RU80328U1

RU80328U1 - DEVICE FOR PRODUCING BIOELECTRIC SIGNALS FOR CONTROL OF A HAND PROSTHET

Info

Publication number: RU80328U1
Application number: RU2008139544/22U
Authority: RU
Inventors: Игорь Сергеевич Пильщиков; Джамшид Рашидович Сафин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ФОТОН"
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2009-02-10

Abstract

Использование: Полезная модель относится к области медицинской техники и может быть использована в системах управления биоэлектрическими протезами верхних конечностей, а именно протезами предплечья или кисти. Сущность полезной модели: На здоровую часть конечности пациента 1 надевают приспособление для крепления датчиков на коже, представляющее собой эластичный перфорированный рукав 2 со множеством отверстий 3, в которые вставляют активные датчики 4 (фиг.1). Каждый из активных датчиков 4 выполнен на основе миниатюрной эллипсовидной печатной платы, на нижней стороне которой смонтированы два оппозитно расположенных неплоских гладких электрода длиной 6-10 мм, разнесенных друг от друга на 10-15 мм и выступающих над поверхностью платы на 1-2 мм, а на верхней стороне платы смонтирована электронная схема, включающая в себя последовательно включенные дифференциальный усилитель, фильтр и детектор. Полезный результат заключается в возможности быстрой и легкой установки и извлечения датчиков благодаря особой конструкции эластичного рукава 2 и особой форме платы активного датчика; гладкие выпуклые электроды активных датчиков 4 не раздражают и не травмируют кожу, и в то же время, они надежно прижаты.Usage: The utility model relates to the field of medical technology and can be used in control systems of bioelectric prostheses of the upper extremities, namely prostheses of the forearm or hand. The essence of the utility model: On the healthy part of the limb of the patient 1 put on a device for mounting sensors on the skin, which is an elastic perforated sleeve 2 with many holes 3 into which the active sensors 4 are inserted (Fig. 1). Each of the active sensors 4 is made on the basis of a miniature ellipsoidal printed circuit board, on the lower side of which are mounted two opposed non-planar smooth electrodes 6-10 mm long, spaced 10-15 mm apart and protruding 1-2 mm above the surface of the board, and on the upper side of the board an electronic circuit is mounted, which includes a differential amplifier, a filter and a detector connected in series. A useful result is the possibility of quick and easy installation and removal of sensors due to the special design of the elastic sleeve 2 and the special shape of the active sensor board; smooth convex electrodes of the active sensors 4 do not irritate or injure the skin, and at the same time, they are firmly pressed.

Description

Полезная модель относится к области медицинской техники и может быть использована в системах управления биоэлектрическими протезами верхних конечностей, а именно протезами предплечья или кисти.The utility model relates to the field of medical technology and can be used in control systems for bioelectric prostheses of the upper extremities, namely prostheses of the forearm or hand.

Устройства для получения биоэлектрических сигналов для управления протезами конечностей представляют собой, в общем случае, электромиографический датчик или систему датчиков, расположенных на здоровой части конечности с помощью каких-либо приспособлений для крепления этих датчиков на коже. Наилучшее качество сигнала обеспечивают имплантируемые датчики, электроды которых вживляются в биоткань и имеют непосредственный гальванический контакт с периферическими нервными отростками [Патент США №6996435, Опубл. 7 февраля 2006]. Однако сама процедура имплантирования довольно сложна, травматична и имеет высокую стоимость. Удалить при необходимости вживленный датчик также непросто.Devices for receiving bioelectric signals for controlling limb prostheses are, in general, an electromyographic sensor or a system of sensors located on a healthy part of a limb using any devices to attach these sensors to the skin. The best signal quality is provided by implantable sensors, the electrodes of which are implanted into biological tissue and have direct galvanic contact with peripheral nerve processes [US Patent No. 6996435, Publ. February 7, 2006]. However, the implantation procedure itself is quite complicated, traumatic and has a high cost. It is also not easy to remove the implanted sensor if necessary.

