Биоэлектрическое копирование движений

Биоэлектрическое управление - молодая область науки и техники, возникшая в конце 50-х годов благодаря бурному развитию электрофизиологии, теории автоматического управления и кибернетики. В основе биоэлектрического управления лежит использование электрической активности органов и систем живого организма в качестве программы для управления различными техническими устройствами либо органами самого человека. Широко известны достижения советских и зарубежных ученых в области создания биоэлектрических протезов конечностей человека, биоэлектрического управления манипуляторами, сервосистемами, транспортными механизмами.

Рассмотрим подробнее, что же представляет собой биоэлектрическое управление движениями человека, Как удается согласовать сигналы управления с характеристиками двигательных органов человека? Каким образом эти сигналы воздействуют на живые исполнительные

Прежде всего напомним, что при выполнении любого движения в головном мозгу человека возникают нервные импульсы, которые через нисходящие нервные пути центральной нервной системы попадают в спинной мозг и оттуда по нервным волокнам — к мышцам, вызывая их сокращение. На всех этапах своего пути нервные импульсы подвергаются соответствующей обработке. В результате, общая задача движения, возникающая в коре головного мозга, обретает конкретные формы, и движение осуществляется с учетом реальных условий его выполнения. Это происходит благодаря непрерывному поступлению в центральную нервную систему сигналов обратной связи от многочисленных рецепторов, расположенных на поверхности кожи, в мышцах и сухожилиях, а также от органов чувств — зрения и слуха.

Из сказанного следует вывод, что если мы хотим получить информацию о конкретном движении, то съем ее должен производиться с наиболее низких уровней центральной нервной системы, то есть нервно-мышечных групп.

Известно, что даже в относительно простых движениях участвует не одна, а группа мышц. Поскольку функции всех мышц строго определены, то или иное движение получается в результате определенных пространственно-временных соотношений в возбуждении мышц. Эти соотношения могут быть представлены в виде некоторого образа, который обычно называют двигательным. Для получения его необходимо иметь информацию о возбуждении всех мышц, участвующих в движении. Для этого регистрируют биоэлектрическую активность мышц, которые при своем возбуждении генерируют электрические сигналы в полосе частот до 1—1,5 Гц с амплитудой до сотен милливольт. Учеными было найдено, что некоторые паоаметры суммарной биоэлектрической активности мышцы (электромиограммы) имеют прямую взаимосвязь с механическими характеристиками мышцы. Следовательно, комплекс усредненных значений элекромиограмм всех мышц, участвующих в движении, является аналогом двигательного образа. Он получил название электромиографического образа движения.

Электромиограммы мышц наиболее просто получить с помощью накожных электродов, устанавливаемых в зонах максимального сигнала данной мышцы. Электроды подключают к усилителям с большим коэффициентом усиления, в которых к тому же приняты меры для защиты от всевозможных наводок.

Как уже говорилось, при биоэлектрическом управлении движениями человека в качестве исполнительных механизмов используются двигательные органы человека. Еще со времен Гальвани известен эффект возбуждения нервно-мышечных групп электрическим током. Электростимуляция широко используется в медицинской практике для лечения некоторых заболеваний нервной системы и мышц. В начале 60-х годов Л. Алеевым и автором этих строк было предложено использовать электрическое возбуждение мышц для целей управления движениями, то есть осуществить дозированное возбуждение мышц человека — реципиента, в соответствии с программой, снимаемой в виде электромиографического образа с другого человека — донора. И это удалось сделать.

Был создан специальный многоканальный прибор — "Миотон", который позволяет осуществить управление рядом движений верхних и нижних конечностей, торса и головы человека.

На рис. 1 показана упрощенная блок-схема одного канала «Миотона». Электромиографический сигнал снимается с донора поверхностными электродами, усиливается усилителем биопотенциалов и подается на интегрирующее устройство. Интегрирующее устройство производит усреднение сигнала во времени, после чего он подается на модулятор, на который, кроме того, поступает сигнал от генератора стимулирующих сигналов -сигналов прямоугольной или синусоидальной формы определенной частоты, вызывающих адекватное возбуждение нервно-мышечных групп у реципиента. Не выходе модулятора сигнал по форме совпадает с сигналом от генератора стимулирующих сигналов, а по амплитуде пропорционален усредненному сигналу электромнограммы.

После усиления промодулированный стимулирующий сигнал подается на стимулирующие электроды, наложенные на аналогичную мышцу реципиента.

При соответствующем выборе мышц, подборе коэффициента усиления данного канала, а также вида модуляционной кривой, с помощью «МиотОна» удается получить движения реципиента сходные с движениями донора. Многоканальный магнитофон позволяет производить запись и монтаж программ, а затем их многократно использовать в отсутствие донора.

