Устройство для исследования и тренировки равновесия

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам для изучения и диагностики равновесия, а также к области спорта для оценки психофизиологического состояния человека при биомеханических исследованиях опорно-двигательного аппарата и тренировки устойчивости.

Предлагаемое в качестве полезной модели устройство для исследования и тренировки равновесия решает задачи повышения достоверности информации и объективности диагностики с учетом физиологических процессов удержания равновесия, а также совершенствования процесса тренировки устойчивости путем создания комфортных, естественных условий работы биологической системы.

Указанные задачи достигаются тем, что в известном устройстве для исследования и тренировки равновесия, содержащем подвижную платформу, включающую верхнюю и нижнюю пластины, а также измерительные устройства наклона на стойках, верхняя и нижняя пластины подвижной платформы упруго соединены через блоки жесткости, а измерительные устройства наклона верхней пластины подключены к введенному в устройство электронно-логическому блоку измерения времени условного равновесия и количества коррекций позы.

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам для изучения и диагностики равновесия, а также к области спорта для оценки психофизиологического состояния человека при биомеханических исследованиях опорно-двигательного аппарата и тренировки устойчивости.

В известных устройствах исследования и тренировки равновесия традиционно используют неподвижные конструкции стабилографов [2, 3], реже применяют подвижные платформы, основной недостаток которых состоит в нарушении естественного процесса удержания равновесия и необходимости "балансирования" в процессе измерения или тренировки [1] из-за отсутствия привычного стабилизирующего момента.

В известном устройстве [4] для тренировки мышц спортсменов, содержащем подвижную платформу для размещения спортсмена, установленную на основании посредством подпружиненной к ней шаровой опоры, размещенной в корпусе, тренировка осуществляется за счет изменения угла наклона платформы по заданной программе.

В указанном устройстве исследование и тренировка равновесия идет в режиме вынужденных колебаний, что не позволяет получить достоверные данные о естественном состоянии механизма удержания равновесия и путей его тренировки.

В известном устройстве [5] для регистрации колебаний тела человека используется подвижная площадка с ограничителем перемещений несущей пластины и амортизатором в виде системы пружин сжатия.

Рассматриваемая конструкция выступает в роли своеобразного механического усилителя колебаний за счет положительной обратной связи и обладает существенным дестабилизирующим моментом вместо естественного стабилизирующего, что также не позволяет получить объективные данные о процессе удержания равновесия, способах его совершенствования и тренировки.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является устройство для определения устойчивости человека [6], в котором оценивается способность сохранять равновесие в условиях максимально приближенных к естественным. Конструкция устройства [6] содержит две одинаковые пластины, верхняя - установлена в центре на шарике и подперта по углам спиральными пружинами так, что может совершать вращательные движения, необходимые для адекватного способа исследования колебаний тела человека.

Недостатком данного устройства [6] является нарушение механизма удержания равновесия из-за отсутствия привычного стабилизирующего момента, что требует неестественного "балансирования" в утрированных условиях, что снижает объективность оценки равновесия.

Кроме того, устройство [6] не позволяет достичь высокой достоверности и надежности измерений, а также эффективности тренировки и комфортных условий в процессе удержания равновесия из-за нарушения свойственного биологической системе закона регулирования [8], вызванного линейной результирующей вращательной жесткостью подвижной платформы.

Последнее связано с тем, что анализаторные системы человека изменяют свой порог чувствительности по нелинейному закону натурального логарифма [8]. Для обеспечения линейного закона регулирования, наиболее присущего биологической системе [8], интенсивность раздражения должна обеспечивать обратный - экспоненциальный - закон изменения контролируемого параметра. Можно предположить, что функция равновесия обеспечивается также нелинейной интегральной суставной жесткостью опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека: при малых отклонениях OЦT небольшой по величине возвращающий момент создается мышцами с малой жесткостью и дифференцирующими минимальные изменения последней (чувствительные); при больших отклонениях восстанавливающий момент требует больших усилий, создаваемый "жесткими" мышцами с низким порогом чувствительности. Поэтому для исследования и тренировки равновесия результирующая вращательная жесткость подвижной платформы должна быть нелинейной и изменяться по экспоненциальному закону в зависимости от относительного угла наклона верхней и нижней пластин, что адекватно интегральной суставной жесткости ОДА.

