Устройство для определения жесткости связочного аппарата надколенника и способ его применения
APPARATUS FOR DETERMINING STIFFNESS OF PATELLAR LIGAMENTOUS APPARATUS AND METHOD OF USE THEREOF

Область техники
[0001] Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской технике, и может быть использовано в ортопедии и травматологии для диагностики нестабильности коленного сустава.
Уровень техники
[0002] Существует методика определения патологий коленного сустава, а именно дефектов элементов связочного аппарата путем пальпации надколенника.
[0003] На основании субъективных данных, полученных за счет пальпации надколенника, врачом принимается решение об отсутствии патологии у пациента, либо направление к детализованному исследованию с применением магниторезонансной томографии.
[0004] Из уровня техники известен способ определения латеризации собственной связки надколенника по патенту №RU2271148C1 (дата приоритета: 21.06.2004 г., опубл.: 10.03.2006 г.). Производят компьютерную томографию коленного сустава, по томограмме устанавливают уровни сканирования: проксимально - вверх от надколенника до 1,5 см, дистально - на уровне бугристости большеберцовой кости, после чего накладывают томограмму на уровне центральных отделов ложа надколенника и томограмму на уровне прикрепления собственной связки надколенника, затем на созданном изображении производят измерение угла, образованного двумя линиями: прямой, проведенной через центр ложа надколенника и центр бедренной кости, и прямой, проведенной через центр большеберцовой кости и место прикрепления собственной связки надколенника. Однако, данный способ не позволяет определить жесткость связочного аппарата, и направлен на определение исключительно угла смещения надколенника.
[0005] Известен способ ультразвукового определения величины латеральной дислокации надколенника по патенту №RU2533837C1 (дата приоритета: 09.01.2014 г., опубл.: 20.11.2014 г.) основанный на ультразвуковом методе исследования патологий. Однако, данный способ также не позволяет определить жесткость связочного аппарата, и направлен на определение величины латеральной дислокации надколенника и исключительно в статическом положении на основании стоп-кадров.
[0006] Также из уровня техники известно устройство для определения нестабильности коленного сустава в патенте №RU2199979C2 (дата приоритета: 18.09.2020 г., опубл.:
10.03.2003 г.), которое состоит из неподвижной и подвижной платформы с кронштейном, отличающееся тем, что кронштейн соединен тягами с сильфонами, имеющими пружинные клапаны для ограничения давления, при этом давление в сильфон нагнетают резиновой грушей с винтом для сброса давления, а на планке установлен ползун со стопорным винтом и консольно расположенной резьбовой втулкой, в которой установлены индикаторные часы и толкатель. Недостатком данного технического решения по сравнению с заявляемым является отсутствие компьютеризированного вычисления смещения надколенника, невозможность определения жесткости связочного аппарат надколенника из-за отсутствия соответствующего устройства, а также возможности постепенного увеличения давления на коленный сустав при пальпации.
[0007] Известно техническое решение по патенту №RU2614106С2 (дата приоритета: 13.04.2016 г., опубл.: 22.03.2017 г.), которое представляет собой способ и устройство для определения болезненности и силы в коленном суставе, содержащее датчик усилия с установленным внутри тензодатчиком, измерительный блок, включающий аналоговоцифровой преобразователь, отличающееся тем, что снабжено двумя металлическими насадками для тензоальгиметрии, которые представляют собой наконечники с внутренней метрической резьбой М10, первый из которых выполнен диаметром 8 мм, длиной 20 мм, второй - диаметром 18 мм, длиной 15 мм, двумя металлическими насадками для динамометрии, которые представляют собой полукруглые сегменты с внутренним радиусом 70 мм и 140 мм, имеющие резиновое покрытие, датчик усилия выполнен в виде металлического цилиндра, имеет шток для крепления насадок, а измерительный блок снабжен микроконтроллером и цифровым четырехсегментным индикатором. Данное техническое решение не дает возможности измерения жесткости связочного аппарата объекта (сустава), а также не имеет инструментов графического отображения получаемых данных.
