Способ определения масс-инерционных характеристик сегментов тела человека

 

Использование оценка параметров моделей двигательного аппарата человека , исключает вредное влияние на человека ионизирующей радиации при многократных измерениях масс-инерционных характери стик сегментов тела человека. Сущность изобретения: с помощью магнитно-резонансного томографа получают изображения сечений исследуемого сегмента, на каждом сечении измеряется площадь, занимаемая разными тканями, затем вычисляется объем , занимаемый каждой тканью на сечении, путем умножения измеренной площади на расстояние до соседнего сечения. Умножая определенный таким образом объем на известную плотность каждого вида ткани, получают массы отдельных тканей на сечении, суммируя которые определяют массу отдельных сечений. Затем по вычисленным массам сечений с использованием известных из механики формул вычисляют массу, момент инерции и локализацию .центра масс сегмента тела 2 ил., 2 табл. СО С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5цз А 61 В 5/11

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4675572/14 (22) 06.04.90 (46) 15.08.92, Бюл. ¹ 30 (71) Государственный центральный институт физической культуры (72) Б. И, Прилуцкий (56) Теория и практика физической культуры, 1973, ¹ 8, с. 54 — 57, Зациорский В. М, и др, Биомеханика двигательного аппарата человека, М„Физкультура и спорт, 1981, с. 24 — 29. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС-ИНЕРЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕГМЕНТОВ

ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА (57) Использование: оценка параметров моделей двигательного аппарата человека, исключает. вредное влияние на человека ионизирующей радиации при многократных

Изобретение используется в спорта, эргономике, ортопедии для оценки параметров моделей двигательного аппарата человека, Известен способ определения массы, момента инерции и локализации центра масс сегмента тела человека, заключающийся в измерении объема и центра объема сегмента с помощью фотограмметрической съемки и определения массы, момента инерции и локализации центра масс сегмента умножением на среднюю плотность сегмента.

Недостаток данного способа заключается в том, что в нем предполагается одинаковая плотность во всех частях сегмента, что является непроверенным. Кроме того, в ря„„5U, 1754065 Al измерениях масс-инерционных характери стик сегментов тела человека. Сущность изобретения: с помощью магнитно-резонансного томографа получают иэображения сечений исследуемого сегмента, на каждом сечении измеряется площадь, занимаемая разными тканями, затем вычисляется объ. ем, занимаемый каждой тканью на сечении, путем умножения измеренной площади на расстояние до соседнего сечения. умножая определенный таким образом объем на известную плотность каждого вида ткани, получают массы отдельных тканей на сечении, суммируя которые определяют массу отдельных сечений; Затем по вычисленным массам сечений с использованием известных из механики формул вычисляют массу, момент инерции и локализацию центра масс сегмента тела. 2 ил., 2 табл.

° и де случаев с уверенностью можно сказать, что оно неверно. Так, дистальная половина голени имеет большую плотность, чем проксимальная, так как содержит больший про- Фь цент костной ткани. О

Наиболее близким к предлагаемому яв- (Я ляется способ определения массы, момента инерции и покааиаации центра масс сег- 1а мента тела человека, заключающийся в сканировании сегмента тела пучком гаммаизлучения, одновременной регистрации поверхностной плотности определенного участка сегмента и его координат, что дает возможность рассчитать массу, локализацию центра масс и момент инерции сегмента.

1754065

»=1 где М» — масса j-го сечения сегмента;

VJ» — объем, занимаемый i-м видом ткани на j-м сечении;

Р»- плотность i-ro вида ткани(табличная величина)

KJ — число видов ткани íà j-м сечении.

Массу сегмента (М) определяют суммированием масс отдельных сечений

М= М), J =1 (2) где n — число сечений сегмента, Недостатком данного способа является облучение испытуемого, доза которого за время эксперимента составляет 0,01 рентгена, Эта доза не представляет опасности для здоровья взрослого человека при однократном исследовании. Однако в случае частого использования данного способа на одном человеке (например при исследовании влияния на исследуемые показатели длительности гипокинеэии, спортивной тренировки и т.п.) доза полученного облучения может оказаться черезмерно высокой. Кроме того, данный способ не может быть использован для исследования детей.

