ИНЕРЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА И КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА НА ОСНОВЕ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ

Область применения
Полезная модель относится к области медицинской техники, в том числе спортивной медицины, к малогабаритным устройствам определения параметров и фаз движения конечностей человека, основанным на инерционных измерениях, и может найти применение для лечения и диагностики нарушений опорно-двигательного аппарата и контроля движений атлетов во время тренировок.
Уровень техники
Известны решения, относящиеся к измерительным приборам (устройствам), предназначенным для определения параметров движения конечностей человека.
Из уровня техники известно устройство, позволяющее оценить рассогласованность параметров движения рук (Решетюк А.Л. Кумулятивно-временной анализ саморегуляции деятельности человека в условиях физиологического эксперимента/ Физиология человека - 1994, т.20 - N6 - с.156-162.). Оно включает контактно-нажимное устройство, соединенное с устройством формирования измеряемого сигнала, имеющим в своем составе блок автономного питания, блок формирования измеряемого сигнала и блок согласования, через который устройство формирования измеряемого сигнала соединено с компьютером. Устройство производит одноканальную регистрацию (т.е. параметры движения только одной руки) длительности временных интервалов между нажатиями на КНУ кистью руки. Измерение указанного параметра осуществляется непосредственно компьютером, на который сигнал подается с устройства формирования измеряемого сигнала.
Недостатки: невозможность осуществления двухканальной регистрации параметров движения рук (т.е. одновременно обеих рук), большие массогабаритные показатели устройства, обусловленные необходимостью использования блока автономного питания, а также невозможность регистрации длительности фаз нажатия и отжатия, что снижает функциональные возможности устройства. Невозможно производить измерение вращения конечностей, решение не дает полную информацию о движении человека в целом, имеет низкую точность определения параметров движения - линейных и угловых ускорений, скоростей и координат.
Из уровня техники известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ РАССОГЛАСОВАННОСТИ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ РУК ЧЕЛОВЕКА» (патент RU 2161908, 20.01.2001). Изобретение относится к медицинской технике, предназначено для оценки моторной межполушарной асимметрии мозга (по темпу движений, утомляемости и т.д.), в частности обусловленной влиянием гелиогеофизических факторов среды, и может быть использовано в научной и практической медицине. Устройство содержит два двухпозиционных контактно-нажимных устройства, параллельно соединенных через блок согласования с компьютером. Блок согласования состоит из двух RS-триггеров, выходы которых соединены непосредственно с входом последовательного порта компьютера, а также двухполярного стабилизатора напряжения, вход которого соединен с выходом того же порта компьютера, а выход - с RS-триггерами. Такое выполнение устройства обеспечивает возможность двухканальной регистрации движения рук человека, определения длительности фаз нажатия и отжатия, упрощение конструкции и снижение габаритов.
Недостатки: невозможно производить измерение вращения конечностей, решение не дает полную информацию о движении человека в целом, имеет низкую точность определения параметров движения - линейных и угловых ускорений, скоростей и координат.
Наиболее близкими из уровня техники решениями являются: US 2002040601, 11.04.2002, СА 2218242, 06.12.2005, US 5955667, 21.09.1999, WO 0020874, 13.04.2000, которые описывают по крайней мере один высокочувствительный широкополосный датчик линейных движений или один высокочувствительный широкополосный датчик угловых движений, закрепленный на нижних конечностях человека.
Недостатки: решение не дает полную информацию о движении человека в целом, имеет не достаточно высокую точность определения параметров движения - линейных и угловых ускорений, скоростей и координат.
На сегодня остро стоит необходимость точного определения фаз движения нижних конечностей человека при ходьбе и количественного измерения параметров движения связано с широким использованием инерциальных акселерометрических методов в ортопедии, спортивной медицине, навигации пешехода. В ортопедии таким образом удается распознавать нарушения в работе опорно-двигательного аппарата и контролировать эффективность назначенного лечения с использованием объективных аппаратных методов.
В спортивной медицине аккселерометрия позволяет количественно характеризовать показатели подготовленности спортсмена, его технику, снижать травматизм. Задача навигации пешехода имеет принципиальное значение для определения положения людей, перемещающихся в закрытых помещениях, где спутниковая навигация невозможна. При этом каждое из этих применений требует, с одной стороны, миниатюрности используемых измерительных средств, а, с другой - высокой точности измерений, недостижимой в настоящее время при использовании современных микромеханических датчиков движения.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в возможности проведения более точных измерений фаз и параметров движения верхних и нижних конечностей человека по сравнению с использованием имеющихся малогабаритных аналогов измерительных устройств.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана блок-схема устройства инерциальной системы, где 1 - компьютер, 2 - блок управления, 3 - аналоговый блок питания датчиков, усиления, фильтрации и температурной коррекции сигнала, 4 - АЦП, 5 - носитель информации для записи и хранения или интерфейс для передачи цифровых данных, 6 - измерительные датчики, закрепленные на конечностях человека, 7 - датчики угловых движений, 8 - датчики линейных движений.
