RU223369U1 - A device in the form of a piece of clothing for recording and correcting muscle activity - Google Patents
A device in the form of a piece of clothing for recording and correcting muscle activity Download PDFInfo
- Publication number
- RU223369U1 RU223369U1 RU2023118203U RU2023118203U RU223369U1 RU 223369 U1 RU223369 U1 RU 223369U1 RU 2023118203 U RU2023118203 U RU 2023118203U RU 2023118203 U RU2023118203 U RU 2023118203U RU 223369 U1 RU223369 U1 RU 223369U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vibration motors
- signals
- sensors
- control
- control unit
- Prior art date
Links
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 title claims abstract description 57
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 33
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 238000012549 training Methods 0.000 description 10
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 5
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 4
- 210000001364 upper extremity Anatomy 0.000 description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 4
- 206010049816 Muscle tightness Diseases 0.000 description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 2
- 210000000245 forearm Anatomy 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 206010051290 Central nervous system lesion Diseases 0.000 description 1
- 229920002334 Spandex Polymers 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- GQSGZTBDVNUIQS-DGCLKSJQSA-N ciclonicate Chemical compound C1C(C)(C)C[C@H](C)C[C@H]1OC(=O)C1=CC=CN=C1 GQSGZTBDVNUIQS-DGCLKSJQSA-N 0.000 description 1
- 238000011437 continuous method Methods 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002567 electromyography Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000037023 motor activity Effects 0.000 description 1
- 230000004118 muscle contraction Effects 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000037081 physical activity Effects 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000009023 proprioceptive sensation Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Abstract
Полезная модель относится, преимущественно, к области медицины, в том числе спортивной и восстановительной, и позволяет регистрировать и корректировать активность мышц. Сущность полезной модели: предмет одежды для регистрации и коррекции активности мышц включает сенсоры регистрации биометрических сигналов, в частности электромиограмм, блок управления и стимуляторы мышц, при этом в качестве стимуляторов он содержит вибромоторы, а блок управления представляет собой микрокомпьютер и реализует функции получения, обработки, анализа сигналов и формирования команд управления с помощью программного модуля обработки и анализа сигналов и программного модуля настройки протокола управления вибромоторами, связанных между собой внутри микрокомпьютера и использующих память микрокомпьютера для обмена и хранения информации, при этом, в устройство дополнительно включён, содержащий в своем составе коммутатор модуль управления вибромоторами, который расположен между выходами устройства управления и входами вибромоторов, а входы/выходы блока управления выполнены с возможностью соединения посредством радиосвязи с внешним устройством, с которого запускается работа устройства, кроме того, система включает блоки приема и усиления электромиограмм и блоки формирования и передачи данных. Блок приема и усиления ЭМГ сигналов может быть выполнен в виде аналогового преобразователя сигналов. Блок формирования и передачи данных предпочтительно включает в себя аналого-цифровой преобразователь, порты ввода/вывода, микропроцессор, встроенную антенну. Предмет одежды может быть выполнен из растяжимого и/или компрессионного материала, содержащего основу, позволяющую на местах расположения сенсоров, обеспечить их плотное прилегание к коже пользователя, чтобы сенсоры воспринимали сигналы, вызванные активностью мышц пользователя. Вибромоторы представляют из себя вибромоторы с линейно-резонансным приводом. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.The utility model relates primarily to the field of medicine, including sports and rehabilitation, and allows you to record and correct muscle activity. The essence of the utility model: a piece of clothing for recording and correcting muscle activity includes sensors for recording biometric signals, in particular electromyograms, a control unit and muscle stimulators, while it contains vibration motors as stimulators, and the control unit is a microcomputer and implements the functions of receiving, processing, analysis of signals and generation of control commands using a software module for processing and analyzing signals and a software module for setting up a protocol for controlling vibration motors, interconnected within a microcomputer and using the microcomputer memory for exchanging and storing information, while the device additionally includes a switch vibration motor control module, which is located between the outputs of the control device and the inputs of the vibration motors, and the inputs/outputs of the control unit are designed to be connected via radio communication with an external device from which the operation of the device is started; in addition, the system includes blocks for receiving and amplifying electromyograms and blocks for generating and data transmission. The unit for receiving and amplifying EMG signals can be designed as an analog signal converter. The data generation and transmission unit preferably includes an analog-to-digital converter, input/output ports, a microprocessor, and a built-in antenna. The garment may be made of stretchable and/or compressible material containing a backing that allows the sensors at the locations to be placed in a tight fit to the user's skin so that the sensors receive signals caused by the user's muscle activity. Vibration motors are vibration motors with a linear resonant drive. 3 salary f-ly, 8 ill.
Description
Полезная модель относится, преимущественно, к области медицины, в том числе спортивной и восстановительной, и позволяет регистрировать и корректировать активность мышц.The utility model relates primarily to the field of medicine, including sports and rehabilitation, and allows you to record and correct muscle activity.
Принцип электромиографии для регистрации слабого надкожного потенциала при напряжении мышц используется в медицине уже более 70 лет и только недавно с появлением нового класса миниатюрной микроэлектроники стали появляться миниатюрные носимые системы регистрации и декодирования активности мышц для управления протезами и экзоскелетами.The principle of electromyography for recording weak transcutaneous potential during muscle tension has been used in medicine for more than 70 years, and only recently, with the advent of a new class of miniature microelectronics, miniature wearable systems for recording and decoding muscle activity began to appear for controlling prostheses and exoskeletons.
В спорте представлена одежда с интегрированными сенсорами электромиограммы (ЭМГ), которая позволяет осуществить мониторинг активности выбранных мышц во время тренировок. Подобный подход совмещения носимых устройств для спорта стал активно развиваться в последние годы во всем мире.In sports, clothing is presented with integrated electromyogram (EMG) sensors, which allows monitoring the activity of selected muscles during training. This approach to combining wearable devices for sports has begun to actively develop in recent years all over the world.
В данной области наибольших успехов достиг разработанный компанией MAD Apparel (США) костюм Athos, который позволяет вести мониторинг нагрузки мышц в реальном времени, визуализируемый на смартфоне, и собирать статистику для ускорения тренировок. Компания Delsys представила миниатюрные сенсоры, которые могут крепиться на выбранные мышцы для мониторинга активности во время тренировки. Также, данные системы позволяют реализовать корректировку и обучение движениям человека в реальном времени только за счет визуальной обратной связи - изображения активности мышц на мониторе.In this area, the greatest success has been achieved by the Athos suit developed by MAD Apparel (USA), which allows you to monitor muscle load in real time, visualized on a smartphone, and collect statistics to speed up training. Delsys has introduced miniature sensors that can be attached to selected muscles to monitor activity during exercise. Also, these systems make it possible to implement correction and training of human movements in real time only through visual feedback - images of muscle activity on the monitor.
Недостатком вышеописанных систем является то, что при работе с большим количеством мышечных единиц или при работе в условиях поражений ЦНС и снижения возможностей контроля не всегда можно полагаться только на обратную связь, поступающую через зрительный анализатор.The disadvantage of the above systems is that when working with a large number of muscle units or when working in conditions of central nervous system lesions and reduced control capabilities, it is not always possible to rely only on feedback received through the visual analyzer.
При формировании многоканальных паттернов сигналов обратной связи для групп мышц зрительный анализ данных будет малоэффективным. Такой метод имеет высокую временную задержку и требует постоянного взаимодействия с дополнительными устройствами (компьютер, ноутбук, планшет), что ограничивает спектр возможной двигательной активности и сужает потенциал применения данного метода в целом.When forming multichannel patterns of feedback signals for muscle groups, visual data analysis will be ineffective. This method has a high time delay and requires constant interaction with additional devices (computer, laptop, tablet), which limits the range of possible motor activity and narrows the potential for using this method as a whole.
В медицине для подобной задачи используется вибротактильная обратная связь, реализованная с помощью виброактуаторов.In medicine, for a similar task, vibrotactile feedback is used, implemented using vibroactuators.