Поэтому тогда, когда требуется быстрое подсоединение и отсоединение протеза, используют накладные электродные датчики с различными устройствами их крепления. Самым простым из известных решений является использование кусочков пластыря для приклеивания электродной системы датчиков к коже [Патент США №6605046, Опубл. 12 августа 2003]. Известны решения, когда для для улучшения качества сигнала используют токопроводящие гели, заполняющие пространство между электродом датчика и кожей [Патент США №3464404, Опубл. 2 сентября 1969]. Для качественного крепления электрода к коже используют также устройства с пневмоотсосом, позволяющие прижать электрод к коже за счет сильного разрежения воздуха в изолированном Therefore, when fast connection and disconnection of the prosthesis is required, overhead electrode sensors with various devices for their fastening are used. The simplest of the known solutions is the use of pieces of a patch for gluing an electrode system of sensors to the skin [US Patent No. 6605046, Publ. August 12, 2003]. Solutions are known when conductive gels are used to improve the signal quality, filling the space between the sensor electrode and the skin [US Patent No. 3464404, Publ. September 2, 1969]. For high-quality fastening of the electrode to the skin, devices with a pneumatic suction device are also used, which allow the electrode to be pressed to the skin due to the strong rarefaction of air in an isolated

пространстве под специальным резиновым колпачком [Патент США №5345935, Опубл. 13 сентября 1994].the space under a special rubber cap [US Patent No. 5345935, Publ. September 13, 1994].

Однако крепление описанных датчиков часто не обладает достаточным удобством использования и надежностью. Процедура приклеивания и отклеивания датчиков не может быть многоразовой и требует замены липких элементов. Сам липкий состав может вызывать раздражение кожи. Использование гелей и присосок часто только усложняет и удлиняет процесс крепления датчиков. Кроме того, слабый электромиографический сигнал часто подвергается действию наводок и помех.However, the mounting of the described sensors often does not have sufficient usability and reliability. The procedure for gluing and peeling sensors cannot be reusable and requires the replacement of sticky elements. The sticky composition itself can cause skin irritation. The use of gels and suction cups often only complicates and lengthens the process of mounting sensors. In addition, a weak electromyographic signal is often exposed to interference and interference.

В некоторой степени описанные проблемы решаются с помощью следующего устройства, выбранного в качестве прототипа и которое близко к предлагаемому по технической сущности. Это устройство [Патент США №6622035, Опубл. 16 сентября 2003, А61В 5/0408] для получения биоэлектрических сигналов содержит так называемый активный датчик плоской круглой формы и приспособление для его крепления на коже в виде кольца с липким слоем по краю датчика. Активным датчик называется потому, что он, кроме собственно множества электродов в виде маленьких иголок, имеет еще в своем составе активные электронные каскады (усиления, фильтрации и т.д.), выполненные в микроэлектронном исполнении и размещенные на наружной плоскости самого датчика. Электроды-иголки слегка протыкают верхний слой эпидермиса при прикладывании и приклеивании датчика, чем обеспечивается надежность электрического контакта с кожей. Все электроды связаны со входом усилителя. Непосредственная близость усилительных и обрабатывающих каскадов к электродам позволяет минимизировать влияние наводок на полезный сигнал. Усиленный сигнал подается по экранированному проводу в схему управления протезом.To some extent, the described problems are solved using the following device, selected as a prototype and which is close to the proposed technical essence. This device [US Patent No. 6622035, publ. September 16, 2003, A61B 5/0408] for receiving bioelectric signals, contains a so-called active sensor of a flat round shape and a device for mounting it on the skin in the form of a ring with an adhesive layer along the edge of the sensor. An active sensor is called because it, in addition to the actual set of electrodes in the form of small needles, also includes active electronic cascades (amplification, filtering, etc.) made in microelectronic design and placed on the outer plane of the sensor itself. Needle electrodes pierce the upper layer of the epidermis slightly when applying and gluing the sensor, which ensures the reliability of electrical contact with the skin. All electrodes are connected to the input of the amplifier. The close proximity of the amplifying and processing stages to the electrodes minimizes the influence of interference on the useful signal. The amplified signal is fed through a shielded wire to the prosthesis control circuit.

Однако недостатки по части удобства использования таких устройств для управления протезом руки остаются, а именно: частое прикрепление и открепление протеза должно сопровождаться заменой липкого элемента крепления, а длительное использование датчика с игольчатыми электродами вызывает раздражение кожи.However, disadvantages regarding the convenience of using such devices to control the prosthesis of the hand remain, namely: frequent attachment and detachment of the prosthesis should be accompanied by a replacement of the adhesive fastener, and prolonged use of the sensor with needle electrodes causes skin irritation.

