Короткі теоретичні відомості.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторної роботи №1

Дослідження властивостей біофізичної системи з енергетичним типом сигналів керування та непрограмованих стимулюючих генераторів з фіксованими параметрами

з дисципліни: “Біологічні та фізіологічні системи керування”

Розробив: Загоруйко Л.В., к.т.н., доцент

^{(підпис) (П І Б, посада)}

Затверджено на засіданні кафедри ПМБА

протокол №___ від “___” _______200__р.

Зав. Каф. ПМБА __________ С.М. Злепко

Вінниця

Мета роботи: Отримати уявлення про властивості непрограмованих біогенераторів з фізіологічними параметрами.

Короткі теоретичні відомості.

Біологічні системи управління з переважно енергетичними сигналами характеризуються наступною особливістю: основою керуючого впливу є такий показник як енергія або потужність сигналу. Сигнал може являти собою енергію світлового потоку, енергію теплового випромінювання, енергію акустичної хвилі, електричного струму, енергію випромінювання когерентних джерел наднизької потужності. Але в порівнянні з тепловою дією не теплова дія електричного струму має дещо інший прояв: електричні сигнали є основним із факторів, який забезпечує функціонування нервової системи організму, оскільки саме завдяки їм здійснюється передача збудження до рухомого органу (м’язу). Через це основна увага приділяється саме енергетичним сигналам електричного походження.

Практика керування фізіологічними функціями організму на основі електричної стимуляції відома досить давно. Ще 2000 років тому людина застосовувала розряди електричних риб (електричний скат) для лікування ряду хвороб. Однак широке використання електростимуляції для управління фізіологічними функціями розпочалося в 60-х роках 20 ст.

Під стимуляцією розуміють взагалі будь-яку з дій на живий об’єкт, спрямовану на зміну його функціонування. Так при певних параметрах електричного подразнення в тканинах, які збуджуються, виникає кількісна або якісна зміна їх стану. Змінюючи величину, тривалість і частоту імпульсів струму, можна досить ретельно аналізувати реакції-відгуки стимульованих тканин і таким чином вивчати їхній функціональний стан.

З лікувальною метою електростимуляція дозволяє:

- запобігти м’язовій атрофії при випаданні або різкому послабленні функцій руху;

- збільшувати силу м’язового скорочення при деяких видах дистрофії м’язової тканини (неврити і поліомієліт);

- підтримувати денервовані волокна в хорошому функціональному стані на протязі терміну, необхідного для настання реіннервації (наприклад, елктрогімнастика);

- поліпшити кровопостачання м’язів та інших тканин: прискорити лімфоток, відновити нормальну реактивність тканин; навчити пацієнта відтворювати відносно прості рухи; поліпшити виведення токсичних процесів, зменшити запалення.

Незалежно від місця і способу стимулюючого сигналу за родом роботи більшість електростимуляторів можна поділити на дві групи.

До першої групи відносять безпрограмні стимулятори, які являють собою за суттю генератори стимулюючих імпульсів з фіксованими параметрами, зміна яких в допустимих для приладу межах здійснюється оператором. Друга група включає в себе всі ті прилади, які мають програму зміни стимулюючих імпульсів в часі (при цьому участь оператора в установці початкових параметрів стимулюючого сигналу не виключається).

Серед програмних стимуляторів розрізняють некеровані стимулятори з фіксованою (жорсткою) програмою (одно- та багатопрограмні) і біокеровані стимулятори. В останніх керування роботою стимулятора здійснюється за допомогою інформації, яка реєструється від самого організму, який стимулюється, чи від будь якого іншого. В загальному випадку джерелом інформації може слугувати будь яка функція органу або тканини організму. Невід’ємною складовою біокерованих електростимуляторів в такому випадку є датчик програми управління.

В програмованих стимуляторах використовується інформація, яка реєструється від самого організму. Коли джерелом командних сигналів є електрична активність тканини або органу, то управління називають біокерованим.