Цель изобретения — исключение вредного влияния на человека иониэирующей радиации при многократных исследованиях, Для достижения указанной цели в известном способе при сканировании сегмента дополнительно получают с помощью магнитно-резонансного томографа иэображения сечений сегмента, измеряют на них площадь каждого вида ткани, после чего с использованием известных плотностей тканей вычисляют массу, момент инерции и локализацию центра масс сегмента тела.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

В процессе сканирования исследуемого сегмента с помощью магнитно-резонансного томографа (М Р-томографа) получают иэображения сечений сегмента. На каждом сечении измеряется площадь, занимаемая каждой тканью (фиг. 2). Для определения объема каждого вида ткани в сечении площадь, занимаемая каждой тканью, умножается на расстояние между соседними сечениями. Затем определяется масса каждого сечения сегмента по формуле

Локализация центра масс сегмента (Z) на оси, перпендикулярной плоскости сечений, определяется по известной из механики формуле Вариньона

MJ ZJ

J,=1

M (3) 10 где ZJ — координата j-го сечения по оси, перпендикулярной плоскости сечения.

Момент инерции (1).сегмента относительно оси, являющейся пересечением плоскости верхнего сечения сегмента и сагиттальной плоскости, определяется по известной из механики формуле (4) 1= MJZ J.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что предлагаемый способ имеет существенные отличия: в нем при сканиро25 вании получают с помощью магнитно-резонансного томографа изображения сечений сегмента, измеряют на них площадь каждого вида ткани, после чего с использованием известных плотностей тканей осуществля30 ют вычисление массы, момента инерции и локализации центра масс сегмента тела.

На фиг. 1 представлена схема сечений стопы человека горизонтальными плоскостями (вид с латеральной стороны); на фиг. 2—

35 схема иэображения сечения в горизонтальной плоскости дистальной части стопы человека (вид с подошвенной стороны стопы), Обозначение тканей; 21 костная ткань; П вЂ” сухожилия и связки; Š— мы40 шечная ткань, Д вЂ” дерма, Идентификация тканей на иэображении сечения осуществлялась при помощи анатомического атласа.

Пример. Определяли массу, момент

45 инерции и локализацию центра масс стопы левой ноги испытуемого Б. tl. (возраст

31 год, длина тела 1,83 м, масса тела 78 кг).

Испытуемый в положении лежа на спине помещался на платформу МР-томографа.

50 Были получены 8 изображений сечений стопы параллельными плоскостями (фиг, 1).

Расстояние между сечениями составляло 1 см, восьмое сечение проходило через середину медиальной лодыжки, 55 Изображения сечений получали на дисплее МР-томографа BNT-1100 фирмы "Брукер" (ФРГ). Прибор имеет резистивный магнит с напряженностью магнитного поля

0,234 Т (тесла), рабочей частотой 9,95 МГц

5 1754065 6

Масса, М, г

Номер Ткань сечения

3 . 4

2,2 67,76

1,16

1,0414

30,8

Кость

Сухожилия и связки

Мышцы

Жир

1,0

1,12 62,72 евеее\âåþåþ» еа

Сумма: 130,48

2,2 59,4

1,16

1,0414 :. 31,49

61 6

Дерма

27,0

Кость

Сухожилия и связки

30,24

Мышцы

1,0

Жир

1,12

Сумма:

42,74

38,16

Дерма .

ВОЮЮ Ю °

133,63 при диаметре возбуждающей катушки 0,27 м в поле иэображения.

Для каждого иэ 8 сечений стопы определяли объем, занимаемый костями, мышцами, сухожилиями, дермой. Для этого вначале на каждом изображении сечения измерялись планиметром площадь, занима.емую каждым видом ткани (фиг. 2); после чего измеренную площадь умножали на расстояние между сечениями (в нашем случае на 1 см).

Определенные таким образом объемы разных тканей в 8 сечениях стопы приведены в табл. 1. Там же приведены величины плотности различных тканей, взятые из формулы (4), По формуле (1) вычисляли массы отдельных сечений стопы (см. табл, 1, М1). По формуле (2) была вычислена масса стопы, которая составила 0,939 кг.

