Идея для патента : Подкожный экзоскелет для позвоночника: «RehabBionics»

Основные компоненты экзоскелета:

1. Экзоскелетарный каркас:

– Материалы: Каркас выполнен из легких и прочных композитных материалов, таких как углеродное волокно и титановый сплав, что обеспечивает необходимую прочность и легкость устройства.

– Структура: Внешний каркас обнимает спину, поддержку нижней части тела (бедра и нижние конечности), обеспечивая прочную фиксацию и стабильность.

2. Портативные приводные механизмы:

– Каждый узел экзоскелета (таз, бедра, колени) оснащен электромеханическими приводами. Эти приводы управляются сигналами из центральной нервной системы пользователя и программируются для выполнения различных движений (например, шаг, наклон, поворот).

– Разработаны специальные сервоприводы, которые обеспечивают высокую скорость реакции и точность при выполнении команд.

3. Модуль управления и нейронное управление:

– В экзоскелет встроен модуль управления, который отслеживает и обрабатывает сигналы мышечной активности пользователя в режиме реального времени.

– Используя систему интерактивной биопотенциометрии, экзоскелет способен распознавать сигналы, посылаемые оставшимися активными нейронами, что позволяет «перемещать» экзоскелет через импульсы, исходящие от мозга.

4. Система безопасности:

– Экзоскелет оснащен множеством датчиков, которые отслеживают положение тела и баланс пользователя. Если система обнаруживает, что пользователь теряет равновесие, приводные механизмы автоматически активируют систему стабилизации, предотвращая падение.

– Включает механизмы блокировки, позволяющие зафиксировать конечности экзоскелета в случае внезапных движений или потери контроля.

5. Сенсорные и адаптивные технологии:

– Микросенсоры-приемники, устанавливаемые на коже пользователя, передают информацию о положении частей тела и взаимодействии с поверхностями. Это позволяет экзоскелету адаптироваться к различным условиям, например, увеличивать мощность движений при подъеме по лестнице или при перенапряжении.

– В устройства встроены модули биометрического мониторинга, которые отслеживают сердцебиение, уровень кислорода и другие важные параметры здоровья пользователя во время физических активностей.

Процесс восстановления и использования экзоскелета:

1. Подготовка: – После операции по внедрению экзоскелета пациент проходит реабилитацию для настройки системы и восстановления нервной связи с мышцами. На этом этапе специалисты обучают пациента взаимодействовать с экзоскелетом.

2. Активация: – Пользователь через интерфейс начинает с простых движений: шагов на месте, пробуждая остаточные нервные импульсы. Система постепенно адаптируется, обучая пользователя чувствовать и контролировать движения.

3. Ходьба: – После нескольких успешных тренировок пользователь начинает осваивать перемещения на короткие расстояния, используя экзоскелет как поддержку. Устройство придает уверенность в каждой опоре. – Беспроводной интерфейс позволяет пользователю управлять скоростью и направлениями движений, базируясь на своих ощущениях.

4. Дальнейшая реабилитация:

– Регулярные тренировки и адаптация к экзоскелету способствуют укреплению оставшихся мышц и восстановлению моторики. Система может быть интегрирована с программами физиотерапии для наилучших результатов.

Заключение

Подкожный экзоскилет «RehabBionics» – это не просто механическое устройство, а многофункциональная реабилитационная система, способная восстановить мобильность у людей с серьезными повреждениями позвоночника. Взаимодействие между экзоскелетом и оставшимися активными нейронными связями человека позволяет вернуть ему уверенность в движении и повысить качество жизни. Этот прорыв в биомедицинских технологиях может стать шагом к восстановлению полноценной активности для многих людей, помогая им вернуться к нормальной жизни.

Создание подкожного экзоскелета «RehabBionics» требует множества деталей и технологий, как механических, так и электронных. Ниже приведён список необходимых компонентов:

1. Структурные элементы:– Каркас: – Углеродные или титановый сплав для легкости и прочности. – Алюминиевые профили для легких соединительных элементов. – Крепежные детали: – Винты, гайки, шайбы и другие крепежные элементы для соединения компонентов.

