СПОСОБ ВИБРОМАССАЖА СТУПНЕЙ ЧЕЛОВЕКА И СТЕЛЬКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR FEET VIBRO-MASSAGE AND INSOLE FOR IMPLEMENTING IT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области физиотерапии, в частности к способам и техническим средствам вибромассажа, и может быть использовано для вибромассажа ступней, осуществляемого с помощью пьезоэлектрических преобразователей, расположенных в стельках обуви, с учетом двигательной активности человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Массаж ступней, как и массаж других частей тела человека, является весьма полезной процедурой, дающей как эффект релаксации, так и физиотерапевтический, а в ряде применений и лечебный эффекты. При этом массаж ступней, вообще говоря, не требует участия медицинского персонала, специального помещения, отвлечения человека на такую процедуру. Такой массаж может быть осуществлен, например, во время работы, когда человек сидит, причем массаж может быть осуществлен с помощью специальных средств, встроенных в обувь. Однако для осуществления массажа ступней во время обычной жизнедеятельности человека возникает задача согласования времени массажа с текущей нагрузкой на ступни, обусловленной весом человека. Так, массаж ступней, как процедуру для релаксации, нужно проводить в то время, когда нагрузка на ступни минимальная, то есть когда человек сидит или лежит.
Известны различные способы вибромассажа ступней, осуществляемые с использованием вибрирующих элементов, расположенных в стельке обуви.
Так, известен патент US 5913838 (публ. 22.06.1999; А61Н 1/00), в котором описано устройство для массажа ступней с помощью вибраторов, расположенных в стельке и работающих от электрического источника питания, закрепляемого на обуви и соединяемого с вибраторами с помощью проводов. Особенностью этой конструкции являются воздушные каналы, выполненные в стельке и предназначенные для воздушного охлаждения вибраторов. Устройство предусматривает выбор одного из трех уровней вибрации (низкий, средний, высокий). Включение вибраторов осуществляется вручную кнопкой, а выключение обеспечивается таймером, задающим время работы вибраторов, что накладывает определенные требования к управлению работой устройства. Так, перед включением устройства человек должен сесть или лечь, а если необходимо встать, нужно принудительно выключить устройство, иначе оно будет продолжать работать по таймеру. Все это усложняет использование данного устройства и ограничивает его применение.
В патенте US 8322055 (публ. 04.12.2012; A61F 5/14, А61Н 1/00) описано устройство для массажа ступней с помощью вибраторов, расположенных в подошве обуви. В подошве также расположен электрический источник питания вибраторов. Управление работой вибраторов обеспечивается переключателем, расположенным на каблуке, или дистанционным устройством управления. Длительность вибромассажа, а также его интенсивность задаются вручную с помощью ручек управления выведенных на каблуке. Данное устройство обладает аналогичными, что и устройство, описанное в патенте US 5913838, ограничениями по применению.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ вибромассажа ступней человека, описанный в международной заявке WO 2005094679 (публ. 13.11.2005; А61В 5/11). Данный способ обеспечивает вибромассаж ступней в определенные фазы хождения человека и используется как физиотерапевтический и лечебный метод при некоторых неврологических заболеваниях. Способ осуществляется с помощью вибратора, работа которого синхронизирована во времени с опорной фазой ходьбы. Определение начала и окончания опорной фазы обеспечивается датчиком давления, установленным в обуви в районе пятки. Описанное в WO 2005094679 решение позволяет реализовать способ вибромассажа ступней с автоматическим включением и выключением вибраторов в зависимости от нагрузки на ступню, которая определяется датчиком давления. Однако такие возможности обеспечиваются за счет усложнения устройства, предназначенного для осуществления способа, которое требует дополнительно установку датчика давления.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа вибромассажа ступней человека, обеспечивающего автоматическое включение/выключение вибраторов в зависимости от изменения вида двигательной активности человека, например при смене сидячего или стоячего положения на ходьбу, и позволяющего упростить технические средства, предназначенные для осуществления способа.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним объектом настоящего изобретения является способ вибромассажа ступней человека, который характеризуется тем, что вибромассаж осуществляют с помощью пьезоэлектрического преобразователя, установленного в стельке обуви, надетой на ноги. Пьезоэлектрический преобразователь попеременно включают в режим вибрации путем подачи на него переменного электрического сигнала возбуждения и в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь, при этом переключение пьезоэлектрического преобразователя из режима генерирования электрического сигнала в режим вибрации осуществляют при условии, когда величина упомянутого электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь, не превышает заданного значения.