Задачей, решаемой данной полезной моделью, является повышение удобства использования устройства получения биоэлектрических сигналов за счет усовершенствования конструкции активных датчиков и приспособления для их крепления на поверхности кожи.The problem solved by this utility model is to increase the usability of the device for receiving bioelectric signals by improving the design of active sensors and devices for mounting them on the surface of the skin.

Задача решается за счет того, что в известном устройстве получения биоэлектрических сигналов для управления протезом руки, содержащем активный датчик и приспособление для его крепления на коже, имеются следующие отличительные особенности: активных датчиков может быть несколько, а приспособление для их крепления на коже едино для всех датчиков, каждый из активных датчиков выполнен на основе миниатюрной печатной платы эллипсовидной формы, на нижней стороне которой смонтированы два оппозитно расположенных неплоских гладких электрода длиной 6-10 мм, разнесенных друг от друга на 10-15 мм и выступающих над поверхностью платы на 1-2 мм, а на верхней стороне платы смонтирована электронная схема, включающая в себя последовательно включенные дифференциальный усилитель, фильтр и детектор, причем входы дифференциального усилителя электрически связаны с соответствующими электродами, в середине платы распаян жгут электрических проводов, соединяющий цепи питания и выход детектора датчика с соответствующими контактами на электроуправляемом протезе руки, приспособление для крепления активных датчиков на коже представляет собой эластичный перфорированный рукав из непроводящего материала, с одинаковыми круглыми отверстиями, диаметр которых равней или немного меньше малого диаметра эллипса платы.The problem is solved due to the fact that in the known device for receiving bioelectric signals for controlling a prosthetic arm containing an active sensor and a device for mounting it on the skin, there are the following distinctive features: there can be several active sensors, and the device for mounting them on the skin is the same for everyone sensors, each of the active sensors is based on a miniature elliptical printed circuit board, on the lower side of which are mounted two opposite non-planar smooth electrodes for another 6-10 mm, spaced 10-15 mm apart and protruding 1-2 mm above the surface of the board, and an electronic circuit is mounted on the top side of the board, which includes a differential amplifier, a filter and a detector in series, the inputs of the differential the amplifier is electrically connected to the corresponding electrodes, in the middle of the board a wiring harness of electrical wires connecting the power supply circuit and the detector output of the sensor with the corresponding contacts on the electrically operated prosthesis of the hand, a fixture active sensors on the skin is an elastic perforated sleeve of non-conductive material, with the same round holes, the diameter of which is equal to or slightly smaller than the small diameter of the ellipse of the board.

На фиг.1 показано расположение на теле пациента предлагаемого устройства и управляемого от него протеза. На фиг.2 показана конструкция активного датчика, а на фиг.3 - его функциональная схема. На фиг.4 показано расположение активного датчика между эластичным перфорированным рукавом и кожей пациента.Figure 1 shows the location on the patient's body of the proposed device and the prosthesis controlled from it. Figure 2 shows the design of the active sensor, and figure 3 is its functional diagram. Figure 4 shows the location of the active sensor between the elastic perforated sleeve and the skin of the patient.

В позициях на рисунках обозначены: 1 - здоровая часть конечности пациента, 2 - приспособление для крепления активных датчиков на коже, представляющее собой эластичный перфорированный рукав, 3 - отверстия в эластичном перфорированном рукаве, 4 - активные датчики, 5 - жгуты электрических проводов, 6 - электрический разъем электроуправляемого протеза руки, 7 - электроуправляемый протез руки, 8 - эллипсовидная плата активного датчика, 9 - электроды активного датчика, 10 - контактная колодка активного датчика, 11 - дифференциальный усилитель, 12 - фильтр, 13 - детектор, 14 - кожный покров конечности пациента.The positions in the figures indicate: 1 - the healthy part of the patient's limb, 2 - the device for attaching active sensors to the skin, which is an elastic perforated sleeve, 3 - holes in the elastic perforated sleeve, 4 - active sensors, 5 - electric wire harnesses, 6 - electrical connector of the electrically controlled prosthesis of the hand, 7 - electrically controlled prosthesis of the hand, 8 - ellipsoid board of the active sensor, 9 - electrodes of the active sensor, 10 - contact block of the active sensor, 11 - differential amplifier, 12 - filter, 13 - detector, 14 - skin of the limb of the patient.