В существующих работах отмечается простота такого метода биологической обратной связи (БОС) с технической точки зрения. Кроме того, вибрационное воздействие более физиологично, схоже с проприорецепцией, и обладает преимуществом разделения на «информационные» каналы.Existing works note the simplicity of this biofeedback (BFB) method from a technical point of view. In addition, the vibration effect is more physiological, similar to proprioception, and has the advantage of being divided into “information” channels.
Также, совмещение регистрации сигналов ЭМГ от множества мышц и вибротактильной обратной связи на носимой одежде до сих пор реализовано не было и является прорывным шагом в данной области техники.Also, the combination of recording EMG signals from multiple muscles and vibrotactile feedback on wearable clothing has not yet been implemented and is a breakthrough step in this field of technology.
Известно изобретение «Устройство управления нейрореабилитационным тренажером верхней конечности человека» по патенту RU 2644294 A61H 3/00, A61B 5/0488, A61F 2/68, A61H 1/0244, A61B 5/165,The invention “Control device for a neurorehabilitation simulator of the human upper limb” is known according to patent RU 2644294 A61H 3/00, A61B 5/0488, A61F 2/68, A61H 1/0244, A61B 5/165,
Задачей данного технического решения является повышение эффективности нейрореабилитации при заболеваниях и поражениях ЦНС, приводящих к двигательному дефициту верхней и нижней конечности. Задача решена за счет того, что устройство управления нейрореабилитационным тренажером верхней конечности человека содержит сенсорные датчики (синонимы: сенсоры, датчики) измерения электромиографического сигнала, расположенные на сгибательных и разгибательных поверхностях плеча и предплечья и подключенные через последовательно установленные блок регистрации и обработки электромиографического сигнала и блок фильтрации шумов электромиографического сигнала к входу блока выделения частоты электромиографического сигнала, блок принятия решения о движении в соответствии с зарегистрированным электромиографическим сигналом, подключенный через блок управления приводами к приводам верхней конечности, отличающееся тем, что блок выделения частоты электромиографического сигнала связан с блоком принятия решения через параллельно подключенные блоки определения фоновой мощности электромиографического сигнала и определения активной мощности электромиографического сигнала.The objective of this technical solution is to increase the effectiveness of neurorehabilitation for diseases and lesions of the central nervous system leading to motor deficits of the upper and lower limbs. The problem is solved due to the fact that the control device for the neurorehabilitation simulator of the human upper limb contains sensors (synonyms: sensors, transducers) for measuring the electromyographic signal, located on the flexion and extensor surfaces of the shoulder and forearm and connected through a sequentially installed block for recording and processing the electromyographic signal and a block filtering noise of the electromyographic signal to the input of the block for isolating the frequency of the electromyographic signal, a block for making a decision about movement in accordance with the registered electromyographic signal, connected through the drive control unit to the drives of the upper limb, characterized in that the block for isolating the frequency of the electromyographic signal is connected to the decision-making block through parallel connected blocks for determining the background power of the electromyographic signal and determining the active power of the electromyographic signal.
Недостатком данного решения является нацеленность исключительно на реабилитацию конечности человека. Сигналы управления приводами формируются через сравнение в блоке принятия решения фоновой мощности электромиографического сигнала и активной мощности электромиографического сигнала. Управление приводами устройства в этом случае является пороговым, и мощность привода не зависит от активной мощности электромиографического сигнала, а только от превышения порогового значения блока принятия решения. У данного решения отсутствует возможность выбора протокола включения сигналов управления приводами при активации различных мышц. Кроме того, данное решение одновременно работает исключительно на одной конечности и не позволяет осуществлять тренировку более сложных движений.The disadvantage of this solution is that it focuses exclusively on the rehabilitation of a human limb. The drive control signals are generated through a comparison in the decision block of the background power of the electromyographic signal and the active power of the electromyographic signal. The control of the device drives in this case is threshold, and the drive power does not depend on the active power of the electromyographic signal, but only on exceeding the threshold value of the decision-making block. This solution does not have the ability to select a protocol for turning on drive control signals when activating various muscles. In addition, this solution works exclusively on one limb at a time and does not allow training of more complex movements.
Известно техническое решение, известное из патентного документа US 2015148619 A1, A61B 5/00, A61B 5/0205, A61B 5/11, A61B 5/0478, A61B 5/04, A61B 5/0496, A61B 5/0492, A61B 5/0408, 2015, СИСТЕМА И СПОСОБ МОНИТОРИНГА БИОМЕТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, сущность которого заключается в том, что система для мониторинга биометрических сигналов пользователя содержит предмет одежды, сконфигурированный для ношения пользователем и содержащий монтажный модуль, имеющий ряд соединительных областей; набор биометрических датчиков, соединенных с одеждой и сконфигурированных для связи с массивом соединительных областей для приема и передачи биометрических сигналов, указывающих на мышечную активность пользователя; и портативный модуль управления, выполненный с возможностью присоединения к предмету одежды в первой конфигурации и отсоединения от предмета одежды во второй конфигурации и содержащий: корпус, содержащий множество отверстий; набор контактов, каждый из которых включает в себя первую область, которая герметично закрывает по меньшей мере одно из множества отверстий и соединяется по меньшей мере с одной из множества соединительных областей в первой конфигурации, и электронную подсистему, соединенную с корпусом и сообщающуюся с второй областью каждого контакта.A known technical solution is known from patent document US 2015148619 A1, A61B 5/00, A61B 5/0205, A61B 5/11, A61B 5/0478, A61B 5/04, A61B 5/0496, A61B 5/0492, A61B 5/ 0408, 2015, SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING BIOMETRIC SIGNALS, the essence of which is that the system for monitoring the biometric signals of the user contains an article of clothing configured to be worn by the user and containing a mounting module having a number of connecting areas; a set of biometric sensors coupled to the clothing and configured to communicate with an array of connection areas to receive and transmit biometric signals indicative of muscle activity of the wearer; and a portable control module configured to be attached to the garment in a first configuration and detachable from the garment in a second configuration, comprising: a body including a plurality of openings; a set of contacts, each of which includes a first area that seals at least one of a plurality of openings and connects to at least one of a plurality of connecting areas in a first configuration, and an electronic subsystem coupled to the housing and communicating with a second area of each contact.
Недостатком данного предмета одежды (устройства) является то, что функция, которую выполняет данное устройство – мониторинг, поэтому в данном устройстве отсутствует модуль выбора протокола управления обратной связью, что не позволяет устанавливать параметры обратной связи: пороги, интенсивность и частоту воздействия. Кроме того, данное устройство реализует биологическую обратную связь, основываясь лишь на визуальном представлении мышечной активности и не использует другую эффективную составляющую – вибротактильную обратную связь, включаемую активностью мышц.The disadvantage of this item of clothing (device) is that the function that this device performs is monitoring, therefore this device does not have a feedback control protocol selection module, which does not allow setting feedback parameters: thresholds, intensity and frequency of impact. In addition, this device implements biofeedback based only on the visual representation of muscle activity and does not use another effective component - vibrotactile feedback, which is activated by muscle activity.
