Figura 1 Mână protetică Michelangelo, Ottobock 10 [603215]

1 Cuprins Cuprins …………………………………………………………………………………………………………………………….. 1 Introducere ………………………………………………………………………………………………………………………….. 3 Necesitatea protezării ………………………………………………………………………………………………………… 3 Problema. Controlul protezei …………………………………………………………………………………………….. 4 Soluția, înregistrarea semnalelor electromiografice (EMG) …………………………………………………. 5 Capitolul I. Studii și cercetări ……………………………………………………………………………………………….. 6 1.1 Stadiul actual în domeniul construcției și controlului protezelor de membru superior 6 1.1.1 Documentări din brevete ……………………………………………………………………………………. 6 1.1.2 Documentări din prospecte (firme producătoare) ……………………………………………….. 7 Capitolul II. Constructia si controlul ……………………………………………………………………………………. 11 2.1 Etapele de realizare a unei proteze ……………………………………………………………………….. 11 2.2 Clasificarea protezelor în funcție de criteriul funcțional ………………………………………… 12 2.3 Acționarea și comanda protezelor ………………………………………………………………………… 12 2.4 Măsurarea activității electrice a mușchilor scheletici (EMG) …………………………………. 15 2.4.1 Generarea potențialului de acțiune …………………………………………………………………… 16 2.4.2 Etapele contracției musculare [18] ……………………………………………………………………. 17 2.4.3 Măsurarea semnalului EMG ……………………………………………………………………………. 18 2.4.4 Sisteme de achiziție a semnalului EMG [22] ……………………………………………………… 21 Capitolul III. Prezentarea soluției propuse …………………………………………………………………………… 23 3.1 Dispozitivul terminal ………………………………………………………………………………………………….. 26 3.2 Schema bloc ………………………………………………………………………………………………………………. 28 3.2 Comanda și controlul protezei ……………………………………………………………………………………. 28 3.3 Descrierea și funcționarea modelului experimental ……………………………………………………… 29 Capitolul IV. Rezultate ……………………………………………………………………………………………………….. 30 4.1 Achiziția semnalului mioelectric …………………………………………………………………………… 30 4.2 Clasificarea corectă a închiderii și deschiderii mâinii …………………………………………….. 31 4.3 Testarea motoarelor …………………………………………………………………………………………….. 32

2 4.3.1 Testarea servomotorului ………………………………………………………………………………….. 32 4.3.2 Testarea motoarelor DC …………………………………………………………………………………… 32 4.4 Acționarea dispozitivului utilizând semnal EMG ………………………………………………….. 32 Capitolul V. Concluzii …………………………………………………………………………………………………………. 33 Bibliografie ………………………………………………………………………………………………………………………… 34 Anexa 1 ………………………………………………………………………………………………………………………………. 36 Anexa 2 ………………………………………………………………………………………………………………………………. 37 Anexa 3 ………………………………………………………………………………………………………………………………. 38 Anexa 4 ………………………………………………………………………………………………………………………………. 39 Anexa 5 ………………………………………………………………………………………………………………………………. 40

3 Introducere Necesitatea protezării Termenul de ”protezare” provine din limba greacă, unde ”tilhemi” înseamnă a așeza, iar ”pro” înseamnă în loc, ducându-ne astfel cu gândul la un aparat sau un dispozitiv de înlocuire a unui organ nefuncțional. În medicină această înlocuire (protezarea) se referă la orice organ sau segment de organ, existând astfel mai multe tipuri de proteze, ca de exemplu: proteze oculare, proteze vasculare, proteze auditive, proteze articulare, etc. Protezarea membrelor este necesară din mai multe puncte de vedere, iar un factor important în stabilirea necesității protezării îl reprezintă medicul. Acesta indică tipul de proteză ce urmează a fi utilizat, modul de recuperare a pacientului și are de asemenea un rol important în reintegrarea socială și profesională a persoanei protezate. Protezele trebuie să îndeplinească mai multe funcții: • morfologică, un exemplu ar fi proteza de membru inferior. Protezarea membrului inferior ajută la recăpătarea mobilității, echilibrului și se împiedică de asemenea diferite complicații la nivelul coloanei vertebrale și a pelvisului. • estetică, există proteze care sunt proiectate foarte atent pentru a avea un aspect și mișcari cât mai naturale și asemănătoare organului protezat • psihosocială, un pacient protezat trece mai ușor peste ideea de invaliditate având un ”nou membru funcțional”, comparativ cu o persoană neprotezată. Cele mai vechi atestări ale unor încercări de protezare le găsim în necropolele preistorice sau pe desenele rupestre (bucăți de lemn sau oase de animale mari, care erau legate cu benzi de piele la bontul de amputație). Mai târziu, în jurul secolului VI-V î.Hr., în diverse scrieri (Herodot, Aristophanes, Hippocrate) au fost descrise modele și tehnici de protezare, iar în unele morminte din acea vreme s-au găsit proteze primitive sau plăci de sprijin pentru bonturile de amputație ale membrelor inferioare din lemn sau bronz, sau "cupe" care îmbrăcau bontul și se continuau cu un pilon asemănător segmentului de membru lipsă [1,2].

4 Problema. Controlul protezei Mana trebuie să fie integrată cât mai bine cu sistemul biologic, ceea ce face controlul acesteia să devină o problemă. Pacientul trebuie să acționeze dispozitivul în mod reflex, fără a conștientiza comenzile transmise. Sistemul uman corelează foarte bine informațiile vizuale, auditive și senzoriale făcând posibilă mișcarea membrelor într-un mod în care persoana nu necesită, după cum am spus anterior, conștientizarea comenzilor date. Înțelegerea acestui mod de realizare a controlului este cheia spre optimizarea controlului în sistemele industriale și de protezare. Sistemul de comandă și control: prescrie succesiunea, parametrii și durata mișcărilor lanțului cinematic corelate cu particularitățile operațiilor humanoide. Se folosesc în principal următoarele tipuri de sisteme de comandă și control: – comandă prin cablu fixat de ham – comandă prin microtraductoare amplasate în manșon – comandă prin biocurenți generați de masele musculare Inițial, au fost utilizate sistemele de comandă prin cablu fixat de ham sau comandă prin tracțiune. Acestea erau acționate utilizând energie corporală, mișcarea bontului sau omoplatului comandând hamul. Cu ajutorul sistemelor respective sunt posibile mișcari de bază cum ar fi prehensiune, pronație, flexie și extensie și sunt folosite în special la amputațiile de antebraț. Dezavantajul major al sistemelor de comandă prin tracțiune îl reprezintă complexitatea mare a hamului pentru protezele cu funcționalitate ridicată ceea ce duce la o perioadă îndelungată de instruire a pacientului. O soluție optimă pentru îmbunătățirea controlului și scăderea timpului de instruire sunt protezele acționate prin înregistrarea și interpretarea semnalelor mioelectrice [3].

