ЛЕЧЕБНЫЙ КОСТЮМ АКСИАЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ С АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ
THERAPEUTIC COSTUME OF AXIAL LOAD WITH AUTOMATED CONTROL SYSTEM

Областью применения изобретения является разработка специальной одежды для лечения в клинических условиях нарушений двигательной функции при детском церебральном параличе, поражениях сосудистой системы головного мозга (инсультах) и других заболеваниях, сопровождающихся нарушением координации моторики как ног, так и рук, а также для измерения и регистрации нагрузок, создаваемых костюмом, на тело больного.
Задачей изобретения является разработка лечебного костюма аксиального нагружения с системой измерения и регистрации нагрузки.
Из уровня техники известны различные конструкции одежды для космонавтов, которые решают задачи облегчения и адаптации человека в условиях пребывания в невесомости (например, RU 2254272 С2, 20.06.2005; US 4051848 А, 04.10.1977; RU 2007146197/12, 14.12.2007).
Их общим недостатком является нерешенная задача обеспечения нагрузочной компенсации и ее контроля.
В качестве прототипа выбрано техническое решение - профилактический нагрузочный костюм для космонавта, состоящий из изготовленного из трикотажного полотна комбинезона с натяжным устройством (RU 2007146198 А 2007).
Однако известный костюм не обеспечивает измерение, контроль и регистрацию нагрузок натяжных амортизаторов.
Указанные недостатки устраняются за счет предлагаемого изобретения, задачей и техническим результатом которого является создание лечебной одежды аксиального нагружения для больного с системой измерения и регистрации нагрузок от амортизаторов в клинических условиях.
Технический результат достигается за счет предложенного лечебного костюма, содержащего комбинезон, выполненный из, по меньшей мере, одного слоя ткани, и натяжное устройство, характеризующийся тем, что натяжное устройство обеспечивает создание осевой нагрузки на опорно-двигательный аппарат больного при помощи амортизаторов, а комбинезон дополнительно снабжен системой измерения и регистрации нагрузок, содержащей источник питания, тензодинамометры с усилителями, размещенные на амортизаторах в определенных анатомических точках, и аналого-цифровой преобразователь с кабелем USB так, что система осуществляет преобразование аналоговых сигналов в цифровой вид и передачу их в компьютер для оперативного анализа, отображения и регистрации.
Тензодинамометры соеденены с амортизаторами и выполнены в виде пряжки с тензоэлементом и усилителем, через которую пропущена регулировочная лента амортизатора. Тензоэлемент прикреплен к средней перемычке пряжки, которая упруго деформируется вместе с тензоэлементом при изменении натяжения амортизатора, и на выходе образуется напряжение постоянного тока, величина которого пропорциональна величине изгибающего усилия. Для обеспечения сопряжения с АЦП это напряжение усиливается и поступает на АЦП в виде аналогового сигнала. АЦП преобразовывает этот сигнал в цифровой и передает на компьютер. В компьютер введена с диска CD-R программа обработки входных сигналов, полученных с АЦП, которая обеспечивает калибровку сигналов, их масштабирование и запись их величин в виде усилий (в килограммах), действующих на человека при ношении костюма.
Система обеспечивает измерение и регистрацию нагрузок в 20 тензодинамометрах в диапазоне от 0 до 15 кг и точность измерения нагрузок ±3%.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Система измерения нагрузки предназначена для измерения и регистрации нагрузок, создаваемых лечебным костюмом на тело больного при ношении его в клинических условиях на протяжении заданного периода времени реабилитационных процедур.
Главным механизмом влияния костюма на организм больного является создание осевой нагрузки на опорно-двигательный аппарат при помощи многочисленных амортизаторов.
Костюм представляет возможность вариации нагрузок в большом диапазоне: суммарная нагрузка может достигать 40 или более кг и обеспечивает организацию процесса измерения, контроля и регистрации состояния системы «человек-костюм», который происходит в реальном времени, и обратную связь для оперативной коррекции режима использования костюма в ходе его применения.
Использование костюма решает ряд задач:
1. Определение и создание оптимальной для больного величины суммарной осевой нагрузки.
2. Оперативное изменение нагрузки в процессе прохождения больным процедуры реабилитации с регистрацией задаваемых нагрузок в базе данных.
3. Создание требуемых для лечения нагрузок отдельных групп мышц с учетом физиологических особенностей конкретного больного.
4. Реализация возможности формирования нагрузок мышц и скелета больного симметрично или асимметрично справа-слева, спереди-сзади.
Наличие обратной связи «физиологический параметр-компьютер» позволяет создавать физические нагрузки, адекватные текущему физиологическому статусу больного и цели упражнений в процессе лечения. Можно менять, например, темп упражнений в зависимости от частоты сердечных сокращений, чувствительность канала управления в зависимости от уровня миограммы и т.д.
Предложенное техническое решение за счет средств компьютерной поддержки позволяет повысить эффективность использования такой лечебной одежды - костюма аксиального нагружения.
