Устройство для регистрации и анализа распределения нагрузок на нижние конечности
Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к биомеханическим и нейрофизиологическим устройствам, позволяющим исследовать распределение веса между стопами, колебания проекции общего центра масс человека и центров давления стоп в определенном интервале времени. Устройство может быть использовано для биомеханических исследований в ортопедии и неврологии, определения способностей поддержания вертикальной позы у пациентов с заболеваниями и повреждениями опорно-двигательного аппарата, центральной и периферической нервной системы. Технической задачей полезной модели является обеспечить возможность вычисления центра давления каждой стопы на плоскость опоры, высокую стабильность работы устройства и точность регистрируемых нагрузок, оказываемых стопами на горизонтальную поверхность, обеспечить простоту эксплуатации устройства. Технический результат заключается в повышении точности определения частотного спектра колебаний центров давления каждой стопы, а также перераспределения веса между стопами, что имеет важное значение при проведении экспериментальных исследований, а также в медицинской практике для диагностики болезней опорно-двигательного аппарата и нервной системы, а также контроля эффективности проводимого лечения. Определение центра давления стопы достигается тем, что каждая измерительная платформа содержит три рабочих тензодатчика. Таким образом, задается система координат на плоскости, на которую опирается стопа во время проведения исследования. Стабильность работы устройства достигается за счет применения прецизионных дифференциальных усилителей и источника опорного напряжения,
что исключает зависимость работы устройства от входящего напряжения и минимизирует время выхода его на рабочий режим. Точность измерений достигается за счет четырех конструктивных решений. Во-первых, устройство рабочих тензодатчиков. Каждый рабочий тензодатчик состоит из единственного тензорезистора, прочно фиксированного на упругой балке, и общего для всех тензорезисторов, входящих в состав рабочих тензодатчиков, эталонного тензорезистора, фиксированного на аналогичной балке, которая не подвергается нагрузкам и находится в тех же физических условиях, что и балки в составе рабочих тензодатчиков. Усилению подвергается сигнал, представляющий собой разницу значения величины напряжения каждого из тензорезисторов в составе рабочих тензодатчиков и эталонного тензорезистора, расположенного на упругой балке, не подверженной деформациям. Во-вторых, упругая балка в составе рабочего тензодатчика имеет высокую устойчивость к остаточным деформациям. В-третьих, крышка каждой из измерительных платформ опирается не на два, как в конструкции прототипа, а на три тензодатчика, обеспечивая устойчивость платформ при различном горизонтальном уровне расположения опорных сферических поверхностей упругих балок. В-четвертых, крышка каждой из двух измерительных платформ выполнена из керамогранита, что позволяет свести к минимуму деформации самой крышки под весом стопы вертикально стоящего человека. Облегчение эксплуатации достигается тем, что каждая из измерительных платформ состоит из двух частей - рамы с прикрепленными к ней элементами и крышки, причем последняя, при приведении устройства в состояние готовности к работе, укладывается на три рабочих тензодатчика рамы, что делает положение крышки устойчивым и не требует юстировки. Измерительные платформы имеют малые габариты и вес.
Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к биомеханическим и нейрофизиологическим устройствам, позволяющим исследовать распределение веса между стопами, колебания проекции общего центра масс человека и центров давления стоп в определенном интервале времени. Устройство может быть использовано для биомеханических исследований в ортопедии и неврологии, определения способности к поддержанию вертикальной позы у пациентов с заболеваниями и повреждениями опорно-двигательного аппарата, а также центральной и периферической нервной системы.
Известны устройства для измерения опорных реакций и координат центра сил давления в положении стоя, «Силометрическая платформа» [1], устройство регистрации движения общего центра масс, «Стабилограф» [2]. Указанные устройства не позволяют определить центры приложения нагрузок для каждой стопы и их изменения за определенный промежуток времени в положении пациента стоя. Указанные устройства содержат мостовую схему включения датчиков, что не позволяет выполнить прямое измерение разности нагрузок. Устройство для оценки результатов исследования требует наличия специализированных модулей преобразования и отображения сигнала.