5 Soluția, înregistrarea semnalelor electromiografice (EMG) La momentul actual se pune foarte mare accent pe protezele mioelectrice, controlate prin electromiogramă (EMG), deci energie extracorporală. Funcționarea acestora este condiționată de capacitatea pacientului de a acționa izolat diferite grupe musculare și de a produce prin contracția acestora semnale mioelectrice cu intensități suficient de mari. Încă de la jumatatea anilor 1940 există algoritmi de control ai protezelor mioelectrice de membru superior, aceștia fiind utilizați și astăzi, în ciuda dezvoltării puterii de calcul și de noi algoritmi. Pentru mișcări ca: închiderea și deschiderea palmei, sunt necesare două grupe de mușchi, câte una pentru fiecare dintre aceste mișcări, existând însă și câteva aparate ce permit mișcări ale încheieturii și prinderi specifice. Cu toate că primele strategii de control s-au dovedit a funcționa corespunzător pe parcursul a zeci de ani și a avea o fiabilitate ridicată, iar tehnologia este în continuă dezvoltare, suntem departe de atingerea capabilității mâinii naturale [4,5]. Prin implementarea unor algoritmi de învațare și algoritmi de recunoaștere a formelor se pot introduce mai multe grade de libertate pentru o proteză, descifrându-se caracteristicile utile din semnalul electromiografic, comparativ cu abordările timpurii ce permit doar doua grade de libertate [6]. Acest lucru este promițător pentru îmbunătățirea controlului protezelor, însă implică descifrarea semnalului în timp real ceea ce duce la costuri foarte mari și o putere de procesare semnificativă.

6 Capitolul I. Studii și cercetări 1.1 Stadiul actual în domeniul construcției și controlului protezelor de membru superior 1.1.1 Documentări din brevete Brevet numărul CN 201684048 U [7] Modelul practic se referă la un sistem de control al unei proteze mioelectrice de mână, cu funcție de reglare proporțională a vitezei. Pentru achiziția semnalului mioelectric sunt amplasați electrozi pe piele, după care semnalul ajunge la un circuit de amplificare, iar apoi la un circuit de preprocesare. Semnalul este trimis mai departe la un microprocesor (MSP430), în urma conversiei A/D și a reglării automate a amplificării, după care ajunge la circuitul de control al protezei. Astfel, ajustarea în timp real a sistemului de control al protezei mioelectrice aduce un avantaj pentru utilizatori. Pentru circuitul de preamplificare a fost utilizat un amplificator instrumental AD620, iar pentru circuitul de reglare automată un amplificator programabil PGAI12. Brevet numărul CN 102379759 A[8] În acest brevet este prezentată o proteză mioelectrică de mână pentru auto reabilitarea pacienților cu disfuncții ale mâinii. Un motor miniaturizat de curent continuu este utilizat pentru controlul degetelor, acestea ajutând la mișcarea mâinii pacientului prin intermediul unui mecanism de transmisie. Proteza mioelectrică de mână este caracterizată de faptul că doi electrozi de achiziție sunt plasați în zonele cu activitate mioelectrică ridicată de pe brațul pacientului și sunt utilizați pentru recepționarea semnalelor de flexie și extensie a degetelor. Cele două semnale sunt introduse într-un modul de control alcătuit dintr-un microcomputer format dintr-un singur chip și un circuit de comandă al motorului. Microcomputerul transmite semnalele de flexie și extensie ale protezei, circuitul de comandă al motorului produce prin intermediul motorului de curent continuu, rotația în ambele sensuri, iar mecanismul de transmisie face posibilă închiderea și deschiderea palmei.

7 Brevet numărul CN 101836908 B[9] Proiectul se referă la o proteză de mână ușoară și estetică, în care baza degetului mare este prevăzută cu două articulații, una dintre ele permițând o rotație a degetului mare în poziția de apucare (prehensiune), iar cealaltă permite deschiderea pasivă a degetului în poziția de apucare sau închiderea pasivă a acestuia dând senzația de relaxare a mâinii. Un micro motor este utilizat pentru comanda indexului și a degetului mijlociu astfel reducându-se greutatea protezei și mărindu-se simplitatea acesteia. Un locaș pentru baterie, un motor care permite rotația pasivă a încheieturii, o interfață pentru semnalul mioelectric și un întrerupător pentru protezele de membru, aranjate la nivelul încheieturii, împreună cu mâna formează produsul finit. Bateria poate fi inserată în încheietura brațului protetic, astfel încât să fie sporită utilitatea și estetica. Prin urmare, dispozitivul, pe lângă funcția de proteză mioelectrică are și o estetică plăcută, având avantajul unui design ingenios, o structură, o aplicare și utilizare simplă. Este fidelă din punct de vedere funcțional mâinii umane, îndeplinind funcțiile importante necesare unui pacient ce necesită o proteză mioelectrică și are o aplicabilitate pe scară largă. 1.1.2 Documentări din prospecte (firme producătoare) Mână protetică Michelangelo, producător Ottobock Datorită complexității membrului superior, crearea unei proteze care să asigure mobilitate naturală este o adevărată provocare. Mâna protetică Michelangelo, având cele șapte posibilități diferite de prindere redă numeroase funcții ale mâinii naturale. Un alt plus al acestui dispozitiv este forța de ridicare cuprinsă între 6 și 7 kilograme și posibilitatea ajustării forței necesare ținerii unui obiect.
Figura 1 Mână protetică Michelangelo, Ottobock [10]

8 Proteza este controlată prin intermediul sistemului Axon-Bus (AXON înseamnă Adaptive exchange of neuroplacement data – schimb adaptiv de date de neuroplasare), un sistem asemănător unor sisteme de siguranță din industria aviatică și industria automobilelor și are avantajul de a constitui un sistem integrat de transmisie de date. Astfel, pacientul beneficiază de un timp de răspuns foarte scurt, fără intârzieri, al protezei și de o siguranță și fiabilitate sporită. Mână protetică SensorHand Speed și VariPlus Speed, producător Ottobock Acest tip de proteză permite, împreună cu protezele de braț cu control mioelectric, prinderea obiectelor de diferite dimensiuni, texturi și greutăți. Avantajul este reprezentat de reacția rapidă, în timp real, oferind spontaneitate și posibilitatea de a utiliza mâna protetică, ca pe cea naturală. Atât SensorHand Speed, cât și VariPlus Speed posedă șase programe de control, fiind astfel posibilă personalizarea mâinii protetice în funcție de nevoile pacientului. De asemenea se pot ajusta forța și viteza de prindere. Beneficiile aduse de acest tip de proteză sunt: – reflexe rapide, viteză proporțională de 300 mm pe secundă – ancorare fermă, prin intermediul Autograsp, în momentul în care un obiect începe să alunece forța de strângere crește până când obiectul este prins în siguranță – prinderea obiectelor indiferent de greutate sau dimensiune – există în mai multe variante de mărime, pentru femei și pentru bărbați – flexibil în aplicare, poate fi combinată cu diverse componente putând fi utilizate la capacitate maximă în viața de zi cu zi
Figura 2 Mână protetică SensorHand Speed și VariPlus Speed, Ottobock [11]

9 Vari-Pich Prehensor (V2P), producător Tough Ware Acest dispozitiv a fost patentat de Tough Ware (8056761 US Patent) ca fiind un dispozitiv terminal cu deschidere voluntară acționat prin forță umană ce permite o prindere stabilă și o flexibilitate sporită. Forța de prindere poate fi controlată de pacient astfel încât efortul depus de acesta să fie cât mai redus ori de câte ori este posibil. Dexteritatea este îmbunătățită prin intermediul cablurilor de tensiune de dimensiuni mici, prevenindu-se astfel și accidentarea pacientului datorită utilizării excesive, dar în același timp și uzura dispozitivului. Aceste caracteristici aduc un beneficiu atât pentru pacienții cu amputații bilaterale, cât și pentru pacienții slabiți sau cu țesuturile musculare compromise. V2P este alcătuit din oțel anticoroziv, aliaj din aluminiu și compozite din poliamidă de înaltă calitate pentru a putea îndeplini diversele necesități. Este proiectat pentru a face față efortului fizic extins și pentru a oferi susținere în medii montane, în deșert sau litoral. Dispozitivul este rezistent la nisip sau apă sărată, astfel că nu va prezenta urme de coroziune în momentul expunerii la vreunul dintre aceste două elemente.