Известно изобретение по патентной заявке US 2015366504 A1, МПК A61B 5/00; A61B 5/0488; A61B 5/11, оп. 24.12.2015 «Электромиографическая одежда», имеющая в составе: предмет одежды с совмещенными с ней сенсорами и стимуляторами, провода или контактные проводящие дорожки, проходящие между электрическими контактами элементов системы; расположенные на предмете одежды блоки приема и усиления ЭМГ сигналов, блоки формирования и передачи данных, устройство управления, где сенсоры, блоки приема и усиления ЭМГ сигналов и блоки формирования и передачи данных соединены последовательно между собой и все выходы блоков формирования и передачи данных соединены с информационными входами устройства управления, при этом устройство управления представляет собой микрокомпьютер и реализует функции получения, обработки, анализа сигналов и формирования команд управления (для управления протезом, управление аватаром) с помощью программного модуля обработки и анализа сигналов и программного модуля настройки протокола управления стимуляцией (обратная связь и обеспечение обучения физической активности, система может применяться для реабилитации), связанных между собой внутри микрокомпьютера и использующих память микрокомпьютера для обмена и хранения информации, также в состав системы входит внешнее устройство с которого запускается работа системы согласно разработанного заранее протокола (удаленный блок обработки данных, который анализирует данные для измерения или моделирования, входы/выходы которого имеют соединения с входами/выходами устройства управления посредством радиосвязи).The invention is known under patent application US 2015366504 A1, IPC A61B 5/00; A61B 5/0488; A61B 5/11, op. 12/24/2015 “Electromyographic clothing”, which consists of: a piece of clothing with sensors and stimulators combined with it, wires or contact conductive tracks passing between the electrical contacts of the system elements; located on the item of clothing, blocks for receiving and amplifying EMG signals, blocks for generating and transmitting data, a control device, where sensors, blocks for receiving and amplifying EMG signals and blocks for generating and transmitting data are connected in series with each other and all outputs of the blocks for generating and transmitting data are connected to information inputs of the control device, wherein the control device is a microcomputer and implements the functions of receiving, processing, analyzing signals and generating control commands (for prosthesis control, avatar control) using a software module for processing and analyzing signals and a software module for setting up a stimulation control protocol (feedback and providing training in physical activity, the system can be used for rehabilitation), interconnected inside a microcomputer and using the microcomputer memory for exchanging and storing information, the system also includes an external device from which the system operates according to a pre-developed protocol (remote data processing unit, which analyzes data for measurement or simulation, whose inputs/outputs are connected to the inputs/outputs of the control device via radio communication).
У данного технического решения тот же недостаток, что и у предыдущего аналога – только измерение движения тела и/или мышечной активности.This technical solution has the same drawback as the previous analogue - only measuring body movement and/or muscle activity.
В качестве прототипа выбрано устройство для передачи стимулов, то есть устройство для приема электрических сигналов от тела и для передачи электрических сигналов к телу (заявка US 2018036531 (A1), МПК A61B 5/0205; A61B 5/296; A61B 5/332; A61N 1/04; A61N 1/36; G01S1 9/19; G06F 19/00; G06F 3/01, оп. 08.02.2018).As a prototype, a device for transmitting stimuli was selected, that is, a device for receiving electrical signals from the body and for transmitting electrical signals to the body (application US 2018036531 (A1), IPC A61B 5/0205; A61B 5/296; A61B 5/332; A61N 1/04; A61N 1/36; G01S1 9/19; G06F 19/00; G06F 3/01, op. 02/08/2018).
Известное портативное устройство для передачи сигналов электростимуляции мышц в тело человека для тренировки указанного тела и для управления импульсами стимуляции во время стимуляции пользователя содержит: по меньшей мере датчик, по меньшей мере блок обработки данных (устройство управления), по меньшей мере импульсный блок и один или несколько электродов для электрической стимуляции мышц, при этом: а) датчик подходит для измерения одного или нескольких значений измерения; b) блок обработки данных сконфигурирован для генерирования управляющего сигнала для импульсного блока в зависимости от измеренного(ых) значения(ий) от датчика или датчиков; c) импульсный блок подходит для запуска импульсов электростимуляции мышц и сконфигурирован для изменения одного или нескольких параметров импульса электростимуляции мышц в зависимости от управляющего сигнала, при этом выполняется сравнение между значением (значениями) измерения и пороговым значением, электроды, датчик, блок обработки данных или импульсный блок или все четыре из них прикреплены к предмету одежды, и устройство дополнительно содержит блок визуализации для представления виртуальной реальности.A known portable device for transmitting electrical muscle stimulation signals to the human body for training said body and for controlling stimulation pulses during stimulation of the user contains: at least a sensor, at least a data processing unit (control device), at least a pulse unit and one or several electrodes for electrical stimulation of muscles, wherein: a) the sensor is suitable for measuring one or more measurement values; b) the data processing unit is configured to generate a control signal for the pulse unit depending on the measured value(s) from the sensor or sensors; c) the pulse unit is suitable for triggering electrical muscle stimulation pulses and is configured to change one or more parameters of the electrical muscle stimulation pulse depending on the control signal, whereby a comparison is made between the measurement value(s) and a threshold value, electrodes, sensor, processing unit or pulse the unit or all four of them is attached to the garment, and the device further includes a rendering unit for presenting virtual reality.
В заявке указано, что все варианты осуществления, в которых предметом являются стимулы электромышечной стимуляции, также включают другие тактильные стимулы, такие как тактильные стимулы и, в частности, также вибрационные стимулы. Однако варианты осуществления, описанные в настоящем описании, предпочтительно относятся к электромышечной стимуляции, а передаваемые стимулы предпочтительно являются стимулами электромышечной стимуляции, даже если в отдельных вариантах осуществления говорится о тактильных стимулах.The application states that all embodiments in which the subject matter is electromuscular stimulation stimuli also include other tactile stimuli, such as tactile stimuli and in particular also vibration stimuli. However, the embodiments described herein preferably relate to electromuscular stimulation, and the transmitted stimuli are preferably electromuscular stimulation stimuli, even if certain embodiments refer to tactile stimuli.
Известное решение не рассматривает и не развивает (и для него это не описано) специфику использования вибромоторов для коррекции (стимулирования) большого количества мышц.The known solution does not consider or develop (and this is not described for it) the specifics of using vibration motors for correction (stimulation) of a large number of muscles.
Способ управления импульсами стимуляции во время стимуляции пользователя с использованием устройства (системы), описанного выше, в котором импульсный блок запускает один или несколько импульсов стимуляции, причем указанный способ включает следующие этапы:A method of controlling stimulation pulses during stimulation of a user using a device (system) described above, in which a pulse unit fires one or more stimulation pulses, the method comprising the following steps:
a. измерение того или иного значения,a. measurement of a particular value,
b. сравнение значения измерения с пороговым значением,b. comparison of the measurement value with the threshold value,
c. генерирование управляющего сигнала, если значение измерения и пороговое значение имеют предопределенную взаимосвязь друг с другом,c. generating a control signal if the measurement value and the threshold value have a predefined relationship with each other,
d. изменение параметра импульса стимуляции в зависимости от управляющего сигнала.d. changing the stimulation pulse parameter depending on the control signal.
Задачей, стоящей перед разработчиком предлагаемого технического решения, являлось создание устройства, которое позволит на основании данных, снятых с сенсоров (датчиков), отслеживающих степень напряжения мышц, воздействовать на конкретные мышцы по принципу обратной связи по выбранному Протоколу, а при необходимости - визуализировать показания, определять правильность выполнения различных упражнений и движений в сравнении с эталонными, что позволит повысить эффективность нейрореабилитации при заболеваниях и поражениях ЦНС, приводящих к двигательному дефициту, а также улучшить эффективность тренировок профессиональных спортсменов.The task facing the developer of the proposed technical solution was to create a device that would allow, based on data taken from sensors (sensors) monitoring the degree of muscle tension, to influence specific muscles according to the principle of feedback according to the selected Protocol, and, if necessary, to visualize the readings, determine the correctness of performing various exercises and movements in comparison with reference ones, which will increase the effectiveness of neurorehabilitation for diseases and lesions of the central nervous system leading to motor deficits, as well as improve the effectiveness of training for professional athletes.