2. Приводные механизмы:– Сервоприводы: – Микро- и мини-сервоприводы для суставных узлов (таз, бедра, колени). – Электромоторы: – Для управления движениями экзоскелета, обеспечивая подъем и опускание конечностей. – Передаточные механизмы: – Редукторы для преобразования вращательного движения моторов в линейное движение в необходимых направлениях.

3. Системы управления:– Модуль управления: – Микроконтроллер (например, Arduino или Raspberry Pi) для обработки сигналов управления. – Платформа для нейронного управления: – Датчики мышечной активности (ЭМГ-датчики) для выявления сигналов от мышц. – Программное обеспечение: – Специальные алгоритмы обработки сигналов и интерфейс для взаимодействия с пользователем.

4. Сенсоры:– Системы позиционирования: – Гироскопы и акселерометры для мониторинга положения и ориентации экзоскелета. – Датчики давления: – Для оценки нагрузок на суставы и баланс экзоскелета. – Ультразвуковые или инфракрасные датчики: – Для определения расстояний до окружающих объектов и предотвращения столкновений.

5. Системы жесткости и амортизации:– Пружины: – Для амортизации движений экзоскелета при ходьбе и для поддержки. – Пневматические или гидравлические системы (при желании): – Для усиления движений и обеспечения дополнительной амортизации.

6. Энергетические системы:– Батареи: – Литий-ионные или литий-полимерные батареи для питания электронных систем и моторов. – Энергетический менеджер: – Системы управления зарядкой и разрядкой батарей.

7. Интерфейс пользователя:– Дисплей: – Сенсорный экран или интерфейс на смартфоне для управления и мониторинга состояния экзоскелета. – Кнопки и органы управления: – Для ручной настройки режимов работы (например, переключение между режимами ходьбы и отдыха).

8. Безопасность и защитные элементы:– Механизмы автоматической блокировки: – Для предотвращения падения в случае потери равновесия. – Системы предупреждения: – Звуковые или визуальные сигнализации для информирования пользователя о критических состояниях.

9. Кабели и проводка:– Электрические кабели: – Для подключения всех компонентов, включая датчики, моторы и батареи. – Герметичные соединения: – Для дополнительной защиты компонентов от влаги и пыли.

10. Покрытие и интерфейс:– Мягкие подушки и анатомические вкладыши: – Для обеспечения комфорта при носке экзоскелета. – Внешняя оболочка: – Материалы, защищающие компоненты устройства и придающие ему эстетичный вид.

Итог

Разработка подкожного экзоскелета «RehabBionics» включает многоуровневый подход, интегрирующий передовые механические и электронные решения. Такой проект требует междисциплинарных знаний в области инженерии, медицины, нейробиологии и компьютерных технологий.

1. Микроконтроллеры и процессоры- Arduino Mega 2560: – Подходит для управления множеством датчиков и приводов. Прост в программировании. – Raspberry Pi 4: – Мощный процессор с возможностью подключения к Wi-Fi для стороннего управления и сбора данных. – STM32F4: – Высокопроизводительный микроконтроллер со встроенными средствами работы с датчиками и моторами.

2. Сервоприводы и электродвигатели- Servo Motor MG996R: – Высокая крутящаяся мощность, подходит для суставных соединений экзоскелета. – Dynamixel MX-28: – Интеллектуальные сервоприводы с возможностью позиционирования и обратной связи, что делает их идеальными для точного управления движениями. – Brushless DC Motors (например, от Maxon или Faulhaber): – Высокая производительность и эффективность для более сложных движений.

3. Энергетические системы- Литий-ионные батареи: – Например, Samsung INR18650-30Q – высокая емкость и плотность энергии. – Блоки управления батареями (BMS): – Примеры: Daly BMS – для защиты и управления зарядкой/разрядкой.

4. Системы управления- ESP32: – Модуль для беспроводной связи, позволяет осуществлять управление и мониторинг состояния экзоскелета. – Arduino Nano: – Для управления отдельными модулями и диалоговых интерфейсов.