Figura 3 Vari-Pich Prehensor (V2P), Tough Ware [12]

10 i-Limb Ultra Revolution, producător Touch Bionics i-Limb Ultra Revolution este o proteză de mână ce permite o gamă largă de mișcări datorită articulațiilor multiple prezente, oferind pacientului senzația de mână naturală și o multitudine de funcții. În momentul actual este considerată ca fiind proteza ce oferă dexteritatea cea mai mare și o bună versatilitate. Dexteritatea sporită se referă la faptul că: – degetul mare are capacitatea de a comuta automat între modelele de prindere laterală și paralelă, permite o prindere precisă, tranziții naturale și timp scăzut între prinderi – cele cinci degete au articulații individuale și de asemenea funcție de control individual – control proporțional pentru diferite tipuri de prinderi – o varietate de opțiuni la nivelul încheieturii, făcând ca mișcarea să pară naturală Din punct de vedere al esteticii, există diverse tipuri de mănuși care să indeplinească nevoile pacienților. Control protezei se poate face chiar și prin intermediul dispozitivelor mobile cu ajutorul aplicației biosim, în momentul actual aceasta este disponibilă doar pentru protezele de membru superior. Pacientul poate controla proteza atât prin intermediul unor electrozi compacți, cât și prin intermediul unor electrozi la distanță. Ultimele modele ale electrozilor la distanță fiind rezistente la apă, miniaturizate și îmbrăcate cu aur pentru o sensibilitate sporită.

Figura 4 i-Limb Ultra Revolution, Touch Bionics [13]

11 Capitolul II. Constructia si controlul Protezarea este definită ca fiind activitatea de realizare a mijloacelor de înlocuire sau substituire a organelor sau segmentelor corporale. Protezele sunt dispozitive ce înlocuiesc funcția unui organ afectat în urma unui accident sau a unei boli. Protezele se împart în două categorii: – Endoproteze (proteze implantabile) – Exoproteze 2.1 Etapele de realizare a unei proteze Prima etapă în realizarea protezelor este stabilirea clară a funcțiilor ce urmează a fi suplinite de componenta artificială. Această etapă implică studiul anatomiei funcționale și a biomecanicii organului ce urmează a fi protezat și evaluarea cinematică. Următoarea etapă este stabilirea restricțiilor impuse de conectarea dispozitivului la organismul uman și evaluarea duratei de utilizare neîntreruptă. Acest lucru se referă la interfața om-proteză și anume la manșon și sistemul de comandă și control. O altă etapă importantă în realizarea dispozitivului de protezare este evaluarea posibilităților de materializare tehnică a produsului. În acest scop sunt utilizate tehnici de modelare și simulare astfel reducându-se substanțial și costurile. Pentru o eficiență cât mai mare se ține cont de soluțiile existente, de exemplu, în cazul protezelor de membru superior, mecanisme de prehensiune și supinopronație. Urmează realizarea prototipului și efectuarea corecțiilor necesare, optimizarea produsului în cazul în care acesta nu corespunde specificațiilor de proiectare, iar ulterior validarea produsului optimizat prin testări clinice, testări pe animale, în cazul endoprotezelor, sau testări pe pacienți în cazul exoprotezelor. În continuare urmează individualizarea produsului, adică adaptarea la nevoile individuale ale pacienților, ceea ce presupune realizarea produsului într-o gamă de dimensiuni și de parametri funcționali cât mai largă. Următoarea etapă este supravegherea pieței, ceea ce presupune crearea unei baze de date ce conține utilizatorii protezelor și informații cu privire la evoluția în timp. De asemenea, este necesară o comunicare permanentă cu pacienții, ceea ce duce la o perfecționare continuă a dispozitivului.

12 2.2 Clasificarea protezelor în funcție de criteriul funcțional a) active b) pasive Cele pasive se împart la rândul lor în proteze estetice și proteze de lucru, iar cele active în proteze cu energie corporală, cu energie extracorporală și proteze hibride. Protezele ce utilizează energia corporală pot fi acționate prin forță directă sau forță indirectă, pe când cele cu energie extracorporală pot fi pneumatice sau electrice cu control mioelectric sau control prin întrerupătoare. 2.3 Acționarea și comanda protezelor Acționarea protezelor se poate face mecanic sau electric. Acționarea mecanică presupune ca mușchiul pacientului să nu fie afectat, astfel prin intermediul unor pârghii sau a unor cabluri acesta să poată utiliza proteza. Acționarea electrică se poate face prin intermediul unor motorașe și a biopotențialelor achiziționate de la pacient. a) Acționarea pneumatică Acționarea pneumatică se poate face prin intermediul unor motoare liniare cu simplu efect, motoare liniare cu dublu efect sau mușchi artificiali.
Gaz
Resort
Figura 5 Schema acționării pneumatice cu motor liniar cu simplu efect

13 O modalitate de creare a mușchilor artificiali este utilizarea unor cilindrii de cauciuc, înveliți cu o plasă din fibră sintetică. În momentul introducerii gazului cu o anumită presiune se dezvoltă o forță de tracțiune.
Gaz
Figura 6 Schema acționării pneumatice cu motor liniar cu dublu efect
T
Gaz
T
T
Gaz
Figura 7 Exemple de mușchi artificiali simpli bidimensionali

14 Pentru închiderea protezei este necasară introducerea unui gaz în burduf, relaxarea făcându-se prin intermediul unui arc. Principalul dezavantaj al acestor tip de mușchi este elasticitatea foarte ridicată.
b) Acționarea hidraulică Un dezavantaj al acestei metode de acționare este faptul că sistemul necesită un spațiu larg datorită numărului mare de componente (sursa de energie electrică, pompa hidraulică, servovalve, motoare rotative sau liniare hidraulice). Pe de altă parte acest tip de sistem este considerat a fi precis și de bună calitate. c) Acționarea cu biocurenți Este cea mai răspândită metodă deoarece prezintă multiple avantaje. Unul dintre acestea ar fi posibilitatea utilizării unor motoare miniaturizate care pot fi integrate și controlate cu ușurință. Deși este, poate, cea mai complicată dintre metode, este considerată și cea mai eficientă, cu ajutorul biopotențialelor putându-se controla poziția membrelor, forța de strângere și diverse mișcări. Pentru a putea fi utilizați, acești curenți necesită o amplificare, ulterior o prelucrare, iar ulterior transmiterea lor către sistemul de acționare al protezei. În momentul de față se urmărește miniaturizarea elementelor componente, obținerea unui raport putere-greutate cât mai înalt și un răspuns rapid și eficient la comandă.
Figura 8 Acționarea pneumatică a protezelor
Figura 9 Acționarea cu biocurenți a protezei

