Введение к работе
Актуальность проблемы. Реабилитация инвалидов средствами іротезярования является одной из важных статей в социальных триграммах развитых стран и на неё ассигнуется значительная тасть государственного бвджета. Тем не менее проблема создания высокофункциональных протезов рук, эффективно заменяющих /траченную конечность, до сих пор не нашла оптимального решения ввиду своей чрезвычайной сложности. Особенно остро она зтоит в России, которая в настоящее время занимает первое №сто в мире по травматизму. Ежегодно только на производстве около 15000 человек становятся инвалидами и нуждаются в протезировании (Доклад о состоянии охраны труда в Российской федерации// Мин.труда Р. Ф.,U., IS93г.).
В связи с этим, проблема реабилитация инвалидов с дефектам верхних конечностей, охватывавдая широкий спектр задач, ївляєтся весьма актуальной.
Одним из путей ее успешного решения является использование биотехнического подхода к разработке и проектированию протезов, который подучил "права градцанства"в 1974-75г.г.в связи с необходимостью создания адаптивных биотехнических систем зргатического типа (В,М.Ахутин, Г.С.Неймарк, В.О.Островский, Б.И.Цияко, М.М.Ханаяапшилй, Н.Е.Кобринский-и др.).
С точки зрения теории биотехнических систем, инвалида, тользущегося протезами, можно представить условно, как человека-оператора, управляющего техническим средством - протезом з;ля выполнения им же самим заданного целенаправленного дейст-эия. Такое соединение биологического(инвалид) и технического (протез) элементов в единое целое, взаимодействующее с окружа-пщей предметной средой для удовлетворения своих потребностей, тредставляет собой биотехническую систему "человек-протез" (БТС ЧП), или точнее -"инвалид-протез-среда" (БТС ИПС), являющуюся одним из вариантов систем класса "человек-машина".
Её оригинальность заключена в том, что контур управления такой системой, в отличие от системы "человек-машина", как бы раздваивается, на макро-контур - "инвалид-лротез-среда", внутри которого функционирует другой, микро-контур - "инвалид-про-
тез". При этом инвалид является управляючим звеном, организующим систему для выполнения, заданной целевой функции. Следовательно, исходным пунктом анализа я описания функционирования БТС ИПС должна быть целенаправленная деятельность человека. Такой подход диктует необходимость физиологического и психологического исследования структуры и механизмов его деятельности. Это позволяет определить, какой "ценой" даётся инвалиду управление и пользование протезом, насколько параметры протезе соответсвуют психофизиологическим возможностям инвалида.
Таким образом, уровень физических и эмоциональных затрат инвалида в процессе управления протезом для достижения цели предметного действия, может служить- одним из критериев оптимального функционирования системы.
В доступной нам литературе, до настоящего времени не встретилось результатов изучения этих проблем, в связи с чем и предпринято настоящее исследование.
Цель- работы: исследование биотехнической системы "инвалид-протез-среда" для оптимизации параметров технического звена адекватно психофизиологическим характеристикам инвалида и разработка на этой основе эффективной конструкции модуля протеза.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи исследования:
изучены специфические особенности биологического элемента, как управляющего звена системы,
проанализированы достоинства и недостатки БТС ИПС с различными типами протезов и на этой основе синтезирована новая функциональная схема системы с комбинированным управлением (по основному и вспомогательному каналу).
выбраны критерии оптимизации работы системы ИПС,
проведено математическое моделирование БТС ИПС я оценено соответствие синтезированной схемы выбранным критериям,
сконструирован и изготовлен орган охвата для протезов плеча и предплечья с улучшенными характеристиками,
разработан тренажно-моделируюций комплекс для исследования характеристик БТС ИПС и проведены лабораторные и клинические испытания протезов с разработанным органом охвата.
~3-
Методы исследований.