5. Датчики- ЭМГ-датчики (например, Myoware): – Для считывания сигналов мышечной активности. – Гироскопы и акселерометры (например, MPU-6050): – Для отслеживания положения и ориентации экзоскелета. – Ультразвуковые датчики (например, HC-SR04): – Для столкновений и определения расстояний до объектов.

6. Коммуникационные интерфейсы- Bluetooth и Wi-Fi модули: – Например, HC-05 Bluetooth модуль для беспроводного управления. – RFID считыватель (для идентификации пользователей): – Например, MFRC522 модуль.

7. Активация и управление- Реле и тиристоры: – Для управления большой нагрузкой, например, при использовании электромоторов. – Модули H-bridge (например, L298N): – Для управления скоростью и направлением вращения электродвигателей.

8. Системы безопасности- Датчики падения (акселерометры): – Для определения состояния равновесия пользователя и активации режима блокировки при падении. – Сигнализации: – Звуковые модули (например, MAX98306) для подачи звуковых сигналов при аварийных ситуациях.

9. Интерфейс пользователя- Сенсорные экраны (например, Nextion): – Для управления настройками и мониторинга состояния экзоскелета. – Кнопочные панели: – Для быстрой активации различных модулей и функций.

10. Кабели и соединения- Герметичные разъемы (например, IP67): – Для подключения компонентов в условиях повышенной влажности. – Распределительные платы: – Чтобы упростить соединение и организацию проводов.

Заключение Создание экзоскелета на основе вышеупомянутых компонентов позволит построить высоконадежную и многофункциональную систему. При выборе компонентов важно учитывать спецификации, совместимость и поддерживаемые технологии. Новейшие разработки в области электромеханики и электроники обеспечат надежную работу экзоскелета, а также комфорт и безопасность пользователя.

Создание системы связи между нервными окончаниями (или сигналами из мышц) и электрическими компонентами экзоскелета требует разработки специального программного обеспечения, которое будет обрабатывать и интерпретировать сигналы, а также управлять приводами и системами экзоскелета на основе этих данных. Ниже приведен план подхода к разработке такой программы и рекомендованные технологии.

Основные компоненты программы связи 1. Считывание сигналов: – Используйте ЭМГ-датчики (электромиографические датчики) для считывания электрических сигналов, генерируемых мышцами. Например, датчики Myoware могут быть использованы для этого. – Необходимо разработать код для считывания данных с этих датчиков через аналоговые входы микроконтроллера (например, Arduino или STM32). 2. Фильтрация и интерпретация сигналов: – Программа должна фильтровать шумовые данные, используя методы, такие как низкочастотные и высокочастотные фильтры (например, FIR или IIR фильтры). – Интерпретация сигналов для определения желаемых движений. Это может быть выполнено с использованием алгоритмов, которые отслеживают временные изменения в сигналах, чтобы понять, когда пользователь намеревается, например, сделать шаг. 3. Управление приводами: – Программа должна включать логику для управления сервоприводами или электродвигателями на основе интерпретированных сигналов. Это может быть Range of Motion Control, где каждая мышечная команда вызывает определенные движения экзоскелета. – Необходимо реализовать систему обратной связи, чтобы убедиться, что экзоскелет двигается правильно. Например, можно использовать энкодеры для отслеживания положения двигателей. 4. Безопасность и аварийный режим: – Программа должна включать функции безопасности для автоматического отключения в случае потери контроля или ненормальных сигналов. – Реализация таймеров и датчиков, которые определяют, когда пользователь потерял равновесие, и соответствующим образом реагировать (например, блокировать движения).

Рекомендованные технологии и языки программирования 1. Языки программирования: – C/C++: Наиболее распространенные языки для работы с микроконтроллерами, такими как Arduino и STM32. Они позволят вам разрабатывать эффективные и быстрые алгоритмы для обработки сигналов. – Python: Может использоваться на более мощных платформах, таких как Raspberry Pi, когда требуется сложная обработка данных или интеграция с машинным обучением. – MATLAB: Подходит для быстрой прототипизации алгоритмов фильтрации и анализа сигналов. 2. Платформы и инструменты: – Arduino IDE: Для разработки программного обеспечения для Arduino. – STM32CubeIDE: Для разработки на базе STM32. – Raspberry Pi: Если вы используете Raspberry Pi, вы можете использовать Raspbian OS и Python для написания кода. – TensorFlow или PyTorch: Если вы решите интегрировать машинное обучение для анализа сложных паттернов в ЭМГ-сигналах.