Предлагаемое в качестве полезной модели устройство для исследования и тренировки равновесия решает задачи повышения достоверности информации и объективности диагностики с учетом физиологических процессов удержания равновесия, а также совершенствования процесса тренировки устойчивости путем создания комфортных, естественных условий работы биологической системы.

Эти задачи достигаются за счет того, что в известном устройстве для исследования и тренировки равновесия, содержащем подвижную платформу, включающую верхнюю и нижнюю пластины, а также не менее трех измерительных устройств наклона настойках, верхняя и нижняя пластины подвижной платформы упруго соединены через блоки жесткости, а измерительные устройства наклона верхней пластины подключены к введенному в устройство электронно-логическому блоку измерения времени условного равновесия и количества коррекций позы.

Кроме того, тем, что каждый из блоков жесткости состоит из двух крепежных рамок, имеющих крепления под крепежные крючки платформы, на рамки надеты, по крайней мере, пять спиральных пружин различной длины, имеющих соответствующие крючки на своих

концах, пружины одной длины объединены в группы попарно и расположены симметрично относительно центральной оси рамки, концы их закреплены на верхней и нижней рамках.

А также за счет того, что измерительные устройства наклона верхней пластины являются многоуровневыми и снабжены дискретными датчиками.

Кроме того, оно дополнительно содержит блок отображения информации подключенный к дискретным датчикам многоуровневых измерительных устройств наклона верхней пластины подвижной платформы.

Кроме того, для получения наиболее полных, объективных и достоверных результатов исследования, а также комфортных условий тренировки измерительные устройства наклона верхней пластины являются дискретными многоуровневыми и не препятствуют ее движению и соответственно не нарушают естественный процесс удержания равновесия испытуемым.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналогов, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели.

Следовательно, заявленная полезная модель обладает новизной.

Предлагаемая конструкция устройства по п.1, 2 изображена на фиг.1, где

1 - нижняя пластина;

2 - верхняя пластина;

3_1-2 - верхнее и нижнее ложе со сферическим углублением;

4 - шар центральной опоры;

5_1-8 - крепежные крючки;

6_1-4 - блоки жесткости (показаны условно);

7_1-2 - крепежные винты;

8 _1-4 - измерительные устройства наклона верхней пластины (показаны условно).

Платформа состоит из недеформируемых нижней (1) и верхней (2) пластин, имеющих не менее трех углов. В геометрическом центре пластин установлена центральная шаровая опора, состоящая из верхнего и нижнего ложе со сферическими углублениями (3_1-2) и шара (4). Ложе (3 _1-2) крепятся к пластинам платформы винтами (7 _1-2). По углам платформы расположены блоки жесткости (6 _1-4), с нелинейной (экспоненциальной) характеристикой, которые

стягивают нижнюю (1) и верхнюю (2) пластины. Блоки жесткости (6_1-4) крепятся неподвижно с помощью крепежных крючков (5_1-8), вворачиваемых в пластины (1) и (2) платформы. Все блоки жесткости (6 _1-4) абсолютно идентичны и при установке в конструкцию имеют начальные натяжение, обеспечивающее фиксацию верхней пластины (2) на шаре центральной опоры (4) при наклонах платформы, вызванных транспортировкой или условиями эксперимента.

В свободном пространстве между пластинами располагаются не менее двух измерительных устройств наклона (8_1-4), которые снабжены дискретными датчики с любым возможным принципом действия (оптические, магнитные, механические), установленные на стойках.

На фиг.2 представлен фрагмент блока жесткости (6 _1-4) устройства, где

9_1-2 - крепежные рамки;

10_1-5 - спиральные пружины.

Каждый блок жесткости (6_1-4 ) с нелинейной характеристикой может быть выполнен из упругих, чаще всего, композитных материалов, либо из элементов с линейной характеристикой жесткости, например, спиральных пружин (10 _1-5).