Указанная задача решается устройством в виде предмета одежды для регистрации и коррекции активности мышц, включающего сенсоры регистрации биометрических сигналов, в частности электромиограмм, блок управления и стимуляторы мышц, в котором, согласно предложению, в качестве стимуляторов содержатся вибромоторы, а блок управления представляет собой микрокомпьютер и реализует функции получения, обработки, анализа сигналов и формирования команд управления с помощью программного модуля обработки и анализа сигналов и программного модуля настройки протокола управления вибромоторами, связанных между собой внутри микрокомпьютера и использующих память микрокомпьютера для обмена и хранения информации, при этом, в устройство дополнительно включён, содержащий в своем составе коммутатор модуль управления вибромоторами, который расположен между выходами устройства управления и входами вибромоторов, входы/выходы блока управления выполнены с возможностью соединения посредством радиосвязи с входами/выходами внешнего устройства, с которого запускается работа устройства в соответствии с разработанным заранее протоколом, программный модуль обработки и анализа сигналов предназначен для анализа и вычисления заданных показателей и характеристик активности пользователя и контроля правильности выполнения упражнений, формирования команд управления устройствами обратной связи, вывода вычисленных показателей на внешние устройства, программный модуль настройки протокола управления вибромоторами предназначен для выбора одного варианта управления вибромоторами из всех программ, имеющихся в памяти микрокомпьютера, в том числе программы для реабилитации поврежденных мышц или программы для тренировки движений, модуль управления вибромоторами, имеет возможность задания до 15 уровней интенсивности воздействия вибромоторов, кроме того, система включает блок приема и усиления ЭМГ и блок формирования и передачи данных.This problem is solved by a device in the form of a piece of clothing for recording and correcting muscle activity, including sensors for recording biometric signals, in particular electromyograms, a control unit and muscle stimulators, in which, according to the proposal, vibration motors are contained as stimulators, and the control unit is a microcomputer and implements the functions of receiving, processing, analyzing signals and generating control commands using a software module for processing and analyzing signals and a software module for setting up a protocol for controlling vibration motors, interconnected within a microcomputer and using the microcomputer memory for exchanging and storing information, while the device additionally includes , containing in its composition the switch a vibration motor control module, which is located between the outputs of the control device and the inputs of the vibration motors, the inputs/outputs of the control unit are made with the ability to connect via radio communication with the inputs/outputs of an external device from which the operation of the device is started in accordance with a pre-developed protocol, The signal processing and analysis software module is designed to analyze and calculate specified indicators and characteristics of user activity and monitor the correctness of exercises, generate feedback device control commands, output the calculated indicators to external devices, the vibration motor control protocol configuration software module is designed to select one vibration motor control option Of all the programs available in the microcomputer memory, including programs for the rehabilitation of damaged muscles or programs for training movements, the vibration motor control module has the ability to set up to 15 intensity levels of vibration motors, in addition, the system includes an EMG receiving and amplification unit and a generation unit and data transfer.
Блок приема и усиления ЭМГ сигналов выполнен в виде аналогового преобразователя сигналов.The block for receiving and amplifying EMG signals is designed as an analog signal converter.
Блок формирования и передачи данных включает в себя аналого-цифровой преобразователь, порты ввода/вывода, микропроцессор, встроенную антенну.The data generation and transmission unit includes an analog-to-digital converter, input/output ports, a microprocessor, and a built-in antenna.
Предмет одежды выполнен из растяжимого и/или компрессионного материала, содержащего основу, позволяющую на местах расположения сенсоров, выполненных в виде электропроводящих контактных площадок, или фрагментов одежды, встроенных в предмет одежды, или элементов, расположенных на ее внутренней поверхности, быть выполненными как гибкими, так и жесткими, обеспечить их плотное прилегание к коже пользователя, чтобы сенсоры воспринимали сигналы, вызванные активностью мышц пользователя.The item of clothing is made of tensile and/or compression material containing a base that allows the locations of the sensors, made in the form of electrically conductive contact pads, or fragments of clothing built into the item of clothing, or elements located on its inner surface, to be made flexible, and rigid, ensure that they fit tightly to the user's skin so that the sensors perceive signals caused by the activity of the user's muscles.
Вибромоторы представляют из себя вибромоторы с линейно-резонансным приводом.Vibration motors are vibration motors with a linear resonant drive.
Технический результат от использования устройства выражается в расширении функциональных возможностей – в регистрации уровня мышечной активности мышц в памяти устройства управления, и далее эта информация может передаваться на внешнее устройство, и непрерывной стимуляция мышц вибромоторами, управляемыми сигналами, поступающими на их входы через модуль управления вибромоторами, содержащий коммутатор. Входы модуля управления вибромоторами соединены с выходами устройства управления.The technical result from the use of the device is expressed in the expansion of functionality - in recording the level of muscle activity of the muscles in the memory of the control device, and then this information can be transmitted to an external device, and continuous stimulation of the muscles by vibration motors, controlled by signals arriving at their inputs through the vibration motor control module, containing the switch. The inputs of the vibration motor control module are connected to the outputs of the control device.
Предмет одежды для регистрации и коррекции активности мышц и его работа поясняется чертежами.The item of clothing for recording and correcting muscle activity and its operation is illustrated by drawings.
На фиг. 1 показана функциональная схема устройства.In fig. Figure 1 shows a functional diagram of the device.
На фиг. 2 показан общий вид предмета одежды для регистрации и коррекции активности мышц.In fig. Figure 2 shows a general view of a garment for recording and correcting muscle activity.
На фиг. 3 показаны готовые сенсоры на предмете одежды с наружной стороны.In fig. Figure 3 shows finished sensors on a piece of clothing from the outside.
На фиг. 4 показаны готовые сенсоры на предмете одежды с внутренней стороны.In fig. Figure 4 shows finished sensors on a piece of clothing from the inside.
На фиг. 5 показан опытный образец предмета одежды для регистрации и коррекции активности мышц.In fig. Figure 5 shows a prototype of a garment for recording and correcting muscle activity.
На фиг. 6 показан пример записи сигнала на выходе усилительного канала блока приема и усиления ЭМГ сигнала, записанного при сокращении мышцы.In fig. Figure 6 shows an example of recording a signal at the output of the amplification channel of the block for receiving and amplifying an EMG signal recorded during muscle contraction.
На фиг. 7 показан пример записи активной мощности электромиографического сигнала на выходе модуля обработки и анализа сигналов, записанного при сокращении 4-х мышц.In fig. Figure 7 shows an example of recording the active power of an electromyographic signal at the output of the signal processing and analysis module, recorded during the contraction of 4 muscles.
На фиг. 8 показан пример записи активной мощности электромиографического сигнала мышц предплечья правой руки на выходе модуля обработки и анализа сигналов, записанного при выполнении тестового упражнения сжимания/разжимания эспандера при выполнении пользователем задачи удерживать мощность в пределах порогового значения при отсутствии и наличии вибротактильной обратной связи. График процентов ошибок при выполнении указанного упражнения при отсутствии и наличии вибротактильной обратной связи.In fig. Figure 8 shows an example of recording the active power of the electromyographic signal of the muscles of the forearm of the right hand at the output of the signal processing and analysis module, recorded during the test exercise of squeezing/unclamping the expander when the user performs the task of maintaining the power within the threshold value in the absence and presence of vibrotactile feedback. Graph of the percentage of errors when performing the specified exercise in the absence and presence of vibrotactile feedback.
Предмет одежды 1 для регистрации и коррекции активности мышц содержит закреплённые на нём сенсоры 2, провода или контактные проводящие дорожки 4, проходящие между электрическими контактами элементов системы, блоков приема и усиления ЭМГ сигналов 6, блоков формирования и передачи данных 7, блока управления 5, модуля управления вибромоторами 10 и вибромоторов 11.A piece of clothing 1 for recording and correcting muscle activity contains sensors 2 attached to it, wires or contact conductive tracks 4 passing between the electrical contacts of system elements, units for receiving and amplifying EMG signals 6, data generation and transmission units 7, control unit 5, module control of vibration motors 10 and vibration motors 11.
К предмету одежды 1 может быть подключено внешнее устройство 12, связанное с устройством управления 5 через блютуз.An external device 12 may be connected to the garment 1 and communicated with the control device 5 via Bluetooth.