На Фиг.2 показан пример реализации полезной модели.
На Фиг.3 показана диаграмма, отражающая последовательные шаги пешехода, регистрируемые измерителем углового ускорения (верхний график - первый шаг, нижний график - второй). Ось абсцисс - время записи в секундах, ось ординат - сигнал сенсора в мВ.
На Фиг.4 представлены показания датчиков углового ускорения миниатюрного детектора параметров движения тела и нижних конечностей человека. По оси абсцисс время записи в секундах, по оси ординат регистрируемый АЦП сигнал сенсоров в мВ.
2
На Фиг.5 показаны шаги пешехода, регистрируемые взаимно ортогональными измерителями линейного ускорения. Ось абсцисс - время записи в секундах, ось ординат - сигнал сенсоров в м/сек.
На Фиг.6 показан пример конструкции молекулярно-электронного датчика углового движения, керамическая трубка которого замкнута в тор, где 9 - керамическая трубка (корпус преобразователя), 10 - электролит, 11 - анод, 12 - катод, 13 - электродный узел (преобразующий элемент).
На Фиг.7 показан пример конструкции молекулярно-электронного датчика линейного движения, корпус которого представляет собой замкнутый объем, полностью заполненный рабочей жидкостью.
Реализация полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что инерциальная система определения параметров движения тела и конечностей человека (см. Фиг.1), состоящая из, по крайнем мере, одного высокочувствительного широкополосного датчика линейных движений (7), или одного высокочувствительного широкополосного датчика угловых движений (8), закрепленных на теле и/или конечностях человека, блока управления (2), включающего аналоговый блок питания (3), усиления, фильтрации и температурной коррекции сигнала, АЦП (4), накопитель данных (5) и проводной или беспроводной интерфейса для передачи данных на персональный компьютер, персональный компьютер (1) для обработки данных в режиме реального времени или постобработки, отличающаяся тем, что датчики линейных (7) и угловых (8) движений выполнены с использованием жидкостной инерционной массы (10) (см. Фиг.6) и молекулярно-электронного чувствительного элемента (13), преобразующего движение жидкости в электрический сигнал. Кроме того, датчик угловых движений (8) представляет собой герметичный тороид, полностью заполненный электролитом (10). В канале тороида расположен молекулярно-электронный элемент (13), чувствительный к движению жидкости. Кроме того, датчик линейных движений (7) представляет собой герметичный корпус произвольной формы, полностью заполненный рабочей жидкостью (10). В канале корпуса расположены две пары электродов (11, 12), причем расстояние между парами электродов должно быть намного больше расстояния между электродами в отдельной паре. Кроме того, между электродами (11, 12), расположенными в канале корпуса, подана разность потенциалов, обеспечивающая формирование между парами электродов области повышенной или пониженной концентрации электролита, отличающиеся также удельной плотностью от остального электролита. В заявленном решении используются молекулярно-электронные датчики линейных и/или угловых движений, отличающиеся более высокой чувствительностью и более низким уровнем собственных шумов, по сравнению с другими возможными для этой задачи типами датчиков - такими как пьезоэлектрические, электромеханические (MEMS - микро-электромеханические) и (возможно) волоконно-оптические датчики.
Закрепление датчиков осуществляется не только на ногах, но и на руках человека (что позволяет, в частности, получать более полную информацию о движении человека).
Использование датчиков углового (вращательного) движения позволяет непосредственно и более точно измерять вращения конечностей, чем в случае использования двух линейных датчиков, разнесенных на некоторое расстояние.
Одновременное использование как линейных, так и угловых датчиков позволяет повысить точность определения параметров движения - линейных и угловых ускорений, скоростей и координат.
В случае использования 3 линейных и 3 угловых датчиков, которые расположены с осями чувствительности, ориентированными по 3 взаимно ортогональным осям, одновременно непосредственно измеряются все параметры движения конечностей.
Возможность использования не только молекулярно-электронных датчиков с выходным сигналом, пропорциональным внешнему ускорению (т.е. акселерометров), но и аналогичных молекулярно-электронных датчиков с выходным сигналом, пропорциональным скорости (т.е. датчиков скорости - велосиметров - как линейных, так и угловых). Использование датчиков скорости позволяет при определении координат конечностей человека проводить только одно интегрирование (а не два интегрирования, как в случае акселерометров). Таким образом, снижается ошибка интегрирования и повышается точность определения координаты.
Новизной исследуемого объекта техники является применение датчиков линейных и угловых движений, выполненных с использованием жидкостной инерционной массы и молекулярно-электронного чувствительного элемента, преобразующего движение жидкости в электрический сигнал.
