RU236617U1 - Устройство регистрации биоэлектрических потенциалов мышц и положения верхних конечностей - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области киберфизических систем и медицинских технологий и, в частности, к устройствам регистрации биоэлектрических сигналов и положения в пространстве верхних конечностей. Предложено устройство с неинвазивными датчиками регистрации биоэлектрических сигналов мышц, позволяющее свободно выполнять различные действия, не сковывая движения пользователя. Технический результат достигается при использовании устройства регистрации биоэлектрических потенциалов мышц и положения верхних конечностей, выполненное в виде эластичного элемента одежды с закрепленными на нем электромиографическими датчиками активности мышц, аккумуляторной батареей, микроконтроллером, при этом устройство выполнено в виде эластичного рукава и дополнительно снабжено 6DOF датчиками и флеш-накопителем. Технический результат заключается в повышении точности определения активности мышц при различных движениях верхних конечностей за счет повышения точности данных о положении верхних конечностей в пространстве и более точных биоэлектрических сигналов с мышц верхних конечностей.

Description

Полезная модель относится к области киберфизических систем и медицинских технологий и, в частности, к устройствам регистрации биоэлектрических сигналов и положения в пространстве верхних конечностей. Предложено устройство с неинвазивными датчиками регистрации биоэлектрических сигналов мышц, позволяющее свободно выполнять различные действия, не сковывая движения пользователя.

Из существующего уровня техники известно устройство, которое содержит, по меньшей мере, по одной антенне, передатчику для генерации наборов радиочастотных (РЧ) сигналов, приемнику для приема наборов РЧ-сигналов через, антенну и для разделения каждого принятого РЧ-сигнала в каждом наборе РЧ-сигналов на первый РЧ-сигнал и второй РЧ-сигнал, причем первый РЧ-сигнал представляет амплитуду, а второй РЧ-сигнал представляет фазовый сдвиг, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь для преобразования первых РЧ-сигналов и вторых РЧ-сигналов в каждом наборе в цифровые сигналы, центральный процессор, выполненный с возможностью обработки опорных наборов данных посредством искусственной нейронной сети, для распознавания жестов (патент RU 2641269, МПК G06F 7/00, 16.01.2018).

Устройство не позволяет регистрировать данные с мышц плеча и предплечья и положение конечности в пространстве, что не позволяет анализировать реальное положение конечностей в пространстве и соответствующие им биоэлектрические сигналы.

Также известно устройство формирования общей чувствительности в виртуальной среде, состоящее из блока управления, коммуникаций, осуществляющего коммуникацию с управляющим программным обеспечением компьютера или смартфона, очков виртуальной реальности и перчатки, оснащенной вибрационными, нагревательными и электромеханическими элементами, используемыми для стимуляции рецепторов и имитации контактных экстероцептивных ощущений. При этом элементы расположены в проекции каждой из трех фаланг всех пальцев, а тензодатчики расположены по пятнадцать на ладонной и тыльной поверхности кисти в проекции суставов фаланг кисти и лучезапястного сустава обеспечивают регистрацию кинематики кисти, регистрируют изменения радиуса жеста в том или ином суставе кисти от 5 мм. Устройство регистрации электроэнцефалограммы обеспечивает регистрацию изменения мощности и длительность частот электроэнцефалограммы в сенсомоторной области, а оптический трекер обеспечивает сопоставление расположения верхней конечности в физическом мире и в виртуальной реальности и обеспечивает оценку движения верхней конечности в плечевом, локтевом и лучезапястном суставах (Патент RU 2762857, МПК G06F 111/18, A63F 13/285, A61B 5/00, G06F 3/0346, 23.12.2021).

