Оценка параметров движения нижних конечностей человека с помощью акселерометров

Литература

1. Sigman M., Etchemendy P., Fernández Slezak D. et al.

Response time distributions in rapid chess: a large-scale decision making experiment // Frontiers Neurosci. 2010. Vol. 4. P.1-12.

2. Chabris C. F. Cognitive and Neuropsychological Mechanisms of 6. Expertise: Studies with Chess Masters: PhD Thesis / Harvard University. Cambridge; Massachusetts, 1999. 131 p.

3. Суворов Н. Б., Абрамов В. А., Козаченко А. В. и др. Биотехническая система для исследования интеллектуальной 7. деятельности человека // Информационно-управляющие системы. 2010. № 5. С. 70-77.

4. Марусина М. Я., Суворов Н. Б., Козаченко А. В. и др. Син- 8. хронизация физиологических сигналов интеллектуальной деятельности человека с помощью многофункционального

измерительного комплекса // Научно-технический вестник ИТМО. 2013. № 4 (86). С. 49-55.

Анодина-Андриевская Е. М., Божокин С. В., Марусина М. Я.

и др. Перспективные подходы к анализу информативности физиологических сигналов и медицинских изображений человека при интеллектуальной деятельности // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 7. С. 27-34. Суворов Н. Б., Божокин С. В., Полонский Ю. З. Электрофизиологические корреляты умственной деятельности человека. Вейвлет-анализ // Информационно-управляющие системы. 2012. № 3. С. 71-76.

Суворов Н. Б. Информационная составляющая в биоуправлении функциональным состоянием человека // Информационно-управляющие системы. 2002. № 1. С. 57-64. Суворов Н. Б., Щепетов С. С., Марусина М. Я. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ ЕЭСТИ. № 2013616870 от 24.07.2013.

УДК 612.76+611.7

А. О. Кузнецов, директор,

A. А. Красковский, инженер, ООО «Биотелемеханика»

С. А. Тараканов, директор,

Центр медицинского, экологического приборостроения и биотехнологий ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

B. И. Кузнецов, директор,

ООО «Конструкторское бюро современных технологий Санкт-Петербургского государственного университета ИТМО»

Оценка параметров движения нижних конечностей человека с помошью акселерометров

Ключевые слова: акселерометр, модель движения, опорно-двигательный аппарат, параметры движения конечностей, система захвата движения.

Keywords: accelerometer, motion model, musculoskeletal system, limb movement parameters, motion capture system.

Нарушения опорно-двигательного аппарата лучше всего проявляются в процессе перемещения человека, в то время как большинство медицинских диагностических систем в этой области ориентируются на данные, полученные при обследовании человека в статическом положении. В рамках настоящей статьи приводятся результаты исследования возможности использования акселерометров для измерения параметров движения нижних конечностей человека и анализа различных вариантов крепления измерительных устройств с акселерометрами на теле человека с целью получения корректных данных о перемещении конечностей, на основе которых может быть произведена полноценная диагностика состояния опорно-двигательного аппарата человека.

Введение

Опорно-двигательный аппарат человека (ОДА) — это сложный компонент человеческого организма, который постоянно подвергается негативному воздействию окружающей среды. Он защищает внутренние органы, позволяет человеку двигаться, переносить различные предметы. В целом ОДА играет огромную роль в ежедневной активности человека. По этой причине он особенно подвержен различным болезням, особенно при возрастных изменениях.

Согласно статистике Всемирной организации здравоохранения, болезни ОДА составляют порядка 4 % от всех причин болезней в Европейском регионе [1], что является существенным показателем, практически приближающимся к распространенности заболеваний дыхательных путей. В 2009 году более

10 % случаев потери нетрудоспособности среди мирового населения были вызваны заболеваниями ОДА [2]. Отмечается тенденция к ухудшению данной статистики с каждым годом.

Диагностика и лечения состояний ОДА сопряжены с рядом трудностей, обусловленных следующими причинами:

• в состав ОДА входят несколько сложных, взаимодействующих систем (костная, мускульная, кровеносная, нервная);

• ОДА уникален у каждого человека;

• сложно определить причины заболевания или травмы.