По формуле (3) вычислена локализация (координата Z) центра масс стопы. В качестве системы отсчета использовали ось OZ (фиг, 1). При этом координаты сечений (Zj, см. формулу 3) были равны Ъ = 0,075 м;

Zg = 0,065 м „. Z) = Z>-1 — 0,01 м...„Z8 = 0,005 м.

Координаты получены с учетом того, что толщина одного сечения составляет 1 см, а начало координатной оси принято соответствующим верхней границе восьмого сечения (середина медиальной лодыжки).

Таким образом, вычисленная по формуле(3) локализация центра масс стопы на вертикальной оси 02 составила 0,0451 м.

По формуле (4) был вычислен момент инерции стопы относительно оси ОХ (фиг. 1), который составил 0,0023283 кгм, Преимущество предлагаемого способа

5 определения массы, момента инерции и локализации центра масс сегмента тела заключается в том, что он позволяет избежать вредного влияния на человека иониэирующей радиации при многократных

10 исследованиях. Кроме того, с помощью предлагаемого способа можно определить массу различных тканей, составляющих сегмент тела человека (так называемый состав тканей сегмента тела). Суммируя для опре15 деленной ткани ее массу по всем сечениям сегмента (см. табл, 1), можно вычислить массу ткани во всем сегменте.

В табл. 2 приведен состав тканей стопы. полученный по результатам примера конк20 ретного выполнения.

Формула изобретения

Способ определения масс-инерционных характеристик сегментов тела человека, заключающийся в сканировании сегмента, 25 отличающийся тем, что, с целью исключения вредного влияния на человека ионизирующей радиации при многократных исследованиях, в нем,при сканировании получают с помощью магниторезонансного

30 томографа иэображения сечений сегмента, измеряют на них площадь каждого вида ткани, после чего с использованием известной плотности тканей вычисляют. массу, момент инерции и локализацию центра масс сег35 мента.

Таблица 1

Объем, V, Плотность смз я Г/смэ

1754065

Продолжение табл. 1 (3 в

Кость

62,62

2,2

ll5,83

1,16

1,0414

26,99

25,92

1,0

1,12

Жир

17,82

19,g6

Дерма

162,78 !

37,21

Сумма:

62,37

Кость

7,29

7,59

Мышцы

Жир

5,67

6,35

1,12

Дерма

Сумма:

151,15

50,45 связки 6,02

Кость

Сухожилия и

110,99

6,98

Мышцы

1,0

Жир

1,12

3,425

3,84

Дерма

121,81

74,87

Сумма:

Кость

11,11

4,46

Жир

1,0

0,18 Дерма l, 12

0,20

90,64

Сумма:

35,0

2,2

70,0

Кость

Сухожилия и связки . 3,56

1,16

1,0414

4,13

Мышцы

9,12

9,5

Жир

1,0

1,,12

0,16

Дерма

0,18

Сумма:

20, 76

1,263

9,08

Мышцы

Сухожилия и связки

Мышцы

Сухожилия и связки

Сухожилия и связки

Мышцы

Кость

Сухожилия и связки

34,03

9,58

4,28

2,2

1,16

1,0414

1,0

2,2

1,16

1,0414

2,2

1,16

1, 0414

2,2

1,16

1,0414

83,81 б,67

1,47

9,46

1754065

Продолжение табл.1

«Р т z Ja 1 к

Жир

1,0

7,35

8,23

Дерма

1,12

Сумма:

Сумма по всем срезам:

««

П р и м е и а н и е. 8еличины плотностей тканей взяты из (4).

Таблица 2

Ткань

Масса

««««««« « « ««е кг 4 от массы стопы

0,683 72,6

0,024 2,6

Кость

Сухожилия и связки

Жир

Сечение 8

Сечение 6

Сечение 4

Сечение 2

Физ.f

Составитель Б. Прилуцкий фРЯ. 2

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н, Король

Редактор С. Лисина

Заказ 28ЗФ Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Мышцы

Дерма

0,090

0,1411

9,6

15 3

64,83

939, 1