Предлагаемая полезная модель может найти широкое применение в медицинской и спортивной технике, а также системах навигации пешехода.
Результатом разработки новой технологии является инерциальная система определения параметров движения конечностей человека, позволяющая проведения более точных измерений фаз и параметров движения нижних конечностей человека по сравнению с использованием имеющихся малогабаритных аналогов измерительных устройств.
Осуществление полезной модели
Задачу точного определения фаз движения тела и конечностей человека при ходьбе и количественного измерения параметров движения предполагается решить (см. Фиг.1) за счет использования в качестве измерительных элементов (6), закрепленных на нижних и/или верхних конечностях человека, малогабаритных датчиков линейных (7) и угловых (8) (вращательных) движений, основанных на молекулярно-электронной технологии измерения параметров движения. Указанные датчики (см. Фиг.2) имеют характерные размеры в пределах нескольких кубических сантиметров, не содержат движущихся механических деталей, что обуславливает их высокую надежность, и не дороги в изготовлении. Основным достоинством указанных датчиков является уровень их собственных шумов в несколько раз меньший, чем у микромеханических устройств аналогичного назначения, при временах усреднения от нескольких десятых секунды до нескольких секунд, типичных для решения задачи определения фаз и параметров движения нижних конечностей человека.
Датчик, предназначенный для измерения вращательных движений, представляет собой (см. Фиг.6) герметичный тороид, полностью заполненный электролитом (10). В канале тороида расположен молекулярно-электронный элемент (13), чувствительный к движению жидкости.
Внутри трубки (9), выполненной из диэлектрического и химически стойкого материала и заполненной раствором электролита (10), расположены две пары сетчатых электродов (11) и (12), дающие возможность свободного протекания жидкости через электродный узел в случае возникновения движения электролита в трубке преобразователя. Внешние электроды (11) используются в качестве анодов, внутренние (12) - в качестве катодов. Сигнал снимается, как правило, с катодов по разностной схеме.
В рабочем режиме к каждой паре электродов (11, 12) преобразователя прикладывается постоянная разность потенциалов, обеспечивающая в отсутствие внешнего сигнала протекание фонового тока между анодом и катодом каждой электродной пары, обусловленного обратимыми окислительно-восстановительных реакциями на аноде (11) и катоде (12). Наличие избытка фонового электролита (10) значительно ослабляет электрическое поле в объеме электролита между электродами и, как следствие, вклад составляющей тока, связанной с миграцией ионов в электрическом поле. В результате, вблизи поверхностей электродов полный ток практически целиком определяется вызванной внешним сигналом конвективной диффузией ионов, участвующих в реакциях окисления-восстановления на электродах.
Для того чтобы преобразователь мог использоваться в качестве линейного датчика движения, концы разомкнутой прямой трубки (9) закрываются упругими мембранами (на чертежах не показано). Тогда, при возникновении внешнего ускорения, электролит (10) в канале преобразователя приходит в движение, поднося или относя носители заряда к электродам, что отражается в изменении тока во внешней цепи.
Датчик, предназначенный для измерения линейных движений, может быть выполнен в виде герметичного корпуса произвольной формы, полностью заполненного рабочей жидкостью. Необходимым элементом описываемого датчика линейных движений является канал, содержащий две пары электродов, причем расстояние между парами электродов должно быть намного больше расстояния между электродами в каждой отдельной паре. После приложения разности потенциалов между электродами в канале, в пространстве между электродными парами, формируется область электролита, характеризующаяся более высокой или, в зависимости от знака приложенного потенциала, более низкой концентрацией рабочей жидкости. Одновременно, в силу зависимости плотности от концентрации электролита, указанная область отличается по своей плотности от электролита в остальной части объема. Под действием линейного ускорения, действующего вдоль оси канала, возникает поток жидкости через канал, преобразуемый молекулярно-электронным чувствительным элементом в выходной электрический сигнал.
В общих чертах, принцип действия молекулярно-электронного датчика вращения состоит в преобразовании внешнего углового ускорения в конвективный поток проводящей жидкости. Далее, рабочая жидкость, протекая сквозь преобразующий элемент, увлекает конвективным потоком носители заряда в жидкости, что приводит к вариациям сигнальных токов, снимаемых с электродов преобразующего элемента.
Важнейшим отличием молекулярно-электронных датчиков от инерционных измерителей параметров движения других типов является то, что в нем роль инерционной массы играет рабочая жидкость - раствор электролита, протекающий через преобразователь. Именно применение жидкостной инерционной массы вместе с соответствующим образом выбранными параметрами преобразующего элемента (электродного узла) определяют высокую чувствительность и низкий уровень собственных шумов приборов такого типа в области низких и сверхнизких частот.