У медицинского специалиста есть всевозможные инструменты для оценки ОДА в статичном состоянии и практически нет таковых для оценки ОДА в динамике. При этом оценка состояния ОДА в динамике является ключом к выявлению большинства его заболеваний, так как они проявляются преимущественно при выходе системы из состояния покоя.

Для измерения параметров движения ОДА в динамике применяют системы захвата движения. Последние основаны на кинематическом принципе построения модели движения, за счет чего позволяют довольно точно передать движение костного скелета, однако не в полной мере выполняют задачу моделирования работы мускульной, кровеносной и нервной систем человека во время перемещения. Для представления работы таких систем необходим расчет скоростей и ускорений отдельных частей тела человека. Кроме того, все они достаточно дороги для массового внедрения в медицинских учреждениях.

Для получения данных о состоянии ОДА необходимо использовать специализированную измерительную аппаратуру. Сегодня существует возможность создать системы, способные устранить недостатки и расширить функционал традиционных систем захвата движения. В их основе будут микромеханические датчики — акселерометры. Устройства данного типа используются для решения задачи фиксации параметров движения конечностей человека. Данные устройства недороги и компактны, за счет чего возможно предоставление высококвалифицированной помощи большему количеству пациентов.

В данной статье представлены результаты исследования с целью проанализировать возможности использования акселерометров в изучении параметров движения нижних конечностей человека. Так как устройства необходимо располагать непосредственно на теле человека, то основной вопрос заключается в следующем: каким должен быть способ крепления устройств с акселерометрами, чтобы получить корректную информацию о движении человека?

Материалы и методы

Используемое оборудование. В качестве измерительного оборудования использовались автономные измерительные устройства, разработанные ООО «Био-

ADXL345BCCZ — Микроконтроллер АТМеда8 — Модуль Bluetooth

t t

Аккумулятор USB Модуль Bluetooth Компьютер

Рис. 1 \ Общая схема комплекса

телемеханика», оснащенные батареей питания, модулем радиосвязи Bluetooth и чувствительным элементом. Обработка информации, полученной от измерительного оборудования, осуществлялась на персональном компьютере (ПК). Между измерительными устройствами и вычислительным центром при помощи присоединяемого к ПК USB Bluetooth-моду-ля был организован беспроводной канал связи, по которому происходил обмен данными. Схема комплекса показана на рис. 1.

Чувствительным элементом в измерительных устройствах служит трехосевой акселерометр. Он обладает широким диапазоном измерения (от —16 до +16 g, где g — ускорение свободного падения, стандартное значение которого составляет 9,80665 м/с2) при достаточно высокой точности (0,004 g). Данный акселерометр (рис. 2) имеет малое потребление энергии, а значит, для него подойдет аккумулятор меньших размеров. Кроме того, габариты самого чувствительного элемента достаточно малы (рис. 3), что также уменьшает общий размер устройства. Благодаря малой массе (12 г), компактным размерам и отсутствию проводов устройство не создает дискомфорт во время передвижений человека.

К функциональным достоинствам акселерометра можно отнести выдачу данных в цифровой форме и переключение диапазона измеряемых ускорений. С учетом условий исследования особенно важной функцией являлось изменение частоты дискретизации. Встроенные в измерительные устройства модули Bluetooth стандарта 2.1 класса 1 позволяют обеспечить стабильное функционирование беспроводной связи на расстоянии до 100 м, что было подтверждено в ходе проведения тестирования.

Измерительные устройства позволяют собирать данные о состоянии обследуемого человека и передавать их на ПК для дальнейшей обработки. На сами устройства предварительно уставлено программное обеспечение. По данным измерений с помощью беспроводных устройств можно оценить динамические характеристики ОДА, определить параметры цикла шага. Измерительные устройства автоматизируют контроль параметров тела человека.