[0008] Ближайшим аналогом является устройство по патенту №RU2285446С2 (дата приоритета: 07.12.2004 г., опубл.: 20.10.2006 г.), которое представляет собой измеритель диагностический, содержащий подвижную и неподвижную части, щуп, соединенный с первой подвижной частью, снабженной измерителем линейного перемещения, отличающийся тем, что он снабжен второй подвижной частью, неподвижная часть выполнена в виде неподвижного основания с направляющей с возможностью установки на нее двух подвижных частей, выполненных в виде кареток, соединенных упругой связью и снабженных каждая цифровым табло для индикации линейного размера, при этом вторая каретка снабжена измерителем линейного перемещения, а первая каретка с щупом расположена ближе к неподвижному основанию. Недостатком данного технического решения является наличие риска погрешности в измерении жесткости объекта, так как отсутствует устройство фиксации объекта, измерение длины осуществляется на основе механического движения кареток, а также вычисление жесткости необходимо проводить вручную. Более того, измерение осуществляется в единственной точке приложения силы, что также не способствует точности вычислений жесткости объекта.
Сущность изобретения
[0009] Задачей настоящего изобретения является улучшение качества диагностики нестабильности коленного сустава, в частности надколенника.
[0010] Технический результат заключается в упрощении и повышении точности количественного измерения жёсткости связочного аппарата надколенника коленного сустава. Указанный технический результат достигается за счет устройства, состоящего из тензометрического щупа, расположенных на нем по крайней мере двух маркеров, по крайней мере двух видеокамер, зафиксированных на штативе, электронного средства отображения информации, электронно-вычислительного устройства, при этом определение жесткости связочного аппарата надколенника осуществляется с помощью программного обеспечения, расположенного на электронно-вычислительном устройстве. Технический результат также достигается путем взаимодействия элементов устройства следующим образом: размещают конечность с коленным суставом в поле обзора видеокамер, видеокамеры транслируют изображение коленного сустава на электронно-вычислительное устройство. Затем вводят тензометрический щуп с расположенными на нем по крайней мере двумя маркерами в поле обзора видеокамер и осуществляют пальпацию надколенника с помощью тензометрического щупа. При этом под обзором видеокамеры понимается вся транслируемая сцена, определяемая характеристиками видеокамеры. На основе транслируемого изображения определяют перемещение надколенника с помощью программного обеспечения, а также рассчитывают силу оказываемого на надколенник давления с помощью программного обеспечения. После рассчитывают жесткость связочного аппарата надколенника на основе полученных данных о перемещении надколенника и силы оказываемого давления. При этом информация о характеристиках пальпации (перемещении надколенника, угле воздействия при пальпации, силе оказываемого давление), в частности, отображение показателя жесткости связочного аппарата надколенника отображается на электронном средстве отображения информации.
[0011] Возможно использование системы фиксации конечности.
[0012] Дополнительно возможно расположение еще по крайней мере одного маркера выше коленного сустава, второго - ниже коленного сустава.
[0013] Тензометрический щуп может дополнительно включать индентор, тензометрический блок, плату сбора данных, аккумулятор с платой зарядки, калибровочную оснастку.
[0014] Тензометрический блок дополнительно может содержать плату усиления. [0015] Плата сбора данных может дополнительно содержать гироскоп, магнитометр и акселерометр.
[0016] Система фиксации конечности может дополнительно включать компрессор, подушки, плату управления.
[0017] Электронное средство отображения информации может быть расположено на штативе.
[0018] Также возможно регулирование высоты расположения электронного средства отображения информации на штативе.
Описание чертежей
[0019] На фиг.1 представлен общий вид устройства с расположением его элементов в едином корпусе.
[0020] На фиг.2 представлен общий вид устройства с расположением маркеров на ноге человека.
[0021] На фиг.3 изображен тензометрический щуп.
[0022] На фиг.4 представлен алгоритм реализации устройства.
[0023] Указанные фигуры поясняются следующими позициями: 1 – тензометрический щуп, 2 – видеокамеры, 3 – штатива видеокамеры, 4 – маркер, 5 – электронное средство отображения информации, 6 – система фиксации конечности, 7 - электронновычислительное устройство, 8 – индентор, 9 – корпус, 10 – штатив электронного средства отображения информации, 11 – паз для тензометрического щупа, позиции 12 – 18 представлены далее по тексту.
Подробное описание изобретения
[0024] В приведенном ниже подробном описании изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них.
