anlazz (anlazz) wrote,
anlazz
anlazz

Биоэлектроника в 1960 году. Реальность.

Продолжаю просматривать старые журналы. На сей раз это ноябрьский журнал "Радио" за 1960 год. Что можно сказать об этом времени? Спутник уже запущен, целина осваивается, телевидение широкими шагами входи в жизнь советского человека. Пока еще телевизор не называют "зомбоящиком" и не объявляют причиной всех бед, а, напротив, стараются дать советскому человеку возможность получать качественную и современную информацию. В стране создается единая энергетическая система, которая смогла обеспечить и граждан и промышленность качественной и доступной электроэнергией (А.Б.Чубайс, к счастью, еще ходит в детский сад и вред от него исчерпывается несъеденной манной кашей). Впрочем, о ЕЭС будет отдельный пост.

Пока же можно привести одну статью из данного журнала, посвященную проблемам биоэлектроники и биоэлектрического протезирования. Напомню - стоит 1960 год, и электронные лампы господствуют везде, где можно. Но советские ученые разрабатывают биэлектрический протез, позволяющий заменять утраченную конечность на полупроводниковых приборах - транзисторах. Первый транзистор был создан в 1947 году. В 1951 году транзисторы были запущены в  промышленное производство  (на фирме Bell). В СССР транзисторы, что бы не говорили недоброжелатели, стали выпускать примерно в это же время. А в 1960 году они уже были стандартными компонентами для электронных устройств. Опять, как и у лазеров, ничтожный срок от самой идеи до практических образцов. Причем, не в какой-то там шибко секретной военной области, а в народном хозяйстве, вплоть до бытовых радиоприемников   Zeitgeist эпохи ощутим очень сильно.

Особенно доставляет принципиальная схема в статье - это значит, что огромное число подписчиков журнала, сидя в коммуналках, бараках и избах, могли подробно разбираться в передовых достижениях науки. Это  не те красивые 3Д картинки или красочные коллажи, что так популярны в современной научно-популярной периодике (про 3Д, тоже, кстати будет), а уровень инженерного рассмотрения проблемы. Несколько позднее, кстати, простейшие биоэлектрические устройства будут помещены в журнале "Радио" для самостоятельного изготовления. В общем, дух времени, как он есть...


В 1958 году десятый номер нашего журнала почти полностью был посвящен вопросам применения методов радиоэлектроники в медицине и биологии. За прошедшие с этого времени два года произошло много интересных событий, выполнен ряд оригинальных работ, созданы новые электронные приборы для медицины и биологии. Достаточно упомянуть о Всесоюзной конференции по медицинской электронике, нескольких международных конференциях, привлечении инженеров и физиков в исследовательские организации, занимающиеся решением биологических проблем, подготовке в ряде технических учебных заведений специалистов для медицины и биологии, теоретических работах физиков и математиков в области изучения высшей нервной деятельности, биоэнергетики, электрофизиологии, структуры и функций живой клетки и др.

Хотя фронт работ на стыке точных и естественных наук только еще разворачивается, уже сегодня в этой области можно отметить ряд обнадеживающих практических достижений. К их числу следует отнести и протез руки с биоэлектрическим управлением, созданный группой советских ученых и получивший высокую оценку как в нашей стране, так и за рубежом.

Помимо руководителя работ, специалиста в области теории механизмов и машин. А. Е. Кобринского, п разработке и исследовании систем биоэлектрического управления, а также в создании протеза принимали участие доктор медицинских наук Б. П. Попов, электрофизиолог кандидат медицинских наук В. С. Гурфинкель, кандидат биологических паук Я. J1. Славуцкий, кандидаты технических наук Я. С. Якобсон и Д. М. Иоффе, кандидат физико-математических наук М. J1. Цетлин, радиоинженеры Е. П. Полян, Д. Я. Сысин, инженеры-конструкторы М. Г. Брей до, С. В. Болховитип, а также врач-протезист Л. М. Воскобойникова. Совместные усилия столь широкого круга специалистов, работающих в различных областях науки и техники, в значительной степени определили достигнутые ими практические успехи.

Работа протеза с биоэлектрическим управлением основана на том, что сигнал-команда о каком-либо действии, который по нервному волокну подается на двигательную мышцу, сопровождается появлением слабых электрических сигналов. Эти сигналы можно зарегистрировать на всем пути от головного мозга до мышцы. Именно биотоки, отведенные от двигательных мыши, и используются для управления механизмами протеза.

Несомненно, что положительные результаты, достигнутые в области биоэлектрического управления, открывают много исключительно интересных перспектив.

