Устройство для исследования распределения центра тяжести человека

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к измерению распределения центра давления человека для функциональной диагностики состояния человека. Устройство содержит опорные площадки для левой ноги, правой ноги с двумя тензометрическими датчиками на каждой из них, блок преобразования сигналов тензодатчиков, включающий АЦП, блок обработки и визуализации данных и разделительный трансформатор. Размер каждой площади составляет 290x80 мм. Изобретение позволяет получить по результатам измерений показателей синдромальное заключение о состоянии опорно-двигательного аппарата человека. 3 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и позволяет с высокой точностью измерять распределение центра давления человека между левой и правой ногой, а также распределение давления между пяткой и носком как левой, так и правой ноги, что позволяет использовать настоящее устройство в медицине для функциональной диагностики состояния человека, для контроля за течением болезни и процессов реабилитации больных.

Известен измеритель опорного давления (авт. свидетельство 1214087, А 61 В 5/10), содержащий две опорные платформы, блок индикации, последовательно соединенные с выходами платформы сумматор, преобразователь напряжений в число импульсов, делитель числа импульсов и блок управления. Известное устройство используется при решении задач по реабилитации утраченных двигательных функций нижних конечностей, в практике протезирования, при проведении биомеханических исследований.

Существенными недостатками данного устройства является то, что оно не позволяет определять давление каждой ноги между пяткой и носком и имеет низкую точность определения распределения давления между левой и правой ногой.

Известно также устройство для исследования распределения центра тяжести человека по международной заявке РСТ WO 93/21825 (МПК А 61 В 5/103). Устройство содержит две одинаковые опорные площадки (11, 12) для правой и левой ноги. Опорные площадки содержат по четыре датчика, подключенных к усилителю (18, 19), преобразующему механическую нагрузку веса человека в электрический сигнал. Выходные сигналы с усилителей подаются на вычислительный блок (процессор 10), который сопряжен с графическим дисплеем 13. Устройство используется как монитор - показатель равновесия, графически отображающий перемещение центра тяжести человека.

Известное устройство обладает рядом существенных конструктивных и функциональных недостатков, которые не позволяют эффективно использовать его в широкой медицинской практике. Так, в частности, геометрические размеры платформ превышают размеры стопы пациента, что делает невозможным измерения в позиции "ноги вместе", а также то, что данное устройство позволяет лишь качественно оценить распределение давления между ногами пациента, графически отображая результат на экране.

Настоящее изобретение решает задачу измерения положения центра давления между правой и левой ногой пациента, а также между пяткой и носком каждой ноги отдельно, проведения исследования в различных положениях ног пациента, начиная от положения "ноги вместе" и заканчивая положением "ноги шире плеч", а также "правая нога вперед", "правая нога назад". Кроме того, задачей настоящего изобретения является получение результатов измерения в реальном времени, что дает возможность работать в режиме биологической обратной связи и позволяет проводить реабилитационные процедуры в виде специализированных компьютерных тренажерных игр с биологической обратной связью.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом. В устройстве для исследования распределения центра тяжести человека, содержащем опорные площадки для правой и левой ноги с тензометрическими датчиками, блок преобразования их сигналов, включающий аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и визуализации данных, согласно настоящему изобретению каждая опорная площадка снабжена двумя тензометрическими датчиками, выполнена с размерами 290х80 мм. Опорные площадки выполнены с возможностью различных вариантов их взаиморасположения.

Каждый тензометрический датчик выходом подключен к первому входу соответствующего усилителя постоянного тока, выход каждого из которых подключен соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с первым входом интерфейса блока преобразования сигналов тензометрических датчиков. При этом его второй вход подключен к первому выходу блока питания, второй выход которого соединен с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, третий и четвертый выходы - с соответствующими вторыми входами усилителей постоянного тока, а его многоразрядный вход - с первым выходом разделительного трансформатора, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока обработки и визуализации данных, подключенного двунаправленной многоразрядной шиной к интерфейсу.

Технический результат настоящего изобретения заключается в возможности измерения с высокой точностью распределения положения центра давления пациента как между левой и правой ногой, так и между пяткой и носком каждой ноги отдельно, вычисления по результатам этих измерений показателей, характеризующих состояние опорно-двигательного аппарата человека и подготовке синдромальных заключений.

Сущность настоящего изобретения поясняется описанием патентуемого устройства для исследования распределения центра тяжести человека и чертежами, на которых приведены: фиг.1 - блок-схема устройства; фиг.2 - блок-схема вычислителя 17; фиг.3 - укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства.

Устройство для исследования распределения центра тяжести человека содержит (фиг. 1) опорную площадку для левой ноги 1, опорную площадку для правой ноги 2, блок преобразования сигналов тензодатчиков 3, блок обработки и визуализации данных 4 и разделительный трансформатор 5.