15 Comanda protezelor poate fi efectuată prin mai multe căi: manuală, electrică, electronică, bioelectrică sau în anumite cazuri prin voce sau unde cerebrale. Toate aceste metode necesită o schemă de comandă adecvată. În următoarea figură este prezentată schema de comandă electronică pentru o proteză. Mărimea de comandă C este transmisă prin intermediul traductorului către un bloc de comparație care are valoarea efectivă θr și care mai departe compară această valoare cu θc, din comparație rezultând o marime θd care este amplificată cu factorul k și care ajunge la motor acționându-l în mod corespunzător. Toate aceste mărimi trebuie procesate, iar acest lucru se face cu ajutorul unui microprocesor sau microcalculator specializat. 2.4 Măsurarea activității electrice a mușchilor scheletici (EMG) Mișcările membrelor superioare și inferioare sunt controlate prin intermediul unor semnale bidirecționale transmise între mușchi și sistemele nervoase centrale și periferice. Electromiograma (EMG) este definită ca măsurarea activității electrice la nivelul mușchilor scheletici care este însoțită de contracția acestora. Modificări ale semnalului electric la nivelul mușchilor pot apărea în cazul unor modificări patologice la nivelul coloanei vertebrale, a neuronilor motorii sau joncțiunilor neuro-musculare. Astfel putem spune că semnalul EMG are o importanță foarte mare în descoperirea și diagnosticarea anormalităților atât la nivelul mușchilor, cât și la nivelul global al sistemului motor. În prezent, datorită evoluției tehnologice, semnalele EMG sunt utilizate pentru controlul protezelor de membre superioare și inferioare. [14]
Traductor
k−1
k
Motor
θr
θd
θc
+
C
Bloc comparator
Figura 10 Schema de comandă electronică pentru o proteză

16 2.4.1 Generarea potențialului de acțiune Organismul uman prezintă trei tipuri de celule musculare: netede, striate și cardiace. Fibra musculară striată este legată de o fibră nervoasă nemielinizată, diferind față de aceasta din punct de vedere electrobiofizic prin prezența unui sistem tubular transversal. Contracția musculară se produce datorită acestei structuri complexe care continuă suprafața membranei în interiorul mușchiului și ajută la propagarea impulsului. [15, 16] Diferența dintre mușchiul cardiac striat și mușchiul scheletic este dată de durata de timp a semnalului generat, în primul caz aceasta fiind mult mai mare, aproximativ 300 milisecunde, ceea ce duce la o contracție mai îndelungată. Datorită sistemului de joncțiuni intracelulare activitatea electrică a unei celule este dependentă de cea a celulelor învecinate. Mușchiul este caracterizat de elasticitate și extensibilitate și are în componența sa celule capabile să se contracte și să se relaxeze, numite miofibrile. Îndeplinește patru funcții importante: produce mișcare, transportă diverse substanțe prin organism, asigură stabilitate și este un generator de căldură. În momentul eliberării neurotransmițătorului acetilcolină (ACh) în joncțiunea neuro-musculară (sinapsa dintre neuron și mușchi), are loc activarea fibrei musculare. Acest fenomen este însoțit de trecerea unui flux de ioni, în special de sodiu (Na+), prin membrana celulei, numită sarcolemă. Alunecarea sau glisarea filamentelor în miofibrile se produce atunci când ionii de calciu (Ca2+) sunt eliberați din reticulul endoplasmatic, aflat în celula musculară. Are loc concomitent cu potențialul de acțiune rezultat în urma modificării potențialului sarcolemei. Contracția mușchiului striat este inițiată de impulsuri în neuroni și este controlată voluntar în cele mai multe cazuri. Neuronii sunt conectacți la mai multe fibre musculare, între zece și trei mii de fibre, împreună formând o unitate motorie. În momentul stimulării, odată cu propagarea semnalului de-a lungul fibrei musculare are loc și depolarizarea acesteia. Durata contracției este cuprinsă în intervalul 20-200 milisecunde [17]. În vecinătatea fiecărei fibre este generat un câmp electric datorită depolarizării, acompaniate de deplasarea ionilor. Semnalul EMG este un tren de potențiale de acțiune ce dovedește ca mușchiul răspunde la un stimul nervos. Biopotențialele electrice musculare au amplitudini între 500 și 700 microvolți și durată între 4 și 16 milisecunde, depinzând de mărimea unității motorii și implicit de numărul de fibre.

17 2.4.2 Etapele contracției musculare [18] 1) impulsul electric (potențialul de acțiune) este transmis de către sistemul nervos central/periferic prin intermediul nervului motor la nivelul fibrei musculare; 2) la fiecare capăt al nervului care inervează o fibră musculară, acesta secretă o cantitate mică de substanță neurotrasnmițătoare numită acetilcolină; 3) acetilcolina determină local deschiderea unor canale multiple de sodiu din cadrul membranei, sensibile la acest neurotransmițător; 4) deschiderea acestor canale specifice acetilcolinei permite difuzia unor cantități mari de ioni de sodiu în interiorul membranei fibrei musculare. Acest lucru determină inițierea unui potențial de acțiune (unda de depolarizare) la nivelul membranei; 5) potențialul de acțiune traversează toată lungimea fibrei musculare; 6) potențialul de acțiune depolarizează membrana musculară și marea parte a potențialului de acțiune circulă prin centrul fibrei musculare datorită sistemului transversal foarte ramificat de tuburi numit sistem T. Acest lucru determină ca reticulul sarcoplasmic să elibereze cantități mari de ioni de calciu, care de obicei sunt stocați în acest reticul; 7) ionii de calciu inițiază forțe de atracție între filamentele de miozină și actină, care determină practic procesul de contracție; 8) după o fracțiune de secundă, ionii de calciu sunt pompați înapoi în reticulul sarcoplasmic de o pompă specifică de Ca2+ aflată la nivelul membranei, ceea ce determină încetarea contracției. Acești ioni ramân depozitați în reticul până la ajungerea unui alt potențial de acțiune la suprafața membranei. Cu ajutorul unor biosenzori specifici, potențialele de acțiune de la nivelul fibrelor musculare pot fi înregistrate formând semnalul EMG.

