Устройство для исследования усилия сжатия кисти

 

Изобретение относится к медицинской технике и может найти применение для функциональной диагностики состояния человека и для контроля за течением процессов реабилитации больных. Устройство содержит динамометр кистевой правой руки, динамометр левой руки, блок усиления и преобразования сигналов, блок обработки и визуализации данных. Блок усиления и преобразования сигналов содержит усилители постоянного тока, АЦП, интерфейс и блок питания. Устройство позволяет повысить точность оценки функционального состояния нервно-мышечного аппарата, сократить сроки реабилитации больных с различными нарушениями кисти, работать в режиме биологической обратной связи, проводить реабилитационные процедуры в виде специализированных компьютерных игр. 4 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и позволяет с высокой точностью получать результаты исследования усилия сжатия кисти левой и правой руки. Настоящее устройство найдет применение в медицине для функциональной диагностики состояния человека и для контроля за течением болезни и процессов реабилитации больных.

Известен динамопреобразователь "ДИМА" (авт. св. 2023422, А 61 В 5/ 22), содержащий два механических узла, представляющих собой связанные жестко центральными частями опору для кисти и плоскую пружину, обоими концами защемленную в корпусе, составные тензодатчики, представляющие собой последовательно соединенные тензорезисторы. Тензорезисторы установлены на поверхности каждой из пружин по разные стороны от их осей симметрии и предназначены для фиксации смены знака асимметрии силы кистей.

Данное устройство обладает рядом существенных коструктивных и функциональных недостатков, не позволяющих эффективно использовать его в широкой медицинской практике. Так, в частности, устройством фиксируется только асимметрия силы сжатия кистей без оценки результатов усилия сжатия каждой руки; отсутствует возможность регистрации всего процесса в динамике, что затрудняет диагностику некоторых заболеваний, например невозможно оценить степень динамической выносливости пациента.

Известен также динамометрический тестер (авт. св. 1507331 А 61 В 5/22), содержащий датчик усилий, выходом подключенный к первым входам первого и второго компараторов, два цифроаналоговых преобразователя, два счетчика импульсов, три триггера, два генератора импульсов, формирователь импульсов, три элемента И, сдвигающий регистр, дешифратор, программный переключатель, блок индикации, реле времени и электронный секундомер. Известное устройство предназначено для исследования силы и статической выносливости руки и используется для оценки функционального состояния двигательного анализатора в условиях различного рода деятельности, тренировочной и экспериментальной практики.

Существенным недостатком устройства по авт. св. 1507331 является то, что оно не позволяет проводить исследования целого ряда показателей, связанных с асимметрией усилий сжатия кистей правой и левой рук пациента, без чего невозможно определение функционального состояния и психомоторных навыков человека. Кроме того, действуя по жестко заданной программе, устройство имеет узкую среду применения в исследовательской деятельности.

Настоящее изобретение решает задачу исследования усилия сжатия кисти как правой, так и левой руки пациента одновременно с фиксацией результатов как в цифровом виде, так и в виде графиков процесса, что позволяет с высокой точностью оценить функциональное состояние испытуемого и проводить диагностику состояния нервно-мышечного аппарата за счет расширения области показателей обследования. Кроме того, задачей данного изобретения является получение результатов исследования в реальном времени, что дает возможность работать в режиме биологической обратной связи и проводить реабилитационные процедуры в виде специализированных компьютерных тренажерных игр с биологической обратной связью и таким образом ускорить процесс реабилитации больных с различными нарушениями кисти.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом. В устройстве для исследования усилия сжатия кисти, содержащем динамометр кистевой, блок усиления и преобразования сигналов, блок обработки и визуализации данных, согласно настоящему изобретению, устройство снабжено вторым кистевым динамометром, при этом каждый динамометр выполнен в виде корпуса с жестко закрепленным в нем силоизмерительным датчиком, состоящим из упругого элемента с наклеенными на нем тензорезисторами, ладонной рукоятки и пальцевой рукоятки. Блок усиления и преобразования сигналов выполнен в виде усилителей постоянного тока, входы один и два которых соединены с соответствующими выходами динамометров кистевых, а выходы - с входами один и два аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого подключен к первому входу интерфейса, который своей двунаправленной многоразрядной шиной подключен к блоку обработки и визуализации данных. Второй вход интерфейса подключен к четвертому выходу блока питания, третий выход которого подключен к третьему входу АЦП, второй выход ко второму входу усилителя сигналов тензодатчика правой руки, а первый выход ко второму входу усилителя сигналов тензодатчиков левой руки.

