УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
DEVICE FOR ASSESSING FUNCTIONAL STATE OF LOCOMOTOR SYSTEM

Изобретение относится к медицине, а именно к инструментальной ортопедической диагностике, предназначено для получения как плантографических, так и стабилографических данных о функциональном состоянии опорно-двигательного аппарата ОДА пациента и может быть использовано для проведения массовых скрининг-обследований населения.
Известно устройство для проведения стабилометрии [1], содержащее опорную платформу, установленную на основании с помощью упругих элементов с закрепленными на них тензодатчиками, схему обработки сигналов и устройство, регистрирующее движение общего центра давления (ОЦД). Упругие элементы выполнены в виде балок прямоугольного сечения с глухими и сквозными отверстиями и дисковидными утолщениями на концах. Стабилограф позволяет регистрировать движение общего центра давления (ОЦД) пациента в положении стоя и при перемещении, а также ускорение общего центра давления (ОЦД) в двух направлениях. Стабилограф позволяет проводить функциональную диагностику и оценивать поражение опорно-двигательного аппарата, определять эффективность лечебных мероприятий. Однако стабилограф не позволяет судить о точном положении ОЦД относительно положения стоп, так как при обследовании не производится регистрация положения стоп на опорной платформе. Для размещения стоп на платформе имеется разметка, по которой пациент должен ставить стопы, однако точность расположения стоп контролируется только визуально, что приводит к неточности измерений.
Известно устройство для определения функционального состояния опорно-двигательного аппарата в виде компьютерного плантографа, содержащего подставку для обследуемого пациента с опорной поверхностью для получения изображения исследуемой стопы и компьютер для обработки полученного изображения, отличающийся тем, что подставка для обследуемого пациента выполнена полой, опорная поверхность подставки включает оптически прозрачный участок для исследуемой стопы, а в основании подставки выполнен ложемент под цифровой фотоаппарат, расположенный таким образом, чтобы проекция центра объектива фотоаппарата находилась в геометрическом центре оптически прозрачного участка опорной поверхности [2].
Недостатком вышеописанного устройства является невозможность одновременно исследовать две стопы. Для получения изображения другой стопы пациента разворачивают на 180° и повторяют исследование.
Известен способ диагностики состояния отделов стопы с помощью устройства, выполненного на основе планшетного сканера. Способ осуществляется путем регистрации отпечатков подошвенной поверхности стоп и последующей обработки изображений графико-расчетным методом с использованием компьютерной программы, включающей определение состояние переднего, среднего и заднего отделов стопы. Отличительная особенность способа заключается в том, что пациент одной ногой становится на планшетный сканер, помещенный на поверхность грузоприемной платформы электронных тензометрических весов для статического взвешивания, а другой ногой - на опорную платформу, расположенную по бокам от сканера и весов, и в зависимости от задаваемой нагрузки на стопу, равной 20, 50 и 80% массы тела, проводят сканирование подошвенной поверхности стопы и одновременно измеряют высоту ее свода с помощью устройства для измерения высоты стопы [3].
Недостатком такого устройства является то, что оно не позволяет исследовать стопы одновременно, а позволяет исследовать только в два этапа: сначала пациент устанавливает левую ногу на сканер, правую на опору, затем правую на сканер, а левую - на опору.
Наиболее близким к предлагаемому является выбранное в качестве ближайшего аналога устройство для оценки функционального состояния опорно-двигательного аппарата в виде плантографа, содержащее раму, опорную пластину для стоп из матового органического стекла, отличающееся тем, что на одном основании расположены весы, соединенные с рамой при помощи вращающихся механизмов, планшетный сканер установлен под опорной пластиной устройства, а столик для сканера, имеющий механизм подъема и опускания на основе вращающихся эксцентриков, установлен на горизонтальных направляющих [4].
Существенным недостатком данного устройства является использование матовой опорной пластины и необходимость смачивания стоп перед обследованием для облегчения задач обработки изображений плантограмм.
Кроме того, применение двух весов позволяет лишь визуально контролировать величину нагрузки на левую и правую стопы при сканировании стоп и не дает возможности определять положение центра давления, т.е. проводить стабилографические исследования, а следовательно, комплексировать данные плантографии и стабилометрии.
К тому же такое устройство не позволяет исследовать стопы одновременно, а только в два этапа: сначала сканируют отпечаток одной ноги, а потом перемещают сканер под другую ногу.
