Устройство для диагностики постуральных нарушений

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для диагностики постуральных нарушений содержит стабилометрическую платформу (1) и датчики угловых скоростей и линейных ускорений. Стабилометрическая платформа установлена на шестикомпонентных стержневых тензометрических весах (2). Датчики угловых скоростей (7) и линейных ускорений (6) закрепляются на теле пациента (5). Сигналы с весов и датчиков соединены с входами контроллера (4). Выход контроллера подключен к компьютеру (8). Компьютер оснащен программным продуктом, позволяющим произвести одновременную запись всех сигналов с весов и датчиков и обработать эти сигналы. Устанавливаются отклонения компенсирующих сил и моментов от гравитационных сил и моментов, вызванных колебаниями центра масс относительно центра давления за счет предварительной градуировки шестикомпонентной жесткости α₁ упругой постуральной системы. Пациенту предлагают произвести движение поочередно в одной из трех плоскостей, которое изменяет силу или момент, измеренные стержневыми весами только в одной из трех этих осей. Отклонения определяются согласно формулам. Достигается повышение информативности о постуральных нарушениях за счет расширения частотного диапазона регистрируемых устройством сигналов постуральной системы, а также за счет разделения сигналов на шесть компонент. 2 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к восстановительной медицине, точнее к ее направлению, известному как стабилометрия.

Известны подобные устройства - стабилографы, которые описаны в книге Д.В. Скворцова. Стабилометрические исследования. Издательство Мера. г. Москва. 2010 г.

Известные стабилографы содержат тензометрические платформы, оснащенные сенсорами измеряющими силы и моменты, сигналы которых усиливаются, нормализуются и оцифровываются в контроллерах, регистрируются в компьютерах и обрабатываются программами, позволяющими определить колебания центра давления пациента, установленного на платформу стабилографа.

Описанный стабилограф может быть принят за прототип предлагаемому устройству.

Основным недостатком известных стабилографов является низкая информативность. Часто полученная информация трактуется не однозначно. Многие постуральные дисфункции с их помощью не диагностируются, поскольку анализируемые сигналы ограничены частотами сердечного ритма. Между тем постуральная система находится в условиях окружающей среды, возмущения которой находятся и в звуковой полосе частот и в полосе частот световых волн и в полосе волн механических. Исполнительный механизм постуральной системы только тогда обеспечит ее устойчивость, если его способность не будет ограничена низкими частотами. Исполнительная система постурального апломба, включающая мышцы, связки, многозвенный скелет, на основании обработки информации с этих сенсоров должна обеспечить управляющие воздействия, динамика которых должна описываться передаточными функциями, полоса частот которых не ниже частот возмущающих воздействий. Из этого следует, что полнокровное приборное исследование устойчивости постуральной системы возможно только в случае применения приборов, улавливающих движения в этой системе не только механические низкочастотные, но и движения звукового диапазона.

Целью предлагаемого устройства является повышение информативности о постуральных нарушениях за счет расширения частотного диапазона регистрируемых устройством сигналов постуральной системы, а также за счет разделения сигналов на шесть компонент. Исследование пациентов с постуральными дисфункциями с помощью акустических приборов, позволяющих записывать сигналы этого диапазона, которые возникают при импульсных толчковых ручных воздействиях на позвоночник, позволили сделать вывод о том, что основные частоты звукового спектра, при эффективных восстанавливающих воздействиях, смещаются с течением времени в одном направлении. У одних пациентов в сторону уменьшения основной частоты, у других, наоборот, в сторону ее повышения. Из этого следует вывод, что основная частота звукового диапазона является частотой «собственной», каждый индивидуум обладает собственной частотой в звуковом диапазоне частот. На этой частоте преимущественно идет поисковый процесс компенсации внешних воздействий звукового диапазона частот. Эта частота определилась в процессе поисковых процессов самообучения в постуральной системе, а при постуральной дисфункции произошла ее сдвижка. Указанные исследования поставили вопрос о происхождении звуковых волн, какой элемент тела человека является их генератором? Появление акустического шума при этом, указывает на то, что в этом процессе проявляется эффект кавитации (М. Дж. Альтер. Наука о гибкости. Издательство Олимпийская литература, г. Киев. 2001 г.).