Оказалось, что для получения движения реципиента, сходного с движениями донора, необходимо создать одинаковые внешние условия для донора и реципиента, то есть они должны иметь одинаковые исходные позы, окружающие предметы и так далее. Немаловажным является и подбор реципиента и донора. Они должны быть одинаково физически развиты, иметь более или менее сходное конституционно-анатомическое сложение.

«Миотон» представляет собой разомкнутую систему программного управления без обратной связи. Конечно, на практике обратная связь все же имеется за счет оператора, об служивающго устройство и вводящего необходимую коррекцию при заметных отклонениях движений реципиента от заданных. Но оператор не в состоянии мгновенно отреагировать на возникающие погрешности, а порой сам вводит дополнительные ошибки в работу системы.

Оптимальным решением задачи было бы использование в качестве сигналов обратной связи аналогов конечного результата движений человека — перемещений, усилий. Но тогда нужно было бы установить огромное множество датчиков этих величин на теле человека, так как только рука имеет около 50 разных степеней свободы.

Поэтому проблема построения цепей обратной связи была решена иным путем на основе способа, получившего название — биоэлектролокации. Суть его состоит в следующем. Если нервно-мышечная группа способна возбуждаться, она генерирует при этом собственные электрические колебания. Значит, если каким-либо образом отделить эти колебания от стимулирующего сигнала, то их можно использовать в качестве сигнала обратной связи, поскольку параметры их связаны со степенью возбуждения.

Подобное разделение сигналов — дело нелегкое, так как стимулирующий сигнал может превышать сигнал самой мышцы в 105—106 раз. Задача эта была решена с помощью метода временного разделения при дискретных (импульсных) стимулирующих сигналах и частотного разделения при непрерывных стимулирующих сигналах. В первом случае ответная эле ктромиограмма снимается в паузах между стимулирующими импульсами, во втором — путем отфильтровывай я стимулирующего сигнала, частота которого выбирается выше составляющих частот электромиограммы. Причем, для стимуляции мышц и отведения сигнала используются одни и те же электроды.

Биоэлектролокация была реализована в устройстве «Миотон-2» (рис. 2). Сигнал обратной связи, так же как программный сигнал, подвергается усилению и усреднению во времени, после чего сравнивается с программным сигналом. Сигнал с выхода сравнивающего устройства изменяет параметры прямого сигнала таким образом, чтобы ошибка в возбуждении данной мышцы реципиента была минимальной. «Миотон-2» является шестиканальным устройством, выполненным на транзисторах. Каждый канал независим, общим для всех шести каналов является лишь генератор стимулирующих сигналов.

С помощью подобных приборов удается осуществить эффективное лечение некоторых форм двигательных расстройств у больных. Благодаря на личию обратной связи прибор позволяет диагностировать функциональное состояние управляемых нервно-мышечных групп, поскольку исследуется их реакция на стимулирующий сигнал.

На основе принципа биоэлектроло-кации созданы и другие устройства для управления движениями конечностей человека при некоторых видах нарушения их двигательных функций. Например такие, в которых управляющий сигнал снимается не с донора, а непосредственно с больного — либо с мышцы, подвергающейся управлению, либо с других мышц, расположенных на любом расстоянии от стимулируемых.

В первом случае, при так называемой автостимуляции, мы имеем дело с искусственным усилением функции пораженной мышцы. Это возможно, если в ней сохранена хотя бы небольшая остаточная биоэлектрическая активность. Bo-втором, при взаимостимуляции мышц, сигнал снимается со здоровых мышц, а стимулируются пораженные. Этот способ сходен с биоэлектрическим протезированием. Однако здесь в качестве исполнительного механизма используется не механическое устройство (протез), а собственная парализованная конечность человека. В настоящее время устройства авто- и взаимостимуляции выполняются на основе микромодульной техники и размещаются в одежде больного.

Сказанное далеко не исчерпывает возможности биоэлектрического управления движениями человека. Разрабатываются и другие устройства, например, позволяющие проводить раннюю диагностику заболеваний нервно-мышечной системы, стабилизировать положения конечностей человека при самопроизвольных двигательных актах и т. д.

Биоэлектрическое управление движениями человека может применяться также при обучении тем или иным двигательным навыкам в спорте, при профессиональной подготовке и т.д.

Несомненно, в будущем биоэлектрическое управление движениями будет применяться все шире и шире, помогая человеку решать разнообразные задачи, выдвигаемые научно-техническим прогрессом.