18 2.4.3 Măsurarea semnalului EMG Un sistem de achiziție de semnal EMG poate avea o configurație de minimum 1 până la 4 canale, pentru măsurători cu feedback, și maximum de la 64 până la 128 de canale pentru achiziție multi canal cu rezoluție mare. Componentele unui sistem de instrumentație pentru măsurarea semnalului EMG: a) senzori b) etaj de amplificare c) etaj de filtrare analogică d) mediu de stocare e) convertor A/D (analog / digital) f) afișaj a) Senzori Pentru înregistrarea semnalului EMG, care este un biopotențial, sunt utilizați electrozi, fiind împărțiți în două categorii: 1) electrozi intramusculari [19]– sunt electrozi de tip ac care sunt introduși în mușchi. Acest tip de electrod înregistrează suma tutuor potențialelor din fiecare fibră în momentul în care potențialul de acțiune de la nivelul fibrei musculare trece pe lângă electrod. Electrodul înregistrează o formă de undă variabilă în timp, dar nu oferă informație spațială, acest lucru fiind un dezavantaj pentru cel care trebuie să interpreteze semnalul. Există diferite tipuri de electrozi implantabili: – electrod monopolar – electrod concentric – electrod multipolar – electrod pentru măsurarea potențialului de acțiune al unei singure fibre musculare – fir care este introdus în mușchi cu ajutorul canulei

19 2) electrozi de suprafață [20]– sunt folosiți pentru măsurarea semnalului EM 3) G, sunt realizați din Ag – AgCl și pot fi utilizați individual sau organizați în rețele de senzori care au ca scop îmbunătățirea selectivității spațiale. Electrozii de suprafață prezintă dezavantajul că pot fi folosiți doar pentru măsurarea semnalelor EMG provenite de la mușchii superficiali, aflați imediat sub piele. b) Etajele de amplificare, filtrare și conversie analog-digitală Condiționarea semnalului EMG se face prin amplificarea și filtrarea semnalului, eliminându-se astfel zgomotul și reținându-se doar banda de frecvențe dorită. Pentru protecția pacientului, sistemul EMG prezintă o izolație realizată din optocuploare, iar pentru protecția față de rețeaua electrică este utlizată o izolație galvanică prin intermediul unui transformator. Etajul de amplificare este alcătuit dintr-un amplificator de instrumentație care, în funcție de tipul de înregistrare, realizează diferența între semnalul achiziționat de un electrod plasat în zona de interes și un electrod de referință plasat într-o zonă inactivă din punct de vedere electric sau diferența între două semnale înregistrate de electrozi aflați unul lângă altul în aceeași suprafață de achiziție (măsurători bipolare). Următorul etaj este cel de filtrare, în care este eliminat zgomotul. Filtrul utilizat este unul trece bandă, filtrarea trece sus se face pentru a elimina potențialul direct dat de interfața electrod-electrolit, iar filtrarea trece jos este utilizată pentru a elimina zgomotul care nu se suprapune cu banda de frecvențe de interes.
Figura 11 Tipuri de electrozi implantabili

20 În figura de mai jos sunt reprezentate frecvențele de tăiere ale filtrelor trece sus și trece jos pentru diferite situații. [21]
În funcție de domeniul specific intrării convertorului analog/digital este aleasă amplificarea, astfel încât semnalul EMG înregistrat să ocupe tot domeniul oferit de convertor, se maximizează rezoluția: LSB = !domeniu"# , unde LSB este last significant bit (cel mai puțin semnificativ bit), Vdomeniu este domeniu maxim al convertorului A/D și N este numărul de biți. Cele mai des utilizate rezoluții pentru aplicațiile EMG sunt 12 sau 16 biți.
Figura 1229 Frecvențele de tăiere ale filtrelor trece sus (FTS) și trece jos (FTJ)

21 2.4.4 Sisteme de achiziție a semnalului EMG [22] a) Sistem EMG didactic BioPac Acest sistem este multi canal și este prevăzut cu un software ce permite vizualizarea, achiziționarea, analiza și în anumite cazuri procesarea semnalelor. Pentru înregistrarea altor parametri, de exemplu, forța musculară în timpul contracției, sunt necesare canale de intrare suplimentare. În cazul masurării vitezei de conducere la nivelul nervului motor sau a fibrei musculare sistemul poate conține un bloc de stimulare. b) Sistem EMG ambulatoriu Acest sistem este utilizat pentru achiziționarea semnalului EMG pe termen lung, de aceea trebuie alimentat de la baterii și este necesară portabilitatea. Este un sistem multi canal, de obicei conține între 2 și 8 canale, având etajele de amplificare și filtrare la nivelul electrozilor și mediu de stocare detașabil. Acest lucru face posibilă analiza / prelucrarea offline a semnalului. Diferența dintre acest sistem și cel folosit în laborator este faptul că amplificarea la acesta este fixă, banda de frecvență este fixă și nu prezintă blocul de stimulare neuromusculară. c) Sistem pentru analiză mișcării Pentru acest sistem sunt utilizați electrozi de suprafață care detectează activitatea electrică în momentul mișcării. Sunt utilizate de la 4 până la 8 perechi de electrozi bipolari. Cu ajutorul acestui sistem, a unor camere infraroșu și a unor markeri se pot înregistra, distribuția presiunii piciorului și imagini pentru reconstituirea 2D sau 3D a mișcării membrului. Este necesar un software specializat care să poată afișa simultan semnalul EMG și animația pozițiilor segmentului de membru. De obicei aceste sisteme sunt wireless și utilizează tehnologia Bluetooth.

22 d) Sistem EMG de biofeedback Acest tip de sistem este utilizat pentru persoanele care necesită indicarea gradului de relaxare sau încordare a unui mușchi sau a anumitor grupe de mușchi. Astfel, în momentul relaxării excesive pacientul este atenționat de necesitatea activării mușchiului respectiv. În cel de-al doilea caz, când mușchiul este încordat peste un anumit prag, sistemul de biofeedback transmite pacientului faptul că mușchiul respectiv are nevoie de relaxare. În mod normal aceste sisteme au un singur canal la care sunt conectați electrozii de suprafață, un indicator în timp real a activității musculare și un generator de vibrații pe o anumită frecvență. Feedbackul este bazat doar pe amplitudinea semnalului EMG înregistrat.

23 Capitolul III. Prezentarea soluției propuse Tema lucrării este constructia unei maini bionice care sa poate fi acționată în timp real. Pentru îndeplinirea obiectivului vor fi utilizate următoarele elemente: – electrozi pasivi de suprafață – placă adițională ce permite achiziția semnalelor de tip EMG (Shield EKG – EMG) – placă de achiziție (Arduino Uno R2) – motoare 1.5V – 12V – servomotor pentru acționarea degetului mare – dispozitiv terminal (mâna printata 3D – material PLA)
Electrozii de suprafață sunt proiectați special pentru Shield-ul EKG – EMG și împreună cu plăcuță Arduino permit achiziționarea de semnale electrocardiografice și electromiografice. Astfel se pot monitoriza și analiza bătăile inimii și activitatea electrică a mușchilor. Electrozii sunt marcați cu L (left) pentru brațul stâng, R (right) pentru brațul drept și D pentru DRL (Driven Right Leg), piciorul drept, iar conectarea la Shield se face prin intermediul unui Jack. Shield-ul EKG – EMG permite plăcuțelor Arduino să captureze semnalele electromiografice și electrocardiografice făcând astfel posibil feedbackul bio. Pot fi conectate până la șase astfel de plăci, fiecare dintre ele reprezentând un alt canal de achiziție. Permit atât conectarea unor electrozi pasivi, cât și a unor electrozi activi și funcționează cu orice tip de placă Arduino de 3.3V și 5V. Conectarea la placa Arduino este foarte simplă, acest tip de placă avand aceeași distribuție a pinilor analogici și digitali. Practic Shield-ul este pus peste placa Arduino, iar cele două sunt conectate.
Figura 13 Motoare in curent continuu