Свыше полутораста лет назад выдающимся итальянским ученым Л. Гальвани было установлено, что живая ткань реагирует на электрическое возбуждение. В дальнейшем было обнаружено, что большинство процессов в живом организме сопровождается появлением электрических сигналов
В области изучения биоэлектрических явлений к настоящему времени достигнуты существенные результаты. Более или менее детально изучены амплитудные и частотные характеристики биотоков мозга (электроэнцефалография), сердца (электрокардиография) чувствительных элементов сетчатки глаза (электроретинография). Значительное внимание уделялось н уделяется также изучению биотоков скелетных мышц (электромиография), которые и используются для биоэлектрического управлении.

Любому движению живого организма предшествует изменение биотоков соответствующих мышц, реализующих это движение. Это наглядно иллюстрируется рис. 1, где одновременно записаны механограмма I (график движения) сгибания кисти и миограмма 2 (график биотока) мышцы сгибателя кисти. Команда на сгибание кисти подается световым сигналом, появление которого зафиксировано в точке а. На снимке отчетливо виден интервал времени от момента подачи команды до момента возникновения биотока в мышце и интервал времени, характеризующий запаздывание движения по отношению к моменту возникновения биотока

Биофизики и электрофизиологи посвятили много труда изучению биоэлектрических сигналов, с помощью которых информация передается от органов чувств к головному мозгу, а от мозга— к различным органам, например к двигательным мышцам. Одним из важнейших результатов этих исследовании явилось открытие закона, подучившего название «все, или ничего», Оказалось, что если раздражение, приложенное к нервной клетке, не достигло определенного, так называемого порогового, значения, то в нервном волокне сигнала не возникает. Сигнал появляется лишь в том случае, если превысить пороговое значение раздражения; при этом по нервному волокну передаются дискретные импульсы, частота которых тем больше, чем выше уровень раздражения. Вместе с тем амплитуда импульсов не зависит от уровня возбуждения и всегда остается постоянной (порядка 0,1 а). Скорость распространения импульсов по нервной сети не превышает 100 м/сек. а их частота может достигать 300—500 гц.

Интересно отметить, что подобные совокупности дискретных электрических сигналов широко используются для задания программы работы самых различных современных автоматических систем. Примером могут служить быстродействующие электронные вычислительные машины, системы цифрового управления металлорежущими станками и ряд других. Конечно, аналогия в данном случае носит чисто внешний характер — природа командных импульсов в машине и в живом организме совершенно различна, так же как различны способы кодирования и передачи этих импульсов к исполнительным органам.

Задача использования биоэлектрических сигналов для управления техническими устройствами сама по себе может быть разделена па ряд более простых задач:

  1.  разработку эффективных методов отведения биоэлектрических сигналов от живого организма;

  2.  создание методов и средств усиления и декодирования этих сигналов с целью выделения полезной информации о командах, поступающих к пунктам отведении биотоков.

  3.  разработку исполнительных механизмов, реализующих заданную программу действия.

  4.  создание в необходимых случаях специальных устройств, выполняющих функции обратной связи между техническим устройством и живым организмом.


В 1957 г. был построен первый макет биоэлектрической системы управления, оформленный в виде искусственной кисти руки человека, управляемой биотоками мышц, сгибающих и разгибающих пальцы. Биотоки отводились с помощью накладных электродов, размещенных в специальном браслете, который закреплялся на предплечье в области расположения управляющих мышц.

При таком способе отведения биоэлектрический  сигнал имеет сложный шумовой характер (см. кривую 2 на рис. 1). Это объясняется тем, что отводимые биотоки представляют собой суммарный эффект действия множества волокон данной мышцы, а также многочисленных колебаний, наводимых волокнами соседних мышц и создающих дополнительный шумовой фон. Поэтому, прежде всего, необходимо так обработать этот сложный сигнал, чтобы можно было выделить из него полезную информацию о командах, поступающих из центральной нервной системы и мышцу и регулирующих уровень ее напряжения.
 
В качестве носителя полезной информации в системах биоэлектрического управления, пока использован только один параметр сигнала — его мощность, которая в определенных пределах оказывается связанной линейной зависимостью с уровнем напряжения мышцы. Отведенные биопотенциалы первоначально усиливаются (см. блок-схему рис. 3), после чего выделяется огибающая кривой биотоков, которая и характеризует среднюю мощность сигнала. В последующем именно этот параметр и использовался для целей управления.

Однако для создания первого макета, где в качестве электропривода использовался дифференциальный шаговый искатель, оказалось необходимым ввести еще одно преобразование, в результате которого программа управления в конечном счете представляла собой совокупность дискретных сигналов, постоянных по амплитуде и модулированных по частоте в соответствии с амплитудой огибающей (рис. 4). Такое преобразование осуществлялось тиратронным релаксатором. Таким образом, в первом макете достигалась аналогия со способом задания программы, использованном в разомкнутых так называемых шаговых системах цифрового управления.