Изобретение направлено на решение задачи расширения функциональных возможностей устройства для оценки состояния опорно-двигательного аппарата (ОДА), сокращения временных затрат при проведении исследования, повышения точности определения положения центров давления по отношению к положению стоп за счет обеспечения возможности оперативного комплексирования результатов компьютерной плантографии и стабилометрии.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для определения функционального состояния опорно-двигательного аппарата, содержащем, по меньшей мере, один регистратор параметров опорно-двигательного аппарата, включающий датчики веса и поддерживаемую опорными элементами опорную пластину для стоп с установленным под пластиной датчиком изображения отпечатка подошвенной поверхности стоп, подключенным к компьютеру, предлагается опорную пластину выполнить из оптически прозрачного материала, а опорные элементы выполнить в виде стоек, снабженных датчиками веса, при этом информационные выходы датчиков веса связаны с компьютером, выполненным с возможностью регистрации и одновременного отображения в одной системе координат изображения отпечатка подошвенной поверхности стоп и данных о положении центра давления на каждой из стоп и общего центра давления стоп.
Опорные элементы в виде стоек могут быть снабжены средством для регулировки высоты, а опорная пластина снабжена средством контроля горизонтального положения.
В качестве датчиков веса могут быть использованы тензодатчики. В качестве датчика изображения может быть использовано средство из ряда: видеокамера, фотоаппарат или сканер. Устройство может содержать два регистратора, соединенных между собой с помощью средства фиксации положения, преимущественно в виде пластины.
В заявляемом устройстве выполнение опорной пластины из оптически прозрачного материала позволяет отказаться от необходимости смачивания стоп перед обследованием, что упрощает и ускоряет процесс обследования при высокой точности. Выполнение опорных элементов в виде стоек, снабженных датчиками веса, информационные выходы которых связаны с компьютером, снабженным модулем для сопоставления данных о положении центра давления на каждой из стоп и общего центра давления стоп с данными о распределении нагрузки в пределах стоп, позволяет расширить функциональные возможности устройства для оценки состояния опорно-двигательного аппарата (ОДА) и сократить временные и материальные затраты на определение функционального состояния ОДА пациента за счет одновременного проведения плантографии и стабилометрии, а также повысить точность определения положения центра давления по отношению к положению стоп и обеспечить возможность оперативного комплексирования результатов компьютерной плантографии и стабилометрии.
Наличие средств для регулировки высоты и средств контроля горизонтального положения опорной пластины также способствует повышению точности определения положения центра давления по отношению к положению стоп.
Возможность использования в качестве датчиков веса тензодатчиков, а в качестве датчика изображения средств из ряда: видеокамера, фотоаппарат или сканер, расширяет функциональные возможности устройства.
Возможность использования в устройстве двух регистраторов, соединенных между собой с помощью средства фиксации положения, преимущественно в виде пластины дает возможность точно определять положение центра давления каждой ноги в отдельности, т.е. проводить билатеральные исследования и комплексировать данные плантографии и стабилометрии. К тому же такое устройство позволяет исследовать стопы одновременно, при этом нет необходимости перемещать сканер.
На фигуре 1 приведен общий вид в изометрии предлагаемого устройства для определения функционального состояния ОДА пациента в варианте использования одного регистратора. На фигуре 2 приведен общий вид в изометрии предлагаемого устройства для определения функционального состояния ОДА пациента в варианте использования двух регистраторов. На фигуре 3 приведена блок-схема подключения информационных датчиков регистратора к персональному компьютеру. На фигуре 4 приведены результаты обследования пациента Д., а на фигуре 5 приведены результаты обследования пациента П. в варианте использования двух регистраторов.
На фигуре 1 приведен вариант устройства для определения функционального состояния ОДА с одним регистратором 1, который содержит опорную пластину 2, выполненную из оптически прозрачного материала, например, из ударопрочного стекла, с четырьмя опорными стойками 3, которые снабжены механизмами регулировки высоты, выполненными, например, в виде регулировочных винтов 4. Под опорной пластиной 1 расположен датчик изображения, выполненной в данном случае в виде планшетного сканера 5, выход которого через общую шину соединен с компьютером 7 непосредственно или через микроконтроллер (на фигурах не показан). Датчики веса, выполненные, например, в виде тензодатчиков 6, могут быть расположены как на наружной поверхности каждой из стоек 3, так и во внутренней части стоек 3. Информационные выходы тензодатчиков 6 и сканера 5 подключены через общую шину и стандартный интерфейс к персональному компьютеру 7 непосредственно либо через микроконтроллер (на фигурах не показан). Данный вариант может использоваться в том случае, когда не требуется билатерального исследования и достаточно знать месторасположение общего центра давления ОЦЦ. Вариант использования двух регистраторов 1, приведенный на фигуре 2, используется для проведения билатеральных исследований, когда необходимо знать местоположение центра давления каждой ноги в отдельности. Этот вариант является предпочтительным, поскольку позволяет получить информацию о положении центра давления для левой и правой ноги в отдельности, а также получить более точное распределение веса между обеими ногами. В этом случае для фиксации взаимного положения регистраторов 1 используется фиксирующее средство в виде фиксирующей пластины 8. Фиксирующая пластина 8 имеет четыре отверстия для размещения в них примыкающих соседних стоек 3 регистраторов 1.