Методика обследования. На тело человека устанавливались четыре измерительных устройства в соответствии с выбранным способом крепления — при помощи специального медицинского фиксирующего пластыря Curafix производства компании Lohmann & Rauscher (Германия, Австрия). При выборе мест крепления устройств авторы статьи старались ис-

Рис. 2

Устройство акселерометра:

Vs (Supply voltage) — вход питания; i/o (Digital interface supply voltage) — вход питания цифрового порта ввода/вывода, Power Management — модуль управления электропитанием; 3-axis sensor — трехосный датчик; Sense electronics — модуль обработки данных; ADC (Analog-Digital convertor) — аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); Digital filter — цифровой фильтр; Control and interrupt logic — схема управления и прерываний; INT1 (Interrupt 1 output) — вывод прерывания 1; INT2 (Interrupt 1 output) — вывод прерывания 2; 32 level FIFO (FIFO — First in First out) — 32-х уровневый буфер очередного типа; Serial I/O (I/O — Input/Output) — последовательный интерфейс ввода/вывода; SDA/SDI/SDIO (Serial data/Serial data Input/Serial data Input/Output) — порт ввода/вывода последовательного интерфейса; SDO/ALT ADDRESS (Serial data Output/Alternate address select) — порт вывода последовательного интерфейса/порт выбора адреса, SCL/SCLK (Serial communications clock/SPI serial communications clock; SPI — Serial peripheral interface) — вход тактового сигнала, GND (Ground) — вывод «земля»; CS (Chip select) — порт выбора микросхемы

Рис. 3 I Габариты акселерометра, мм

пользовать такие антропометрические точки, чтобы датчики располагались максимально близко к костям человека.

Далее производилась калибровка измерительных устройств. Измерительные устройства автоматически настраиваются по значению ускорения свободного падения. Для этого после установки устройств пациент некоторое время должен находиться в статичном положении до начала процесса измерения.

Был выбран наиболее распространенный способ обследования походки человека [3-5]: в процессе обследования человек совершал несколько шагов, двигаясь прямо. Датчики измеряли ускорение с частотой 100 Гц. Данные со всех устройств одновременно поступали на ПК. По итогам измерения сравнивались графики изменения абсолютного ускорения.

Результаты и обсуждение

Первый рассмотренный вариант установки измерительных устройств: подъем стопы, голень, бедро, область тазового пояса (рис. 4). Такой способ крепления был выбран, чтобы полностью контролировать

Рис. 4

Способ установки устройств: стопа — голень бедро — тазовый пояс

силовую цепь от общего центра масс тела человека до точки контакта его с полом.

Полученные графики (рис. 5) показали, что величины ускорения, фиксируемые датчиками, уменьшались в направлении от стопы к центру масс человека. Наиболее выраженный график построен по данным с устройства, установленного на стопе.

Предполагается, что ОДА человека смягчает удар в момент контакта стопы с полом. В целом на представленных графиках видны резкие увеличения

Рис. 6

Способ установки устройств: пятка стопы подъем стопы — голень — голова

ускорения, которые обозначают моменты контакта стопы с полом [5]. Значение силы удара (ускорения) при контакте стопы с полом важно для определения стресса, который воздействует на ОДА нижних конечностей и может привести к рецидиву болезни. Чтобы подтвердить предположение о смягчении ОДА удара, возникающего при контакте стопы с полом, и о соответствующем уменьшении величины ускорения частей тела человека в направлении от стоп ног к голове, был выбран следующий способ крепления измерительных устройств: пятка стопы, подъем стопы, голень и голова (рис. 6).

Установка приборов по такой схеме показала:

• удар в момент контакта стопы с полом гасится ОДА для уменьшения нагрузки на шейный отдел позвоночника;

• с помощью измерительного устройства, устанавливаемого на голове, можно фиксировать моменты контакта стоп с полом.

Проведенное измерение (рис. 7) подтвердило, что ускорения частей тела человека уменьшаются в на-

Рис. 5

Данные при способе установки устройств: стопа — голень — бедро — тазовый пояс: 1 — на стопе; 2 — под коленом; 3 — над коленом; 4 — на бедре; а — линейное ускорение, измеряемое акселерометром, м/с2; t — период измерений линейного ускорения, t = 0,01 с

Рис. 7

Данные при способе установки устройств: пятка стопы — подъем стопы — голень — голова: 1 — пятка стопы; 2 — подъем стопы; 3 — под коленом; 4 — голова

Рис. 8

Способ установки устройств: подъем левой стопы пятка левой стопы — подъем правой стопы — пятка правой стопы

правлении от стоп человека к голове благодаря совокупной работе всех систем ОДА.

Также по графикам видно, что положение во времени моментов контакта стоп с поверхностью пола лучше всего фиксировать, устанавливая устройства на голову и позвоночник человека.