Применение в качестве массирующего средства (вибратора) пьезоэлектрического преобразователя, установленного в стельке, позволяет, используя присущие таким устройствам прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты, обойтись без дополнительных датчиков давления, регистрирующих нагрузку на ступню и управляющих включением/выключением вибратора.
В данном случае обратный пьезоэлектрический эффект (генерирование механических колебаний при подаче на электроды пьезоэлектрического преобразователя переменного напряжения) используется для вибромассажа, а прямой пьезоэлектрический эффект (генерирование электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь) используется для определения вида (характера) двигательной активности человека и переключения пьезоэлектрического преобразователя из режима вибрации в режим генерирования электрического сигнала и наоборот. Для этого пьезоэлектрический преобразователь попеременно включают в режим вибрации путем подачи на него переменного электрического сигнала возбуждения или в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь. При этом для переключения пьезоэлектрического преобразователя из режима генерирования электрического сигнала в режим вибрации установлено условие - величина электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь, не должна превышать заданного значения, что автоматически предотвращает включение вибромассажа, когда человек, например, идет или бежит. В то же время, когда человек находится в покое (стоит, сидит, лежит) и реакция пьезоэлектрического преобразователя на давление ступни существенно уменьшается, пьезоэлектрический преобразователь автоматически переключается в режим вибрации, обеспечивая вибромассаж ступни.
Учитывая физиологические особенности проведения вибромассажа ступней, частоту переменного сигнала возбуждения пьезоэлектрического преобразователя в режиме вибрации выбирают в диапазоне от 1 Гц до 10 Гц.
Учитывая двигательную активность человека, переключение пьезоэлектрического преобразователя из режима вибрации в режим генерирования электрического сигнала может быть осуществлено через интервал времени от 5 секунд до 1 минуты после переключения пьезоэлектрического преобразователя из режима генерирования электрического сигнала в режим вибрации. То есть после того, как был включен режим вибрации, через указанное время пьезоэлектрический преобразователь переключают в режим генерирования электрического сигнала, по величине которого оценивают возможность возврата в режим вибрации. Так происходит периодически до тех пор, пока генерируемый пьезоэлектрическим преобразователем электрический сигнал не достигнет или не превысит установленного значения. После этого пьезоэлектрический преобразователь остается включенным в таком режиме до тех пор, пока величина генерируемого пьезоэлектрическим преобразователем электрического сигнала вновь не опустится до и не станет ниже установленного значения.
Дополнительно способ может включать вибромассаж дополнительными пьезоэлектрическими преобразователями, также установленными в стельке и переключаемыми в режим вибрации вместе с основным пьезоэлектрическим преобразователем.
Кроме того, по меньшей мере один из дополнительных пьезоэлектрических преобразователей может также переключаться в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на него. При этом электрический сигнал, генерируемый таким дополнительным пьезоэлектрическим преобразователем, может быть дополнительно использован для упомянутого определения условия переключения пьезоэлектрических преобразователей в режим вибрации.
В частности, для повышения надежности распознавания вида двигательной активности человека по значению электрических сигналов, генерируемых пьезоэлектрическими преобразователями, последние целесообразно располагать по так называемой траектории силы реакции опоры при ходьбе.
Другим объектом настоящего изобретения является стелька, предназначенная для осуществления способа вибромассажа ступней человека в соответствии с настоящим изобретением. Стелька содержит, по меньшей мере, один пьезоэлектрический преобразователь, выполненный с возможностью работы в режиме генерирования механических колебаний, обеспечивающих вибромассаж ступней человека при подаче на пьезоэлектрический преобразователь переменного электрического сигнала возбуждения, и в режиме генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь.
Устройство управления переключением пьезоэлектрического преобразователя, включая сравнение величины электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь, с заданным значением, может быть расположено в стельке, каблуке или в другом месте обуви.