Кавитация связана с тем, что в межпозвонковой среде находится жидкость, в которой возможно образования газовых пузырьков при достаточных возмущениях этой среды. Известно также, что внутри этих пузырьков давление среды может достигать 2000 атм, которые при критических давлениях лопаются, что вызывает акустические шумы (Дж. Дейла, Р. Клепп. Кавитация, издательство «Мир», г. Москва, 1979 г.). В звуковом диапазоне частот также идут колебания центра масс человека, измеренные трехкомпонентными акселерометрами, обладающими полосой пропускания от 0,5 Гц до 10 кГц. Притом отмечалось, что у пациентов с постуральной дисфункцией основные частоты звукового диапазона вдоль разных осей отличаются значительно. Тогда как у контрольной группы вдоль всех трех осей основные частоты звукового спектра близки. При контроле мышечного тонуса с симметричных сторон позвоночника таких пациентов также обнаруживалась асимметрия, которая после восстановительных процедур исчезала, мышечный тонус слева и справа от позвоночника выравнивался, также выравнивались основные частоты колебаний центра масс вдоль всех трех осей. Тем самым примененные исследования позволили оценивать эффективность восстановительных процедур, заключающихся в ручных хиропрактических воздействиях на костно-мышечную систему пациентов. Чтобы объективно численно описать эти воздействия, были созданы приборы, оснащенные муляжами позвоночника, установленного на упругих подвесах, оснащенных сенсорами и системой регистрации сигналов, генерируемых ими при воздействии на муляжи опытным специалистом. Отмечались эти сигналы крутым фронтом, длительность которого была не более 5 мСек и длительностью импульса 50 мСек. Такие сигналы, при разложении в спектр Фурье, также лежат в диапазоне звуковых волн, что указывает на возможность появления дифракции волн вызванных восстановительными воздействиями с волнами собственными постуральной системы. Взаимодействие указанных волн стимулирует генерацию собственных волн. Скорее всего собственные частоты отражают состояние позвоночного столба, который можно рассматривать как систему из предварительно напряженных балок. Предварительную напряженность элементам позвоночника обеспечивают мышцы и связки. В строительной механике применяются предварительно напряженные конструкции с целью повышения прочности при уменьшении их веса. Изгибы позвоночника, также как и изгибы предварительно напряженных конструкций, также направлены на достижение той же цели. Известно, что предварительно напряженные конструкции обладают повышенными собственными частотами. То же можно с уверенностью отнести и к позвоночнику. В работе А.И. Капанджи. Позвоночник. Физиология суставов. Москва. Эксмо. 2014 г. также утверждается, что из-за изгибов позвоночника повышается резистентность его к осевой компрессии, там же А. Дельмас позвоночник рассматривает как динамический элемент, а любой динамический элемент может быть описан частотной передаточной функцией с основной частотой. Сказанное выше позволяет сделать вывод о том, что генератором звуковых частот является исполнительный механизм, включающий позвоночник, мышцы, связки, нервные волокна, через которые сигналы с сенсоров и управляют колебательными процессами в постуральной системе. Только благодаря колебаниям предельно малых амплитуд, обнаруживаемых сверхчувствительными датчиками, обеспечивается устойчивость постуральной системы. Фильтрация сигналов стабилометрических платформ фактически снижает их информативность в десятки раз. Те сигналы, которые принимались за нерегулярные шумы, являются сигналами, определяющими устойчивость постуральной системы.

Указанная цель в известных устройствах может быть достигнута применением в качестве сенсоров широкополосных шестикомпонентных стержневых тензовесов, подробно описанных в патенте №2390029, где они применяются для измерения колебаний ускорений, и регистрацией сигналов не только с сенсоров платформы, но и дополнительно одновременной регистрацией колебания центра масс и записью акустических шумов.

Такое устройство позволит определить в динамике отклонение центра масс от центра давления, а регистрация сигналов в частотном диапазоне от инфранизких до звуковых частот позволит обработкой программой БПФ(быстрое преобразование Фурье) установить собственные частоты постуральной системы, на которых происходит процесс стабилизации вертикальной стойки пациента на платформе и корреляционные функции, связывающие колебания центра масс и колебания центра давления.. Собственные частоты постуральной системы, так же как и корреляционные функции при этом являются качественной информацией о постуральных дисфункциях.

Предлагаемое устройство представлено схематически на рисунке 1 и содержит:

- платформу 1, которая установлена на упругих стержневых шестикомпонентных тензометрических весах 2, содержащих мостовые схемы тензорезисторов 3, выходные сигналы которых подключены к контроллеру 4. На платформе устанавливается пациент 5 с трехкомпонентным датчиком-акселерометром 6 и трехмерным датчиком угловых скоростей 7, выходы которого также подключены к контроллеру 4. Контроллер выполняет функцию усиления сигналов с датчиков, нормализацию этих сигналов, преобразование их в цифровой код и передачу этой информации в компьютер 8.

Стержневые тензометрические весы позволяют определить три силы, разложенные на три взаимно ортогональные оси и три момента вокруг этих осей. Эти силы вызваны колебаниями центра масс пациента относительно центра его давления. Колебания центра масс при этом определяются трехмерным акселерометром 6 и трехмерным датчиком угловых скоростей, которые позволяют отслеживать три линейных и три угловых перемещений. Эти перемещения упругого механизма постуральной системы и обеспечивают силы Гука и моменты этих сил, которые компенсируют гравитационные силы и моменты, вызванные отклонениями центра масс от центра давления, которые измеряются стержневыми тензометрическими весами. При этом должны выполняться следующие соотношения между гравитационными и компенсирующими силами и моментами