Наиболее интересные графики ускорений были получены с устройств, расположенных на пятке и подъеме стопы человека. С учетом результатов выбран следующий способ крепления устройств: подъем и пятка левой и правой стоп (рис. 8).

Известны результаты исследования походки при аналогичной схеме установки устройств измерения с использованием дополнительного оборудования — камер и платформы давления [7]. Их можно использовать в качестве базовых данных для сравнения результатов измерений и оценки качества измерения целевых параметров используемой системой.

Графики измеренных данных (рис. 9) показали, что установка устройств на стопу позволяет не только фиксировать моменты контакта стоп с полом с хорошей точностью, но и регистрировать другие фазы движения [8]. Графики, полученные в разные моменты времени при установке измерительных устройств на пятку и подъем стопы, совпадают, хотя точки установки устройств не были фиксированы и различались в проведенных сериях измерений. Это

Рис. 9

Данные при способе установки устройств: подъем левой стопы — пятка левой стопы — подъем правой стопы — пятка правой стопы:

1 — подъем левой стопы; 2 — пятка левой стопы; 3 — подъем правой стопы; 4 — пятка правой стопы

Рис. 10 Схема размещения устройств относительно костных компонентов стопы:

1 — измерительное устройство 1

говорит о достаточно высокой степени самоподобия и повторяемости результатов измерений в определенном диапазоне отклонения от заданных условий. В конкретном случае данные слабо зависят от точности позиционирования измерительных устройств.

Заключение

Микромеханические акселерометры могут быть использованы при исследовании параметров движения нижних конечностей человека и обеспечивают получение корректных данных о перемещении конечностей. Собраны результаты измерений при различных способах крепления измерительных устройств на теле человека. Стоит отметить, что полученные данные слабо зависят от точности установки устройств на теле человека относительно антропометрических точек. По результатам измерений была выбрана оптимальная схема размещения измерительных устройств (рис. 10). Она достаточно проста в реализации, устройства практически вплотную прилегают к костным компонентам стопы. Необходимо также отметить, что лучше контролировать

положение во времени моментов контакта стоп с полом при установке устройств в области тазового пояса человека, на голове или позвоночнике.

Литература

1. Курс на оздоровление. Европейская стратегия профилактики и борьбы с неинфекционными заболеваниями //Всемирная организация здравоохранения, 2006. URL: http://www.

euro.who.int/_data/assets/pdf_file/0010/76528/E89306R.

pdf.

2. The prevention of occupational diseases. International Labour Organization. World Day for safety and health at work, 28 April 2013. URL: http://www.ilo.org/wcmsp5/groups/ public/---ed_protect/---protrav/---safework/documents/ publication/wcms_208226.pdf.

3. Jansen B., Tan M., Bautmans I. et al. Acc elerometer based gait analysis — multi variate assessment of fall risk with FD-neat // Biosignals 2011. Proceedings of the International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing, Rome, Italy, 26-29 January, 2011. Rome: INSTICC Press, 2011. P. 138-143.

4. Bugané F., Benedetti M. G., Casadio G. et al. Estimation of spatial-temporal gait parameters in level walking based on a single accelerometer: Validation on normal subjects by standard gait analysis // Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2012. Vol. 108, Iss. 1. P. 129-137.

5. Sant Anna A., Wickstrom N. A linguistic approach to the analysis of accelerometer data for gait analysis // Proceedings of the seventh IASTED International Conference on Biomedical Engineering, Innsbruck, Austria, February 17-19, 2010. Anaheim, CA: ACTA Press, 2010. 8 p.

6. Иваницкий М. Ф. Анатомия человека (с основами динамической и спортивной морфологии): Учебник для институтов физической культуры / Под ред. Б. А. Никитюка, А. А. Гла-дышевой, Ф. В. Судзиловского. 7-е изд. М.: Олимпия, 2008. 624 с.

7. Boutaayamou M., Schwartz C., Stamatakis J. et al. Validated extraction of gait events from 3d accelerometer recordings // IEEE International conference on 3D Imaging (IC3D), Liège, Belgium, 3-5 December, 2012. Piscataway, NJ: IEEE, 2012. P. 1-4.

8. Капанджи А. И. Нижняя конечность. Функциональная анатомия. М.: Эксмо, 2010. 352 с.