Предмет одежды 1 может быть выполнен из растяжимого и/или компрессионного материала, содержащего основу, позволяющую на местах расположения сенсоров 2, выполненных в виде электропроводящих контактных площадок (или фрагментов одежды, встроенных в предмет одежды 1, или элементов, расположенных на ее внутренней поверхности), быть выполненными как гибкими, так и жесткими, обеспечить их плотное прилегание к коже пользователя, чтобы сенсоры 2 воспринимали сигналы, вызванные активностью мышц пользователя.The item of clothing 1 can be made of stretchable and/or compression material containing a base that allows sensors 2, made in the form of electrically conductive contact pads (or fragments of clothing built into the item of clothing 1, or elements located on its inner surface) to be located at the locations. , be made both flexible and rigid, to ensure their tight fit to the user's skin so that the sensors 2 perceive signals caused by the activity of the user's muscles.
Блок приема и усиления ЭМГ сигналов 6 выполнен в виде аналогового преобразователя сигналов, и предназначен для усиления и предобработки (нормировки и фильтрации) зарегистрированного сигнала, поступающего с мышцы через сенсор 2, что приводит сигнал к состоянию, пригодному для анализа и вычисления существенных показателей и характеристик активности мышц и контроля правильности выполнения упражнений.The block for receiving and amplifying EMG signals 6 is designed as an analog signal converter, and is intended for amplification and preprocessing (normalization and filtering) of the recorded signal coming from the muscle through sensor 2, which brings the signal to a state suitable for analysis and calculation of essential indicators and characteristics muscle activity and monitoring the correct execution of exercises.
Блок формирования и передачи данных 7 включает в себя все необходимые компоненты для обработки и передачи данных: аналого-цифровой преобразователь (АЦП), порты ввода/вывода, микропроцессор, встроенную антенну и предназначен для передачи обработанных данных.Data generation and transmission unit 7 includes all the necessary components for processing and transmitting data: analog-to-digital converter (ADC), input/output ports, microprocessor, built-in antenna and is designed for transmitting processed data.
Информационные входы блока управления 5 соединены с выходами блоков формирования и передачи данных 7, которые последовательно соединены с блоками приема и усиления ЭМГ и соответственно с сенсорами 2.The information inputs of the control unit 5 are connected to the outputs of the data generation and transmission units 7, which are connected in series to the EMG receiving and amplification units and, accordingly, to the sensors 2.
Блок управления 5 представляет собой микрокомпьютер и реализует функции получения, обработки, анализа сигналов и формирования команд управления с помощью программного модуля обработки и анализа сигналов 8 и программного модуля 9 настройки Протокола управления вибромоторами 11, связанных между собой внутри микрокомпьютера и использующих память микрокомпьютера 3 для обмена и хранения информации.The control unit 5 is a microcomputer and implements the functions of receiving, processing, analyzing signals and generating control commands using the software module for processing and analyzing signals 8 and the software module 9 for setting the Vibration Motors 11 Control Protocol, interconnected within the microcomputer and using the memory of the microcomputer 3 for exchange and information storage.
Модуль обработки и анализа сигналов 8 предназначен для анализа и вычисления заданных показателей и характеристик активности пользователя и контроля правильности выполнения упражнений, формирования команд управления устройствами обратной связи, вывода вычисленных показателей на внешние устройства.Signal processing and analysis module 8 is designed to analyze and calculate specified indicators and characteristics of user activity and monitor the correctness of exercises, generate commands to control feedback devices, and output calculated indicators to external devices.
Модуль 9 настройки Протокола управления вибромоторами 11 используется для выбора одного варианта управления вибромоторами 11 из всех программ, имеющихся в памяти микрокомпьютера 3: программы для реабилитации поврежденных мышц, программы для тренировки движений и других программ, необходимых пользователям системы.Module 9 for setting the Protocol for controlling vibration motors 11 is used to select one option for controlling vibration motors 11 from all programs available in the memory of the microcomputer 3: programs for the rehabilitation of damaged muscles, programs for training movements and other programs necessary for system users.
Модуль 10 управления вибромоторами 11 имеет в своем составе коммутатор (не показан), через который подается управляющий сигнал от блока управления 5 на вибромоторы 11. Модуль 10 управления вибромоторами 11 позволяет включать/выключать любой из вибромоторов 11. При включении вибромоторов 11 имеется возможность задания до 15 уровней интенсивности воздействия для более комфортной настройки под конкретного пользователя.The module 10 for controlling the vibration motors 11 includes a switch (not shown), through which a control signal is supplied from the control unit 5 to the vibration motors 11. The module 10 for controlling the vibration motors 11 allows you to turn on/off any of the vibration motors 11. When you turn on the vibration motors 11, it is possible to set up to 15 levels of impact intensity for more comfortable customization for a specific user.
Вибромоторы 11 представляют из себя вибромоторы с линейно-резонансным приводом диаметром 10 мм.Vibration motors 11 are vibration motors with a linear resonant drive with a diameter of 10 mm.
На поверхности предмета одежды 1 установлены: устройство управления 5, блоки приема и усиления ЭМГ сигналов 6, блоки формирования и передачи данных 7, модуль 10 управления вибромоторами и вибромоторы 11, соединенные посредством электрических соединений 4 согласно схеме, представленной на фиг. 1, где сенсоры 2 соединены с блоками приема и усиления ЭМГ сигналов 6, блоки приема и усиления ЭМГ сигналов 6 – с блоками формирования и передачи данных 7, блоки формирования и передачи данных 7 – с блоком управления 5, блок управления 5 – с модулем 10 управления вибромоторами 11. Количество блоков 6 и 7 совпадает с количеством сенсоров 2 и блок управления 5 имеет беспроводную связь с внешним устройством 12 через блютуз.On the surface of the garment 1 there are installed: a control device 5, units for receiving and amplifying EMG signals 6, units for generating and transmitting data 7, a vibration motor control module 10 and vibration motors 11, connected via electrical connections 4 according to the diagram shown in Fig. 1, where sensors 2 are connected to blocks for receiving and amplifying EMG signals 6, blocks for receiving and amplifying EMG signals 6 - to blocks for generating and transmitting data 7, blocks for generating and transmitting data 7 - to control unit 5, control block 5 - to module 10 control of vibration motors 11. The number of blocks 6 and 7 coincides with the number of sensors 2 and the control unit 5 has a wireless connection with an external device 12 via Bluetooth.
Входы блока управления 5 разделены на сигнальные и управляющие. Сигнальные входы блока управления 5 являются сигнальными входами модуля обработки 8 и сигнальными входами внешнего устройства 12. На сигнальные входы поступают сигналы активности мышц пользователя, зарегистрированные сенсорами 2.The inputs of control unit 5 are divided into signal and control. The signal inputs of the control unit 5 are the signal inputs of the processing module 8 and the signal inputs of the external device 12. The signal inputs receive signals from the user's muscle activity recorded by the sensors 2.
Управляющие входы устройства управления 5 предназначены для получения настроек от внешнего устройства 12.The control inputs of the control device 5 are designed to receive settings from an external device 12.
Управляющие выходы модуля обработки и анализа сигналов 8 соединены со входами модуля 10 управления вибромоторами 11, выходы которого, в свою очередь, соединены со входами вибромоторов 11, установленных на выбранных пользователем мышцах.The control outputs of the signal processing and analysis module 8 are connected to the inputs of the module 10 for controlling vibration motors 11, the outputs of which, in turn, are connected to the inputs of vibration motors 11 installed on muscles selected by the user.
Непосредственно модуль 9 настройки Протокола управления вибромоторами 11 через блютуз соединяется с выходами внешнего устройства 12.Module 9 for setting the protocol for controlling vibration motors 11 is directly connected via Bluetooth to the outputs of external device 12.
Ниже представлен пример осуществления устройства.Below is an example of the device.