24 Arduino este printre cele mai simplu de utilizat platforme cu microcontroller, putând fi comparat cu un minicalculator capabil să achiziționeze informații din mediul exterior și să le prelucreze. Poate fi utilizat pentru o multitudine de aplicații, printre care se numără: – senzori de detecție a alcoolului din aerul respirat – senzor de incendiu – curentul consumat de diverse dispozitive casnice – forță de apăsare – nivel de iluminare – prezență umană – temperatură, umiditate, presiune atmosferică Poate fi conectat cu alte dispozitive prin intermediul unor plăci de rețea Ethernet/WIFI sau prin intermediul unor conectori Bluetooth. Aplicabilitatea acestei plăcuțe este vastă, un alt domeniu în care este utilizată fiind mecanica, putând fii conectate atât motoare de curent continuu, cât și motoare pas cu pas sau servomotoare. Pentru afișarea datelor preluate, Arduino permite conectarea de ecrane LCD, atât cele simple cu afișare a doar 16 caractere, cât și cele mai complexe cu afișare de grafice [23].
Figura 14 Placuta Arduino, Shield-up EKG-EMG si electrozi

25 Servomotorul este alcătuit dintr-un motor de curent continuu, un driver pentru acesta, un circuit electronic de interfațare și un dispozitiv capabil să identifice poziția axului. Caracteristica principală a unui servomotor este cuplul, exprimat in kilograme/centimetru. De exemplu, un motor care are un cuplu de 5 kilograme/centimentru este capabil să ridice o greutate de 5 kilograme plasată la o distanță de 1 centimetru față de centrul axului. Dacă distanța se mărește la 2 centimetri, greutatea maximă scade la jumătate. În cazul de față servomotorul are un cuplu de 1,4 kilograme/centimetru. Pentru controlul servomotorului este necesar un semnal PWM (Pulse Width Modulation), care în funcție de factorul de umplere face posibilă deplasarea servomotorului la o poziție exactă. Servomotorul este prevăzut cu trei fire, unul maro care reprezintă masa, unul roșu care va fi legat la pinul de 5V al Arduino și unul galben care se conectează la un pin Arduino PWM, în cazul nostru pinul cu numărul 9 [24]. Arduino/Shield 5V Pin VCC Servo – alimentare (roșu) Arduino/Shield GND (masa) Pin GND Servo (maro) Arduino/Shield Pin Digital 9 (PWM) Pin Semnal Servo (galben) Figura 15 Tabel conexiuni placă Arduino/Shield EKG cu servomotorul Motoarele folosite pentru flexarea și relaxarea falangelor sunt motoare în current continuu cu reductoare dințate multi – raport avand o gamă largă de rotații pe minut în funcție de tensiunea de alimentare. Toate motoarele sunt actionate cu ajutorul Shield-ului Arduino Motor Control v2, ce poate controla pana la 4 motoare independente unul fata de celalalt. Tensiune de alimentare Rotatii pe minut (RPM) 3V 18 6V 50 9V 82 12V 119
Figura 16 Tabel tensiuni alimentare și rotații pe minut

26 3.1 Dispozitivul terminal Dispozitivul terminal imita foarte bine un membru uman. Acesta are funcționalitațile, articulațiile, miscările și forma unei maini. Pentru construcția acestuia au fost utilizate urmatoarele componente: – rulmenti de dimensiuni foarte mici (3mm diametru interior, 10mm diametru exterior); – axe de ghidaj de diferite dimensiuni (diametru 3mm, lungime: 6mm, 12mm, 14mm); – servo motor pentru miscarea in jurul axei proprii a degetului mare; – cablu de otel acoperit cu plastic (0.7mm diametru) – motoare in current continuu Fiecare deget este format din trei segmente (falange), care la randul lor sunt formate din doua piese. Pentru prinderea si mobilitatea celor trei segmente au fost folositi rulemti de dimensiuni foarte mici si axe de ghidaj.
Pentru actionarea degetelor prin intermediul motoarelor se foloseste un cablu de otel acoperit cu cauciuc, care trece prin toate cele trei segmente si este infasurat in jurul unui cilindru (mosor) din plastic asemanator unei bobine. Degetele sunt tot timpul tensionate cu ajutorul unui ansamblu format din doi scripeti si doua arcuri formand o parghie de gradul II.
Figura 16 Deget, falange si rulmenti

27 Pe suportul ce reproduce palma sunt plasate degetele impreuna cu motoarele in lacasuri separate. Pentru actionarea degetului mare sunt utilizate doua motoare, unul de current continuu si un servomotor. Servomotorul ajuta la miscarea de abductie si adductie, iar motorul de curent continuu la miscarea de flexie si extensie a degetului.

Figura 17 Cilindru sau mosor pentru actionarea degetului
Figura 18 Prototip

28 3.2 Schema bloc Schema bloc este alcătuită din cinci blocuri: Figura 19 Schema Bloc a soluției propuse Achiziția se face cu ajutorul electrozilor pasivi. Prin contracție, mușchii generează un semnal electric, care poate fi înregistrat, interpretat și prelucrat. Semnalele electromiografice au amplitudine scăzută, iar pentru procesarea acestora este utilizat Shield-ul EKG-EMG care are în componența sa mai multe amplificatoare. Prelucrarea și transmiterea semnalului este efectuată prin intermediul anumitor software-uri, programul special pentru Arduino și Matlab. După prelucrare, semnalul ajunge la un servomotor care acționează proteza de mână. 3.2 Comanda și controlul protezei Pentru comanda și controlul dispozitivului este necesară scriere unui cod în software-ul special pentru Arduino. Structura unui program Arduino este formată din două secțiuni, una de setup, care este rulată o singură dată în momentul alimentării plăcuței și una de loop, care este rulată pe tot parcursul alimentării plăcii. Codul pentru comanda și controlul protezei poate fi găsit în Anexa 1. Primul pas este includerea în program a librăriilor necesare, după care se definesc anumiți parametri cum ar fi: pragul pentru a decide când este mâna închisă sau deschisă, pinul analog pe care se achiziționează semnalul mioelectric și pinul digital prin intermediul căruia se controlează servomotorul. Pragul a fost inițial ales în intervalul selectat în Matlab, în aplicația anterioară acesteia, însă nu s-au obținut rezultatele așteptate, astfel că prin încercări s-a stabilit valoarea finală. După definirea variabilelor, se crează funcțiile pentru închiderea mâinii (contracția mușchilor) și deschiderea mâinii (relaxarea mușchilor), se citește pinul analog selectat anterior, se face o mapare, urmată de o filtrare a semnalului, iar valoarea obținută se compară cu pragul ales și astfel se decide care dintre cele două cazuri este cel actual.
Achiziție
Procesare
Prelucrare
Transmitere
Acționare

29 3.3 Descrierea și funcționarea modelului experimental Pentru început se includ în program librăriile necesare, după care se definesc anumiți parametri cum ar fi, pragul pentru a decide când este mâna închisă sau deschisă, pinul analog pe care se achiziționează semnalul mioelectric și pinul digital prin intermediul căruia se controlează motoarele. Mai departe sunt create două funcții pentru închiderea și deschiderea mâinii, în care sunt comandate motoarele. Pentru închidere se alimentează motoarele și încep să se rotească, iar pentru deschidere se schimbă polarizarea, motoarele rotindu-se în celălalt sens. În cazul servomotorului, pentru deschidere motorul trece în poziție 0, iar pentru închidere face o rotație până în poziția de 100ș. Pentru a ști când și cum să acționeze motoarele, valoarea obținută în urma mapării și a filtrării semnalului înregistrat este comparată cu o valoare de prag, iar în funcție de rezultatul comparației se decide în ce poziție urmează să fie motorul.