Пристрій з формування штучних програм. Стимулятори такого типу дозволяють моделювати ряд інформативних параметрів біопотенціалів:

- амплітуду і тривалість активної фази (фази скорочення м’язів);

- затримку початку активної фази відносно моменту подачі команди на виконання ряду рухів;

- тривалість фронту наростання і спаду амплітуди сигналу в активній фазі

Принцип роботи пристрою показаний на рис. 1.

Канал 1

Рис. 1 Структурна схема електростимулятора з формувачем штучних програм: 1 – блок затримки сигналів, 2 – формувачі фронтів та активної фази згинаючої стимулюючого сигналу, 3 – генератор стимулюючого сигналу, 4 – модулятори, 5 – підсилювачі потужності, 6 – таймер.

Таймер задає початок програми руху і періодичність її повтору шляхом подання коротких імпульсів через інтервали 0.2…30с. Канальні блоки затримують сигнал на час 0.2…30с. Затримані сигнали запускає формувач активної фази 2 і її фронтів, забезпечуючи задану послідовність стимулюючих сигналів в різних каналах. Параметри формувачів 2 забезпечують установку тривалості активної фази 0.2…30с і тривалість фронтів 0.1…2с.

Донор Реципієнт

Рис. 2 Структурна схема одного каналу приладу біокерованої багатоканальної стимуляції пропорційного типу (“Миотон”): 1 – підсилювач біопотенціалів, 2 - інтегратор, 3 – модулятор, 4 – генератор, 5 – підсилювач потужності.

Області застосування біоуправління.

Електростимулятори застосовуються з наступною метою:

- для лікування і діагностики;

- для тренування м’язів;

- для боротьби з гіпокінезією і гіподинамією (для запобігання негативного виливу обмеження рухів).

Дію електростимуляції на організм людина може застосовувати в трьох напрямках:

- для стимуляції скелетних м’язів з метою нормалізації функцій опорно-рухового апарату;

- для стимуляції внутрішніх органів (серце);

- для стимуляції залоз внутрішньої секреції.

Пристрої біокерованої багатоканальної стимуляції пропорційного типузастосовуються не лише в клініках, а й з метою прискорення адаптації системи руху до нових умов і створення нового рухового стереотипу (стрибкоподібна зміна величини гравітаційного поля при виході космічного корабля на орбіту). Метод застосовується також для реабілітації деяких наслідків захворювань серцево-судинної системи, для лікування інфаркту міокарда.

Серед біокерованих стимуляторів розрізняють стимулятори релейного (порогового) типу, які працюють за принципом “так-ні”, і стимулятори пропорційного типу. Біокеровані стимулятори релейного типу по суті не містять програми часових змін параметрів стимулюючого сигналу, а в них є тільки програма ввімкнення–вимкнення стимуляції (стимулюючі імпульси надходять до пацієнта, або не надходять взагалі). В біокерованих стимуляторах пропорційного типу зміна параметрів стимулюючого сигналу в часі пропорційна деяким параметрам певних функцій організму в кожний з моментів часу.

До стимуляторів з біологічним керуванням пропорційного типу і гнучкою програмою відносяться багатоканальні пристрої програмного біоелектричного керування рухами людини такі як “Миотон” та “Миостимул-Импульс”.

Фізичні передумови методу програмного біоелектричного управління.

Управління рухами людини за методом багатоканальної стимуляції м’язів з програмним управлінням перетвореними біопотенціалами (біокерована стимуляція) спирається на наступні умови:

1. Функції аналогічних м’язів керуючої кінцівки донора і керованої кінцівки реципієнта є достатньо ідентичні. Це припущення випливає з принципів функціональної анатомії і біомеханіки. Ті ж самі м’язи діють на суглоби, забезпечують подібні рухи. Ідентичні принципи передачі сили, яка розвивається м’язом, на кісткові важелі.

2. Існує можливість селективного керування окремим м’язом.

3. В певних межах залежність між силою і швидкістю м’язового скорочення, з одного боку, і параметрами інтерференційної міограми, - з іншого, майже лінійні. Залежності між параметрами стимулу і силовими характеристиками м’язів також майже лінійні.

Поиск по сайту: