioru w taki sposób, żeby pokryć część ubioru oraz z co najmniej jednego przewodzącego elektrycznie, wydłużonego toru, połączonego z jednej strony z układem dostarczającym impulsy elektryczne lub z elektrycznymi elementami czujnikowymi. Element elektrodowy jest zamocowany do ubioru, umożliwiając określenie przestrzeni pomiędzy elementem elektrodowym i tą częścią ubioru, na której ten element elektrodowy pokrywa ubiór. Otwór elementu elektrodowego jest skonstruowany tak, żeby umożliwić wprowadzenie elektrolitycznego materiału płynnego do wspomnianej przestrzeni. Małe szczeliny w ubiorze są wystarczająco duże, żeby umożliwić przenikanie przez nie materiału płynnego i zwilżenie skóry pacjenta, gdy ubiór jest noszony i skutkiem tego jest realizowane połączenie elektryczne pomiędzy elementem elektrodowym i skórą pacjenta i w wyniku tego pobudzenie mięśni.

Znany jest z opisu patentowego Wielkiej Brytanii nr 2 186 191 ubiór ortopedyczny hybrydowy do funkcjonalnej stymulacji elektrycznej przywracającej funkcje motoryczne przy paraliżu, mający elementy blokujące kolana, mocowane do każdej nogi w celu wzmocnienia rozciągnięcia kolana w pozycji stojącej, a na każdej nodze jest umieszczony czujnik do wyczuwania zgięcia kolana. Na każdej nodze jest umieszczonych wiele elektrod dla stymulacji ruchów rozciągania i zginania przy sterowaniu elementami sterującymi. Ten ubiór ortopedyczny może być stosowany z kulami, a stymulacja ruchu zginania i rozciągania może być realizowana ręcznie lub automatycznie, przy zastosowaniu obwodu otwartego lub obwodu zamkniętego. Ten ubiór może być stosowany z innym ubiorem ortopedycznym, na przykład ubiorem ortopedycznym wzmacniającym kostki stóp, tworząc hybrydowy ubiór ortopedyczny.

Ubiór według wynalazku zawiera czujnik pozycji przegubu, który jest połączony z pudełkiem sterującym umieszczonym na ubiorze i zawierającym sterownik stymulatora, który jest dołączony do układu elektrod dołączonego do mięśni i jest dołączony poprzez interfejs do komputera.

Korzystnie pudełko sterujące jest umieszczone z tyłu rękawiczki.

Korzystnie pudełko sterujące ma przyciski do ustawiania poziomów progowych włączania i wyłączania zgięcia i wyprostowania nadgarstka.

Korzystnie przyciski są wyposażone w diody świecące do wskazywania wybranych opcji.

Korzystnie do pudełka sterującego jest dołączony, poprzez optyczne łącze odbiorczo-nadawcze, interfejs dołączony do łącza komunikacyjnego komputera.

Korzystnie sterownik stymulatora zawiera mikrosterownik, którego wejście jest dołączone do urządzenia dopasowującego, a wyjście do wzmacniacza z układem kierującym.

174 876

Korzystnie ubiór jest wykonany z dziurkowanego materiału elastycznego, w którym są umieszczone podkładki stykowe tworzące styk elektryczny z elektrodami umieszczonymi na użytkowniku, a pudełko sterujące jest umieszczone w kieszonce rękawiczki.

Korzystnie ubiór ma paski do zaciskania rękawiczki dla wspomagania styku elektrycznego.

Korzystnie podkładka stykowa ma postać metalowej siatki lub metalowej folii.

Korzystnie elektroda jest samoprzylepną elektrodą naskórną.

Korzystnie samoprzylepna elektroda zawiera bolec skierowany w stronę skóry użytkownika, tworzący styk elektryczny z wewnętrznym elementem elektrycznym ubioru.

Korzystnie czujnik pozycji nadgarstka jest umieszczony z tyłu rękawiczki.

Korzystnie ubiór ma postać mankietu albo rękawa.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie wygodnego środka terapeutycznej stymulacji mięśni. Ubiór według wynalazku umożliwia osobie niesprawnej ruchowo użycie nieinwazyjnego, powierzchniowego, funkcyjnego stymulatora elektrycznego do sterowania ręką w codziennym życiu, niezależnie albo z minimalną pomocą.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ubiór do sterowanej stymulacji elektrycznej mięśni ręki, z ręką pacjenta w pozycji otwartej, w widoku perspektywicznym, fig. 2 - ubiór z fig. 1, z ręką pacjenta w pozycji zamkniętej, w widoku perspektywicznym, fig. 3 - czujnik pozycji przegubu w ubiorze z fig. 1, w przekroju poprzecznym, fig. 4 - inny czujnik pozycji przegubu z fig. 3, w przekroju poprzecznym, fig. 5 - układ elektrody przewodzącej i podkładki stykowej z metalowej siatki w ubiorze z fig. 1, w widoku perspektywicznym, fig. 6 - układ elektrody przewodzącej i podkładki łączącej z metalowej siatki w ubiorze z fig. 1, w przekroju poprzecznym, fig. 7 - wszczepiony układ elektrody inny niż układ elektrody powierzchniowej z fig. 5 lub 6, fig. 8 - system komputerowy i łącze komunikacyjne do ustawiania parametrów funkcyjnych ubioru z fig. 1, fig. 9 - elementy korzystnego przykładu wykonania ubioru, z przedstawieniem zależności funkcyjnych pomiędzy nimi, w schemacie blokowym, fig. 10 - przebieg elektrycznego sygnału wyjściowego czujnika pozycji nadgarstka przy zginaniu i wyprostowaniu, dla ubioru z fig. 1. fig. 11 - przebieg elektrycznego sygnału wyjściowego czujnika pozycji nadgarstka przy ponownym zginaniu i wyprostowaniu, dla ubioru z fig. 1 i fig. 12 - układ połączeń zewnętrznych przewodów testowych z układem sterującym dla ustalenia położenia na skórze punktów motorycznych.

Wynalazek zostanie opisany szczegółowo w odniesieniu do rękawiczki i czujnika pozycji nadgarstka, chociaż może mieć także postać ubioru zakładanego się na inny przegub użytkownika, na przykład na kostkę, łokieć i tym podobne.

Figura 1 przedstawia ubiór do sterowanej stymulacji elektrycznej mięśni ręki, umożliwiający zaciskanie i otwieranie ręki. Na fig. 1 ręka 11 jest pokazana w pozycji otwartej wokół szklanki 12. Stymulator 18 ma postać rękawiczki 13 bez palców, noszonej na dłoni i przedramieniu. Rękawiczka 13 jest wykonana głównie z elastycznego materiału neoprenowego, z przebitymi małymi otworami do przepuszczania powietrza. Siatka 16 z L-ycra® łączy część 18A na dłoń i część 18B na przedramię rękawiczki 13 na fałdzie nadgarstka 19. Skóra końska, jelenia albo guma są korzystnymi materiałami do wykonania części 18A na dłoń rękawiczki 13 stymulatora 18, aby siła oddziaływania na koła wózka inwalidzkiego, gdy użytkownik porusza wózek, na którym siedzi, była jak największa. Czujnik 14 pozycji nadgarstka ma jeden koniec usytuowany w podłużnym, płaskim pudełku sterującym 15 umieszczonym w kieszonce 20 z tyłu rękawiczki 13. Kieszonka 20 jest wykonana na przykład z siatki lub innego materiału utrzymującego pudełko 15 na miejscu, umożliwiając przy tym dostęp do niego. Rękawiczka 13 ma pierścienie 17 w kształcie litery D, przymocowane do pasków 50 z Velcro®, pokazanych na fig. 5. Pierścienie 17 w kształcie litery D są stosowane do zamykania i zaciskania po kolei każdego paska. Pierścienie 17 w kształcie litery D mają korzystnie duży rozmiar, aby umożliwić użytkownikowi włożenie palca do pierścienia i pociągnięcia paska w celu zaciśnięcia.