Предмет одежды 1 может быть выполнен из растяжимого и/или компрессионного материала, содержащего основу, позволяющую на местах расположения сенсоров 2 обеспечить их плотное прилегание к коже пользователя, чтобы тем самым максимально снизить движение сенсоров относительно кожи и уменьшить в регистрируемом сигнале влияние внешних воздействий, вызванных движением сенсоров. Например, в качестве предмета одежды 1 использовалась футболка из материала бифлекс (состав материала 85% Poliamid и 15% Elastan).The item of clothing 1 can be made of stretchable and/or compression material containing a base that allows the locations of the sensors 2 to ensure their tight fit to the user's skin, thereby maximizing the movement of the sensors relative to the skin and reducing the influence of external influences caused by movement of sensors. For example, a T-shirt made of supplex material (material composition 85% Polyamid and 15% Elastan) was used as garment 1.
Для создания сенсоров 2 может быть использован многослойный материал на основе токопроводящей резины в комбинации резина-ткань-резина. Например, для создания сенсоров использовался многослойный материал для регистрации миографических сигналов на основе токопроводящей резины в комбинации резина-ткань-резина. От многослойного электрода отпарывалась тканевая подкладка, а затем вырезались круглые детали диаметром 22 мм. Один из кругов из токопроводящей резины приклеивался на ткань предмета одежды с изнаночной стороны силиконом Момент-Гермент, выдерживался под гнетом так, что силикон заметно пропитывался сквозь волокна ткани и пришивался нитками крест на крест. Далее осуществлялась подводка провода в силиконовой трубке по внешней поверхности предмета одежды непосредственно к электроду. Трубка наполнялась силиконом Момент-Гермент и сплющивалась на конце для герметизации. Далее с помощью тонкого шила с крючком провод сквозь приклеенный и пришитый участок токопроводящей резины протягивался на изнаночную сторону, конец провода длиной 2 см освобождался от изоляции, распушался и приклеивался по центру к указанному кругу токопроводящей резины, предварительно обезжиренному. Затем это место закрывалось таким же кругом из токопроводящей резины, намазанной клеем за исключением центра круга, который оставлен сухим для сохранения хорошего контакта провод – электрод. Склейка снова помещалась под гнет. Готовые сенсоры на предмете одежды с наружной и внутренней стороны представлены на фиг. 2 и на фиг. 3.To create sensors 2, a multilayer material based on conductive rubber in a rubber-fabric-rubber combination can be used. For example, to create sensors, a multilayer material was used to record myographic signals based on conductive rubber in a rubber-fabric-rubber combination. The fabric lining was torn off from the multilayer electrode, and then round parts with a diameter of 22 mm were cut out. One of the circles of conductive rubber was glued to the fabric of the garment from the wrong side with Moment-Germent silicone, kept under pressure so that the silicone was noticeably saturated through the fibers of the fabric and sewn crosswise with threads. Next, the wire was routed in a silicone tube along the outer surface of the garment directly to the electrode. The tube was filled with Moment-Germent silicone and flattened at the end to seal. Next, using a thin awl with a hook, the wire was pulled through the glued and sewn section of conductive rubber to the wrong side, the end of the wire 2 cm long was freed from the insulation, fluffed up and glued in the center to the specified circle of conductive rubber, previously degreased. Then this place was covered with the same circle of conductive rubber, coated with glue, with the exception of the center of the circle, which was left dry to maintain good wire-electrode contact. The gluing was again placed under pressure. Finished sensors on a piece of clothing from the outside and inside are shown in Fig. 2 and fig. 3.
В устройство регистрации активности 4-х мышц входит не менее 4-х сенсоров сигналов ЭМГ, а для стимуляции мышц вибротактильными сигналами 11 имеется не менее 4-х вибромоторов.The device for recording the activity of 4 muscles includes at least 4 EMG signal sensors, and for stimulating muscles with vibrotactile signals 11 there are at least 4 vibration motors.
В качестве вибромоторов 11 использовались вибромоторы с линейно-резонансным приводом диаметром 10 мм.Vibration motors with a linear resonant drive with a diameter of 10 mm were used as vibration motors 11.
В качестве блока приема и усиления ЭМГ сигналов 6 используется усилитель, изготовленный на основе инструментального усилителя INA128, дополненного схемой смещения выходного сигнала, буферным повторителем и фильтром нижних частот.An amplifier made on the basis of the INA128 instrumentation amplifier, supplemented with an output signal bias circuit, a buffer follower and a low-pass filter, is used as a block for receiving and amplifying EMG signals 6.
В качестве блока формирования и передачи данных 7 используется интегральный модуль Bluetooth v. 4.0 и включает в себя все необходимые компоненты для обработки и передачи данных: аналого-цифровой преобразователь (АЦП), порты ввода/вывода, микропроцессор, встроенную антенну.An integrated Bluetooth v module is used as a data generation and transmission unit 7. 4.0 and includes all the necessary components for processing and transmitting data: analog-to-digital converter (ADC), input/output ports, microprocessor, built-in antenna.
Многоканальный коммутатор реализован на базе микросхемы ULN2803A фирмы Texas Instriments. Микросхема позволяет независимо коммутировать нагрузку током до 500 мА на каждый канал. Имеется встроенная защита от выбросов при коммутировании индуктивной нагрузки, что важно при коммутации вибромоторов, так как их обмотки являются индуктивностями.The multi-channel switch is implemented on the basis of the ULN2803A microcircuit from Texas Instriments. The microcircuit allows you to independently switch a load with a current of up to 500 mA per channel. There is built-in surge protection when switching an inductive load, which is important when switching vibration motors, since their windings are inductive.
Все вибромоторы 11 имеют общее подключение к положительному полюсу источника питания, а для включения выбранного вибромотора 11 коммутатор 10 подключает его к клемме «земля». Включение вибромотора 11 осуществляется по высокому уровню сигнала на входе коммутатора. Для получения возможности управления интенсивностью стимуляции в модуле обработки и анализа сигналов 8 реализован алгоритм широтно-импульсной модуляции (ШИМ) - способ управления мощностью, подводимой к нагрузке, путём изменения скважности импульсов. К примеру, для более слабой интенсивности работы вибромотора, он активируется короткими импульсами. Если же необходимо получить более высокую интенсивность, то ширина импульсов увеличивается. Индуктивность обмоток моторов и их механическая инерция работают в качестве низкочастотного фильтра, делая импульсы ШИМ незаметными для пользователя. Для каждого вибромотора счетчик ШИМ инициализируется своим значением, устанавливаемым командой включения вибростимуляции.All vibration motors 11 have a common connection to the positive pole of the power source, and to turn on the selected vibration motor 11, the switch 10 connects it to the ground terminal. The vibration motor 11 is switched on based on a high signal level at the input of the switch. To be able to control the intensity of stimulation, the signal processing and analysis module 8 implements a pulse-width modulation (PWM) algorithm - a method of controlling the power supplied to the load by changing the duty cycle of the pulses. For example, for a weaker intensity of the vibration motor, it is activated by short pulses. If it is necessary to obtain a higher intensity, then the pulse width increases. The inductance of the motor windings and their mechanical inertia act as a low-pass filter, making PWM pulses invisible to the user. For each vibration motor, the PWM counter is initialized with its own value, set by the vibration stimulation enable command.
Работа устройства (предмета одежды) для регистрации и коррекции активности мышц, описанной в первой части заявки, заключается в регистрации сигналов активности от контролируемой группы мышц, контактирующих с сенсорами 2, которые передаются в аналоговый блок приема и усиления ЭМГ сигнала 6, в котором выполняется анализ амплитуды и частоты полученных сигналов, далее - в цифро-аналоговый блок формирования и передачи данных 7, где они преобразуются в цифровую форму и подаются на вход блока управления 5, представляющего собой микрокомпьютер. Затем эти сигналы передаются для анализа и вычисления существенных показателей и характеристик активности (мощность, частота сокращения и др.) мышц пользователя в модуль 8 обработки и анализа сигналов блока управления 5. Там они сравниваются с сигналами, записанными в памяти микрокомпьютера 3 и на основании этого сравнения формируются параметры сигналов обратной связи в виде параметров интенсивности, частоты, длительности работы вибромоторов 11 подаются с программного модуля обработки и анализа сигналов 8 на выходы блока управления 5, соединенные со входами модуля 10 управления вибромоторами 11.The operation of the device (item of clothing) for recording and correcting muscle activity, described in the first part of the application, consists in recording activity signals from a controlled group of muscles in contact with sensors 2, which are transmitted to the analog unit for receiving and amplifying the EMG signal 6, in which the analysis is performed amplitude and frequency of the received signals, then to the digital-analog unit for generating and transmitting data 7, where they are converted into digital form and fed to the input of the control unit 5, which is a microcomputer. Then these signals are transmitted for analysis and calculation of significant indicators and characteristics of the activity (power, frequency of contraction, etc.) of the user’s muscles to module 8 for processing and analyzing signals of the control unit 5. There they are compared with the signals recorded in the memory of the microcomputer 3 and based on this comparison, the parameters of feedback signals are formed in the form of parameters of intensity, frequency, duration of operation of the vibration motors 11 and are supplied from the software module for processing and analyzing signals 8 to the outputs of the control unit 5, connected to the inputs of the module 10 for controlling the vibration motors 11.
В модуле 8 обработки и анализа сигналов может быть реализован непрерывный или пороговый метод воздействия на мышцы.In module 8 of signal processing and analysis, a continuous or threshold method of influencing muscles can be implemented.
Ниже представлен пример работы устройства.Below is an example of how the device works.
Блок формирования и передачи данных 7 производит оцифровку ЭМГ сигналов, поступающих с блока приема и усиления ЭМГ сигналов 6, используя встроенный в блок формирования и передачи данных 7 АЦП и передает полученные данные в оперативную память блока управления 5. Также блок 7 формирует пакеты данных и осуществляет их передачу по радиоканалу на внешнее устройство 12. На блок управления 5 поступают команды настроек и управления, передаваемые на модуль 9 настройки Протокола управления вибромоторами 11.The data generation and transmission block 7 digitizes EMG signals coming from the EMG signal receiving and amplification block 6, using the ADC built into the data generation and transmission block 7 and transmits the received data to the RAM of the control unit 5. Also, block 7 generates data packets and carries out their transmission via radio channel to an external device 12. The control unit 5 receives settings and control commands transmitted to the configuration module 9 of the Vibration Motor Control Protocol 11.
При запуске работы программ модуля 8 обработки и анализа сигналов выполняются следующие задачи относительно модуля управления вибромоторами 10:When you start the programs of signal processing and analysis module 8, the following tasks are performed regarding the vibration motor control module 10:
предварительная фильтрация данных для устранения влияния постоянной составляющей сигнала;preliminary filtering of data to eliminate the influence of the DC component of the signal;
расчет уровня сигнала, который сравнивается с заданными критериями;calculating the signal level, which is compared with specified criteria;
по результатам сравнения рассчитанного уровня сигнала устанавливаются параметры широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для передачи на модуль 10 управления вибромоторами 11;based on the results of comparing the calculated signal level, pulse width modulation (PWM) parameters are set for transmission to module 10 for controlling vibration motors 11;
передаются обработанные данные на внешнее устройство управления и вывода информации 12, если оно было подключено;the processed data is transmitted to an external control and information output device 12, if it was connected;
передаются команды настроек и управления от внешнего устройства управления и вывода информации 12 на модуль 8 обработки и анализа сигналов и модуль 10 управления вибромоторами 11.Settings and control commands are transmitted from the external control and information output device 12 to the signal processing and analysis module 8 and the vibration motors 11 control module 10.
В ПО модуля 8 обработки и анализа сигналов реализованы два метода воздействия, в зависимости от степени напряжения мышц пользователя: непрерывный; пороговый.In the software of module 8 of signal processing and analysis, two methods of influence are implemented, depending on the degree of tension in the user’s muscles: continuous; threshold.
Выбор метода воздействия определяется при помощи модуля 9 настройки Протокола управления вибромоторами 11 заданием параметров системы для любого из вибромоторов 11 независимо, и метод может быть изменен в процессе работы системы.The choice of impact method is determined using module 9 for setting the Protocol for controlling vibration motors 11 by setting system parameters for any of the vibration motors 11 independently, and the method can be changed during operation of the system.
Непрерывный метод позволяет регулировать интенсивность обратной связи в соответствии с текущим уровнем активности мышцы пользователя. Изменение интенсивности происходит в реальном времени с небольшой задержкой, определяемой шириной окна RMS.The continuous method allows the intensity of the feedback to be adjusted according to the user's current muscle activity level. The intensity change occurs in real time with a short delay determined by the width of the RMS window.
Пороговый метод позволяет выбирать интенсивность обратной связи в зависимости от установленных порогов уровня RMS. В ПО могут быть настроены два порога: нижний и верхний, которые делят диапазон значений RMS на три зоны - нижнюю, среднюю и верхнюю. Каждой зоне присваивается интенсивность обратной связи и время стимуляции. При попадании измеренного значения RMS в соответствующую зону система вибростимуляции будет производить стимуляцию с соответствующим уровнем интенсивности и в течение указанного времени, что позволяет использовать различные стратегии стимуляции. Например, при уровне RMS ниже нижнего предела система вибростимуляции будет подавать длинные импульсы низкой интенсивности. При уровне RMS в рамках пределов - установлена нулевая интенсивность, то есть вибростимуляция отключена, а при уровне RMS превышающем верхний предел, система вибростимуляции будет подавать частые короткие импульсы высокой интенсивности. Также в ПО модуля 8 обработки и анализа сигналов встроен защитный алгоритм, предотвращающий включение стимуляции в случае превышения ЭМГ-сигналом установленного уровня, что может быть вызвано плохим контактом сенсоров с кожей пользователя. Уровень порога настраивается для каждого канала.The threshold method allows you to select the feedback intensity depending on the set RMS level thresholds. Two thresholds can be configured in the software: lower and upper, which divide the range of RMS values into three zones - lower, middle and upper. Each zone is assigned a feedback intensity and stimulation time. When the measured RMS value falls within the appropriate zone, the vibration stimulation system will stimulate at the appropriate level of intensity and for the specified time, allowing for a variety of stimulation strategies. For example, if the RMS level is below the lower limit, the vibration stimulation system will deliver long pulses of low intensity. When the RMS level is within the limits, the intensity is set to zero, that is, vibration stimulation is disabled, and when the RMS level exceeds the upper limit, the vibration stimulation system will deliver frequent short pulses of high intensity. Also, the software of module 8 for processing and analyzing signals has a built-in protective algorithm that prevents the activation of stimulation if the EMG signal exceeds the set level, which may be caused by poor contact of the sensors with the user’s skin. The threshold level is adjustable for each channel.
Модуль 10 управления вибромоторами 11 осуществляет обратную связь с пользователем при использовании предмета одежды 1 с помощью вибромоторов 11, расположенных на предмете одежды 1 рядом с контролируемой мышцей.Module 10 for controlling vibration motors 11 provides feedback to the user when using the garment 1 using vibration motors 11 located on the garment 1 next to the controlled muscle.