Известно устройство «Ортопедический диагностический комплекс» [3], которое позволяет выполнять различные измерения отдельно для каждой стопы и, в частности, определять центр приложения нагрузки каждой ноги. При этом платформы состоят из дискретных элементов, и при вычислении центра приложения нагрузки возникает необходимость обработки информации со всех датчиков, что ведет к суммированию погрешностей каждого чувствительного элемента, значительно влияя на точность определения данного
показателя, и заметно снижает чувствительность метода при малых колебаниях нагрузок. Кроме того, применение дискретных элементов требует минимизации их размера, чтобы выполнить точную оценку требуемого показателя. Данное устройство коммутирует аналоговые сигналы с чувствительных элементов до их усиления, что привносит дополнительные искажения.
Из известных устройств наиболее близким к изобретению является «Устройство для исследования распределения центра тяжести человека» [4].
Известное устройство состоит из двух раздельных платформ для левой и правой стопы; каждая из платформ соединена с двумя тензодатчиками. Сформированные таким образом четыре канала аналогового сигнала усиливаются по отдельности до уровня, подходящего для последующей обработки и передаются в блок 12-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), откуда оцифрованный сигнал поступает в вычислитель, обеспечивающий обработку данных, отображение на экране дисплея персонального компьютера и распечатку результатов.
Для получения достоверной информации с измерительных платформ необходимо исключить нагрузки, косвенно действующие на чувствительные элементы. В данной конструкции каждая из платформ опирается на два датчика, что делает ее неустойчивой к торсионным нагрузкам, а это ведет к неправильной регистрации показателей нагрузок. Указанное устройство не позволяет определять центр давления каждой из стоп, поскольку два датчика не дают возможности задать систему координат на плоскости платформы.
Исследование, проводимое при помощи этого устройства, занимает определенный промежуток времени. Для питания данного устройства используется стабилизатор напряжения. При работе с сигналами, поступающими с тензодатчиков, стабилизатор напряжения не обеспечивает достаточной точности и неизбежны заметные колебания подаваемого напряжения при прогреве устройства и в процессе его работы. Последнее обстоятельство может значительно искажать величины получаемых сигналов и, таким образом, снижать диагностическую ценность исследования.
Технической задачей полезной модели является обеспечить возможность вычисления центра давления каждой стопы на плоскость опоры, высокую стабильность работы устройства и точность регистрируемых нагрузок, оказываемых стопами на горизонтальную поверхность, обеспечить простоту эксплуатации устройства.
Технический результат заключается в повышении точности определения частотного спектра колебаний центров давления каждой стопы, а также перераспределения веса между стопами, что имеет важное значение при проведении экспериментальных исследований, а также в медицинской практике для диагностики болезней опорно-двигательного аппарата и нервной системы, а также контроля эффективности проводимого лечения.
Определение центра давления стопы достигается тем, что каждая измерительная платформа содержит три рабочих тензодатчика. Таким образом, задается система координат на плоскости, на которую опирается стопа во время проведения исследования.
Стабильность работы устройства достигается за счет применения прецизионных дифференциальных усилителей и источника опорного напряжения, что исключает зависимость работы устройства от входящего напряжения и минимизирует время выхода его на рабочий режим.
Точность измерений достигается за счет четырех конструктивных решений. Во-первых, устройство рабочих тензодатчиков. Каждый рабочий тензодатчик состоит из единственного тензорезистора, прочно фиксированного на упругой балке, и общего для всех тензорезисторов, входящих в состав рабочих тензодатчиков, эталонного тензорезистора, фиксированного на аналогичной балке, которая не подвергается нагрузкам и находится в тех же физических условиях, что и балки в составе рабочих тензодатчиков. Усилению подвергается сигнал, представляющий собой разницу значения величины напряжения каждого из тензорезисторов в составе рабочих тензодатчиков и эталонного тензорезистора, расположенного на упругой балке, не подверженной деформациям. Во-вторых, упругая балка в составе рабочего тензодатчика
имеет высокую устойчивость к остаточным деформациям. В-третьих, крышка каждой из измерительных платформ опирается не на два, как в конструкции прототипа, а на три тензодатчика, обеспечивая устойчивость платформ при различном горизонтальном уровне расположения опорных сферических поверхностей упругих балок. В-четвертых, крышка каждой из двух измерительных платформ выполнена из керамогранита, что позволяет свести к минимуму деформации самой крышки под весом стопы вертикально стоящего человека.