Figura 2 przedstawia rękawiczkę 13 z fig. 1 wraz z ręką 11 i szklanką 12, przy czym ręka 11 użytkownika jest pokazana w pozycji uchwytu zaciskowego. Czujnik 114 pozycjj nacigarstka jest utrzymywany przez sprężynę i jest wyciągany z pudełka sterującego 15 przez wytrzymałą nitkę 21, która przechodzi przez fałd nadgarstka 19 i kończy się pierścieniem 22 przymocowa6

174 876 nym do haczyka 23 przyszytego z tyłu do części 18A na dłoń rękawiczki 13. Duże przyciski 24 znajdują się na powierzchni pudełka sterującego 15 i umożliwiają użytkownikowi sterowanie kilkoma parametrami bodźców. Diody świecące 25 pokazują użytkownikowi opcje wybrane przez wciśnięcie przycisków 24. Opcje mogą być pokazywane użytkownikowi przez inne elementy, takie jak wyświetlacz ciekłokrystaliczny lub głośnik.

Figura 3 przedstawia w przekroju poprzecznym czujnik 14 pozycji nadgarstka według wynalazku, który jest przetwornikiem indukcyjnym, na przykład przetwornikiem zmiennego przesunięcia liniowego. Wewnątrz pudełka sterującego 15 jest umieszczona szklana rurka 32 czujnika 14 pozycji nadgarstka. Cienka metalowa igła 33 wsuwa się i wysuwa ze szklanej rurki 32, zmieniając indukcyjność cewki 34 z drutu nawiniętego na rurkę 32. Igła 33 i elastyczny przewód 35 są przymocowane do gładkiej, szklanej kulki 36. Do dolnej powierzchni pudełka sterującego 15 jest przymocowana rurka 37 czujnika 14, wykonana z tworzywa sztucznego. Elastyczny przewód 35 jest utrzymywany w rurce 37 i wciąga kulkę 36, przez co wciąga igłę 33 w tył do rurki 32, czyli rurka 37 z tworzywa sztucznego i elastyczny przewód 35 zapewniają sprężynowe napięcie igły 33. Wytrzymała nitka 38 przebiega od kulki 36 po tylnej stronie nadgarstka do pierścienia 22 przymocowanego do haczyka 23 przyszytego do tylnej strony części 18A na dłoń rękawiczki 13. Wówczas gdy nadgarstek jest zginany, powoduje to wyciągnięcie igły 33 z rurki 32. Spowodowane tym zmniejszenie indukcyjności cewki 34 jest dekodowane przez układy elektroniczne w pudełku sterującym 15, dostarczając wymagany sygnał pozycji. Wówczas gdy nadgarstek jest wyprostowywany, mechanizm sprężynowego napięcia powoduje wciągnięcie igły 33 z powrotem do rurki 32, zwiększając indukcyjność cewki 34.

Figura4 przedstawia w przekroju poprzecznym inny czujnik 14pozycji nadgarstka z fig. 3. Obudowa41 czujnika 14 pozycji nadgarstka znajduje się w pudełku sterującym 15 na rękawiczce 13, zaś pierścień 22 jest przymocowany do haczyka 23 z tyłu części 18A na dłoń rękawiczki 18. Współdziałający elastyczny przewód lub sprężyna 42 w czujniku 14 pozycji nadgarstka prowadzi do szklanej kulki 36. Wytrzymała nitka 38 sięga przegubu nadgarstka 19. Ochronny rękaw z tworzywa sztucznego przykrywa odcinek przewodu lub sprężyny 42 z pudełka sterującego 15 do przegubu nadgarstka. Współdziałający przewód lub sprężyna 42 jest przymocowana wewnątrz obudowy 41 pudełka sterującego 15 do elementu wspornikowego 43, do którego są przymocowane półprzewodnikowe czujniki tensometryczne 44. Wówczas gdy nadgarstek zgina się, wytrzymała nitka 38 rozciąga współdziałającą sprężynę 42 i wywiera zwiększoną siłę na element wspornikowy 43, zginając go i zmieniając rezystancję elektryczną czujników tensometrycznych 44.

