Устройство для исследования функции равновесия и биомеханики движений человека

 

Союз Советских

Соцналнстнческнх

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

» "»» I (61) Дополнительное к аат. свмд-ву

{5f)M. Кл. (22) Заявлено 01;07.77 (21) 2502382/28-13 с присоединением заявки М (23) Приоритет

А 61 В 5/16

Гкударствахкма кенвттт

СССР в делам азабрепаах в еткрмтай

Опубликовано 05.11.79. Бюллетень М 41

Дата опубликования описания 08,11.79

{53) УДК 615.478. .6:616-07.612.886 (088.8) (72) Автор изобретения, А. Д, Матвеев

Институт медико-биологических проблем

Министерства здравоохранения СССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИИ РАВНОВЕСИЯ

И БИОМЕХАНИКИ ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА

Изобретение относится к медицине, а имен- но к медицинской технике.

Известно устройство для исследования функции равновесия и биомеханики движений человека, содержащее подвижную платформу, стабилS . лограф, систему фиксации человека, привод, ме-. ханизм изменения устойчивости, регистрирующую аппаратуру и механизм передачи информации (1).

Однако известное устройство имеет недоста.f0 точную точность исследования параметров движений человека.

Целью изобретения является повышение точности исследования функции равновесия, биомеf5 ханики движений человека.

Поставленная цель достигается тем, что механизм изменения устойчивости выполнен в форме полусферы с вертикальной осью вращающегося диска, соединенных гибкими тросами, причем внутри полусферы на вертикальной оси размещен груз, а стабиллограф установлен на вертикальной оси с возможностью продольного перемещения.

На чертеже изображено предлагаемое устройство для исследования функции равновесия и биомеханики движений человека. Оно содержит механизм изменения устойчивости, выполненный в виде полусферы 1 с вертикальной осью 2 и вращающегося диска 3, соединенных гибкими тросами 4, подвижную платформу 5 с расположенным в центре ее над отверстием 6 стабиллографом 7 и системой 8 фиксации человека.

В центре своей внутренней стороны стабиллограф 7 жестко соединен и опирается на выдвижную часть 9 вертикальной осью 2, а периметр стабиллографа опирается на край отверстия

6 подвижной платформы 5 полусферы 1. Верхушка полусферы 1 своей точечной опорой опирается на вращающийся диск 3 сферической формы с плоской поверхностью в центре и со скользящей опорой 10 по периметру. Внешняя поверхность 11 полусферы 1 и внутренняя поверхность

12 диска 3 образуют неустойчивую опору и покрыты материалом, обеспечивающим малый коэффициент трения. В центре диск 3 опирается и закреплен на оси 13 вращения привода 14 подвижной платформы 5. Периметр подвижной плат6956

3 формы 5 снабжен предохранительным амортизатором 15 (например пневматическим).

Механизм управления положением центра тяжести устройства установлен по оси симметрии подвижной платформы 5 внутри полусферы 1 и выполнен в вице груза 16 (например, свинцовые плиты) и электромеханизма 17, перемещающихся вдоль вертикальной оси 2 и ее выдвижной части 9 в зависимости от показаний стабилЛографа 7, работающего в режиме динамографа. >0

На внешней поверхности 18 диска 3 сферической формы расположены симметрично по диагонали друг против друга четыре реверсивных электродвигателя 19, осуществляющих управление параметрами движения подвижной 15 платформы 5. Две пары диаметрально противоположных точек края подвижной платформы 5 посредством тросов 4 через соответствующие прорези в диске 3 соединены с редукторами электродвигателей 19, электропитание которых 20 осуществляется через коллектор 20 вала привода 14 электромеханизма вращения подвижной платформы 5.

В центре конструкции металлической рамы 21 на неподвижной оси 22 симметрии устройства расположен электродвигатель 23, на валу 24 которого закреплены экранированные коллекторы 25 с токосъемными кольцами для передачи электропитания or источника 26 постоянного тока, а также медицинской и технической информации к регистрирующей аппаратуре 27, Вращение закрепленных на вал1 24 электродвигателя 23 такосъемных колец, перекладины

28 с блоком и механизмом приема и отдачи экранированного кабеля 29 синхронизировано с вращением привода 14 вращения подвижной платформы 5.