Облегчение эксплуатации достигается тем, что каждая из измерительных платформ состоит из двух частей - рамы с прикрепленными к ней элементами и крышки, причем последняя, при приведении устройства в состояние готовности к работе, укладывается на три рабочих тензодатчика рамы, что делает положение крышки устойчивым и не требует юстировки. Измерительные платформы имеют малые габариты и вес.
Описываемое устройство представлено двумя измерительными платформами для левой и правой стопы (левая и правая измерительная платформы соответственно), блоком усиления дифференциальных аналоговых сигналов, аналого-цифровым преобразователем и персональным IBM-PC-совместимым компьютером.
Каждая измерительная платформа состоит из жесткой металлической рамы 1, имеющей внешние размеры 300×150×40 мм с центрально расположенной, продольно ориентированной перегородкой, и имеет ребра жесткости (фиг.1, 2). На нижней поверхности каждой рамы в углах имеются четыре ножки 2 с возможностью регулировки их высоты. В рабочем режиме рама опирается ножками на плоскую прямоугольную плиту из керамогранита. На верхней поверхности рамы расположены три упругие балки 3, каждая из которых одним концом жестко фиксирована к раме 1, а на свободном конце имеет направленную кверху, регулирующуюся по высоте опорную площадку 4 выпуклой сферической формы. На верхней поверхности каждой из упругих балок на равном удалении от места крепления балки 3 к раме 1 приклеен тензорезистор
7, составляя вместе с данной упругой балкой рабочий тензодатчик. Таким образом, каждая измерительная платформа имеет в своем составе три рабочих тензодатчика.
Крышка 5 выполнена из плиты керамогранита 300х150х7 мм, на нижней поверхности которой расположены три опорные площадки 6, каждая из которых имеет вогнутую сферическую поверхность, радиус которой совпадает с радиусом выпуклой поверхности опорной площадки каждой из упругих балок. Расположение опорных площадок упругих балок и крышки является корреспондентным, т.е. при позиционировании крышки 5 на раму 1 вогнутые и выпуклые поверхности опорных площадок 4 и 6 совпадают. Для правильной установки стоп пациента на измерительные платформы при проведении исследования, на верхней поверхности каждой крышки нанесены три полосы разметки с миллиметровой шкалой, одна из которых ориентирована по срединной линии крышки продольно, а две - поперечно в передней и задней третях ее верхней поверхности (фиг.3).
Согласно данному выше описанию, каждая рама 1 измерительной платформы содержит два замкнутых контура. В одном из замкнутых контуров левой измерительной платформы к боковой ее стенке приклеена балка 8, аналогичная упругим балкам 3 в составе рабочих тензодатчиков; на нее наклеен эталонный тензорезистор 9. Один из выводов каждого тензорезистора 7 в составе рабочих тензодатчиков и эталонного тензорезистора 9 заземлен, вторые выводы всех тензорезисторов идут к блоку усиления дифференциальных аналоговых сигналов 10, который выполнен в виде электрической платы и фиксирован во втором замкнутом контуре рамы левой измерительной платформы к ее стенкам. В указанном блоке формируется разница между значением каждого из шести тензорезисторов 7 в составе рабочих тензодатчиков и эталонным тензорезистором 9; выполняется раздельное усиление по шести каналам (по три канала с каждой измерительной платформы), сигналы с которых поступают на шесть входов аналогового сигнала многоканального АЦП. В качестве АЦП использован стандартный 8-ми канальный 12-ти разрядный
модуль ADC100K/12-8 производства АО «Спецприбор» г. Минска. Данный модуль является внутренней платой, соединяемой с IBM-PC-совместимым компьютером через шину ISA.