Figury 4A i 4B przedstawiają dwa inne elementy czujnikowe. Na fig. 4A zgięcie elementu wspornikowego 43 jest wykrywane przez hallotronowy przetwornik magnetyczny 45. Na fig. 4B zgięcie elementu wspornikowego 43 jest wykrywane przez czujnik fotoelektryczny wykonany z fotoemitera, takiego jak dioda świecąca 25 i fotokomórka, taka jak fotodioda 26. Promień wysyłany z diody świecącej 25 do fotodiody 26 jest częściowo blokowany przez boczną stronę elementu wspornikowego 43, przy czym część zablokowana zależy od pozycji elementu wspornikowego 43, która z kolei zależy od napięcia sprężyny 42 i przez to od pozycji nadgarstka.

W innym przykładzie wykonania, nie pokazanym na rysunku, czujnik 14 pozycji nadgarstka ma postać czujnika zbliżeniowego, który wykrywa zmiany pól elektrycznych lub magnetycznych, spowodowane bliskością sąsiedniej części kończyny, albo zmiany natężenia dźwięku lub światła nadawanego lub odbijanego przez sąsiednią część kończyny albo zmiany naciągnięcia skóry leżącej pod fragmentem ubioru.

Figura 5 przedstawia układ przylepnej elektrody 51 i podkładki stykowej 52 z metalowej siatki nierdzewnej, przyszyty pomiędzy wewnętrzną powierzchnią rękawiczek i wewnętrzną podszewką. Paski 50 są pokazane w stanie poluzowanym, z częścią 18B na przedramię rękawiczki 13 w pozycji częściowo otwartej. Przykładem· elektrody 51 jest elektroda żelowa. Z tyłu elektrody 51 jest umieszczony metalowy bolec 53, zwykle łączący się z klamrą zatrzasku albo łącznika wciskowo-bolcowego, przy czym jego wysokość można nieco zwiększyć przy pomocy małej metalowej nasadki. Zmodyfikowaną w ten sposób elektrodę przyciska się do skóry na mięśniu, który ma być stymulowany. Po włożeniu rękawiczki 13, podkładka stykowa 52 z metalowej siatki naciska na bolec 53 z tyłu elektrody 51. Podkładka stykowa 52 jest dołączona

174 876 do układów w pudełku sterującym 15 za pomocą izolowanego drutu ze stali nierdzewnej, który prowadzi od podkładki stykowej 52 do łącznika na pudełku sterującym 15. Założenie rękawiczki powoduje więc automatyczne połączenie skóry poprzez elektrodę 51, podkładkę stykową 52, drut i łącznik z układami w pudełku sterującym 15.

Figura 6 przedstawia elektrodę 51 i podkładkę stykową 52 w przekroju poprzecznym, gdy elektroda 51 jest zamontowana na skórze użytkownika 61. Bolec 53 elektrody styka się z podkładką stykową 52 z metalowej siatki. Prąd elektryczny jest przewodzony za pomocą izolowanego, nierdzewnego przewodu stalowego 62, podkładki stykowej 52 z metalowej siatki i bolca 53 poprzez elektrodę 51 do skóry 61 użytkownika. W elektrodzie 51 znajduje się zwykle stały żel przewodzący. Bolec 53 musi mieć dostateczną wysokość, aby naciskać mocno na podkładkę stykową 52 z metalowej siatki poprzez otwór wycięty w wewnętrznej podszewce 63 z neoprenu wewnątrz zewnętrznej powłoki neoprenowej 64 rękawiczki. Zapewnia to, że żadna część metalowej siatki podkładki stykowej 52 nie styka się bezpośrednio ze skórą 61.

Figura 7 przedstawia wszczepiony i mniej korzystny układ odmienny niż układ z fig. 6. W tym przykładzie wykonania podkładka stykowa 52 z fig. 6 jest zastąpiona anteną 71, która nadaje na częstotliwościach radiowych energię elektryczną i polecenia z pudełka sterującego 15 poprzez skórę do wszczepionego mikrostymulatora 72 mięśni.