Опорные площадки 1 и 2 представляют собой две одинаковые платформы размером 290х80х30 мм каждая и содержат по два тензометрических датчика (см. конструкторскую документацию АФИН 941.349.006). Площадка для левой ноги 1 содержит датчики 6 и 7, площадка для правой ноги - датчики 8 и 9. Тензометрические датчики 6-9 служат для преобразования весовых усилий человека в электрический сигнал и могут быть выполнены в виде тензорезисторов, наклеенных на металлическую пружину в виде закрепленной с двух сторон балки (см., например, авторское свидетельство 1457896).

Каждый тензометрический датчик 6-9 своим выходом подключен к первому входу соответствующего усилителя постоянного тока - 10, 11, 12, 13. Усилители постоянного тока 10-13 предназначены для усиления и нормировки электрических параметров сигнала тензодатчиков 6-9 и выполнены по известной схеме (см. В. Л. Шило. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Советское радио, 1979 г., стр. 162, рис.4-10а).

Блок преобразования сигналов тензодатчиков 3 предназначен для преобразования аналогового электрического сигнала в цифровой код и передачи его по стандартному интерфейсу в вычислитель 17 и содержит, например, 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14, интерфейс 15 и блок питания 16. АЦП 14 выполнен на микросхеме МАХ 185 по известной схеме (см. MAXIM 1990 New Releases Data Book, стр. 1-129, рис.1).

Первый, второй, третий и четвертый входы АЦП 14 являются входами блока преобразования сигнала 3 и соединены с выходом соответствующего усилителя постоянного тока 10, 11, 12, 13. Выход АЦП 14 подключен к первому входу интерфейса 15, который своей двунаправленной многоразрядной шиной подключен к блоку обработки и визуализации данных 4.

Интерфейс 15 предназначен для формирования стандартного протокола передачи данных в вычислитель 17 и может быть выполнен по известной схеме (см. М. Гук. Интерфейсы ПК, справочник. СПб: Питер, стр. 11, рис. 2.6). Второй вход интерфейса 15 подключен к первому выходу блока питания 16.

Блок питания 16 обеспечивает стабилизированные напряжения, необходимые для работы устройства, и выполнен в виде стабилизатора напряжения на микросхемах (см. А.Г. Алексеенко. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Советское радио, 1980 г., стр. 154, таблица 6.5, схема 3).

Второй выход блока питания 16 подключен к пятому входу АЦП 14, третий выход - к вторым входам усилителей постоянного тока 10 и 11 опорной площадки 1 левой ноги, четвертый выход - к вторым входам усилителей постоянного тока 12 и 13 опорной площадки 2 правой ноги. Вход блока питания 16 является пятым входом блока преобразования электрического сигнала 3 и соединен с первым выходом разделительного трансформатора 5.

Разделительный трансформатор 5 обеспечивает гальваническую развязку оператора и пациента от питающей сети, что необходимо для выполнения требований электробезопасности. Разделительный трансформатор выполнен по известной схеме (см. Е.И. Каретников, Т.А. Рачина, А.И. Ермаков. Трансформаторы питания и дроссели фильтров для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио, 1973 г., гл. III, стр. 83-104).

Второй, третий, четвертый выходы разделительного трансформатора 5 являются соответственно первым, вторым и третьим входами блока обработки и визуализации данных 4.

Блок обработки и визуализации данных 4 обеспечивает: прием данных от блока преобразования сигналов тензодатчиков 3 и обработку их по заданной программе, что позволяет отображать полученную информацию на экране видеомонитора 18, вычислять показатели устойчивости и получать результаты в виде распечатки на печатающем устройстве 19. Блок обработки и визуализации данных содержит вычислитель 17, двунаправленной многоразрядной шиной связанный с интерфейсом 15, видеомонитор 18 и печатающее устройство 19. Видеомонитор 18 и печатающее устройство 19 связаны с вычислителем 17 двунаправленной многоразрядной шиной. Первый, второй и третий входы блока 4 подключены соответственно к входу вычислителя 17, печатающего устройства 19 и видеомонитора 18.

Вычислитель 17 обеспечивает обработку данных и расчет показателей устойчивости пациента. Вычислитель 17 может быть выполнен в виде системного блока персонального компьютера, состоящего из серийных покупных блоков, например, типа CPU-Intel P-II 333 МГц Cache/ MB Asustec P2B / RAM - SDRAM 64 MB PC-100 / video - S3 savage 3D 8 MB АЭР / FDD -1,44 MB 3,5' / CD-ROM 32xMatsushita CR586 / HDD - slagate 8,6 MB / корпус - midi-tower ATX / клавиатура BTC Turbo-PS/2 (см. фиг.2). Вычислитель 17 состоит из корпуса 20 (марки midi-tower ATX), в который встроен блок питания 21 (модель AL 230W), и клавиатуры 30 (типа BTC Turbo-PS/2). Укрепленная внутри корпуса 20 материнская плата 22 (марки Asustec P2B) содержит процессор 23 (типа Intel Pentium-II 333 МГц), память 24 (марки SDRAM 64 MB), жесткий диск 25 (типа Seagate 8,6 GB), а также контроллеры ввода-вывода: контроллер RS-232 26 (типа i8250), контроллер клавиатуры 27, видеокарту 28 (марки S3 savage 3D 8 MB) и контроллер принтера 29 (типа Centronix). Работа вычислителя 17 осуществляется по специальной программе, разработанной заявителем для настоящего устройства.

Укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства приведена на фиг.3, а полное описание программного продукта изложено в технической документации заявителя АФИН 941-349.006.

Видеомонитор 18 служит для визуализации показателей устойчивости и выполнен, например, в виде монитора 17" View Sonic 17 PS "16".

Печатающее устройство 19 предназначено для получения результатов на бумаге и может быть выполнено в виде струйного принтера HP DeskJet 685.

Устройство для исследования распределения центра тяжести человека работает следующим образом.

Пациент устанавливается на опорные платформы левой 1 и правой 2 ноги согласно программе обследования (возможны различные варианты расположения платформы 1 и 2: "ноги вместе", "ноги на ширине плеч", "правая нога вперед", "правая нога назад", "наиболее удобное положение ног" и т.д.), при этом сигнал о распределении веса тела от датчиков 6 и 7, 8 и 9 поступает на первые входы усилителей постоянного тока 10-13, усиливается до уровней, необходимых для работы АЦП 14, и поступает на его первый, второй, третий и четвертый входы, преобразуется в последовательный цифровой код, который поступает на первый вход интерфейса 15, вырабатывающего блок сигналов соответствующего стандарта для передачи в вычислитель 17.

Блок питания 16 преобразует сетевое напряжение 220 В в стабилизированные напряжения, необходимые для работы устройства. С первого, второго, третьего и четвертого входов блока питания стабилизированное напряжение поступает на платформы левой 1 и правой 2 ноги, АЦП (вход 5) и интерфейс (вход 2). С выхода интерфейса 15 цифровой код сигнала по шине данных поступает на шину данных вычислителя 17, где производится обработка данных согласно заданной программе обследования (см. фиг.3) и вычисление показателей положения центра давления пациента, которые по соответствующим шинам данных передаются на видеомонитор 18, позволяющий зрительно контролировать процесс обследования, и печатающее устройство 19, выдающее результаты вычислений в виде распечатки к истории болезни.

Разделительный трансформатор 5 обеспечивает своими выходами 1-4 блок питания 16, вычислитель 17, видеомонитор 18 и печатающее устройство 19 напряжением 220 В, которое гальванически развязано от напряжения сети, что обеспечивает выполнение требований по электробезопасности устройства по ГОСТ Р 50267.0-92.

Обследование пациента проводится по различным тестам: "открытые глаза", "закрытые глаза" ("тест Ромберга"), "с биологической обратной связью", т.е. когда пациент, глядя на экран видеомонитора, старается удержать центр давления в определенном положении и т.д.

По результатам записи данных обследования в вычислителе 17 производится расчет показателей положения центра давления и параметров устойчивости (более 10 показателей), производится диагностика заболевания.

В режиме реабилитационных тренажеров пациенту предлагается совместить след ("зайчик") перемещения центра масс с точкой, перемещающейся по экрану видеомонитора по заданной программе ("прямая", "вперед - назад", "эллипс", "случайный режим распределения" и т.д.). По окончании работы в режиме реабилитационных тренажеров выдаются показатели работы пациента и оценка выполнения задания (количество набранных баллов, время выполнения задания, оценка по показателям группы и индивидуальная оценка).

Формула изобретения

Устройство для исследования распределения центра тяжести человека, содержащее опорные площадки для правой и левой ноги с тензометрическими датчиками, блок преобразования их сигналов, включающий аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и визуализации данных, отличающееся тем, что каждая опорная площадка снабжена двумя тензометрическими датчиками, выполнена с размерами 290x80 мм, опорные площадки выполнены с возможностью различных вариантов их взаиморасположения, каждый тензометрический датчик выходом подключен к первому входу соответствующего усилителя постоянного тока, выход каждого из которых подключен соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с первым входом интерфейса блока преобразования сигналов тензометрических датчиков, при этом его второй вход подключен к первому выходу блока питания, второй выход которого соединен с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, третий и четвертый выходы - с соответствующими вторыми входами усилителей постоянного тока, а его многоразрядный вход - с первым выходом разделительного трансформатора, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока обработки и визуализации данных, подключенного двунаправленной многоразрядной шиной к интерфейсу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3