[0025] На регистрацию заявляется устройство для определения жесткости связочного аппарата надколенника, которое состоит из тензометрического щупа (1), расположенных на нем по крайней мере двух маркеров (4), по крайней мере двух видеокамер (2), зафиксированных на штативе (3), электронного средства отображения информации (5), электронно-вычислительного устройства (7), при этом определение жесткости связочного аппарата надколенника осуществляется с помощью программного обеспечения, расположенного на электронно-вычислительном устройстве (7).
[0026] Тензометрический щуп может включать индентор (8), по крайней мере два маркера (4). Тензометрический блок, плата сбора данных, аккумулятор с платой зарядки в составе тензометрического щупа, а также  калибровочная оснастка на рисунках не показаны.
[0027] Плата сбора данных собирает информацию для последующей передачи на электронно-вычислительное устройство и обработки программным обеспечением, находящимся на нем. Указанная плата сбора данных осуществляет получение информации об изменении электрического сопротивления, вызванного деформацией тензорезисторов. Также плата сбора данных дополнительно может содержать гироскоп, магнитометр и акселерометр. Как следствие, плата сбора данных способна получать и передавать также информацию об углах ориентации и наклона тензометрического щупа.
[0028] Данные, полученные с тензометрического щупа (1) при пальпации надколенника, могут быть переданы на электронно-вычислительное устройство как с использованием проводной, так и беспроводной связи. При этом тензометрический щуп содержит индентор (8), устройство для измерения силы воздействия на надколенник при пальпации, непосредственного контакта с поверхностью измеряемого объекта. Индентор (8) может быть выполнен сменным, что позволяет подобрать индентор необходимого размера с учетом антропометрических особенностей коленного сустава.
[0029] Калибровочная оснастка позволяет осуществить настройку чувствительности тензометрического щупа с использованием, например, калибровочных испытаний.
[0030] Тензометрический блок состоит из тензорезисторов и платы усиления.
[0031] Тензорезисторы располагаются в упругом элементе тензометрического щупа, на который оказывается воздействие индентором (8) при давлении на надколенник. Наилучшей схемой, в данном случае, является мостовая схема, которая позволяет фиксировать малейшие изменения проводимости тензорезисторов. При повышенной чувствительности возможно постепенное увеличение силы надавливание на надколенник, что позволяет не допустить возникновение болезненности в суставе. Возможны и иные варианта расположения тензорезисторов, которые очевидные для специалиста. Тензорезисторы могут быть заменены на иное по содержанию, но аналогичное по функции устройство. Для увеличения чувствительности фиксации изменения электрического сопротивления тензорезисторов может использоваться плата усиления.
[0032] В качестве маркеров (4) могут быть использованы любые известные для данных целей устройства, например, оптический пассивный маркер, отражающий посланный на него от видеокамеры инфракрасный свет, оптические активные маркеры, которые самостоятельно излучают свет, изображение которых будет транслироваться видеокамерой на электронно-вычислительное устройство с программным обеспечением, магнитные маркеры, которые взаимодействуют с видеокамерой-ресивером, гироскопические или инерционные маркеры. Необходимо использование как минимум 2 маркеров, которые расположены на тензометрическом щупе. Предварительно фиксируются данные о расстоянии между маркерами на тензометрическом щупе, что позволяет программному обеспечению проводить вычисления об углах воздействия и перемещении надколенника при пальпации. При этом возможно использования и большего количества маркеров на тензометрическом щупе, например, для повышения точности определения перемещения надколенника и углов ориентации за счет исключения непопадания маркера в обзор камеры.
[0033] Возможно также дополнительное расположение по крайней мере одного маркера (4) выше коленного сустава и по крайней мере одного ниже. В данном случае маркеры (4) предназначены для формирования условной оси ориентации, с помощью которой программное обеспечение будет получать информацию о перемещении надколенника, при этом условная ось ориентации должна быть проецирована через ось вращения конечности. Данный вариант реализации технического решения является возможным, но не лучшим. Также отметим, что в качестве конечности может быть нога млекопитающего животного, строение конечности, в частности коленного сустава, которое обладает антропометрическим и анатомическим сходством со строением человеческого коленного сустава. В очевидной реализации в качестве конечности принимается нога человека.
[0034] Использование маркеров на конечности не является обязательным условием реализации заявляемого технического решения, но способствует достижению технического результата, за счет повышения точности проводимых измерений.