30 Capitolul IV. Rezultate 4.1 Achiziția semnalului mioelectric Pentru achiziția semnalului EMG am folosit placa Arduino împreună cu Shield-ul și electrozii, softul Arduino în care am introdus un cod publicat de producătorii Shield-ului și un alt soft open source, Electric Guru, pentru vizualizarea formelor de undă. După conectarea plăcuțelor și alimentarea Arduino prin portul USB de la laptop, am aplasat electrozii după cum urmează: R și L pe mâna dreaptă, unde se calculează diferența de potențial, iar D pe mâna stângă, reprezentând referința.
După cum se poate observa, în momentul formării unui biopotențial există o variație a semnalului după care acesta revine la starea inițială.
Figura 21 Semnalul EMG atunci când mușchiul este relaxat
Figura 22 Semnalul EMG atunci când există activitate electrică
Figura 20 Montajul pentru achiziția semnalului EMG

31 4.2 Clasificarea corectă a închiderii și deschiderii mâinii Pentru această aplicație, pe lângă softul Arduino am utilizat și softul Matlab. Pentru conectarea plăcuței Arduino cu Matlab-ul există creată o funcție in Matlab și un program Arduino. Scopul acestei aplicații este de a afișa corect când mâna este închisă, respectiv deschisă. Montajul ramâne același ca la aplicația precedentă. Pentru îndeplinirea scopului a fost creat programul din Anexa 2. Programul citește intrarea analogică de pe Arduino unde se achiziționează semnalul mioelectric, după care sunt setate două praguri, unul la valoarea 450 milivolți și altul la valoarea de 580 milivolti. Ideea de bază este că atunci când semnalul are valori în intervalul 450 – 580, mușchiul este considerat relaxat și mâna este deschisă, iar atunci când nu are o valoare în acest interval există o contracție musculară și mâna este închisă. Valorile pentru intervalul de decizie au fost alese în urma vizualizării semnalului în Matlab.
Programul funcționează corect, însă datorită zgomotului prezintă mici erori de clasificare. Există momente în care, în timpul contracției, traiectoria semnalului nu este continuă , ci are o oprire de scurtă durată în intervalul în care mână este considerată a fi deschisă, iar mușchiul relaxat.
Figura 23 Clasificare mână închisă / mână deschisă

32 4.3 Testarea motoarelor 4.3.1 Testarea servomotorului Testarea motorului se face prin conectarea acestuia la placa Arduino după cum am menționat anterior și prin implementarea unui program Arduino, Anexa 3. Ceea ce face acest program este să miște motorul cu câte un grad la fiecare 10 milisecunde. Este setat să meargă de la 10 până la 150 de grade pentru a nu-l forța și a nu exista probleme. 4.3.2 Testarea motoarelor DC Testarea motoarelor se face prin conectarea acestora la placa Arduino dupa cum urmeaza: se leaga doua fire la doua porturi PWM si se ruleaza programul din Anexa 4. Programul functioneaza astfel: se initializeaza porturile la care sunt conectate firele motorului, se roteste motorul intr-un sens timp de doua secunde, iar apoi in celalalt sens timp de inca doua secunde. 4.4 Acționarea dispozitivului utilizând semnal EMG Acționarea dispozitivului utilizând semnalul mioelectric este scopul acestei lucrări. Pentru a duce la bun sfârșit această lucrare trebuie îmbinate toate cele trei aplicații prezentate. Astfel se ajunge la codul din Anexa 1.

33 Capitolul V. Concluzii Protezarea este o metodă medicală prin care pacientului îi este înlocuit un organ afectat cu unul artificial care să fie capabil să reproducă aproape în totalitate funcțiile organului natural. Cele mai cunoscute tipuri de proteze sunt cele de membre. Acestea au o istorie îndelungată, primele proteze fiind din lemn sau oase de animale și datează din perioadele preistorice. Următoarele generații de proteze au fost cele acționate prin intermediul unor cabluri cu ajutorul mușchilor neafectați ai pacientului. Acest lucru presupune însă un efort foarte mare al pacientului, dar și o uzură, atât a protezei, cât și a țesuturilor musculare ale persoanei respective. Astfel a apărut necesitatea creării altor metode de acționare a protezei, printre care și utilizarea semnalelor mioelectrice. Aceasta este o metodă actuală și este cea mai utilizată deoarece nu există riscuri majore de afectare a pacientului. Ideea de bază a acestei lucrări este demonstrarea faptului că o proteză poate fi controlată prin intermediul unui semnal EMG. Pentru acest lucru am utilizat electrozi pasivi pentru achiziția semnalului, două plăci pentru prelucrare și comandă, un servomotor, cinci motoare în curent continuu și scheletul printat 3D reprezentând mâna, având în vedere reproducerea mișcării de prehensiune. După cum se poate observa din rezultatele obținute, a fost atins scopul acestei lucrări, mâna bionică mișcându-se odată cu contracția, respectiv relaxarea musculară. Există mici erori deoarece nu s-a putut realiza o filtrare perfectă a zgomotului, însă nu au un impact foarte mare în atingerea scopului lucrării. Programul pentru controlul și comanda protezei nu prezintă un grad ridicat de complexitate, deci poate fi ușor înțeles și prelucrat. Ca direcții viitoare pentru această lucrare: – se pot adăuga mai multe canale de achiziție, pentru a spori acuratețea, astfel putându-se realiza o proteză mai complexă, care să aibă control individual pentru fiecare deget; – se pot adăuga mai multe servomotoare pentru a putea realiza o gamă mai largă de mișcări; – se pot adăuga senzori de presiune prin care să fie controlată forța aplicată asupra unui obiect; – comparativ cu protezele bionice existente pe piață, consider că acest prototip este unul cu costuri accesibile, și în același timp util și functional.