При постройке первого макета преследовалась цель, проверить правильность исходной идеи и убедиться в возможности использования биотоков мышц для управления техническим устройством. Естественно, что при этом вопросы уменьшения веса и габаритов системы, ее надежности и долговечности отступили на второй план.
 
После того как опыты на первом макете подтвердили правильность исходных предпосылок, была начата работа но созданию второго макета (рис 5). предназначенного для экспериментального изучения тренируемости оператора, испытания надежности и долговечности отдельных узлов системы, а том числе малогабаритных усилителей биотоков, построенных на полупроводниковых приборах (рис. 6) Исполнительными механизмами привода кисти руки в этом макете служили электро- гидравлические узлы, применяемые в конструкции станков с цифровым управлением.
 
Опыт, накопленный в процессе разработки и исследования двух первых макетов, позволил перейти к решению важной практической задачи — созданию протеза предплечья с биоэлектрическнм управлением. При этом ставилась обычная для протезировании задача частичного восстановления функции, утраченных в результате ампутации Однако в отличие от существующих протезов предплечья теперь появилась возможность использовать для привода внешние источники мощности, а не мускульную силу, и управление протезом осуществлять биоэлектрическими сигналами, которые возникают в усеченных мышцах предплечья. Совершенно очевидно, что при разработке протеза учитывались те общие требования, которые выдвигаются при создании любых переносных устройств — легкость, малые габариты, надежность и хороший внешний вид.

Исполнительный «орган» был выполнен в виде кисти руки, пальцы которой замыкаются в положении щепоти. Механизм привода кисти руки спроектирован так, что при «схватывании» и «раскрытии» одновременно движутся большой палец и блок остальных четырех пальцев. Для управления такой кистью руки необходимы два независимых источника биоэлектрических сигналов: один для управления схватыванием, другой для управления «раскрытием». Привод осуществляется реверсивным двигателем с помощью специального передаточного механизма.

В качестве источников сигналов были выбраны те группы мышц культи протезируемого, которые у здорового человека осуществляют функции сгибания и разгибания кисти и пальцев. Благодаря этому для управления используются координационные навыки, имевшие место до ампутации. На рис. 7 приведены фотографии первого протеза предплечья с биоэлектрическим управлением и его электронный узел.

В первых макетах обратная связь осуществлялась визуально. При этом оператор, управляющий работой макета. непосредственно следил за положением искусственной кисти руки и в соответствии с результатами наблюдения и с собственными намерениями напрягал ту или иную мышцу.

В дальнейшем были предложены технические способы «очувствления», в частности, применение вибратора (выполненного по типу костного телефона слуховых аппаратов), на который из электрической цепи двигателя поступают сигналы, пропорциональные силе сжатия кисти руки.

Однако первые опыты показали, что протез, даже не оснащенный специальными устройствами, оказался в известной мере «очувствленным». так как источником сигналов обратной связи являются слабые шумы и вибрации, сопровождающие работу двигателя. Они то и создают с ощущение» режима работы системы и, в частности, силы, с которой искусственная кисть сжимает схватываемый предмет.

Первые опыты показали, что использование биоэлектрических систем вносит новые возможности в протезирование. Биоэлектрический протез предплечья нисколько не связывает движения протезированной конечности. Управление протезом не требует значительных усилий и свободно осуществляется в ЛЮБОМ положении руки.

Что касается динамических качеств протеза с биоэлектрическим управлением, то о них можно судить по осциллограмме, представленной на рис. 8.
Несомненно, что дальнейшее развитие работ в области применения биотоков мышц для целей управления является важной задачей. В связи с этим наибольший интерес представляет вопрос: возможно ли дальнейшее сокращение цепи, передающей информацию от живого организма к внешнему техническому устройству? Например, можно ли сделать так, чтобы оператор использовал для управления уже не биотоки мышц, а непосредственно биотоки центральной нервной системы, биотоки мозга.

Большая отрасль биофизики — электроэнцефалография занимается изучением биоэлектрических процессов, протекающих в мозгу человека. Этими процессами в последние годы усиленно занимаются физики и математики. Непрерывно совершенствуются технические средства отведения и обработки биоэлектрических сигналов. Поэтому не удивительно, если в недалеком будущем удастся достигнуть такого уровня технических средств, которые позволят решить наряду с другими проблемами и задачи непосредственного использования биотоков мозга для управления техническими устройствами.

Tags: СССР, листая старые журналы, наука
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 9 comments