Кроме того, стелька может быть дополнительно снабжена, по меньшей мере, аналого-цифровым преобразователем и приемо-передающим устройством, обеспечивающими преобразование электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь, в цифровую форму и передачу его во внешнее вычислительное устройство, через которое осуществляется управление пьезоэлектрическим преобразователем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
На Фиг.1 схематично показана примерная конструкция стельки с установленными в ней пьезоэлектрическими преобразователями, предназначенная для осуществления настоящего способа. Показаны обе - правая и левая стельки и размещение пьезоэлектрических преобразователей относительно траектории силы реакции опоры при ходьбе.
На Фиг.2 приведены примерные временные диаграммы, иллюстрирующие процесс осуществления способа вибромассажа ступней человека в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.3 представлен пример выполнения устройства, предназначенного для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.4 приведен пример блок-схемы алгоритма работы устройства, представленного на Фиг.3.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Каждая из стелек 1 в примере, показанном на Фиг.1, включает первый пьезоэлектрический преобразователь 2, расположенный в районе пятки, второй пьезоэлектрический преобразователь 3, расположенный в носочной части ступни, и третий пьезоэлектрический преобразователь 4, расположенный между первым 2 и вторым 3 пьезоэлектрическими преобразователями по траектории 5 силы реакции опоры при ходьбе. Все пьезоэлектрические преобразователи 2-4 выполнены с возможностью работы в режиме вибрации - генерирования механических колебаний, обеспечивающих вибромассаж ступни человека при подаче на них переменного электрического сигнала возбуждения. По меньшей мере один из пьезоэлектрических преобразователей 2-4, например пьезоэлектрический преобразователь 2, выполнен с возможностью переключения в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением на него ступни человека.
Все пьезоэлектрические преобразователи 2-4 подсоединены к устройству управления (на Фиг.1 не показан), расположенному, например, также в стельке 1. Устройство управления, пример выполнения которого будет описан ниже, обеспечивает переключение пьезоэлектрических преобразователей 2-4 из режима вибрации в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни. Устройство управления может включать усилители мощности, к выходам которых в режиме вибрации подключены пьезоэлектрические преобразователи 2-4, на которые таким образом подается переменный электрический сигнал возбуждения, а также аналого-цифровой преобразователь, вход которого в режиме генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни, подсоединен к пьезоэлектрическому преобразователю 2. Устройство управления может быть расположено вне стелек обуви, для того, чтобы пользователю было проще управлять процессом вибромассажа (включать и выключать устройство, задавать частоту сигнала возбуждения, амплитуду, длительность и другие параметры массажа).
Ниже описан пример осуществления способа вибромассажа ступней человека в соответствии с настоящим изобретением для случая, когда человек вначале идет, а затем стоит или сидит. Пример проиллюстрирован временными диаграммами, представленными на Фиг.2.
G
V
После задания параметров массажа вначале пьезоэлектрический преобразователь 2 включается в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни. На Фиг.2(а) показана диаграмма М переключения режимов работы пьезоэлектрического преобразователя 2, где временной интервал T соответствует режиму генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни, а временной интервал T - режиму вибрации.
0
Поскольку в рассматриваемом примере в это время человек идет, то на пьезоэлектрический преобразователь 2 оказывается периодически давление ступни. Этот факт проиллюстрирован Фиг.2(b), на которой показана примерная форма сигнала Н, генерируемого пьезоэлектрическим преобразователем 2. Сигнал Н имеет характерные выбросы, соответствующие моменту нажатия ступни на пьезоэлектрический преобразователь 2 и моменту снятия нагрузки (сигнал обратной полярности). Для удобства последующей оценки величины сигнала Н, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь 2, выполняют детектирование сигнала Н (сигнал Н' на Фиг.2(с)) и последующее его интегрирование (сигнал Р на Фиг.2(d)). В итоге значение сигнала Р соответствует некоторому усредненному значению давления ступни на пьезоэлектрический преобразователь 2 во время хождения человека. Аналогичные сигналы можно получить и в случае, когда человек бежит. В любом случае значение сигнала Р превышает заданное (пороговое) значение P (см. Фиг.2(d)), поэтому пьезоэлектрический преобразователь 2 остается в прежнем режиме и не переключается в режим вибрации.