Figura 8 przedstawia system komputerowy umożliwiający lekarzowi ustawienie parametrów funkcyjnych rękawiczki 13 w celu dopasowania ich do określonego użytkownika. Łącze komunikacyjne 81 typu RS232 komputera osobistego albo przenośnego jest dołączone poprzez interfejs 83 do optycznego łącza odbiorczo-nadawczego 84 w pudełku sterującym 15. Graficzny monitor 85 i klawiatura 82 komputera umożliwiają łatwe ustawienie parametrów, takich jak przydzielenie kanału, profil ciągu impulsów i histerezę czujnika. Mikrosterownik w pudełku sterującym 15 wysyła sygnały występującego ustawienia parametrów i sygnał pozycji nadgarstka z powrotem do komputera, umożliwiając weryfikację działania czujnika i sprawdzenie parametrów.

Figura 9 przedstawia schemat blokowy wyjaśniający zależność funkcyjną między elementami ubioru. Blok czujnika 91 stanowi na przykład czujnik 14 pozycji nadgarstka z fig. 3 lub 4. Blok czujnika 91 dostarcza sygnał wyjściowy do sterownika 93 stymulatora. Sterownik 93 stymulatora składa się z urządzenia dopasowującego 91 a sygnały dla czujnika 14, z mikrosterownika 92 i ze wzmacniacza z układem kierującym 94 impulsy bodźców. Mikrosterownik 92 próbkuje dopasowany sygnał czujnika i przy pomocy dostosowanego oprogramowania dostarcza sygnały zasilające do wzmacniacza z układem kierującym 94 impulsy bodźców. Z kolei wzmacniacz z układem kierującym 94 sterownika 93 stymulatora dostarcza ciągi impulsów do bloku 95 podkładek stykowych i elektrod, które mają korzystnie postać elektrody 51 i podkładki stykowej 52 z fig. 5 i 6 lub anteny 71 w układzie wszczepionym z fig. 7. Blok 95 podkładek stykowych i elektrod jest dołączony do uruchamianych mięśni 96. Do mikrosterownika 92 jest dołączony poprzez dwukierunkowe łącze optyczne interfejs 97 dołączony do komputera 98 przeznaczonego do użytku przez lekarza, co omówiono poniżej.

Komputer 98 jest podłączony selektywnie do sterownika 93 stymulatora, umożliwiając wprowadzenie programu do sterownika 93 stymulatora, sprawdzenie sygnału czujnika i dopasowanie konfiguracji bodźców do określonego użytkownika. Zarówno sterownik 93 stymulatora, jak i komputer 98 zawierają oprogramowanie umożliwiające wykonanie opisanych funkcji.

Figura 10 przedstawia przebieg elektrycznego sygnału wyjściowego czujnika pozycji nadgarstka przy zginaniu i wyprostowaniu, dla ubioru z fig. 1, w układzie osi poziomej 101 i osi pionowej 102. Zgięcie nadgarstka występuje przy przebiegu nad osią poziomą 101 i wyprostowanie nadgarstka występuje przy przebiegu pod osią poziomą 101. Linie 103 i 104 pokazują poziomy progowe włączenia zaciskania ręki i otwierania ręki. Przerywane linie 105 i 106 ’ pokazują poziomy progowe wyłączenia zaciskania ręki i otwierania ręki. Różnica poziomów progowych włączenia i wyłączenia zaciskania ręki i otwierania ręki zapobiega przerywanemu włączaniu i wyłączaniu w przypadkach, gdy nadgarstek zatrzymuje się blisko poziomu progowego włączenia. W chwili 107 pozycja nadgarstka przekracza poziom progowy włączenia zaciskania ręki. W chwili 108 pozycja nadgarstka przekracza poziom progowy wyłączenia zaciskania ręki. W chwili 109 pozycja nadgarstka przekracza poziom progowy włączenia

174 876 otwierania ręki. W chwili 110 pozycja nadgarstka przekracza poziom progowy włączenia otwierania ręki.