Разъемы 30, 31 питания и отведения для подсоединения кабеля и коммутационные колодки

32 находятся на противоположных краях подвиж40 ной платформы 5, Механизм 33 страховки за,креплен на неподвижной осн симметрии устройства. Пульт 34 управления имеет индикаторные приборы контооля и элементы управления всеми режимами работы устройства.

Устройство для исследования функции равновесия и биомеханики движений человека фучкционирует как устойчивая и неустойчивая опора, 50

Перед проведением исследований к устройству подключается электропитание от источника

26 постоянного тока. Для этого кабель 29 питания и отведения биоэлектрической и технической сигнализации на регистрирующую аппаратуру 27 подключают к разъемам 30 и 31 подвижной платформы 5.

Полусфера 1 устанавливается в устойппгое ноложение путем включения на пульте 34 управ56 4 пения электродвигателей 19 механизма управления параметрами движения подвижной платформы 5. При этом все четыре электродвигателя

19, работая синхронно, производят равномерное натяжение тросов 4 с четырех сторон полусферы и обеспечивают ей устойчивое, неподвижное состояние с расположением подвижной платформы в горизонтальной плоскости. По достижении необходимой заданной степени натяжения тросов 4 электродвигатели 19 автоматически отключаются, сохраняя достигнутое натянутое состояние тросов и устойчивое положение полусферы.

Испытуемый встает в центре стабиллографа

7, который сначала включается на режим динамографа для взвешивания испытуемого с автоматической регуляцией положения общего центра тяжести устройства. Производится уравнивание условий равновесия для испытуемых разного веса и роста к заданной степени неустойчивого равновесия путем нахождения нового уровня общего центра тяжести (ОЦТ) относительно его исходного положения, При этом электромеханизм 17 автоматически перемещает груз 16 по оси 2 вверх или вниз и фиксирует его.

Визуальная оценка веса испытуемого и положения ОЦТ устройства производится по показаниям индикаторных приборов пульта управления.

Таким образом, путем регулирования уровня положения ОЦТ устройства перец исследованием каждого испытуемого достигаются равнозначные условия сохранения равновесия устройства при балансировании испытуемых с разным весом в диапазоне любой выбранной для исследования степени неустойчивого равновесия, Для этого экспериментатор устанавливает требуемую степень неустойчивого равновесия, соответствующую одному из условно принятых уровней различной степени неустойчивого равновесия: высокой, средней и низкой степени, При этом чем выше уровень ОЦТ устройства с человеком, тем большая степень неустойчивости устройства достигается.

Установку и изменения степени неустойчивого равновесия производят как до, так и в процессе исследования на основании расчетных таблиц для каждой степени неустойчивого равновесия, учитывающих поправку разницы веса испытуемых, Различный уровень ОЦТ достигается путем перемещения груза 16 (или изменения ее количества) вверх или вниз по вертикальной оси 2 и ее выдвижной части 9.

В случае, когда предполагается провести исследования в положении сидя, экспериментатор включает механизм управления положением стабиллографа 7, При этом стабиллограф 7, закрепленный на выдвижной части 9 вертикальной

695656

cTOpOHQ IIpH cIIOKOIIH0M неподвижном cOCTOEIHEN фиксированного человека. При тенденции отклонения в определенную сторону балансировка производится путем ослабления фиксации и незначительных перемещений человека в соответствующую сторону и повторной фиксацией.

Затем полусфера вновь переводится в устойчивое положение. На испытуемом закрепляют трос механизма 33 страховки. Для записи физи1о ологических функций на теле испытуемого устанавливаются физиологические датчики с подключением их к коммутационной колодке 32 подвижной платформы.

