Разработка и анализ функционального протеза руки с нейрофизиологической системой управления

МАГИСТЕРСКАЯ РАБОТА
Автор работы: О.О. Ковалев
Научный руководитель: д.ф-м.н., зав. каф. ТМ А.М. Кривцов

Введение

Изумительный прогресс человечества, наблюдаемый в наши дни, является результатом его положительного эволюционного развития. Одним из наиболее важных органов, претерпевших эволюционный прогресс является верхняя конечность. Верхняя конечность подверглась наиболее специфическому развитию и достигла самой совершенной функции и анатомической структуры. Такое развитие в значительной степени повлияло на становление современной культуры как материальной и технической, так и духовной.

Огромная доля движений, выполняемых человеком повседневно, приходится именно на верхнюю конечность, в частности на кисть и на пальцы. Домашний быт, самообслуживание, все это не мыслимо без ее участия. Рука играет основную роль в многообразных бытовых процессах. Развитие современного общества привело к повсеместному использованию цифровой техники, управление которой требует только лишь движений пальцев, и немыслимо без участия рук. Научно-техническая революция и почти полная механизация на производствах, привели к тому, что тяжелый ручной труд свелся к движениям, также выполняемым только лишь движениями пальцев руки.

На ряду с невероятно сложной моторикой, кисть обладает познавательными свойствами, она является познавательным органом человека. Благодаря осязанию пальцами мы получаем наиболее точную информацию о форме, объеме, поверхности, консистенции, температуре используемых нами предметов. При помощи руки, как и с участием зрения и слуха, формируется у нас представление о внешнем мире и, как справедливо отмечает А. Я. Каплан, она, действительно, представляет собой продолжение нашего мозга в окружающей среде.

Рука напрямую связана с личностью человека и в определенной мере характеризует ее своими движениями. Руки участвуют в выражении наших чувств и порывов, мы пользуемся руками творя стихи, поэмы, набирая на компьютере научные статьи, играя на музыкальных инструментах. В руке лежит кисть для сотворения величайших произведений искусств, и многие шедевры Микеланджело, Репина, Родена и других мастеров искусства заслуженно пользуются всемирной известностью. Рука переносит наш внутренний мир на холсты и выражает его в музыке.

Кисть способна выполнять все эти сложные и многообразные действия благодаря редким качествам, которыми она обладает, а именно высокой чувствительностью, богатой двигательной возможностью со значительной силой захвата и завидной координацией, а также и тонкостью движений, осуществляемых на базе совершенной кибернетической регуляции.

Тенденции, определяющие необходимость создания функциональных протезов

Утрата руки для любого человека становиться большой трагедией в жизни и меняет ее переломным образом. Человек начинает испытывать большой дискомфорт в ведении повседневных дел, ему сложно выполнять даже простейшие операции, будь то почистить мандарин или завязать шнурки. Если утрачена одна рука, человек способен в большинстве бытовых ситуаций справить второй рукой. Если утеряны обе конечности, то человек становиться полностью не дееспособным. Можно ли представить, какая это трагедия для музыканта, художника, инженера? Что в такой ситуации делать отцу или матери, которые воспитывают детей?

Согласно статистике, на $10000$ мужского и женского населения России четыре человека в год утрачивают конечность в результате травмы \cite{Travm}. Среди больных с ампутационными дефектами, лица с ампутациями верхних конечностей составляют $8\%$. При этом вычленение и ампутационная культя плеча на различных уровнях — в $24.5\%$ случаев, культя предплечья — $29.4\%$, культя кисти — $3.9\%$, культя пальцев кисти — $42.2\%$ \cite{MSE}. Таким образом, в год число людей, нуждающихся в протезировании в результате травм, по городу Санкт-Петербург (с численностью населения более $5$ млн. человек) составляет более $160$ человек. По России – более $4 592$ человек в год. С учетом пациентов, нуждающихся в протезировании в результате патологий, не связанных с травмами (диабет, болезни сосудов, врожденные патологии и т. д.), число нуждающихся в протезировании значительно превышает $4 592$ человек в год. С учетом пациентов, получивших травму в предыдущие годы, данная цифра значительно возрастет. Согласно источнику \cite{Struct} ежегодно в России на протезно-ортопедических предприятиях выпускается до $8.5$ тысяч косметических и тяговых протезов верхних конечностей (данные до $2006$ года).

Не вызывает сомнений, что задача по возврату человеку функций утраченной руки представляет большую актуальность. При современном развитии науки и техники, а также медицины, наиболее возможным вариантом представляется создание электромеханических протезов, по внешнему виду и функционалу походящих на природные конечности.

Цель работы

Как было показано выше, создание функционального протеза прядставляет большую актуальность для современной медицины, а главное, современное состояние науки и техники уже позволяет создавать искусственные руки, которые могут облегчать жизнь людей, утративших верхнюю конечность. Но существующие протезы требуют дальнейших доработок с целью их усовершенствования.

Целью данной работы является разработка и анализ функционального протеза руки, максимально схожего с человеческой рукой и обладающего адаптивной нейрофизиологической системой управления.

Результаты работы

В данной работе проводится разработка и исследование функционального протеза руки с нейрофизиологической системой управления. Получены следующие результаты:

• Проведен анализ анатомии и принципов работы человеческой руки. Определены основные параметры, которым должен удовлетворять протез. Определены основные виды жестов, которые протез должен воспроизводить.

• Разработана и собрана модель функционального протеза руки на нитевых тягах. Для изготовления применена технология 3D прототипирования.

• Разработана и собрана модель модульного протеза руки.

• Проведен анализ кинематики модульного протеза руки. Получены уравнения траекторий фаланг и кончика пальца. Проведен анализ основных видов захватов, которые может совершать протез. Достигнута повторяемость 6 из 7-ми видов захватов.

• Проведен анализ динамики модульного протеза руки. Получено выражение для усилий, развиваемых на кончике пальца. Данных усилий достаточно, чтобы протезом можно было брать и удерживать большую часть предметов, используемых в быту.

• Проведено конечноэлементное моделирование модуля палец. Проанализировано распределения напряжений в деталях. По результатам моделирования получено в каких местах возникают концентраторы напряжений и из каких материалов стоит изготавливать протез.

• Разработана система регистрации мышечной активности на основе датчиков электрического потенциала с сухим контактом с кожей. Система позволяет управлять протезом осознанно.

• Проведены клинические испытания на пациенте подросткового возраста с врожденным пороком развития (аплазией) верхней конечности на уровне верхней трети предплечья.

Функциональный протез в связке с электромиографической системой управления позволил пациенту осознанно манипулировать предметами, что значительно упростило его повседневную жизнь.

Полученные результаты направлены на создание функционального протеза, и позволят в дальнейшем создать устройство максимально схожее с человеческой рукой как по внешнему виду, так и по функционалу (с учетом достижений современных науки и техники).

Дальнейшие шаги, планируемые в данной работе:

• Снижение уровня шумов, создаваемых двигателями.

• Анализ усилий, создаваемых протезом при различных видах хватов.

• Организация системы обратной связи для протеза.

• Применение массива электродов для регистрации сигналов с мышц, что позволит создать более совершенное управление протезом.