Однако устройство является стационарным, что не позволяет регистрировать положение верхних конечностей, в условиях нахождения пользователя вне специально оборудованной комнаты. Кроме этого отсутствует регистрация положения плеча и предплечья, что снижает точность определения положения верхней конечности целиком, а использование оптических сенсоров для регистрации положения в пространстве имеет ряд ограничений, например, при визуальном перекрытии верхней конечности объектом на переднем фоне не позволит точно определить положение верхней конечности.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство в виде предмета одежды для регистрации и коррекции активности мышц, включающее сенсоры регистрации электромиограмм, блок управления и стимуляторы мышц, в котором стимуляторы представляют собой вибромоторы, а блок управления представляет собой микрокомпьютер и выполнен с возможностью реализации 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 модуль управления вибромоторами, содержащий коммутатор и расположенный между выходами блока управления и входами вибромоторов, а входы/выходы блока управления выполнены с возможностью соединения посредством радиосвязи с внешним устройством, выполненным с возможностью запуска работы устройства, кроме того, устройство включает блоки приема и усиления электромиограмм и блоки формирования и передачи данных, при этом блок формирования и передачи данных включает в себя аналого-цифровой преобразователь, порты ввода/вывода, микропроцессор, встроенную антенну, при этом устройство выполнено из материала с основой, обеспечивающей прилегание сенсоров к коже пользователя на местах их расположения таким образом, чтобы сенсоры воспринимали сигналы, вызванные активностью мышц пользователя (Патент RU 223369, МПК A61B 5/296, A61H 23/02, A41B 1/00, 15.02.2024).

Устройство регистрирует биоэлектрические сигналы мышц только в области плеча и груди, данные с мышц в области кисти при движении кисти и фаланг пальцев не регистрируются. Кроме этого, отсутствует регистрация положения верхних конечностей в пространстве, что кратно усложняет анализ биоэлектрических сигналов мышц при определенных движениях конечностей.

Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается с регистрации наиболее полных и точных данных о положении верхних конечностей в пространстве и биоэлектрических сигналов мышц предплечья и плеча. Собранные данные можно использовать для анализа биоэлектрических сигналов и соответствующем положении верхней конечности или для обучения нейронной сети, которая будет по входным биоэлектрическим сигналам определять положение верхней конечности.

Технический результат заключается в повышении точности определения активности мышц при различных движениях верхних конечностей за счет повышения точности данных о положении верхних конечностей в пространстве и более точных биоэлектрических сигналов с мышц верхних конечностей.

Технический результат достигается при использовании устройства для регистрации биоэлектрических потенциалов мышц и положения верхних конечностей, выполненного в виде эластичного элемента одежды с закрепленными на нем электромиографическими датчиками активности мышц, аккумуляторной батареей, микроконтроллером, при этом устройство выполнено в виде эластичного рукава, на котором дополнительно закреплены 6DOF датчики и флеш-накопитель, причем пары ЭМГ-электродов расположены на брюшках следующих мышц: трехглавая мышца плеча, двуглавая мышца плеча, плечелучевая мышца, круглый пронатор, лучевой сгибатель запястья, длинная ладонная мышца, локтевой сгибатель запястья, длинный и короткий лучевые разгибатели запястья, разгибатель пальцев, локтевой разгибатель запястья и разгибатель мизинца, референсные электроды ЭМГ расположены на локтевом суставе и внутренней стороне предплечья рядом с лучезапястным суставом, датчики 6DOF расположены в следующих местах: на плече у основания двуглавой мышцы, на тыльной стороне предплечья рядом с лучезапястным суставом, на тыльной стороне кисти и на дистальных фалангах каждого пальца.

Электромиографические (ЭМГ) электроды располагаются не на мышцах груди, а на мышцах предплечья, и за счёт расположения 6DOF датчиков в 8 точках на верхних конечностях, которые регистрируют углы Эйлера для этих точек в пространстве, осуществляется определение положения в пространстве всей верхней конечности независимо от внешних условий. Биоэлектрические сигналы регистрируются неинвазивными ЭМГ датчиками, что исключает необходимость хирургического вмешательства для использования устройства.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором показан общий вид устройства.

Устройство регистрации биоэлектрических потенциалов мышц и положения верхних конечностей выполнено в виде эластичного рукава 1, на котором закреплены 6DOF датчики 2 для регистрации углов Эйлера, ЭМГ электроды 3 для регистрации разницы биопотенциалов, референсные ЭМГ электроды 4 для регистрации “нулевых” значений биоэлектрических сигналов, флеш накопитель 5, аккумуляторная батарея 6, ЭМГ датчики 7 и микроконтроллер 8.

Аккумуляторная батарея 6 вместе с микроконтроллером 8, флеш-накопителем 5, датчиками 2, и 7, и ЭМГ электроды 3 и 4 соединены проводами, расположенными на наружной поверхности эластичного рукава 1.