Каждый из активных датчиков 4 выполнен на основе миниатюрной эллипсовидной печатной платы 8, на нижней стороне которой смонтированы два оппозитно расположенных неплоских гладких электрода 9 длиной 6-10 мм, разнесенных друг от друга на 10-15 мм и выступающих над поверхностью платы на 1-2 мм, а на верхней стороне платы смонтирована электронная схема, включающая в себя последовательно включенные дифференциальный усилитель 11, фильтр 12 и детектор 13, причем входы дифференциального усилителя 11 электрически связаны с соответствующими электродами 9, в середине платы посредством контактной колодки 10 распаян жгут электрических проводов 5, соединяющий цепи питания и выход детектора датчика с соответствующими контактами на электроуправляемом протезе руки посредством разъема 6.Each of the active sensors 4 is made on the basis of a miniature ellipsoid printed circuit board 8, on the lower side of which are mounted two opposed non-planar smooth electrodes 9 6-10 mm long, spaced 10-15 mm apart and protruding 1-2 from the surface of the board mm, and on the upper side of the board there is an electronic circuit mounted, including a differential amplifier 11, a filter 12 and a detector 13 connected in series, the inputs of the differential amplifier 11 being electrically connected to the corresponding electrodes 9, eredine board via a contact pad 10 soldered harness of electrical wires 5, which connects the power supply circuit and the sensor detector output with the corresponding contacts on the electrically prosthesis arms 6 through the connector.

Устройство подготавливают к работе следующим образом.The device is prepared for operation as follows.

На здоровую часть конечности пациента 1 надевают эластичный перфорированный рукав 2. Крепят на руке электроуправляемый протез 7. Затем закрепляют активные датчики 4. Каждый из них закрепляют в эластичном рукаве 2 путем проталкивания узкого конца платы 8 в отверстие 3 в эластичном перфорированном рукаве 2 электродами вниз. Причем при вставке активного датчика 4 деформируют отверстие 3 таким образом, чтобы и второй край эллипса платы 8 оказался под эластичным перфорированным рукавом 2. В результате эластичный перфорированный рукав 2 должен покрывать и прижимать плату 8 к поверхности кожи 14 как показано на фиг.4. Необходимо, чтобы длинная сторона платы 8 располагалась вдоль мышечных волокон. При этом обеспечивается качественный контакт электродов 9 с кожей, - хорошему контактированию способствует также выпуклая форма электродов. Через отверстие 3 выходит жгут соединительных проводов 5, распаянный в середине платы. Другой конец жгута подсоединяют к разъему 6 на электроуправляемом протезе 7.An elastic perforated sleeve 2 is put on the healthy part of the patient’s limb 1. An electrically controlled prosthesis 7 is attached to the arm. Then, active sensors 4 are fixed. Each of them is fixed in the elastic sleeve 2 by pushing the narrow end of the board 8 into the hole 3 in the elastic perforated sleeve 2 with the electrodes down. Moreover, when the active sensor 4 is inserted, the hole 3 is deformed so that the second edge of the ellipse of the board 8 is beneath the elastic perforated sleeve 2. As a result, the elastic perforated sleeve 2 should cover and press the board 8 against the skin surface 14 as shown in Fig. 4. It is necessary that the long side of the board 8 is located along the muscle fibers. This ensures high-quality contact of the electrodes 9 with the skin, - the convex shape of the electrodes also contributes to good contact. Through the hole 3 comes out a bundle of connecting wires 5, soldered in the middle of the board. The other end of the tourniquet is connected to connector 6 on an electrically-controlled prosthesis 7.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Между электродами 9 активного датчика 4, прижатыми к поверхности кожи 14, при сокращении мышц появляется так называемый электромиографический сигнал в виде переменного напряжения, который усиливается дифференциальным усилителем 11, проходит через фильтр 12 и затем дектектируется детектором 13, после которого уже в виде постоянного напряжения подается в электроуправляемый протез 7 для включения соответствующего привода.Between the electrodes 9 of the active sensor 4, pressed against the surface of the skin 14, when the muscles contract, a so-called electromyographic signal appears in the form of an alternating voltage, which is amplified by a differential amplifier 11, passes through a filter 12 and then is detected by a detector 13, after which a constant voltage is applied in the electrically controlled prosthesis 7 to include the corresponding drive.