1
0
1
V
Далее в рассматриваемом примере к моменту времени t человек останавливается и остается стоять или садится. В этом случае характер сигнала Н меняется - частота и амплитуда выбросов резко уменьшаются, соответственно, уменьшается значение сигнала Р, которое в итоге становится меньше заданного значения P. Это обстоятельство служит сигналом для переключения в момент времени t пьезоэлектрического преобразователя 2 в режим вибрации. На Фиг.2(е) представлена временная диаграмма, соответствующая электрическому сигналу возбуждения V, подаваемому на пьезоэлектрический преобразователь 2. С этого момента начинается вибромассаж ступни пьезоэлектрическим преобразователем 2, а также другими пьезоэлектрическими преобразователями 3 и 4 в случае их использования. Вибромассаж может осуществляться с частотой F в диапазоне от 1 Гц до 10 Гц.
V
2
V
Как было описано в разделе "Раскрытие изобретения", пьезоэлектрический преобразователь попеременно переключают из одного режима в другой. Соответственно, пьезоэлектрический преобразователь 2 работает в режиме вибрации заданный интервал времени T до момента времени t, после чего переключается в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни. Длительность T может составлять от 5 секунд до 1 минуты и зависит, в частности, от двигательной активности человека.
2
3
G
3
0
G
Начиная с момента времени t и до момента времени t в течение интервала времени T пьезоэлектрический преобразователь 2 работает в режиме генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни, при этом выполняются описанные преобразования сигнала Н (см. Фиг.2(b) - Фиг.2(d)). Поскольку в данном примере к моменту времени t человек продолжает стоять или сидеть, то и значение сигнала Р не превышает заданного значения P, что является условием переключения пьезоэлектрического преобразователя 2 в режим вибрации. Длительность T составляет порядка 5-10 сек и определяется временем, достаточным для идентификации изменения состояния человека - не начал ли он ходить или бежать.
V
4
0
0
Далее процесс повторяется: после заданного интервала времени T в момент времени t пьезоэлектрический преобразователь 2 снова переключается в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни. Если результаты оценки величины сигнала Р показывают, что человек остается в покое (то есть Р≤P), то снова включается режим вибрации пьезоэлектрического преобразователя 2, а если фиксируется его движение (то есть Р>P), то режим вибрации не включается до тех пор, пока человек вновь не окажется в покое.
На Фиг.3 представлен пример выполнения устройства 10, предназначенного для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 10 включает микроконтроллер 11, усилитель мощности 12 сигнала возбуждения пьезоэлектрического преобразователя 2, последовательно соединенные усилитель 13, детектор 14 и фильтр нижних частот 15, а также коммутатор 16 для переключения режимов работы пьезоэлектрического преобразователя 2.
Коммутатор 16 может находиться в двух положениях. В режиме вибрации коммутатор 16 соединяет выход усилителя мощности 12 с одной из обкладок 6 пьезоэлектрического преобразователя 2, другая обкладка 7 которого соединена с общей шиной. В режиме генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь 2, коммутатор 16 соединяет вход усилителя 13 с обкладкой 6 пьезоэлектрического преобразователя 2. Управление переключением коммутатора 16 осуществляется микроконтроллером 11 с порта L2 ввода-вывода, к которому подключен управляющий вход коммутатора 16. Управляющий сигнал с порта L2 соответствует сигналу М на Фиг.2(а).
Вход усилителя мощности 12 подключен к порту L1 ввода-вывода микроконтроллера 11, формирующего на выходе этого порта сигнал возбуждения пьезоэлектрического преобразователя 2. С выхода усилителя мощности 12 в режиме вибрации сигнал через коммутатор 16 поступает на обкладку 6 пьезоэлектрического преобразователя 2, возбуждая в нем механические колебания. Этот сигнал соответствует сигналу V на Фиг.2(е).
0
В режиме генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни, сигнал с пьезоэлектрического преобразователя 2 через коммутатор 16 поступает на вход усилителя 13 и после усиления подвергается преобразованию, как это было рассмотрено выше. Вначале усиленный сигнал (соответствует сигналу Н на Фиг.2(b)) подвергается детектированию детектором 14 (соответствует сигналу Н' на Фиг.2(с)) и далее - интегрированию фильтром нижних частот 15 (соответствует сигналу Р на Фиг.2(d)). Преобразованный таким образом сигнал поступает на вход АЦП (обозначенный AD) микроконтроллера 11, в котором после аналого-цифрового преобразования выполняется операция сравнения величины этого сигнала с заданным значением (соответствует значению P на Фиг.2(d)).