[0035] Заявленное техническое решение также может включать систему фиксации конечности (6), которое может включать в себя компрессор, подушки и плату управления. Конечность может фиксироваться в подушке и настраивается оператором, человеком, осуществляющим пальпацию с использованием интерфейса электронного средства отображения информации (5), настройку системы фиксации конечности. Система фиксации предназначена для предотвращения ротации и смещения всей конечности при пальпации надколенника тензометрическим щупом (1). Как следствие, достигается точность в измерении жесткости связочного аппарата надколенника.
[0036] В качестве электронно-вычислительного устройства (7) могут быть использованы любые пригодные для данных целей устройства, например, компьютеры. При этом электронно-вычислительное устройство (7) может быть расположено внутри единого корпуса (9) устройства для определения жесткости связочного аппарата надколенника. В данном случае не требуется подключение сторонних электронных устройств, программные обеспечения которых могут оказаться непригодными для реализации, а также и вовсе отсутствовать в доступности для использования.
[0037] В качестве видеокамеры (2) могут быть использованы любые пригодные для данных целей устройства, обладающие достаточным качеством для фиксации изображения коленного сустава. Дополнительно видеокамеры могут содержать источник инфракрасного излучения, или может быть выполнены в качестве ресивера. В предпочтительной реализации устройства используется две видеокамеры (2), отображающие фронтальную плоскость коленного сустава, что дает возможность проведения вычислений с учетом изображения смещения маркеров (4) тензометрического щупа (1) при минимальных финансовых затратах. Также дополнительно могут быть задействованы несколько видеокамер (2), размещенных вокруг коленного сустава и позволяющих, при размещении на конечности двух маркеров (4) (выше и ниже коленного сустава), определить ротацию относительно оси вращения. Видеокамеры (2) расположены на штативе (3) таким образом, чтобы осуществлять передачу (транслирование) изображения коленного сустава ноги во фронтальной плоскости, и находясь над ним. При этом, штатив (3) может быть выполнен в виде кольца со светодиодами по окружности, который выполняет функцию подсвечивания коленного сустава ноги для повышения эксплуатационных возможностей видеокамер.
[0038] Устройство для определения жесткости связочного аппарата надколенника содержит электронное средство отображения информации (5), выполненное, например, в виде монитора. Данное электронное средство отображения информации способствует оперативному получению обрабатываемых и обработанных данных о силе воздействия на надколенник, угле ориентации тензометрического щупа (1), его наклона, жесткости связочного аппарата надколенника и т.д. То есть благодаря своевременному отображению информации оператор может регулировать силу и угол воздействия при пальпации.
[0039] Электронное средство отображения информации (5) может быть расположено на штативе (10) с возможность изменения высоты расположения. Такая возможность также облегчает работу отдельно взятого оператора, что способствует увеличению точности измерения.
[0040] Функционирование устройства, то есть осуществление способа происходит следующим образом. Оператор размещает конечность в поле обзора видеокамеры (12).
Дополнительно могут выше и ниже коленного сустава оператором фиксироваться маркеры. Также дополнительно конечность может фиксироваться в системе фиксации. В таком случае видеокамера транслирует изображение коленного сустава (13), также и в случае с расположением на ноге маркерами. Тензометрический щуп с расположенными на нем по крайней мере двумя маркерами вводится в поле обзора видеокамер (14), осуществляют пальпацию надколенника (15) с помощью тензометрического щупа, причём, измерение перемещения начинается в тот момент, когда начинается нагружение тензометрического щупа. Программное обеспечение, располагающееся на электронно-вычислительном устройстве, на основе транслируемого изображения определяет перемещение надколенника (16) с учетом известности расстояния маркеров между друг другом на тензометрическом щупе, а также с использованием данных (электрического сопротивления, а в некоторых случаях углах ориентации и наклона), полученных от тензометрического щупа, рассчитывает силу оказываемого на сустав давления (17). С учетом полученных показателей перемещения надколенника и силы программное обеспечение рассчитывает жесткость связочного аппарата надколенника (18), как отношение силы к перемещению. Полученный результат отображается на электронном средстве отображения информации. Также на данном устройстве может отображаться информация о перемещении надколенника, угле воздействия, а также силе оказываемого давления на надколенник. При этом предварительно фиксируют конечность в системе фиксации конечности в поле обзора видеокамер.
[0041] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.