Технический результат настоящего изобретения заключается в - повышении точности оценки функционального состояния нервно-мышечного аппарата; - сокращении сроков реабилитации больных с различными нарушениями кисти; - расширении и повышении лечебной эффективности реабилитационных методик за счет использования возможности исследования усилия сжатия кисти как правой, так и левой руки пациента одновременно как в цифровом виде, так и в виде графиков процесса; - вычислении по результатам исследования целого ряда показателей, связанных с асимметрией усилия сжатия; - кроме того, получение результатов в реальном времени дает возможность работать в режиме биологической обратной связи, что позволяет проводить реабилитационные процедуры в виде специализированных компьютерных тренажерных игр с биологической обратной связью.

Сущность настоящего изобретения поясняется описанием патентуемого устройства для исследования усилия сжатия кисти и чертежами, на которых приведены: фиг.1 - блок-схема устройства; фиг.2 - конструктивная схема динамометра кистевого; фиг.3 - блок-схема вычислителя; фиг.4 - укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства.

Устройство для исследования усилия сжатия кисти содержит (фиг.1) динамометр кистевой правой руки 1, динамометр кистевой левой руки 2, блок усиления и преобразования сигналов 3, блок обработки и визуализации данных 4.

Блок усиления и преобразования сигналов 3 содержит усилители постоянного тока 5 и 6, АЦП 7, интерфейс 8 и блок питания 9.

Блок обработки и визуализации сигналов 4 включает вычислитель 10, видеомонитор 11 и печатающее устройство 12.

Динамометр кистевой 1 и 2 (фиг.2) представляет собой корпус 13 с жестко закрепленным в нем силоизмерительным датчиком, состоящим из упругого элемента 14 с наклеенными на нем тензорезисторами 15, ладонной рукоятки 16 и пальцевой рукоятки 17. Динамометр имеет узел самоориентации упругого элемента в виде двух шарниров, один из которых состоит из сферического элемента 18, установленного в конусном отверстии кронштейна 19 и конусном гнезде в теле упругого элемента 14, а другой состоит из сферического элемента 20, установленного в конусном отверстии корпуса 13 и конусном гнезде рукоятки 17. Регулятор расстояния между рукоятками 16 и 17 выполнен в виде винтовой пары, состоящей из винта 21, установленного в кронштейне 19, и резьбовой втулки 22, являющейся продолжением рукоятки 16.

При захвате испытуемым рукояток 16 и 17 до начала деформации упругого элемента 14 в процессе их сжатия корпус 13 с закрепленным в нем упругим элементом 14 за счет наличия узла самоориентации самоустанавливается таким образом, что результирующая сила пальцев, участвующих в захвате, совпадает с градуировочным направлением упругого элемента 14. Это позволяет измерить истинную величину силовых характеристик индивидуальной кисти с учетом ее анатомо-физиологических особенностей.

Блок усиления и преобразования сигнала 3 предназначен для усиления и нормирования аналоговых сигналов динамометров кистевых правой и левой руки и преобразования их в цифровой код с последующей передачей информации по стандартному интерфейсу в вычислитель 10 и содержит усилители постоянного тока 5 и 6, 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, интерфейс 8 и блок питания 9.

Первые входы усилителей 5 и 6 постоянного тока являются первым и вторым входами блока усиления и преобразования сигнала 3 и соединены с выходами соответствующих динамометров кистевых 1 и 2. Усилители постоянного тока 5 и 6 предназначены для усиления и нормирования электрических параметров сигналов динамометров кистевых 1 и 2 и выполнены по дифференциальной схеме (см. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М., Советское радио, 1979 г., с.162, рис. 4-10а).

АЦП 7 предназначен для преобразования аналогового сигнала операционных усилителей в цифровой код и выполнено на микросхеме МАХ 186 по известной схеме (см. MAXIM 1990 New Releases Data Book, с.1-129, рис.1). Первый и второй входы АЦП 7 соединены с выходами операционных усилителей 5 и 6, а выход АЦП 7 соединен с первым входом интерфейса 8, который своей двунаправленной многоразрядной шиной подключен к вычислителю 10 блока обработки и визуализации данных 4.