Программа для ЭВМ считывает информацию, оцифрованную АЦП из адресного пространства физической памяти компьютера. Программа работает под управлением операционной системы MS Windows, имеет графический интерфейс пользователя, управляет всем процессом измерения (проверка работоспособности, калибровка датчиков, регистрация показателей стабилограммы, управление файлами данных, анализ полученных данных и формирование отчета о проведенном исследовании с выводом информации на печать).
Перед проведением исследования измеряются линейные размеры стоп пациента - длина и ширина в наиболее широкой части, - которые заносятся в компьютер. Пациент последовательно становится сначала одной, потом другой стопой на соответствующие измерительные платформы. Используя нанесенные на верхнюю поверхность крышек измерительных платформ разметки с миллиметровыми шкалами, исследователь позиционирует стопы на платформах продольно таким образом, чтобы центры стоп совпадали с центрами крышек измерительных платформ. По завершении установки пациента на платформы, программным путем производится запуск процесса регистрации.
Под воздействием нагрузки на каждую из крышек 5 измерительных платформ происходит обратимая упругая деформация балок 3. Сумма реакций упругих элементов равна силе воздействия на крышку измерительной платформы. Значение каждой составляющей однозначно определяется точкой приложения силы. В результате деформации упругих балок 3 происходит изменение электрического сопротивления тензорезисторов 7, прикрепленных к ним. В блоке усиления дифференциальных аналоговых сигналов происходит преобразование разности электрических сопротивлений между каждым тензорезистором 7 и эталонным тензорезистором 9 в напряжение, которое усиливается. Оцифрованный сигнал считывается из адресного пространства, занимаемого АЦП с частотой от 1 до 100 ГЦ (задается программным обеспечением).
Регистрируемые показатели отображаются на экране монитора в режиме реального времени в графическом и числовом виде. Продолжительность исследования составляет в среднем 1-2 минуты. Массив данных вместе с персональной информацией о пациенте сохраняется в виде файла на жесткий диск компьютера. В последующем, сохраненный файл может быть открыт для анализа.
Калибровка датчиков выполняется при помощи эталонного груза. Если измерительные платформы не перемещали, повторные калибровки измерительных платформ не требуются.
Устройство для регистрации и анализа распределения нагрузок на нижние конечности использовано при проведении исследования функции равновесия тела методом стабилометрии 120-ти пациентам с заболеваниями суставов нижних конечностей. Получен ряд данных об изменениях функции поддержания равновесия тела в положении пациента стоя и изменениях положения центров давления стоп, проекции общего центра масс, изменениях скоростных и временных параметров стабилограммы. Применение устройства оказалось очень полезным для объективной оценки эффективности проводимого лечения по степени приближения параметров к нормальным значениям.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент РФ №2185094, МПК7 А 61 В 5/103 от 17.12.99 г.
2. Патент РФ №2063168, МПК7 А 61 В 5/103 от 10.07.96 г.
3. Патент РФ №2180517, МПК 7 А 61 В 5/103 от 19.01.99 г.
4. Патент РФ №2195171, МПК7 А 61 В 5/103 от 29.11.2000 г. - прототип.
Устройство для регистрации и анализа распределения нагрузок на нижние конечности, состоящее из двух измерительных платформ, блока усиления дифференциальных аналоговых сигналов, аналогово-цифрового преобразователя и IBM-PC-совместимого компьютера, отличающееся тем, что каждая измерительная платформа содержит по три тензодатчика, позволяющие вычислять центр давления стопы на поверхность опоры, усилители аналоговых сигналов и аналогово-цифровой преобразователь, включающие источники опорного напряжения и прецизионные дифференциальные усилители.