Предлагаемое устройство в варианте использования двух регистраторов работает следующим образом. Предварительно один из регистраторов 1, например, использующийся для обследования левой ноги пациента, устанавливают на устойчивом полу. Стойки 3, примыкающие к регистратору 1, предназначенному для правой ноги, устанавливают в отверстия фиксирующей пластины 8. С помощью регулировочных винтов 4 регулируют высоту стоек 3 и добиваются горизонтального положения опорной пластины 2, например, с помощью уровня (на фигурах не показан). Далее на полу устанавливают второй регистратор 1, предназначенный для правой ноги, так, чтобы стойки 3, соседствующие со стойками первого регистратора 1, попали в два других отверстия фиксирующей пластины 8. С помощью регулировочных винтов 4 опорную пластину 2 второго регистратора 1 для правой ноги выставляют горизонтально.
Пациент при обследовании встает босыми ногами на опорную пластину 2 регистратора 1, размещая стопы на разных опорных пластинах 2 двух регистраторов 1, и принимает привычную вертикальную позу с распределением веса на обе ноги. По данным, поступающим с тензодатчиков 6 через микроконтроллер (на фигурах не показан) на информационный вход компьютера 7, где с помощью соответствующего модуля управляющей программы определяется процентное распределение веса под левой и правой ногой, эта информация непрерывно отображается на экране компьютера 7 и оператор, проводящий обследование, осуществляет оперативный контроль равномерности распределения веса пациента между левой и правой стопами. В случае необходимости поза пациента корректируется с выравниванием нагрузки на стопы. После чего производится регистрация изображения стоп с помощью планшетного сканера 5. Данные сканирования передаются в компьютер 7, где с помощью соответствующего программного модуля на основе цифровой обработки изображений с использованием алгоритма сегментации изображения стоп получают как внешний контур стопы, так и границу области контакта стопы (собственно плантограмму) путем выделения перепада яркости контура на границе изображения стопы и заполнения однородных областей в пределах стопы. По завершении сканирования изображения стоп отображаются на экране монитора компьютера 7 одновременно с изображением траектории движения центра давления, приходящегося на левую и правую ногу в отдельности и общего центра давления ОЦД. Это позволяет контролировать корректность положения стоп на опорных пластинах 2 и в случае необходимости поправить их положение и провести повторное сканирование стоп. После удачного завершения сканирования запускается регистрация стабилометрических данных с датчиков 6 в течение заданного интервала времени (обычно 30 сек). При использовании одного регистратора 1 производится стабилометрия по классической схеме с регистрацией ОЦД. В случае использования двух регистраторов 1 осуществляется билатеральная стабилометрия с регистрацией ЦД для каждой ноги в отдельности и вычислением ОЦД. Компьютер 7 выполнен с возможностью регистрации и одновременного отображения в одной системе координат изображения отпечатка подошвенной поверхности стоп и данных о положении центра давления на каждой из стоп и общего центра давления стоп с формированием отчетного документа.
Пример 1. Пациентка Д., возраст 16 лет имеет установленный рентгенологически диагноз идиопатического правостороннего грудного сколиоза IV степени (угол по Коббу 63°) с левосторонним структуральным противоискривлением в верхнегрудном отделе (45°) и с левосторонним структуральным противоискривлением в поясничном отделе (угол по Коббу 41°). Она же имеет данные обследования на компьютерном оптическом топографе ТОДП, согласно которым баланс туловища слабо нарушен во фронтальной плоскости с наклоном оси туловища вправо на 0.98° и сильно нарушен в сагиттальной плоскости с наклоном туловища кпереди на 6.7°, а также сильно нарушен в горизонтальной плоскости со скручиванием плечевого пояса относительно таза против часовой стрелки на 8.6°.