Блок жесткости (6_1-4) состоит из двух крепежных рамок (9_1-2), снабженных отверстиями под крепежные крючки (5 _1-8). На рамки (9_1-2) надеты, по крайней мере, пять спиральных пружин (10_1-5 ), имеющих соответствующие крючки на своих концах. Идентичные пружины (10_1-5) объединены в группы попарно, и расположены симметрично относительно отверстий в рамках (9 _1-2), что обеспечивает параллельное расположение рамок при любых растягивающих блок жесткости (6_1-4 ) усилиях, вызванных процессом измерения. Каждая пара пружин и центральная пружина имеют различную длину, которая обеспечивает изменение результирующей жесткости блока (6_1-4 ) при его растяжении в соответствии с экспоненциальным законом. В случае использования всех спиральных пружин (10 _1-5) с одинаковым модулем упругости приращение длины не нагруженных спиральных пружин (10_1-5), начиная с самой короткой, определяется в соответствии с зависимостью:

L_i=A₀[ilni-(i-1)ln(i-1)-1],

где L_i - приращение длины пружин "i" по счету группы, по сравнению с "i-1";

i - натуральные числа, начиная с 2, являющиеся порядковыми номерами групп, начиная с короткой;

A₀ - постоянный для конкретной конструкции коэффициент.

Начальное напряженное состояние платформы определяется предварительным начальным растяжением блоков (6_1-4) (растянута пара коротких пружин с номером "i=1") и зависит от линейной жесткости указанных коротких спиральных пружин (10_1-5 ), которая подбирается адекватно весу испытуемого и целевым задачам эксперимента, и составляет усредненную величину 2 Н/мм.

Патентуемая полезная модель - устройство для исследования и тренировки равновесия - работает следующим образом.

Перед началом измерений измерительные устройства наклона (8 _1-4) подключают к электронно-логическому блоку и устройству отображения информации (на рис.не указаны). Испытуемый встает на платформу так, чтобы геометрический центр пластин (1, 2) находился между стоп, а переднезадняя и боковая оси установки совпадали с фронтальной и сагиттальной осями тела человека соответственно. Верхняя пластина (2) качается на центральной опоре (4) за счет естественных колебаний тела в процессе удержания вертикальной позы. При этом возникает привычный стабилизирующий момент, вызванный нелинейной результирующей вращательной жесткостью платформы, определяемой блоками жесткости (6_1-4) за счет последовательного подключения дополнительных спиральных пружин (10_1-5) при увеличении относительного угла наклона пластин (1, 2) платформы, в процессе удержания равновесия.

Измерительные устройства наклона (8_1-4 ) снабжены дискретными датчиками, их срабатывание определяется углом наклона верхней пластины (2). Высота расположения датчиков в измерительных устройствах наклона на всех стойках такова, что срабатывание последних происходит при одинаковом превышении угла наклона в любом направлении.

Кроме того, измерительные устройства наклона (8_1-4) являются многоуровневыми: на стойке устанавливают несколько (по количеству уровней) дискретных датчиков на разной высоте. Срабатывание всех равновысотных датчиков происходит при одинаковом угле наклона идентично для всех стоек.

Информация от измерительных устройств наклона (8 _1-4) через электронно-логический блок поступает на табло устройства отображения информации, где наглядно демонстрирует процесс удержания равновесия.

Фрагмент табло устройства отображения информации по п.4 представлен на фиг.3, где в случае правильной ориентации осей тела испытуемого и платформы зажигаются индикаторные лампы соответствующего направления. Кроме того, каждая "четверка" ламп имеет одинаковую интенсивность, соединена с равновысотными датчиками и срабатывает при превышении угла наклона, с шагом, например, 0,5°. Интенсивность свечения "четверок" ламп увеличивается по мере увеличения угла наклона верхней пластины, что сигнализирует о снижении устойчивости в данном направлении.

Электронно-логический блок также измеряет время условного "равновесия" в заданном интервале углов наклона верхней пластины (2), когда соответствующие индикаторные лампы не горят, и также подсчитывает количество условных коррекций позы, когда индикаторные лампы зажигаются и гаснут, за назначенное таймером время эксперимента (индикатор включенного таймерного устройства расположен в центре табло "Время идет" фиг.3).