Figura 11 przedstawia przebieg elektrycznego sygnału wyjściowego czujnika pozycji nadgarstka, wyjaśniający, w jaki sposób użytkownik ustawia ponownie poziom progowy i parametry natężenia bodźców. Poziomy progowe są ustawiane ponownie dla umożliwienia otwierania ręki i zaciskania ręki przy zmiennym stopniu zgięcia i wyprostowania nadgarstka. Użytkownik najpierw wprowadza sterownik 93 stymulatora z fig. 9 w stan przestawienia, na przykład naciskając pokazany na fig. 2 przycisk 24 na górnej powierzchni pudełka sterującego

15. Dioda świecąca 25 obok przycisku 24 zaczyna migotać i jeśli w czasie około jednej sekundy przycisk nie zostanie wciśnięty ponownie, dioda pali się w sposób ciągły przez dwie lub trzy kolejne sekundy, podczas których sterownik 93 stymulatora jest gotowy do odbioru sygnałów ustawień nowych poziomów progowych. Podczas tych 2-3 sekund użytkownik przesuwa nadgarstek pomiędzy żądanymi pozycjami progowymi. Sterownik 93 stymulatora z fig. 9 zapamiętuje punkty największego zgięcia i największego wyprostowania nadgarstka, określone przez styczne 111 i 112 na fig. 11. Określony przez styczną 111 punkt największego zgięcia nadgarstka, wybrany podczas procedury przestawiania, jest używany przez sterownik 93 stymulatora jako poziom progowy otwierania ręki. Podobnie styczna 112, reprezentująca maksymalne wyprostowanie nadgarstka z fig. 11, jest zapamiętywana przez mikrosterownik jako poziom progowy zaciskania ręki. Różnice poziomów progowych włączenia i wyłączenia zaciskania ręki i otwierania ręki są ustawiane uprzednio przez lekarza przy pomocy interfejsu 97 komputera 98 z fig. 9. Wielkość histerezy odpowiadająca tym różnicom wyraża się jako procent przesunięcia pomiędzy styczną 111 i 112 na fig. 11. Wówczas gdy procedura przestawiania zostanie zakończona, dioda świecąca 25 z fig. 2 gaśnie.

Następnie, gdy pacjent zgina nadgarstek do pozycji dalszej niż pokazana przez styczną 111 na fig. U, sttee^co^in^ 93 stymulatora z fig. 9 powoduje, że wzmacniacz z układem sterującym 94 impulsów bodźców wysyła impulsy elektryczne do tych elektrod, które są właściwe dla wywołania otwierania ręki. Stymulują one korzystnie mięśnie prostujące palce i odwodzące kciuki. Podobnie, przy wyprostowaniu nadgarstka takim, że czujnik dostarcza sygnał odpowiadający wyprostowaniu nadgarstka większemu niż styczna 112 z fig. 11, sterownik 93 stymulatora z fig. 9 powoduje dostarczenie przez wzmacniacz z układem kierującym 94 ciągu impulsów do tych elektrod, które są umieszczone na ręce i przedramieniu użytkownika, w celu uzyskania przeciwstawienia się kciuka i zgięcia palców przez stymulację mięśni obejmujących zginacz kciuka krótki i długi, przeciwstawiacz kciuka i powierzchniowy zginacz palców, powodując zaciśnięcie się ręki.

Przy pomocy przycisku 24 z fig. 2, użytkownik ustawia także natężenie ciągu impulsów bodźców doprowadzanych do każdej elektrody czynnej. Użytkownik wybiera elektrodę przez naciśnięcie przycisku 24 kolejno dwa, trzy albo cztery razy. Dwa naciśnięcia powodują wybranie elektrody zginacza kciuka długiego, trzy naciśnięcia wybranie prostownika palców i tak dalej. Wybrana elektroda jest wskazywana przez jedną z trzech diod świecących 25 na pudełku sterującym 15 z fig. 2. Natężenie bodźców jest zmieniane przy pomocy ruchów nadgarstka. Na przykład, jeśli natężenie stymulacji przez elektrody kciuka jest zbyt duże, zgięcie nadgarstka zmniejszy je. Jeśli natężenie to jest zbyt małe, wyprostowanie nadgarstka zwiększy je. Zmiany są stopniowe, a szybkość zmian może ustawić lekarz przy pomocy interfejsu 97 i komputera 98 z fig. 9. Zmiany są wskazywane użytkownikowi przez wizualne i/lub słuchowe sprzężenie zwrotne. Tak więc, im dłużej nadgarstek jest utrzymywany w ugięciu, tym bardziej zmniejsza się wybrane natężenie stymulacji elektrod. Po osiągnięciu zadowalającego natężenia, naciska się przycisk 24 w celu wyjścia z trybu opcji. Przycisk 24 można zastąpić przez układ wejściowy pobudzany głosem.