После укаэанной подготовки экспериментатор устанавливает на пульте управления устройсгеа один иэ следующих его режимов работы. ф

2/а аД > щ О

"p4

Характеристика режимов работы устройства и

3 33 Ви

О Х й

Свободное активное балансирование одноплоскостное 2

Свободные пассивные колебания одноплоскостные по затухающей амплитуде

3 + + +

Принудительные пассивные колебания одноплоскостные или многоплоскостные по незатухающей синусоиде 4 + + + + +

Вращение в горизонтальной плоскости с переводом на неустойчивую опору в любом режиме активного бапансирования или свободного и принудительного пассивного колебания 5

5 оси 2, устанавливается на необходимом уровне от поверхности подвижной площадки 5 полусферы 1.

После окончания регулировки положения ОЦТ стабиллограф переключается на свой режим работы. Затем производится требуемая свободная фиксация человека в одной точке (стопы ног или таз) или жесткая фиксация в двухтрех точках (дополнительно грудь).

Значительным этапом подготовки является балансировка всего устройства с человеком, зафиксированным в заданнном положении. С целью проверки отбалансированного состояния устройства с человеком создаются условия низкой степени неустойчивости и перевод полусферы иэ устойчивого сОстояния в неустойчивое, Оценкой хорошо отбалансированной системы.

"платформа — человек" является отсутствие спонтанных отклонений полусферы в какую-либо

Свободное активное балансирование в

3-х степенях свободы ) + + +

Режимы работы устройства в состоянии неустойчивой опоры приведены в таблице.

695656

До, во время и после работы устройства в любом из вышеописанных режимов производится регистрация технических и медицинских. параметров функционирования полусферы и человека на регистрирующей аппаратуре.

Работа устройства в режиме 1 происходит при активном балансировании испытуемого на неустойчивой опоре в условиях 3-х степеней свободы. Для перевода полусферы с испытуе. мым в условия неустойчивого равновесия !О (а также при режимах 1 и 5) тумблер на пульте управления ставится в положение "НеустойФвая опора". При этом включаются обе пары электродвигателей 19 для управления параметраМи движения подвижной платформы с одновре- 15 менным сбросом тросов и автоматическим отключением двигателей. Полусфера освобождается от равномерного и симметричного натяжения тросов и переходит из устойчивого состояния в неустойчивое. 20

В режиме 1 испытуемый, зафиксированный в положении стоя только в одной точке (стоПы ног), а в положении сидя и лежа только в области таза, производит активное балансирование для сохранения статического или динамического равновесия и вертикального положения тела. В процессе балансировки колебательньье движения различной амплитуды в вертикальных

Плоскостях сочетаются с инерционными поворотами полусферы вокруг ее оси симметрии при любых положениях подвижной платформы с находящимся на ней человеком но отношению к горизонтальной плоскости.

Чем вьнце ОЦТ устройства от точки опоры полусферы, тем труднее задача сохранения равновесия в вертикальном положении в любой позе. Различная степень неустойчивого равновесия устройства используется для оценки состояния и динамики изменения функции равновесия испытуемых в процессе их тренировки с помощыд данного устройства. Больнюй угол наклона полусферы (50-60 ) при активном балансировании в условиях свободной позы имитирует ощущение отсутствия опоры, проваливания в пустоту, т.е. создает модель безопорного пространства, особенно с закрытыми глазами.

После окончания исследований полусфера переводится в устойчивое положение с помощью включения всех четырех электродвигателей 19, управляющих параметрами движения подвижной платформы. Одновременная, синхронная работа двигателей создает равномерное и симметричное натяжение тросов 4 до величины, обеспечивающей плавное или резкое торможение с быстрой или медленной остановкой колебательных движений полусферы и перевод ее в устойчивое положение.

Работа устройства в режиме 2 происходит так же при активном балансировании испытуемого на неустойчивой опоре, но в условиях только одной плоскости (в сагитальной или фронтальной) . Плоскость балансирования (вправо — влево или вперед — назад) зависит от того, какая пара электродвигателей 19 отключена и какая пара обеспечивает равномерное натяжение тросов для поддержания соответствующего направления наклонов полусферы при балансировании испытуемого. Работа устройства в расширенном режиме 2, т.е. при активном балансировании в любой другой плоскости, может быть достигнута путем поворота устройства с испытуемым вокруг вертикальной оси на любой угол и фиксировании в новом положении. В этом случае одноплоскостное активное балансирование испытуемого происходит при положении его тела под любым углом к плоскости наклонов.