В основу исследований положен метод поэтапного моделиро-зания, предусматриающий поэтапный переход от смешанной биотехнической модели системы ИПС через накопление эксперимента-іьннх данных о биологическом и техническом элементах к математической модели БТС ШС. Для исследований биообъекта примене-щ биомеханические, физиологические и психологические методи-«і. Этап "управленческого" согласования параметров элементов выполнен алгоритмическим методом с использованием в качестве фитериев оптимизации специфических характеристик инвалида. Іараметрьг протеза определялись методами, применяемыми яри исследованиях электро-механических и электронных устройств. В заботе использован математический аппарат теории вероятностей, латематической статистики, теории общей радиотехники, теории збщей электротехники, теории машин и механизмов.
Научная новизна исследования состоит в том, что:
впервые научно обоснован новый способ управления 'активнім протезом, заключающийся в оптимальном согласования "упра-зленческих" характеристик инвалида и протеза, позволяющий ми-іимизировать энерготраты БТС ШІС, наиболее полно использовать зенсорные возможности инвалида и повысить функциональный резу-іьтат протезиро^ошія,
раработана математическая модель системы ШС,
синтезирована новая функциональная схема БТС ИПС с до-юлнителъным каналом управления фиксатором охвата пальцев,
обоснован алгоритм управления дополнительным каналом, адекватный физиологическим возможностям инвалида,
предложена новая методика выбора мышцы, управлящей ;ололнительным каналом, с низким уровнем помех,
определены критерии оптимизации параметров БТС ЩС, позволяющие оценить соответствие конструкции и системы уяравле-шя протезом-психофизиологическим возможностям инвалида,
разработана новая методика оценки параметров охвата, юзволящая определять точность постановки пальцев на предмет.
Практическая значимость исследования:
- разработаны и внедрены в практическое протезирование
протезы с комбинированным управлением, позволяющие уменьшить
-4-физическяе и эмоциональные нагрузки на инвалида при управлении, наиболее полно реализовать его сенсорные характеристики, повысить функциональный результат протезирования,
предложенный аналитический метод исследования системы позволяет оптимизировать параметры разрабатываемых протезов по критериям психофизиологического состояния инвалида,
новая функциональная схема БТС ШІС даёт возможность повысить качество разрабатываемых протезов за счёт введения дополнительного канала управления. Алгоритм управления каналом не вызывает эмоциональной напряжённости, а импульсный режим работы обеспечивает экономичность, позволяет уменьшить габариты я массу внешнего источника энергии (ШЭ),
разработанный тренажно-мсделирущий комплекс позволяет с помощью оригинальных методик получать многопараметрическую оценку качества протезирования и определять адекватность данного протеза конкретному инвалиду.
Внедрение работы.
Материалы диссертации использованы в плановых НЙОКР, проводимых в ШбНШП при непосредственном участии автора, что нашло отражение в соответствующих отчётах - (Тема: "Модули протезов верхних конечностей с комбинированным управлением"- НИР - № госрегистрации OIS00058905 и ОКР ~ й госрегистрации 0ISI0 0II8SI. Тема: "Протез после вычленения плеча электромеханический на базе модульных узлов", ОКР - № госрегистрации 0121000 1408. Тема: "Методика оцени качества протезирования детей с дефектами верхних конечностей", НИР - № госрегистрации 0І&000 58$II).
Протезы, оснащённые искусственной кистью конструкции автора диссертации внедрены в практическое протезирование инвалидов в клинике ШбНИШ.
Публикации до работе.
По теме диссертации опубликованы три работы, получено два авторских свидетельства.
Апробация работы.
Основные положения диссертационного исследования доложены на научно-практической конференции ЛНИЙП (Ленинград, I38S) и на итало-советском симпозиуме (Москва, IS8S).
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, общих выводов, списка литературы, включающего 157 наименований, и шестнадцати приложений. Основная часть работы изложена на 129 страницах машинописного текста. Работа содержит 195 страниц, 35 рисунков и 20 таблиц.