Rękawiczka 13 pokazana na fig. 1 i 2 jest korzystnie rękawiczką elastyczną o dopasowującym się kształcie, mającą wewnętrzny czujnik typu pokazanego na fig. 3 lub fig. 4. Podkładki stykowe typu pokazanego na fig. 5 montuje się na wewnętrznej powierzchni rękawiczki 13. Sterownik, generator impulsów i korpus czujnika są umieszczone w pudełku sterującym 15, umieszczonym w kieszonce z tyłu rękawiczki 13. Pudełko sterujące 15 ma trzy przyciski, które sterują zasilaniem, włączaniem i wyłączaniem bodźców oraz wyborem opcji.

174 876

Podczas działania rękawiczka 19 jest noszona przez użytkownika na ręce i przedramieniu, jak to pokazuje fig. 1. Wówczas gdy użytkownik zgina nadgarstek, czujnik 14 pozycji nadgarstka reaguje na ruch. Sygnał czujnika jest próbkowany cyfrowo przez sterownik 93 stymulatora. Wówczas gdy sygnał pozycji przekracza ustawiony poziom progowy otwierania ręki, sterownik 93 stymulatora dostarcza ciąg impulsów przez generator impulsów bodźców do podkładek stykowych wybranych elektrod w rękawiczce 13. Wybrana podkładka stykowa przekazuje impulsy poprzez elektrody na skórze do mięśni z tyłu przedramienia, które otwierają rękę, jak to pokazuje fig. 1.

W innym przypadku użytkownik wyprostowuje nadgarstek. Jeśli wyprostowanie nadgarstka przekracza ustawiony poziom progowy zaciskania ręki, przez elektrody zostają przekazane impulsy wywołujące zaciskanie ręki, jak to pokazuje fig. 2.

W innym przykładzie wykonania w sterowniku 93 stymulatora zapamiętuje się wiele par poziomów progowych. Żądaną parę poziomów progowych wybiera się następnie przy pomocy przycisku opcji na pudełku sterującym 25.

Figura 12 przedstawia układ połączeń zewnętrznych przewodów testowych z układem sterującym dla ustalenia położenia na skórze punktów motorycznych. Elektrody typu pokazanego na fig. 5 i fig. 6 umieszcza się właściwie i dokładnie na ręce i przedramieniu użytkownika nad punktami motorycznymi, to jest w tych miejscach, które najlepiej wywołują stymulowanie mięśni. Punkty motoryczne ustala lekarz doświadczalnie podczas wstępnej procedury dopasowania. W celu określenia punktów motorycznych jest stosowany konwencjonalny funkcyjny stymulator elektryczny. Jednak w celu uproszczenia procedury, w korzystnym przykładzie wykonania rękawiczka 13 umożliwia dostęp z zewnątrz do wyjścia sterownika 93 stymulatora. Lekarz podłącza przewody testowe 112 do pudełka sterującego 121. Te przewody testowe można następnie podłączyć do wilgotnej elektrody 123 podkładki i samoprzylepnej elektrody 124 do szybkiej stymulacji badawczej prawdopodobnych punktów motorycznych na ręce 125 użytkownika. Typowo są badane obszary 126 i 127 skóry, na przykład punkt motoryczny zgięcia kciuka, punkt motoryczny zgięcia palca wskazującego i punkt motoryczny odwodzenia kciuka. Elektroda 124 jest anodą, czyli dodatnią elektrodą obojętną.