Нагрузочные элементы костюма (эластичные амортизаторы) создают осевую нагрузку на туловище и ноги больного. Усилия от натяжения амортизаторов суммарно могут достигать значительной величины - до 40 (или более) кг, но эти усилия существенно меняются в зависимости от положения звеньев тела (относительно друг друга), попадаемых в зону «обслуживания» данным амортизатором. Т.е. усилия от натяжения амортизаторов в исходном состоянии (как правило, это вертикальное положение с выпрямленными ногами и туловищем) начинают меняться при появлении углов в суставах и имеют бурную динамику при осуществлении движений.
Объективная регистрация усилий в базе данных предполагает наличие как статичных значений, так и их динамику с анализом параметров, принятых для динамических процессов и полезных для оценки состояния больного (например, время выполнения движения, соотношение фаз сгибания и разгибания, производные движения: скорость и ускорение и т.д.).
Примером системы измерения усилий и регистрации может быть следующее.
Каждый амортизатор костюма имеет тензодатчик, выполненный в виде тензопряжки, через которую пропущена силовая лямка (на комбинезоне это регулировочная лента амортизатора). Форма тензодатчика в виде плоской пряжки (20×20×2 мм) хорошо сочетается с натяжным элементом костюма, не нарушая их конструктивной схемы.
Сам тензоэлемент крепится к средней перемычке пряжки, которая упруго деформируется вместе с тензоэлементом при изменении натяжения амортизатора. Деформация тензоэлемента вызывает в нем изменение сигнала, пропорциональное усилию в амортизаторе. Величина усилий в амортизаторах определяется по тарировочным кривым соответствующих тензодатчиков.
Предполагается использовать тензоэлемент типа КФ 5П, который запитывается от стабилизированного источника питания напряжением 5 V. Сигнал через усилитель подается на АЦП и далее в компьютер для обработки по специальной программе с визуальным оперативным отображением и печатью.
Программ обработки информации может быть множество.
Одним из примеров может быть система автоматизации контроля состояния лечебного костюма, предполагающая:
1) объективизацию информации о техническом состоянии костюма;
2) оперативное получение в реальном времени интегральных характеристик нагружения костюма;
3) интенсификацию обработки информации о нагружении костюма.
Регистрации подлежат параметры, определяющие тактику применения костюма: максимальные усилия в амортизаторах, интегральная оценка усилий группы амортизаторов, мощность работы амортизаторов как количественная характеристика энергозатрат при выполнении физических упражнений, критические признаки, определяющие выход за пределы допустимого диапазона значений технического сигнала.
Система измерения нагрузки с помощью 20 тензодинамометров должна обеспечивать измерение нагрузок, создаваемых лечебным костюмом на тело больного, преобразование аналоговых сигналов в цифровой вид и передачу их в компьютер для оперативного анализа, отображения в реальном времени и регистрации.
Система измерения нагрузки должна иметь следующие технические характеристики:
а) обеспечивать измерение нагрузок в 20 точках в диапазоне 0÷15 кг;
б) точность измерения нагрузок ±3%;
в) масса системы измерения нагрузок должна быть не более 3,5 кг.
Назначенный ресурс должен быть не менее 1000 часов.
Назначенный срок службы должен быть не менее 5 лет.
Гарантированное количество стыковок-расстыковок разъемов должно быть не менее 250.
Электрическое сопротивление изоляции проводов первичных цепей питания относительно корпуса должно быть не менее:
а) 20 МОм при относительной влажности 20-90% и температуре 10-25°С.
б) 1 МОм при относительной влажности 95±3% и температуре 20°С.
Электрическая изоляция проводов первичных цепей питания относительно корпуса должна выдерживать испытательное напряжение 500 В постоянного тока в течение 1 мин.
Контроль работоспособности АЦП в системе измерения нагрузки должен обеспечиваться встроенной системой контроля и диагностики.
Программное обеспечение (ПО) на систему измерения нагрузки лечебного костюма.
Работоспособность системы измерения нагрузки проверяется с помощью компьютера с установленной операционной системой Windows XP/VISTA.
ПО компьютера работает в среде Windows XP/VISTA и позволять выполнять следующие функции:
- производить опрос тензодинамометров с частотой 20 Гц,
- учитывать начальное смещение нуля выходного сигнала каждого датчика,
- выводить на экран компьютера таблицы со значением текущих нагрузок по всем амортизаторам в отдельности и суммарных значений по группам амортизаторов соответственно анатомическим участкам тела (левое плечо, правое плечо, грудь, спина и т.п.).
Экранные формы программы для компьютера должны быть представлены на экране дисплея в виде схемы расположения датчиков на лечебном костюме, таблицы с текущими значениями нагрузок для всех амортизаторов и групп амортизаторов (всего 28 значений), а также кратким комментарием к сеансу лечения: фамилии больного и оператора, дата, время регистрации нагрузки, название позиции датчика.