Предлагаемая конструкция устройства для исследования и тренировки равновесия позволяет отказаться от сложных дорогостоящих и не всегда оправданных компьютерных технологий и создать простейшее, надежное устройство пригодное для различных возрастных групп и состояния здоровья, не зависимо от уровня квалификации и рода деятельности испытуемого.

Рассматриваемое устройство позволяет оценивать, диагностировать и тренировать устойчивость как в естественных условиях за счет мышечных ощущений, так и с введением зрительной обратной связи по индикаторному табло, что расширяет функциональные возможности устройства.

Предлагаемое устройство позволяет адаптировать параметры платформы под испытуемых с различным весом тела, а также с учетом целевых задач исследования подбором ее результирующей вращательной жесткости, что расширяет область применения устройства.

Предлагаемая конструкция устройства, стянутая по углам блоками жесткости, оказывается автономно независимой и может быть установлена в любом положении относительно горизонта, что позволяет проводить измерения и тренировку равновесия в том числе и на наклонной поверхности. Эта особенность устройства необходима для оценки качества выполнения спортивных упражнений и изучения механизмов отталкивания, а также при проектировании эргономичной обуви для здоровых людей, или при протезировании. Тренировка устойчивости на наклонной поверхности является необходимой не зависимо от рода деятельности человека, что снижает травматизм и повышает надежность и эффективность двигательных действий.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гурфинкель, B.C. Регуляция позы человека / В.С.Гурфинкель, Я.М.Коц, М.Л.Шик // - М.: Наука, 1965. - С.256.

2. Пат 2270603 РФ, МКИ А 61 В 5/103, A 61 G 11/00. Платформа для исследования опорных реакций / А.Г.Биленко, Г.П.Иванова. - №2004121230; Заявлено 12.07.2004; Опубл. 27.02.2006. - 7 с.: 4 ил.

3. Пат. 561556 СССР, МКИ А 61 В 5/10. Устройство для регистрации параметров движения центра тяжести тела человека / B.C.Гурфинкель, Е.В.Гурфинкель, М.И.Липшиц, К.Е.Попов. - №2134465/13; Заявлено 16.05.1975; Опубл. 15.06.1977. - 4 с.: 3 ил.

4. Пат. 1222288 А СССР, МКИ А 63 В 23/04. Устройство для тренировки мышц спортсменов / С.И.Габа, B.C.Бартош. - №3805076/28-12; Заявлено 25.10.1984; Опубл. 07.04.1986. - 2 с.: 2 ил.

5. Пат. 843949 СССР, МКИ А 61 В 5/10. Устройство для регистрации колебаний тела человека / В.Г.Стрелец, А.С.Корнеев. - №2777956/28-13; Заявлено 04.07.1979; Опубл. 07.07.1981. - 6 с.: 4 ил.

6. Пат 42668 СССР, МКИ А 61 В 5/10. Устройство для определения устойчивости человека / Л.С.Соскин. - №155546; Заявлено 16 10.1934; Опубл. 30.04.1935. - 2 с. 3 ил.

7. Лекции по биофизике /Под ред. П.О.Макарова/ - Л.: ЛГУ, 1968. - С.478.

1. Устройство для исследования и тренировки равновесия, содержащее подвижную платформу, включающую верхнюю и нижнюю пластины, а также не менее трех измерительных устройств наклона на стойках, отличающееся тем, что верхняя и нижняя пластины подвижной платформы упруго соединены через блоки жесткости, а измерительные устройства наклона верхней пластины подключены к введенному в устройство электронно-логическому блоку измерения времени условного "равновесия" и количества коррекций позы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из блоков жесткости состоит из двух крепежных рамок, имеющих крепления под крепежные крючки платформы, на рамки надеты, по крайней мере, пять спиральных пружин различной длины, имеющих соответствующие крючки на своих концах, пружины одной длины объединены в группы попарно и расположены симметрично относительно центральной оси рамки, концы их закреплены на верхней и нижней рамках.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительные устройства наклона верхней пластины являются многоуровневыми и снабжены дискретными датчиками.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок отображения информации подключенный к дискретным датчикам многоуровневых измерительных устройств наклона верхней пластины подвижной платформы.