W innym przykładzie wykonania wynalazku stymulacja mięśni jest wykorzystywana do tłumienia patologicznego drżenia. W tym przypadku sterownik stymulatora jest zaprogramowany na cyfrowe filtrowanie próbkowanego sygnału przesunięcia i stymulowanie mięśni z przesunięciem fazy w każdym cyklu drżenia. W korzystnym przykładzie wykonania rękawiczki sterującej drżeniem, wszystkie aspekty projektu i użycia rękawiczki są takie, jak opisane powyżej, z wyjątkiem algorytmu sterowania stosowanego przez sterownik.

Pudełko sterujące 15 i czujnik 14 pozycji nadgarstka odłącza się od rękawiczki, aby umożliwić jej umycie. Wszystkie inne metalowe elementy rękawiczki, na przykład metalowa siatka i przewody łączące są odporne na korozję, a korzystnym materiałem jest nierdzewna stal.

Ubiór według wynalazku znajduje zastosowanie w przypadku takich chorób, jak niekontrolowane drżenia, przy zmniejszonej zdolności ruchowej w kwadriplegii lub hemiplegii albo paraplegii.

174 876

FIG 4A ' . X — Z

FIG. 4B

FIG.6

174 876

FIG 10

FIG, 11

FIG 12

174 876

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Ubiór do sterowanej stymulacji elektrycznej mięśni użytkownika o zmniejszonej zdolności ruchowej mięśni, mający elektroniczny sterownik stymulatora do stymulowania mięśni użytkownika i dopasowany do przegubu i mięśni użytkownika, zwłaszcza rękawiczka dopasowana do nadgarstka, znamienny tym, że zawiera czujnik (14) pozycji przegubu, który jest połączony z pudełkiem sterującym (15) umieszczonym na ubiorze i zawierającym sterownik (93) stymulatora, który jest dołączony do układu elektrod dołączonego do mięśni i jest dołączony poprzez interfejs (97) do komputera (98).
2. Ubiór według zastrz. 1, znamienny tym, że pudełko sterujące (15) jest umieszczone z tyłu rękawiczki (13).
3. Ubiór według zastrz. 2, znamienny tym, że pudełko sterujące (15) ma przyciski (24) do ustawiania poziomów progowych włączania i wyłączania zgięcia i wyprostowania nadgarstka.
4. Ubiór według zastrz. 3, znamienny tym, że przyciski (24) są wyposażone w diody świecące (25) do wskazywania wybranych opcji.
5. Ubiór według zastrz. 1, znamienny tym, że do pudełka sterującego (15) jest dołączony, poprzez optyczne łącze odbiorczo-nadawcze (84), interfejs (83) dołączony do łącza komunikacyjnego (81) komputera.
6. Ubiór według zastrz. 1, znamienny tym, że sterownik (93) stymulatora zawiera mikrosterownik (92), którego wejście jest dołączone do urządzenia dopasowującego (91a), a wyjście do wzmacniacza z układem kierującym (94).
7. Ubiór według zastrz. 1, znamienny tym, że jest wykonany z dziurkowanego materiału elastycznego, w którym są umieszczone podkładki stykowe (52) tworzące styk elektryczny z elektrodami (51) umieszczonymi na użytkowniku, a pudełko sterujące (15) jest umieszczone w kieszonce rękawiczki (13).
8. Ubiór według zastrz. 7, znamienny tym, że ma paski (50) do zaciskania rękawiczki (13) dla wspomagania styku elektrycznego.
9. Ubiór według zastrz. 7, znamienny tym, że podkładka stykowa (52) ma postać metalowej siatki lub metalowej folii.
10. Ubiór według zastrz. 7, znamienny tym, że elektroda (51) jest samoprzylepną elektrodą naskórną.
11. Ubiór według zastrz. 10, znamienny tym, że samoprzylepna elektroda (51) zawiera bolec (53) skierowany w stronę skóry użytkownika, tworzący styk elektryczny z wewnętrznym elementem elektrycznym ubioru.
12. Ubiór według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik (14) pozycji nadgarstka jest umieszczony z tyłu rękawiczki (13).
13. Ubiór według zastrz. 1, znamienny tym, że ma postać mankietu albo rękawa.