С целью уточнения диагноза было выполнено обследование на двух стабилоплантографах. Протокол обследования пациентки Д. приведен на фиг.4 и включает изображения подошвенной поверхности левой и правой стоп с наложенными на них статокинезиограммами, описывающими девиацию ЦД для каждой стопы, а также статокинезиограмму ОЦД (между стопами вблизи оси ординат). В левом верхнем углу приведены стабилометрические параметры и вес, приходящийся на левую стопу, а в правом верхнем такие же параметры для правой стопы. Эти параметры включают: X, Y - среднее значение координат ЦД, вес - средний вес, приходящийся на соответствующую ногу, Vx, Vy - среднее значение скорости перемещения ЦД в поперечном и продольном направлениях и V- среднее значение суммарной скорости перемещения ЦД. В нижней части протокола обследования приведены такие же параметры для ОЦД. Стабилометрические данные свидетельствуют, что у пациентки Д. правая стопа перегружена (53,11% общего веса) и выполняет опорную функцию, а левая выполняет (в большей степени) функцию балансировки (для левой стопы Vy=6.26 мм/с, а для правой -Vy=5.13 мм/с); также ЦД у правой стопы перемещен кпереди, а у левой - кзади от ОЦД (угол поворота линии, соединяющие ЦД составил 5.5°), что вполне согласуется с наличием по топографическим данным грубого разворота плечевого пояса относительно таза против часовой стрелки; ОЦД находится от линии, соединяющей внешний контур пяток на расстоянии 43.7% от длины стоп, т.е. смещен кпереди (нормальное положение 38-39%), что согласуется с наличием по топографическим данным сильного наклона туловища кпереди.
Пример 2. Пациент П., 12 лет без структурального сколиоза имеет данные обследования на компьютерном оптическом топографе ТОДП, согласно которым баланс туловища нарушен во фронтальной плоскости с наклоном оси туловища влево на 2.37° и в сагиттальной плоскости с наклоном туловища кпереди на 1.58°, а также в горизонтальной плоскости со скручиванием плечевого пояса относительно таза против часовой стрелки на 2.9°. С целью апробации способа стабилоплантографии ему было выполнено обследование на двух стабилоплантографах и протокол его обследования приведен на фиг.5. Стабилометрические данные свидетельствуют, что у пациента П. правая стопа перегружена (52,5% общего веса) и выполняет опорную функцию, а левая выполняет (в большей степени) функцию балансировки (для левой стопы Vy=3.88 мм/с, а для правой -Vy=2.82 мм/с); также ЦД у правой стопы немного перемещен кпереди, а у левой - кзади от ОЦД (угол поворота линии, соединяющие ЦД составил только 0.96°), что вполне согласуется с наличием по топографическим данным небольшого разворота плечевого пояса относительно таза против часовой стрелки; ОЦД находится от линии, соединяющей внешний контур пяток на расстоянии 41.0% от длины стоп, т.е. смещен кпереди (нормальное положение 38-39%), что согласуется с наличием по топографическим данным менее выраженного наклона туловища кпереди, чем у пациентки Д.
Приведенные примеры свидетельствуют о том, что комплексирование в одном устройстве двух методов обследования: плантографии и стабилометрии позволяет зарегистрировать и отобразить траекторию движении ЦД для стоп и точное положение стоп в единой системе координат на одном изображении, что открывает новые, не существовавшие раннее возможности в исследовании функционального состояния опорно-двигательного аппарата. В частности, стало возможным исследовать, как соотносится положение ЦД на стопе (по данным стабилографии) с распределением нагрузки в пределах стопы (по данным плантографии). Сопоставление Положения ЦД с распределением нагрузки обеспечивает повышение точности диагностики состояния ОДА.
Таким образом заявляемое устройство позволяет не только расширить функциональные возможности и сократить временные и материальные затраты на определение функционального состояния ОДА пациента за счет одновременного проведения плантографии и стабилометрии, но и позволяет повысить точность определения положения центра давления по отношению к положению стоп и обеспечить возможность оперативного комплексирования результатов компьютерной плантографии и стабилометрии.
Источники информации
1. СТАБИЛОГРАФ. Вешуткин В.Д., Данилов В.И., Ефимов А.П., Смирнов Г.В. Патент на изобретение RU 2063168, опубликован 10.07.1996 г.
2. Компьютерный плантограф. Соломин В.Ю., Соломин Вит.Ю., Федотов В.К., Игнатьев Ю.Т. Патент на полезную модель RU 54751, опубликован 27.07.2006 г.
3. Способ определения рессорной функции стопы с использованием возрастающей нагрузки. Гавриков К.В, Перепелкин А.И., Мандриков В.Б., Воробьев А.А., Клаучек С.В. Патент на изобретение RU 2358650, опубликован 20.06.2009 г.
4. Устройство для плантографии. Русских С.В., Львов С.Е., Корышков Н.А., Кураев А.В. Патент на полезную модель RU 12341, опубликован 10.01.2000 г.