Электромагнитные датчики - технология будущего

Студент  Машиностроительного колледжа ИРНИТУ

 группа мКС-20-1 Аникушкин Данил Сергеевич

Руководитель преподаватель

 Машиностроительного колледжа ИРНИТУ

Черкашенина Татьяна Викторовна

Электромиографические датчики - технология будущего

Чтобы контролировать работу различных систем, используют специальные устройства – датчики. Для каждого типа оборудования применяется определённый тип датчиков, оснащенный необходимым функционалом и опциями.

Различные виды датчиков давно и активно применяются в самых разных сферах:

·        автоматических и телеметрических системах;

·        системах безопасности (пожарной, охранной);

·        робототехнике;

·        здравоохранении;

·        промышленности и производстве;

·        измерительных системах и т.д.

Датчик - это устройство, преобразующее контролируемую или регулируемую величину в сигнал, удобный для измерения, а электромиографический (ЭМГ) датчик - это мост, соединяющего тело человека и электронику.

Датчик собирает маленький сигнал мышц, который затем обрабатывается с усилением и фильтром. Он и используется в электромиографии.

 Электромиография – метод диагностики активности скелетных мышц и окончаний по средствам оценки уровня их электрической активности.

Электромиография (ЭМГ) относится к обязательному исследованию при подозрении на поражение нервно-мышечной системы. ЭМГ является безболезненной процедурой, не требует предварительной подготовки и ее показатели достаточно информативны для постановки диагноза. Это делает электромиографию мышц незаменимым исследованием в неврологической практике.

Технология появилась ещё в начале XX века, а уже сейчас активно используется в медицине и начинает проникать за пределы медицины.

Принцип работы электромиографии строится на работе наших мышц - они сжимаются и разжимаются под действием нервных импульсов, которые активируют клетки спинного мозга. Передача возбуждения с нервного волокна на мышечное осуществляется через нервно-мышечный синапс, а в месте их соприкосновения происходит деполяризация постсинаптической мембраны мышечного волокна. Расположенные в этом поле электроды регистрируют напряжение (электрический потенциал) мышечных волокон. Выражаясь простыми словами – наши мысли о движении преобразуются в электрические импульсы, которые через нервы поступают к мышцам, именно их и ловит электрод, который и является частью ЭМГ датчика.

Электромиография сильно помогает и очень информативна при выявлении нарушений как: резвившейся слабости в зоне иннервации различных периферических нервов, двигательных и чувствительных нарушений различного генеза.

После проведения необходимого лечения, электромиография, также, поможет оценить эффективность этого лечения.

Однако с развитием технологий электромиография начала использоваться в одном из ответвлений медицины – сфере протезирования в виде ЭМГ датчиков

Современные технологии протезирования позволяют воссоздать отсутствующие конечности как целиком, так и частично. Самые технологически оснащённые - бионические (биоэлектрические)(рис.1) Они оснащены электрическими двигателями, аккумуляторными батареями и сенсорными датчиками и так же могут быть оснащены ЭМГ датчиками.

Рисунок 1- Бионическая конечность

Принцип работы этих протезов такой: нервные окончания, ответственные за управление рукой или ногой, посылают сигналы, которые ловят ЭМГ датчики протеза, которые направляют импульс дальше к нужной части протеза. В итоге конечность шевелится.

Передовые модели можно настраивать под себя, используя мобильное приложение. На такую коммуникацию с пользователем способны, например, руки i-Limb. Доступные в их программе хваты можно менять с помощью жестов: хочешь взять стакан с кофе или ответить на звонок? Сделай требуемый жест, и рука изменит хват на нужный. Но даже самые продвинутые бионические руки, к сожалению, не могут восполнить все микродвижения и хваты, на которые способна «живая» рука.

Павел Лавриков, технический директор «Клайбер Бионикс» считает, что - «Не стоит ожидать серьезных прорывов в области точного копирования руки здорового человека, обладающей 22 степенями подвижности. То есть изготовить такой протез можно, но нельзя предоставить пациенту возможность управления отдельными пальцами, как это происходит в случае здоровой руки.

Обусловлено это ограниченностью в количестве каналов регистрации электромиографии. Однако можно ждать существенного удешевления многоканальных систем регистрации ЭМГ, обеспечивающих интеллектуальную обработку и распознавание жестов пользователя»

Известными производителями бионических протезов в мире сейчас являются Steeper (Великобритания), Vincent Systems и Ottobock (Германия), Taska (Новая Зеландия), Ossur (Исландия). На российском рынке основные игроки — «Орто-Космос», MaxBionic, «Сколиолоджик», «Моторика».

Одними медицинскими целями применение ЭМГ датчиков не ограничивается, уже появился проект манипулятора виртуальной реальности от известной компании Facebook, конкретнее от их подразделения Facebook Reality Labs Research, которые представили браслет, который позволит пользователям управлять дополненной реальностью с помощью движения рук. Он использует контекстно-зависимый искусственный интеллект, который понимает действия и команды, а также оценивает среду вокруг (рис.2).

Рисунок 2 - Манипулятор виртуальной реальности

Носимое устройство работает посредством электромиографии, которая преобразует электродвигательные нервные сигналы в цифровые команды. ЭМГ может распознавать движение пальца всего на миллиметр. Это означает, что ввод данных становится проще и интуитивнее.

Проектом занимается директор FRL по нейромоторным интерфейсам Томас Рирдон (Thomas Reardon), нейробиолог, соучредитель и генеральный директор CTRL-labs, которую в 2019 году приобрела Facebook. Томас объясняет, что нейронные интерфейсы позволяют управлять браслетом напрямую, используя выходные данные периферической нервной системы. Браслет срабатывает тогда, когда пользователь решает действовать в соответствии с определенной мыслью, и его мозг посылает сигналы рукам, предлагая им двигаться определенным образом, например, чтобы набрать текст.

Изначально ЭМГ будет предоставлять только один или два элемента управления, которые исследователи называют «щелчками». Это жесты, такие как сведение и разведение большого и указательного пальцев, которые легко выполнять, независимо от того, где находится пользователь. (рис.3)

Рисунок 3- Управление с помощью ЭМГ-датчиков

Однако со временем инструментарий будет расширяться. В дополненной среде можно будет касаться и перемещать виртуальные интерфейсы и объекты. Также появится возможность управлять виртуальными объектами на расстоянии.

Уже сейчас данная технология помогает инвалидам быстро социализироваться и чувствовать себя полноценными членами общества, выполнять сложные движения протезов, появляются первые шаги по её внедрению в сферу виртуальной реальности где электромиография имеет наибольший потенциал, так как обеспечивает больший контроль движений нежели нынешние контроллеры.

Также эту технологию можно использовать для управления роботом, дроном, манипулятором с помощью жестов или записывать движение подключенного человека и использовать его на производстве, как движение по умолчанию, тем самым ускоряя настройку оборудования. Использовать на дронах космических станций, тем самым не вынуждая космонавтов совершать выход за пределы станций для, например, совершения ремонта.

Эта технология имеет большой потенциал, а сейчас, когда стоимость необходимого оборудования падает, на неё увеличится спрос, ведь при правильном применения она способна на многое.