Включение устройства 10 и задание режимов его работы осуществляется дистанционно, например с мобильного телефона, в котором установлена соответствующая программа. Для этого микроконтроллер 11 имеет встроенное приемо-передающее устройство и к соответствующему его выходу G подключена антенна 17. Соединение и обмен данными между мобильным телефоном и микроконтроллером 11 осуществляется по протоколу Bluetooth 4.0.
Устройство 10 работает в соответствии с описанным выше способом вибромассажа ступней человека. Упрощенная блок-схема алгоритма работы устройства 10 представлена на Фиг.4. Вначале пользователь задает параметры массажа (блок 31):
W
общее время массажа - T;
V
длительность периода вибрации - T;
V
частота вибрации - F;
V
амплитуда вибрации - A.
W
После этого устройство 10 включается в работу на время T (блок 32). По умолчанию при включении устройства 10 микроконтроллер 11 устанавливает режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь 2, и выполняется процедура регистрации этого сигнала и определение значения сигнала Р, поступающего на вход АЦП микроконтроллера 11 (блок 33).
0
0
V
Затем выполняется процедура сравнения значения сигнала Р с заданным значением P (блок 34). В случае если Р≤P, микроконтроллер 11 устанавливает режим вибрации. При этом с выхода усилителя мощности 12 через переключатель 16 на пьезоэлектрический преобразователь 2 поступает электрический сигнал заданной частоты F, вызывающий вибрацию пьезоэлектрического преобразователя 2, обеспечивающую вибромассаж ступни (блок 35).
V
0
0
V
Режим вибрации включается на заданное время T, после чего микроконтроллер 11 снова устанавливает режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь 2, и повторяется процедура регистрации этого сигнала, определение значения сигнала Р и его сравнения с заданным значением P. Если значение сигнала Р не превышает P, то снова включается режим вибрации продолжительностью T.
0
0
W
И так повторяется до тех пор, пока значение сигнала Р не превысит P. В этом случае режим вибрации не включается, а микроконтроллер 11 устанавливает режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь 2, контролируя значение сигнала Р до тех пор, пока оно вновь не уменьшится до установленного значения P. Описанные процедуры выполняются в течение заданного пользователем общего времени массажа T.
Устройство 10 (Фиг.3), равно как и его части, может быть размещено в стельке 1 вместе с пьезоэлектрическим преобразователем 2 и другими пьезоэлектрическими преобразователями 3, 4 в случае их использования. Электропитание устройства 10 обеспечивается батареей 18, в качестве которой может быть использован перезаряжаемый аккумулятор. Дополнительно устройство 10 может включать цепь подзарядки аккумулятора 18 во время хождения человека. Такая цепь подзарядки включает диод 19, накопительный конденсатор 20 и тиристор 21, управляющий вход которого подключен к порту L3 ввода-вывода микроконтроллера 11. На время подзарядки микроконтроллер 11 устанавливает режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни на пьезоэлектрический преобразователь 2, и сигнал с пьезоэлектрического преобразователя 2 через диод 19 подзаряжает конденсатор 20. В этом режиме микроконтроллер 11 открывает тиристор 21, подсоединяя тем самым заряженный конденсатор 20 к аккумулятору 18. Таким образом во время ходьбы или бега человека, в обуви которого размещена стелька с пьезоэлектрическим преобразователем 2 и устройством 10, происходит подзарядка аккумулятора 18.
Как было указано выше, при осуществлении способа для оценки характера двигательной активности человека можно использовать сигналы не только с одного, но и с нескольких пьезоэлектрических преобразователей одной стельки, переключая их в режим генерирования электрического сигнала, вызванного давлением ступни. Для этой цели также можно использовать сигналы с пьезоэлектрических преобразователей обеих стелек. Кроме того, для разных пьезоэлектрических преобразователей можно задавать различные режимы вибрации, например, включая их поочередно, с разной частотой, разной амплитудой.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными примерами. Для специалиста ясно, что вибромассаж может осуществляться не только когда человек стоит или сидит, но и в моменты, когда он двигается. Такой режим возможен и может применяться в лечебных целях.