Работа устройства в режиме 3 происходит при пассивном (обездвиженном) состоянии испытуемого. Свободные колебания полусферы по затухающей синусоиде (амплитуде) достигаются путем включения одной пары электродвигателей 19 для обеспечения свободного равномерного натяжения тросов и, следовательно, соответствующей плоскости качания (аналогично режиму 2). gpyrasr пара электродвигателей включается для обеспечения начального принудительного наклона полусферы с испытуемым в требуемую сторону на заданную амплитуду наклона, затем эта пара двигателей автоматически отключается с отдачей троса, чтобы не препятствовать естественным колебаниям полусферы.

Работа устройства в режиме 4. Создание одноплоскостных принудительных колебаний полусферы по незатухающей синусоиде любой амплитуде при пассивном состояниии испытуемого обеспечивается работой всех 4-х электродвигателей 19. При этом одна пара двигателей работает аналогично режиму 2 и 3 на удержание свободного симметричного равномерного натяжения тросов, а другая пара двигателей работает синхронно, чередуясь на натяжение и отдачу троса, создавая условия принудительного наклона полусферы в заданной плоскости с определенной амплитудой и частотой принудительных маятникообразных колебаний неопределенно длительное время при пассивном (обездвиженном) состоянии испытуемого.

Для обеспечения принудительных колебаний полусферы с человеком в различных плоскостях (многоплоскостные HBJIKDHbl),ðàáîòà обеих пар двигателей меняется, т.е. чередуется через различные промежутки времени при одновременных принудительных поворотах полусферы вокруг вертикальной оси на различный утоп в любом

695656

1О направлении с помощью привода 14 электромеханизма вращения подвижной платформы.

Работа устройства в режиме 5 состоит из двух видов движений: первичного — принудительного вращения полусферы с испытуемым в горизонтальной плоскости вокруг оси симметрии и вторичного — последующего перевода полусферы на неустойчивую опору с работой в любом иэ вышеописанных режимов активного балансирования или свободного и принудительного >о колебания. Перед включением привода 14 злектромеханизма вращения подвижной платформы, полусфера,. переводится в устойчивое положение. После установки иа пульте управления программы вращения подвижной платформы 15 включается режим вращения полусферы, которая вращается совместно с диском 3 сферической формы, закрепленного на валу привода 14 электромеханизма вращения подвижной платформы.

Перед тем как перейти на режим неустойчивой 20 опоры (в том числе на режим принудительных колебаний) вращение полусферы прекращается и после полной остановки включается режим не. устойчивой опоры.

Последующая остановка ее после окончания исследований и перевод в устойчивое состояние производится таким же способом, как описано в режиме 1.

Указанные 5 основных режимов работы устройства могут комбинироваться и происходить в различных вариантах условий работы устройства.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность исследования функции равновесия.

Формула изобретения

Устройство для исследования функции равновесия и биомеханики движений человека, содержащее подвижную платформу, стабнллограф, систему фиксации человека, привод, механизм изменения устойчивости, регистрирующую аппаратуру и механизм передачи информации, отличающееся тем, что, с целью повышения точночти исследования функции равновесия, биомеханики движений человека, механизм изменения устойчивости выполнен в форме полусферы с вертикальной осью и вращающегося диска, соединенных гибкими тросами, причем внутри полусферы на вертикальной оси размещен груз, а стабиллограф установлен на вертикальной оси с возможностью продольного перемещения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 227495, кл. А 61 В 5/16, 07.08.65.

695656

Составитель В, Головин

Редактор И. Гохфельд Техред И.Асталош Корректор М. Пожо

Тираж 672 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д, 4/5

Заказ 6627/6

Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4