34 Bibliografie [1] E.E. Vanderwerker Jr., A Brief Review of the History of Amputations and Prostheses, M.D. JACPOC 1976 Vol 15, Num 5 [2] Herodotus, The Histories. 9.37 [3] D. Bucur, Curs Echipamente de protezare și ortezare, 2014 [4] R. Scott, Myoelectric control of prostheses: A brief history. Proc MyoElectric Control Prosthetics Symp. Fredericton, New Brunswick, Canada 1992. [5] R.N. Scott, P.A. Parker, Myoelectric prostheses: state of the art. J Med Eng Technol. 1988;12:143–51. [6] M.A. Oskoei, H. Hu, Myoelectric control systems—a survey. Biomed Signal Process Control. 2007;2:275–94. [7] P. Ding, H. Jianhua, T.M. Fei, Z. Shengnan, Myoelectric prosthesis hand control system with proportional speed regulating function, data publicării 29 decembrie 2010 [8] C.C. Wu, S. Aiguo, C. Jianwei, L. Huijun, Z.H. Tao, M. Chen, Q. Kui, Myoelectric prosthetic hand for self-rehabilitation training of patients with hand dysfunction, data publicării 21 martie 2012 [9] L. Yongzhao, Integral light and beautiful myoelectric hand, data publicării 24 octombrie 2012 [10] Ottobock., http://www.ottobock.ro/proteze/extremitatea-superioar%C4%83/prezentare-general%C4%83/sistemul-axon-bus-cu-mana-protetica-michelangelo/, data accesării 17.06.2015 [11] Ottobock, http://www.ottobock.ro/proteze/extremitatea-superioar%C4%83/prezentare-general%C4%83/dispozitive-mioelectrice-speedhands/, data accesării 17.06.2015 [12] Toughware PRX, http://www.toughwareprx.com/v2p.html, data accesării 17.06.2015 [13] Touch Bionics, i-Limb Ultra Revolution datasheet Issue March 2015_0 , 4 martie 2015 [14] D.D. Țarălungă, Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza biopotențialelor, Editura Matrix Rom București, 2013; 231

35 [15] V. Gheorghe, A. Popescu, Introducere în bionică, Editura Științifică, București , 1990 [16] V. Gheorghe, Contribuții la studiul contracției mușchiului striat, Teză de doctorat, Tipografia Universității din București, 1970 [17] N. Östlund, Adaptive signal processing of surface electromyogram signals, UMEÅ University Medical Dissertations, New series, No. 1009, 2006 [18] D.D. Țarălungă, Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza biopotențialelor, Editura Matrix Rom București, 2013; 236. [19] D.D. Țarălungă, Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza biopotențialelor, Editura Matrix Rom București, 2013; 237:239. [20] D.D. Țarălungă, Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza biopotențialelor, Editura Matrix Rom București, 2013; 243:245. [21] D.D. Țarălungă, Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza biopotențialelor, Editura Matrix Rom București, 2013; 247. [22] D.D. Țarălungă, Instrumentație biomedicală, Măsurarea și analiza biopotențialelor, Editura Matrix Rom București, 2013; 249:251. [23] robofun.ro, Arduino pentru începători, 5:6 [24] robofun.ro, Arduino pentru începători, 159:161

36 Anexa 1 #include <Servo.h> // Se include librăria pentru servomotor
 #include <firFilter.h> //Se include librăria pentru filtru FIR
 #define THRESHOLD 400 //Se setează pragul pentru a determina dacă mâna este închisă/deschisă
 #define EMGPIN 0 //Se selectează pinul analog pentru achiziția semnalului EMG #define HANDPIN 9 //Se selectează pinul digital utilizat de servomotor
 Servo servoHand; //Se definește servomotrul utilizat cu denumirea servoHand firFilter Filter; //Se încarcă funcția de filtru median în variabila Filter
 int filtered; //Se crează o variabilă filtered care va reprezenta valoarea de la ieșire în urma filtrării
 void openHand() { //Se crează o funcție pentru momentul de relaxare al mușchilor servoHand.write(0); //Se setează poziția în care se va afla servomotorul în momentul de relaxare al mușchilor
 }
 void closeHand() { //Se crează o funcție pentru momentul de contracție al mușchilor servoHand.write(100); //Se setează poziția în care se va afla servomotorul în momentul } de contracție al mușchilor

 void setup() { Serial.begin(9600); //Se setează rata de transfer a datelor Filter.begin(); servoHand.attach(HANDPIN); //Se setează ieșirea pentru acționarea motorului } void loop() {
 int value = analogRead(EMGPIN); //Cuantizarea semnalului analog filtered=Filter.run(value); //Se aplică filtrul asupra semnalului mapat
 if (filtered < THRESHOLD) //Pentru valoare mai mare decât pragul mâna este {closeHand();} închisă, deci servomotorul este în poziția de 0 grade else //Altfel mâna este deschisă și servomotorul face o {openHand();} rotație până în poziția de 100 de grade }

37 Anexa 2 clc; close all, clear all; //Se inchide istoricul de comenzi și se șterg toate variabilele deja existente în Matlab delete(instrfind('Port','COM4')); //Se șterge orice instrucțiune salvată pe portul de conectare al Arduino la laptop a=arduino('COM4'); //Se inițializează placa Arduino pe portul COM4 al laptopului ai_in=0; //Se selectează portul analogic A0 al plăcii Arduino
 tic; //Se activează un timer
 i=0; //Se alege o variabilă ”i” care inițial este 0, iar apoi este incrementată cu 1 pentru fiecare moment în care se face achiziție de semnal while toc<500 //Se setează timpul de achiziție până la valoarea maximă de 500 de secunde i=i+1; // Funcția de incrementare
 time(i)=toc;
 time2(i)=toc;
 v(i)=a.analogRead(ai_in); //Se citește semnalul preluat de la portul Arduino selectat anterior
 v2(i)=450; //Se setează valoarea minimă a intervalului de decizie v3(i)=580; //Se setează valoarea maximă a intervalului de decizie if ((v(i)<450)||(v(i)>580)) //Daca valoarea amplitudinii semnalului nu este cuprinsă disp('mâna este inchisã') în intervalul 450-580 milivolți se afișează mesajul: else mâna este închisă, altfel se afișează mesajul: disp('mâna este deschisã') mâna este deschisă end figure(1);
 plot(time, v, 'color','r'); hold on; //Se generează o figură cu intervalul de decizi plot(time, v2, 'color', 'b'); hold on; e și forma de undă a semnalului plot(time, v3, 'color', 'b'); achiziționat în timp real legend('EMG','OUT') title('Semnal EMG') end

38 Anexa 3 #include "Servo.h" // Se include librăria pentru servomotor Servo myservo; //Se definește servomotrul utilizat cu denumirea servoHand int pos = 0;
 void setup()
 { myservo.attach(9); //Se setează ieșirea pentru acționarea motorului } void loop() { for (pos = 10; pos < 150; pos += 1) //De la poziția de 10 grade motorul se mișcă
cu 1 grad { la fiecare 10 milisecunde până la poziția de 150 grade myservo.write(pos); delay(10); }
 for(pos = 150; pos>=10; pos-=1) //De la poziția de 150 grade motorul se mișcă cu 1 grad { la fiecare 10 milisecunde până la poziția de 10 grade myservo.write(pos); delay(10); } }

39 Anexa 4 int motorPin1 = 5; // Un fir al motorului conectat la pin-ul 5 int motorPin2 = 6; // Un fir al motorului conectat la pin-ul 6 void setup() { // initializarea pinilor pinMode(motorPin1, OUTPUT); pinMode(motorPin2, OUTPUT); } void loop() { rotateLeftFull (2000); rotateRightFull (2000); } void rotateLeftFull(int length) { digitalWrite(motorPin1, HIGH); // porneste motorul digitalWrite(motorPin2, LOW);
 delay(length);
 digitalWrite(motorPin1, LOW); // opreste motorul } void rotateRightFull(int length) { digitalWrite(motorPin2, HIGH); digitalWrite(motorPin1, LOW); delay(length); digitalWrite(motorPin2, LOW); }

40 Anexa 5

41

42