Интерфейс 8 предназначен для формирования стандартного протокола передачи данных в блок обработки и визуализации 4 и может быть выполнен по известной схеме (см. М.Гук "Интерфейсы ПК, справочник", СПб, Питер, с.11, рис. 2.6). Второй вход интерфейса 8 подключен к первому выходу блока питания 9.

Блок питания 9 обеспечивает стабилизированные напряжения, необходимые для работы устройства, и выполнен в виде стабилизатора напряжения на микросхемах (см. Алексеенко А.Г. Применение прецизионных аналоговых ИС. М., Советское радио, 1980 г., с.154, таблица 6.5, схема 3).

Первый выход блока питания 9 подключен ко второму входу усилителя сигналов тензодатчиков левой руки, второй выход ко второму входу усилителя сигналов тензодатчика правой руки, третий выход подключен к третьему входу АЦП, а четвертый ко второму входу интерфейса.

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 11, вычислять показатели, связанные с асимметрией усилия сжатия, и получать результаты в виде распечатки на печатающем устройстве 12. Блок обработки и визуализации данных 4 содержит вычислитель 10, двунаправленной многоразрядной шиной связанный с интерфейсом 8, видеомонитор 11 и печатающее устройство 12. Видеомонитор 11 и печатающее устройство 12 связаны с вычислителем 10 двунаправленной многоразрядной шиной.

Вычислитель 10 обеспечивает обработку данных и расчет показателей, связанных с асимметрией усилия сжатия пациента. Вычислитель 10 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 ВТС Turbo-PS/2 (см. фиг.3). Вычислитель 10 состоит из корпуса 23 (марки midi-tower АТХ), в который встроен блок питания 24 (модель AL 230W), и клавиатуры 33 (типа ВТС Turbo-PS/2). Укрепленная внутри корпуса 23 материнская плата 25 (марки Asustec P2B) содержит процессор 26 (типа Intel Pentium-11 333 МГц), память 27 (марки SDRAM 64 MB), жесткий диск 28 (типа Seagate 8,6 GB), а также контроллеры ввода-вывода: контроллер RS-232 29 (типа i8250), контроллер клавиатуры 30, видеокарту 31 (марки S3 savage 3D 8 MB) и контроллер принтера 32 (типа Centronix). Работа вычислителя 10 осуществляется по специальной программе, разработанной заявителем для настоящего устройства. Укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства приведена на фиг.4.

Видеомонитор 11 служит для визуализации показателей, связанных с асимметрией усилия сжатия, и выполнен, например, в виде монитора "17" ViewSonic 17 PS "16".

Печатающее устройство 12 предназначено для получения результатов на бумаге и может быть выполнено в виде струйного принтера HP DeskJet 685.

Устройство для исследования усилия сжатия кисти работает следующим образом.

Пациент берет в правую кисть правый 1, а в левую левый 2 динамометр кистевой и осуществляет их сжатие по одной из методик определения динамометрических показателей согласно программе обследования (см. фиг.4), при этом усилие сжатия кисти преобразуется динамометрами кистевыми 1 и 2 в электрический сигнал, который поступает на первый и второй входы блока усиления и преобразования сигнала 3, попадая на первые входы усилителей постоянного тока 5 и 6, где усиливается до уровней, необходимых для работы АЦП 7, и поступает на его первый и второй входы, преобразуется в последовательный цифровой код, который поступает на первый вход интерфейса 8, вырабатывающего блок сигналов соответствующего стандарта для передачи в вычислитель 10. Блок питания 9 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 второй вход усилителя сигналов тензодатчиков левой 1 и правой 2 руки, АЦП 7 (вход 3) и интерфейс 8 (вход 2). С выхода интерфейса 8 цифровой код сигнала по шине данных поступает на шину данных вычислителя 10, где производится обработка данных согласно заданной программе (см. фиг.4) обследования и вычисление показателей, связанных с асимметрией усилия сжатия, которые по соответствующим шинам данных передаются на видеомонитор 11, позволяющий зрительно контролировать процесс обследования, и печатающее устройство 12, выдающее результаты вычислений в виде распечатки к истории болезни.

Разработанное устройство позволяет проводить определение функционального состояния человека по различным методикам, например:
1. Определение функционального состояния человека.

Осуществляется синхронная динамометрия рук двумя кистевыми динамометрами, то есть измеряется максимальная сила сжатия кистей правой и левой рук, затем определяется большее значение силы и абсолютное значение разности силы сжатия кистей. По степени совпадения данных значений с физиологической нормой определяется функциональное состояние пациента.