Принцип работы системы основан на регистрации движений в точке закрепления датчиков на нижних конечностях человека. При этом каждая фаза движения характеризуется уникальным для данного местоположения датчиков, выходным сигналом, что обеспечивает ее однозначную идентификацию. Кроме того, на основании зарегистрированного выходного сигнала возможно точно определить длину шага, мгновенное пространственное положение различных частей ноги. Фаза движения, соответствующая неподвижному состоянию стопы опорной ноги может использоваться для устранения ошибок, связанных с дрейфом выходного сигнала датчиков, закрепленных на этой стопе. По показаниям акселерометров в тот же момент времени можно точно определить положение стопы относительно вектора силы тяжести и, тем самым, устранить накопление ошибок, связанных с ошибками в определении углового положения датчиков. Выходной сигнал датчиков усиливается, фильтруется и оцифровывается с помощью АЦП, входящего в состав блока управления. Полученные данные сохраняются во встроенной памяти для постобработки или передаются по проводному или беспроводному интерфейсу на компьютер для обработки в режиме реального времени. Блок-схема, иллюстрирующая работу системы, показана на Фиг 1.
Примером реализации патентуемого устройства является миниатюрный детектор параметров движения нижних конечностей человека и фаз ходьбы состоящий из трех миниатюрных молекулярно-электронных измерителей углового ускорения, закрепленных по трем ортогональным плоскостям, а также трех взаимно ортогональных молекулярно-электронных линейных акселерометров. Устройство жестко прикрепляется к подошве обуви пешехода и производит определение параметров движения и фаз ходьбы. На Фиг.2 представлен макет миниатюрного шестикомпонентного детектора параметров движения тела и нижних конечностей человека. Технические характеристики измерителей в составе примера реализации полезной модели приведены в таблицах 1 и 2.
При помощи миниатюрного детектора определяются фазы ходьбы и, в частности, дифференцируются моменты времени, в течение которых стопа пешехода находится в покое относительно грунта.
На Фиг.3 представлены два последовательных шага, зарегистрированных одним из сенсоров углового ускорения, на рисунке четко обнаруживается момент покоя стопы относительно грунта, фаза соответствующая «нулевому» сигналу измерителя. Кроме того, легко дифференцируются участки возобновления движения и перемещение стопы, а также фаза нового соприкосновения стопы с грунтом, подготовка к следующему шагу. В лабораторных экспериментах, при моделировании входных сигналов на поворотном столе удается достигнуть точности в определении угла поворота порядка 1%. Одновременная регистрация угловых сигналов по трем взаимно ортогональным компонентам показана на Фиг.4.
Построенный макет устройства позволяет определять помимо угловых параметров движения также и линейные ускорения, появляющиеся в процессе движения человека. На Фиг.5 представлен шаг пешехода, зарегистрированный двумя взаимно ортогональными измерителями линейного ускорения. Существенно, что форма отклика отличается от аналогичных показаний сенсоров углового движения и, тем не менее, характерна для обоих линейных измерителей. Показания линейных сенсоров позволяют определить параметры поступательных движений, производимых стопой пешехода в момент выполнения шага, а также уточнить моменты соответствующие различным фазам ходьбы.
ИНИЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА И КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА НА ОСНОВЕ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ
Таблица 1.Характеристики измерителей угловых ускорений миниатюрного детектора параметров движения тела и нижних конечностей человека
Параметр
Единица измерения
Значение
Частотный диапазон
Hz
0-10 Hz
Количество компонент
3
Аналоговый выход
Угловое ускорение
Чувствительность
V/(Rad/s<sup>2</sup>)
0,6
Спектральная плотность собственного шума
Rad/(s<sup>2</sup>∗sqrt(Hz))
10<sup>-4</sup>
Стабильность нулевого смещения (Bias Stability)
mRad/sec<sup>2</sup>
<0,01
Максимально измеряемый сигнал (при питании 12 В)
Rad/s<sup>2</sup>
16,7
Температурный диапазон
°C
-12…+55
Питание
V
5-18
Потребление на компоненту
mA
1,4
Таблица 2.Характеристики измерителей линейных ускорений миниатюрного детектора параметров движения тела и нижних конечностей человека
Параметр
Единица измерения
Значение
Частотный диапазон
Hz
0-24 Hz
Количество компонент
3
Аналоговый выход
Линейное ускорение
Чувствительность
V/(m/s<sup>2</sup>)
0,5
Спектральная плотность собственного шума
M/(s<sup>2</sup>∗sqrt(Hz))
3∗10<sup>-4</sup>
Неравномерность масштабного коэффициента
%FS
<5
Температурный диапазон
°C
-12…+55
Питание
V
5-18
Потребление на компоненту
mA
1,4