Примерный алгоритм программы 1. Инициализация системы: – Настройка всех входов/выходов, считывание состояния ЭМГ-датчиков. 2. Основной цикл: – Чтение данных с ЭМГ-датчиков. – Обработка и фильтрация сигналов. – Интерпретация команд на основе анализа сигналов. – Управление экзоскелетом с использованием идентифицированных команд. – Проверка работы системы безопасности и состояния пользователя. 3. Обработка исключительных ситуаций: – Реализация аварийных остановок и других мер безопасности.

Заключение

Разработка программы, связывающей нервные окончания и электрические компоненты экзоскелета, – сложный и многогранный процесс, требующий знаний в области электроники, программирования и биомедицинских технологий. Подход должен быть систематичным, начиная с определения необходимых функций и заканчивая реализацией программы с использованием подходящих языков и платформ. Решение проблем, возникающих на каждом этапе, станет важным шагом в создании эффективной и безопасной реабилитационной системы.

Для разработки программы на языке C#, связывающей нервные окончания и электрические компоненты экзоскелета, можно создать базовую структуру и несколько ключевых частей. В следующем примере используется концепция взаимодействия с ЭМГ-датчиком, фильтрации сигналов и управления сервоприводами. Программа будет написана предположительно для платформы, которая поддерживает C# и может взаимодействовать с аппаратными средствами, такими как .NET Nano Framework или Unity, если использовать специальные библиотеки для управления.

Пример кода на C#

using System;

using System.Threading;

// Основной класс экзоскелета

public class Exoskeleton

{

// Параметры для настройки ЭМГ-датчиков и сервоприводов

private const int EMG_SENSOR_PIN = 1; // Пин для ЭМГ-датчика

private const int SERVO_PIN = 9; // Пин для сервопривода

private const double THRESHOLD = 0.5; // Порог для активации привода

private EMGSensor emgSensor; // Объявляем объект для работы с ЭМГ-датчиком

private ServoMotor servoMotor; // Объявляем объект для управления сервоприводом

// Конструктор

public Exoskeleton()

{

emgSensor = new EMGSensor(EMG_SENSOR_PIN);

servoMotor = new ServoMotor(SERVO_PIN);

}

// Основной метод для запуска системы

public void Run()

{

Console.WriteLine("Запуск экзоскелета…");

while (true)

{

// Считываем значение с ЭМГ-датчика

double emgValue = emgSensor.ReadValue();

Console.WriteLine($"Сигнал ЭМГ: {emgValue}");

// Проверяем, превышает ли сигнал порог

if (emgValue > THRESHOLD)

{

Console.WriteLine("Активация движения экзоскелета.");

servoMotor.Activate();

}

else

{

Console.WriteLine("Ожидание сигнала…");

servoMotor.Deactivate();

}

// Задержка для избежания избыточного считывания

Thread.Sleep(100);

}

}

}

// Класс для ЭМГ-датчика

public class EMGSensor

{

private int pin;

public EMGSensor(int pin)

{

this.pin = pin;

// Инициализация датчика

}

// Метод считывания значения с датчика (здесь должна быть логика для работы с оборудованием)

public double ReadValue()

{

// Эмуляция чтения значения (на реальном устройстве должна быть интеграция с АЦП)

Random rand = new Random();

return rand.NextDouble(); // Вернем случайное значение для примера

}

}

// Класс для сервопривода

public class ServoMotor

{

private int pin;

public ServoMotor(int pin)

{

this.pin = pin;

// Инициализация сервопривода

}

// Метод для активации сервопривода

public void Activate()

{

Console.WriteLine("Сервопривод активирован.");

// Логика для активации сервопривода

}

// Метод для деактивации сервопривода

public void Deactivate()

{

Console.WriteLine("Сервопривод деактивирован.");

// Логика для деактивации сервопривода

}

}

// Главный класс для запуска программы