2. Определение статичной выносливости.

Обследуемому предлагается воспроизвести и удерживать мышечное усилие на заданном уровне, который выражается в процентном отношении к максимально развиваемому усилию сжатия. Обследование проводится под зрительным самоконтролем, то есть на экране монитора 11 испытуемому необходимо совместить и удерживать луч, отображающий реально приложенное усилие сжатия с лучом, отображающим заданный уровень. При появлении усталости и отпускания ручки динамометра фиксируется время воспроизведения заданного усилия, по которому судят о выносливости испытуемого.

Обследование может проводиться как отдельно для каждой кисти, так и синхронно для обеих кистей, что значительно повышает точность определения статичной выносливости испытуемого.

3. Определение точности воспроизведения дозированных усилий.

Обследуемому предлагается за определенный интервал времени воспроизвести и удерживать мышечное усилие сжатия на заданном уровне, выраженном в процентном отношении от максимально развиваемого усилия сжатия. На экране монитора 11 отображается график воспроизводимого усилия с разверткой по времени, а также заданный уровень и граничные значения допустимой ошибки воспроизведения данного усилия сжатия. По окончании обследования рассчитывается точность удержания воспроизводимого усилия сжатия на заданном уровне, выраженная в процентном отношении количества измерений, точно воспроизведенных усилий сжатия от всего количества проведенных измерении:

где ∑ - количество измерений, попадающих в заданный диапазон;
N - общее количество измерений;
n - количество измерений, начиная с первого, попавшего в заданный диапазон.

Данное обследование позволяет с высокой точностью определить динамическую выносливость испытуемого.

4. Определение психомоторных навыков.

На экране монитора 11 по пилообразной траектории с заданной амплитудой (процентное отношение к максимально развиваемому усилию сжатия) и периодом движется мишень. Испытуемому предлагается совместить, изменяя усилие сжатия кисти, управляемый курсор с движущимся.

После тренировки и усвоения задания испытуемым запускается обследование и по его окончании вычисляется точность слежения по формуле

где ∑ - количество измерений, попадающих в заданный диапазон;
N - общее количество измерений.

Аналогично второй методике в данной также предусмотрено синхронное обследование обеих кистей, однако здесь амплитуды и периоды траектории движения мишени могут быть различны между собой.

Показатели данного обследования позволяют определить степень координации движения кистей испытуемого.

5. Режим реабилитационных тренажеров.

В режиме реабилитационных тренажеров пациенту предлагается совместить символ ("зайчик") изменения усилия сжатия с символом, перемещающимся по экрану видеомонитора 11 по заданной траектории, по окончании работы в режиме реабилитационных тренажеров выдаются показатели работы пациента и оценка выполнения задания (точность совмещения символов).

Использование режима реабилитационных тренажеров позволяет в доступной игровой форме проводить восстановительный процесс при различных заболеваниях кисти.

Формула изобретения

Устройство для исследования усилия сжатия кисти, содержащее динамометр кистевой, блок усиления и преобразования сигналов, блок обработки и визуализации данных, отличающееся тем, что устройство содержит второй динамометр кистевой и каждый динамометр выполнен в виде корпуса с жестко закрепленным в нем силоизмерительным датчиком, состоящим из упругого элемента с наклеенными на нем тензорезисторами, ладонной рукоятки и пальцевой рукоятки, узла самоориентации упругого элемента в виде двух шарниров, один из которых состоит из сферического элемента, установленного в конусном отверстии кронштейна и в конусном гнезде в теле упругого элемента, а другой состоит из сферического элемента, установленного в конусном отверстии корпуса и конусном гнезде пальцевой рукоятки, и регулятора расстояния между рукоятками, выполненного в виде винтовой пары, состоящей из винта, установленного в кронштейне, и резьбовой втулки, являющейся продолжением ладонной рукоятки, при этом блок усиления и преобразования сигналов выполнен в виде двух усилителей постоянного тока, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока и которые соединены с выходом соответствующего динамометра, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу интерфейса, который своей двунаправленной многоразрядной шиной данных подключен к блоку обработки и визуализации данных, второй вход интерфейса подключен к четвертому выходу блока питания, третий выход которого подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, а первый и второй выходы соответственно - ко вторым входам усилителей постоянного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4