Пары ЭМГ-электродов располагаются на брюшках следующих мышц: трехглавая мышца плеча, двуглавая мышца плеча, плечелучевая мышца, круглый пронатор, лучевой сгибатель запястья, длинная ладонная мышца, локтевой сгибатель запястья, длинный и короткий лучевые разгибатели запястья, разгибатель пальцев, локтевой разгибатель запястья и разгибатель мизинца. Референсные электроды ЭМГ 4 расположены на локтевом суставе и внутренней стороне предплечья рядом с лучезапястным суставом. Датчики 6DOF 2 расположены в следующих местах: на плече у основания двуглавой мышцы, на тыльной стороне предплечья рядом с лучезапястным суставом, на тыльной стороне кисти и на дистальных фалангах каждого пальца.

Для удобства использования устройство в виде рукава 1 может быть втачено (или закреплено с помощью кнопок, молнии, пуговиц) в пройму жилета, топика, майки или любого подходящего элемента одежды.

Устройство работает следующим образом.

Рукав 1 надевается на верхнюю конечность и облегает ее, и датчики прижимаются к телу. При включении устройства, питание подаётся с аккумуляторной батареи 6, микроконтроллер 8 инициализирует ЭМГ датчики 7 и 6DOF датчики 2, которые регистрируют биоэлектрические потенциалы мышц и фиксируют положение верхней конечности. Электрические сигналы с пары ЭМГ-электродов 3 и референсного ЭМГ электрода 4 регистрируются ЭМГ датчиком 7. Датчик ЭМГ 7 вычисляет разницу сигналов с пары ЭМГ-электродов 3 и корректирует полученную разницу используя “нулевое” значение с референсного ЭМГ электрода 4, итоговое значение является выходным сигналом ЭМГ датчика 7. Сигналы с 6 DOF датчиков 2 и ЭМГ датчиков 7 считываются микроконтроллером 8 через равные промежутки времени и записываются на флеш накопитель 5.

При движении верхней конечности возникающие биоэлектрические сигналы мышц будут регистрироваться датчиками ЭМГ, чем сильнее напряжена мышца, тем сильнее будет сигнал. Также, при движении верхней конечности, 6DOF датчики регистрируют углы Эйлера самого датчика, и так как такие датчики расположены осью Z по направлению от поверхности крепления датчика, осью X поперёк направления костей, а осью Y вдоль направления сотей, то эти углы дают углы вращения самой точки крепления. Углы вращения датчиков 6DOF на пальцах позволяют определить положение пальцев в пространстве, относительно кисти, а датчики, расположенные на кисти, предплечье и плече, позволяют определить положение всей верхней конечности в пространстве относительно грудной клетки.

Применение устройства регистрации биоэлектрических сигналов и положения верхних конечностей, позволяет получить достаточный для последующего изучения, анализа и обучения нейронной сети объем данных.

Устройство характеризуется легкостью, удобством использования и автономностью, что позволяет его использовать в течение дня.

Таким образом, устройство регистрации биоэлектрических потенциалов мышц и положения верхних конечностей, выполненное в виде эластичного рукава с закрепленными на нем электромиографическими датчиками активности мышц, аккумуляторной батареей, микроконтроллером, 6DOF датчиками и флеш-накопителем, обеспечивает повышение точности определения активности мышц при различных движениях рук за счет повышения точности данных о их положении в пространстве и более точных биоэлектрических сигналов с мышц верхних конечностей.

Claims (1)

1. Устройство для регистрации биоэлектрических потенциалов мышц и положения верхних конечностей, выполненное в виде эластичного элемента одежды с закрепленными на нем электромиографическими датчиками активности мышц, аккумуляторной батареей, микроконтроллером, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде эластичного рукава, на котором дополнительно закреплены 6DOF датчики и флеш-накопитель, причем пары ЭМГ-электродов расположены на брюшках следующих мышц: трехглавая мышца плеча, двуглавая мышца плеча, плечелучевая мышца, круглый пронатор, лучевой сгибатель запястья, длинная ладонная мышца, локтевой сгибатель запястья, длинный и короткий лучевые разгибатели запястья, разгибатель пальцев, локтевой разгибатель запястья и разгибатель мизинца, референсные электроды ЭМГ расположены на локтевом суставе и внутренней стороне предплечья рядом с лучезапястным суставом, датчики 6DOF расположены в следующих местах: на плече у основания двуглавой мышцы, на тыльной стороне предплечья рядом с лучезапястным суставом, на тыльной стороне кисти и на дистальных фалангах каждого пальца.