Перфорация в эластичном перфорированном рукаве 2 несет двойную функциональную нагрузку: во-первых, она является средством быстрого и легкого закрепления активных датчиков 4 в нужных местах; во-вторых, она является средством вентиляции, благодаря которому выделения пота испаряются с поверхности кожи.Perforation in an elastic perforated sleeve 2 carries a double functional load: firstly, it is a means of quickly and easily fixing the active sensors 4 in the right places; secondly, it is a means of ventilation, due to which sweat secretions evaporate from the surface of the skin.

Дифференциальный усилитель, известный в электронике [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк. - 1991. - С.396] в данном случае оказывается выгоднее обычного усилителя, так как позволяет подавить синфазную наводку. Фильтр 12 представляет собой активный полосовой фильтр [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк. - 1991. - С.434], пропускающий сигнал только в информативной полосе частот. Детектор 13 в простейшем случае может представлять собой нелинейный элемент с фильтром низкой частоты [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк. - 1991. - С.470-480].A differential amplifier known in electronics [Gusev V.G., Gusev Yu.M. Electronics. - M .: Higher. school - 1991. - P.396] in this case is more profitable than a conventional amplifier, as it allows to suppress common-mode interference. Filter 12 is an active band-pass filter [Gusev V.G., Gusev Yu.M. Electronics. - M .: Higher. school - 1991. - P.434], transmitting a signal only in an informative frequency band. The detector 13 in the simplest case may be a nonlinear element with a low-pass filter [Gusev V.G., Gusev Yu.M. Electronics. - M .: Higher. school - 1991. - S. 470-480].

Описанное устройство обладает следующими достоинствами по сравнению с известными аналогами:The described device has the following advantages compared to known analogues:

1) активные датчики электромиографического сигнала могут легко и быстро устанавливаться и извлекаться благодаря особой конструкции эластичного рукава 2 и особой форме платы 8 активного датчика; это обеспечивает быстроту установки и снятия всего протеза в целом;1) active electromyographic signal sensors can be easily and quickly installed and removed due to the special design of the elastic sleeve 2 and the special shape of the active sensor board 8; this ensures the speed of installation and removal of the entire prosthesis as a whole;

2) благодаря множественной перфорации в эластичном рукаве 2 есть возможность подбирать наилучшее расположение датчиков, располагая их в местах, обеспечивающих высокий уровень сигнала и избирательность к сокращению определенных групп мышц;2) due to multiple perforation in the elastic sleeve 2, it is possible to select the best location of the sensors, placing them in places that provide a high level of signal and selectivity for the reduction of certain muscle groups;

3) гладкие выпуклые электроды 9 активных датчиков 4 не раздражают и не травмируют кожу, и в то же время, они надежно прижаты;3) smooth convex electrodes 9 of active sensors 4 do not irritate or injure the skin, and at the same time, they are firmly pressed;

4) достигается достаточная помехоустойчивость благодаря применению активных датчиков 4, в которых электроды 9 расположены очень близко к усилителю, а также благодаря применению дифференциального усилителя 11 и фильтра 12.4) sufficient noise immunity is achieved through the use of active sensors 4, in which the electrodes 9 are located very close to the amplifier, as well as through the use of a differential amplifier 11 and a filter 12.

Claims

A device for receiving bioelectric signals for controlling the prosthesis of a hand, containing an active sensor and a device for mounting it on the skin, characterized in that there can be several active sensors, and a device for mounting them on the skin is the same for all sensors, each of the active sensors is based on a miniature an ellipsoidal printed circuit board, on the lower side of which are mounted two opposed non-planar smooth electrodes 6-10 mm long, spaced 10-15 mm apart and protruding above the circuit board is 1-2 mm wide, and an electronic circuit is mounted on the upper side of the circuit board, including a differential amplifier, a filter and a detector connected in series, the inputs of the differential amplifier being electrically connected to the corresponding electrodes, and a wire harness connecting the power circuits is soldered in the middle of the board and the detector detector output with the corresponding contacts on an electrically controlled prosthesis of the hand, the device for mounting active sensors on the skin is an elastic perforated This sleeve is made of a non-conductive material with the same round holes, the diameter of which is equal to or slightly smaller than the small diameter of the ellipse of the board.