где F_X, F_Y, F_Z - проекции гравитационных сил на соответствующие оси, M_X, M_Y, M_Z - гравитационные моменты вокруг соответствующих осей, - жесткость упругой постуральной системы вдоль соответствующей компоненты, ΔX, ΔY, ΔZ - линейные отклонения центра давления от центра масс, Δα, Δβ, Δγ - угловые отклонения вокруг соответствующих осей центра давления, ε_i - отклонение равенства сил и моментов, вызванные перекрестными связями между различными группами мышц. Предполагается, что компенсирующие упругие силы создаются не только единичными группами мышц, которые и определяют соответствующие компоненты сил (моментов), но также и всеми остальными группами мышц. Именно перекрестные связи и определяют динамику постуральной системы. Программное определение шести компонент отклонений ε_i позволяет выявить постуральную дисфункцию в той или иной группе мышц. Большее значение ε_i указывает на большую величину постуральной дисфункции. Из-за фазовых запаздываний между гравитационными силами и моментами и силами и моментами компенсирующими, отклонения e_t носят гармонический характер и могут быть описаны только спектральной функцией. Поэтому программное обеспечение предлагаемого устройства должно содержать быстрое преобразование Фурье (БПФ). Жесткость упругой постуральной системы соответствующей оси определяется градуировкой. Для этого предлагают пациенту произвести движение такое, которое изменяет силу (момент), измеренную стержневыми весами, преимущественно только вдоль одной оси. Например, совершить наклон только в сагиттальной плоскости или только во фронтальной. При этом также фиксируется соответственное отклонение по этой оси. Градуировки жесткостей сохраняются в памяти компьютера.

Структурная схема, которая отражает движение информации в предложенном устройстве приведена на рисунке 2.

На рисунке 2 обозначены: пациент 5, на которого действуют гравитационные силы и моменты, которые и определяют отклонения линейные и угловые, измеряемые акселерометром 6 и датчиками угловых скоростей 7, информация с которых поступает в блок перемножения 9. На вторые входы этого блока поступает информация о жесткости постуральной системы с блока памяти 10. С блока перемножения информация поступает на входы блока деления 11, на вторые входы этого блока передается информация с мостовых тензорезисторных датчиков 3 стержневых весов 2. Информация с блока деления обрабатывается программой БПФ и представляется в виде собственных частот и дисперсий. Структурная схема 2 является моделью постуральной системы человека.

Предложенное устройство для диагностики постуральных нарушений, содержащее стабилометрическую платформу с датчиками сил и моментов, выходы которых соединены через контроллер с компьютером, в котором программно обрабатываются сигналы с датчиков сил и моментов, отличающееся тем, что в качестве датчиков сил и моментов применены стержневые шестикомпонентные тензометрические весы, позволяющие разделить силы и моменты на компоненты, спроектированные на три ортогональные оси, причем дополнительно введены трехкомпонентные линейные акселерометры и трехкомпонентные датчики угловых скоростей, которые закреплены в центре масс пациента и которые позволяют определить шесть компонент отклонения центра давления от центра масс, выходы которых также соединены со входами контроллера, позволяет измерить шесть компонент указанного выше шестикомпонентного вектора отклонениям,.

Общими признаками предложенного устройства и устройства прототипа являются: наличие стабилометрической платформы с датчиками сил и датчиками моментов.

Отличительными признаками являются:

- разделение сил и моментов, действующих на платформу на шесть компонентов в предложенном устройстве, за счет введения шестикомпонентных стержневых тензометрических весов, тогда как в прототипе эти нагрузки разделяются только на два компонента,

- одновременная регистрация сигналов о нагрузках и отклонений центра масс от центра давления, за счет введения линейных акселерометров и датчиков угловых скоростей.

Благодаря отличительным признакам, совместно с известными достигается более точная диагностика постуральных нарушений пациента.

Предложенное устройство может найти применение не только в медицинских институтах, но и в восстановительных центрах, физкультурных залах.

Устройство для диагностики постуральных нарушений, содержащее стабилометрическую платформу, установленную на шестикомпонентных стержневых тензометрических весах, датчики угловых скоростей и линейных ускорений, которые закрепляются на теле пациента, сигналы с весов и датчиков соединены с входами контроллера, выход которого подключен к компьютеру, который оснащен программным продуктом, позволяющим произвести одновременную запись всех сигналов с весов и датчиков и обработать эти сигналы, отличающееся тем, что устанавливаются отклонения компенсирующих сил и моментов от гравитационных сил и моментов, вызванных колебаниями центра масс относительно центра давления за счет предварительной градуировки шестикомпонентной жесткости α₁ упругой постуральной системы, для чего предлагают пациенту произвести движение поочередно в одной из трех плоскостей, которое изменяет силу или момент, измеренные стержневыми весами только в одной из трех этих осей, а отклонения определяются согласно следующим формулам:

где F_j, M_j - силы и моменты, измеренные стержневыми весами, а ΔХ, ΔY, ΔZ - линейные перемещения центра масс, полученные обработкой сигналов с линейных акселерометров, а Δα, Δβ, Δy - угловые перемещения центра масс, полученные обработкой сигналов с датчиков угловых скоростей.