Модуль 10 управления вибромоторами 11 позволяет независимо включать/выключать любой из модулей обратной связи. При включении вибромоторов 11 имеется возможность задания до 15 уровней интенсивности воздействия для более комфортной настройки под конкретного пользователя. Модуль 10 управления вибромоторами 11 поддерживает два режима работы для корректировки движений: управляемый внешним устройством; автономный. В режиме управления с внешнего устройства модуль 10 управления вибромоторами 11 может получать команды управления извне по радиоканалу. В данном режиме внешнее устройство 12 может включать/выключать любой канал стимуляции с требуемой интенсивностью. В автономном режиме модуль 10 управления вибромоторами 11 осуществляет управление вибромоторами 11 в соответствии с уровнями ЭМГ-сигнала, полученными сенсорами 2 через команды модуля 8 обработки и анализа сигналов. Имеется набор параметров управления, который позволяет гибко настроить связи между любым сенсором 2 и любым вибромотором 11, а также задать нужную реакцию. Параметры управления задаются при помощи модуля 9 настройки Протокола управления вибромоторами 11 с внешнего устройства управления и вывода информации 12, после чего устройство может работать без прямого управления извне.Module 10 for controlling vibration motors 11 allows you to independently turn on/off any of the feedback modules. When you turn on the vibration motors 11, it is possible to set up to 15 levels of impact intensity for more comfortable settings for a specific user. Module 10 for controlling vibration motors 11 supports two operating modes for correcting movements: controlled by an external device; autonomous. In the control mode from an external device, the module 10 for controlling the vibration motors 11 can receive control commands from the outside via a radio channel. In this mode, external device 12 can turn on/off any stimulation channel with the required intensity. In offline mode, the module 10 for controlling the vibration motors 11 controls the vibration motors 11 in accordance with the levels of the EMG signal received by the sensors 2 through the commands of the signal processing and analysis module 8. There is a set of control parameters that allows you to flexibly configure connections between any sensor 2 and any vibration motor 11, as well as set the desired reaction. Control parameters are set using module 9 for setting the protocol for controlling vibration motors 11 from an external control and information output device 12, after which the device can operate without direct external control.
В качестве внешнего устройства управления и вывода информации 12 используется, например, смартфон, персональный компьютер, очки дополненной реальности. Протокол передачи сигнала напряжения мышц на внешние устройства позволит дополнительно связывать систему с различными внешними устройствами: манипуляторами и системой ассистирования, электромеханическими протезами, устройствами бытовой электроники (игровые устройства, интерфейсы управления программами ПК и смартфонов) использовать сигнал управления любой мышцей по желанию пользователя, т.е. в новой степени реализовать понятие человеко-машинного взаимодействия.As an external control and information output device 12, for example, a smartphone, a personal computer, or augmented reality glasses are used. The protocol for transmitting the muscle tension signal to external devices will allow you to additionally connect the system with various external devices: manipulators and assistance systems, electromechanical prostheses, consumer electronics devices (gaming devices, control interfaces for PC and smartphone programs) to use the control signal for any muscle at the user’s request, i.e. e. realize the concept of human-machine interaction to a new extent.
В качестве программного обеспечения для предлагаемого устройства могут быть использованы следующие программные продукты: «Программа визуализации ЭМГ сигналов и обучения движениям с помощью стимуляции (Myoman)», рег. № RU 2022610589; «Программное обеспечение обработки ЭМГ сигналов и передачи по беспроводному каналу связи», рег. № RU 2022610601.The following software products can be used as software for the proposed device: “Program for visualizing EMG signals and training movements using stimulation (Myoman)”, reg. No. RU 2022610589; “Software for processing EMG signals and transmitting via a wireless communication channel,” reg. No. RU 2022610601.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU223369U1 true RU223369U1 (en) | 2024-02-15 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4214263A1 (en) * | 1992-05-03 | 1993-11-04 | Maximilian Dr Moser | Garment has sensors coming into contact with body parts - where values received by sensors are led to central collector |
| WO2005032447A2 (en) * | 2003-08-22 | 2005-04-14 | Foster-Miller, Inc. | Physiological monitoring garment |
| CN205107646U (en) * | 2015-10-13 | 2016-03-30 | 翁小翠 | Intelligent garment |
| RU2700089C1 (en) * | 2018-05-11 | 2019-09-12 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Method for early diagnosis of farm animals diseases based on garments from clever tissue |
| CN211409041U (en) * | 2019-12-27 | 2020-09-04 | 江西服装学院 | Intelligent garment capable of monitoring body condition in real time |
| US10973413B2 (en) * | 2015-10-07 | 2021-04-13 | Fiomet Ventures, Inc. | Advanced compression garments and systems |
| US11638676B2 (en) * | 2014-08-26 | 2023-05-02 | Ventrk, Llc | Garment system including at least one sensor and at least one actuator responsive to the sensor and related methods |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4214263A1 (en) * | 1992-05-03 | 1993-11-04 | Maximilian Dr Moser | Garment has sensors coming into contact with body parts - where values received by sensors are led to central collector |
| WO2005032447A2 (en) * | 2003-08-22 | 2005-04-14 | Foster-Miller, Inc. | Physiological monitoring garment |
| US11638676B2 (en) * | 2014-08-26 | 2023-05-02 | Ventrk, Llc | Garment system including at least one sensor and at least one actuator responsive to the sensor and related methods |
| US10973413B2 (en) * | 2015-10-07 | 2021-04-13 | Fiomet Ventures, Inc. | Advanced compression garments and systems |
| CN205107646U (en) * | 2015-10-13 | 2016-03-30 | 翁小翠 | Intelligent garment |
| RU2700089C1 (en) * | 2018-05-11 | 2019-09-12 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Method for early diagnosis of farm animals diseases based on garments from clever tissue |
| CN211409041U (en) * | 2019-12-27 | 2020-09-04 | 江西服装学院 | Intelligent garment capable of monitoring body condition in real time |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7410993B2 (en) | Gait adjustment systems and devices and their use | |
| US10405764B2 (en) | Brain-controlled body movement assistance devices and methods | |
| KR102363552B1 (en) | Topical neurological stimulation | |
| US7349739B2 (en) | Method and apparatus for neurophysiologic performance | |
| US8308665B2 (en) | Method and apparatus for improving human balance and gait and preventing foot injury | |
| KR102615410B1 (en) | System and method for electrotactile feedback | |
| Greenwald et al. | A VLSI neural monitoring system with ultra-wideband telemetry for awake behaving subjects | |
| CN110420383A (en) | A kind of adjustable function electro photoluminescence control method based on multi-modal fusion feedback | |
| EP3938025B1 (en) | Integrated device for electromyography and electrotherapy | |
| TWI661820B (en) | Lower limb rehabilitation system | |
| Rossi et al. | An event-driven closed-loop system for real-time FES control | |
| CN212941005U (en) | Myoelectric biofeedback therapeutic instrument | |
| Oliveira et al. | Data acquisition, conditioning and processing system for a wearable-based biostimulation | |
| RU223369U1 (en) | A device in the form of a piece of clothing for recording and correcting muscle activity | |
| CN111803351A (en) | Affected limb local sensation triggering type cerebral apoplexy hindhand function rehabilitation therapeutic apparatus | |
| Shimojo et al. | Development of a system for experiencing tactile sensation from a robot hand by electrically stimulating sensory nerve fiber | |
| Osama et al. | Emotiv EPOC+ fed electrical muscle stimulation system; an inexpensive brain-computer interface for rehabilitation of neuro-muscular disorders | |
| CN113713252B (en) | Bionic type body sense reconstruction method for prosthetic wrist and elbow joint | |
| KR20200118501A (en) | Non-invasive nerve stimulation | |
| CN213130701U (en) | Affected limb local sensation triggering type cerebral apoplexy hindhand function rehabilitation therapeutic apparatus | |
| CN115068286A (en) | Wearable data acquisition device based on rehabilitation massage therapy and use method | |
| CN114652958A (en) | Replacement type wrist elbow joint proprioception reconstruction method based on nerve electrical stimulation system | |
| WO2011003967A1 (en) | A dual electrode for a treatment apparatus | |
| EP3895759A1 (en) | Garment and method for traning muscles | |
| Wang et al. | Wearable and wireless distributed multi-site fes prototype for selective stimulation and fatigue reduction: a case study |