Устройство для измерения и регистрации натяжения ремня

Область техники
Полезная модель относится к медицинской технике, точнее к приборам для контроля выполнения предписаний врача.
В мировой практике корсетирование используется уже более 30 лет как основной способ консервативного лечения сколиоза у детей и подростков. Для таких пациентов корсетирование предотвращает прогрессирование заболевания и снижает вероятность операционного лечения в будущем.
Существует большое количество разновидностей корректирующих корсетов. При больших деформациях позвоночника (углах Кобба больше 20-40 градусов), при искривлениях одновременно в сагиттальной и горизонтальной плоскостях, а также при необходимости деротации позвоночного столба, часто используют корректирующий корсет типа Шено. Корсет обычно представляет собой достаточно жесткую гильзу из полиэтилена низкого давления, размещаемую на туловище пациента и поддерживающую позвоночник в определенном положении. Гильза изготавливается индивидуально с учетом антропометрических данных и особенностей патологии пациента. Спереди гильза имеет вертикальный разрез, обычно стягиваемый двумя ремешками. В зависимости от того, насколько затянуты ремешки, корсет обеспечивает различный уровень коррекции паталогических изгибов и ротации позвоночника. Необходимый уровень коррекции определяет врач и отмечает на ремешках положение пряжки, при котором этот уровень достигается.
Как и в случае многих других заболеваний, сопровождающихся длительной терапией, центральной проблемой корсетотерапии является контроль за выполнения пациентами предписаний врача. Ношение корсета связано с психологическим и физиологическим дискомфортом, причем пациентами в основном являются дети в возрасте от 6 до 15 лет, которые вынуждены носить корсет минимум 18 часов в сутки. Для контроля нередко используют датчики, регистрирующие время ношения посредством измерения температуры корсета, например, по такому принципу работают датчики Theramon. Однако, регистрации только времени ношения недостаточно (Lou Е. и др. An Intelligent Active Brace System for the Treatment of Scoliosis // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2004. T. 53. №4. С. 1146-1151). Часто пациенты для снижения физиологического дискомфорта не затягивают ремешки, делая терапию совершенно неэффективной. Кроме того, суточные колебания обхвата талии, набор и снижение веса, рост пациента, постепенное вытяжение ремешков, требуют периодического изменения положения пряжки для обеспечения заданного уровня коррекции.
Таким образом, для достижения необходимого уровня коррекции необходимо измерять натяжение ремешка при его затяжке. Длительная периодическая регистрация натяжения ремня при ношении корсета способствует контролю за выполнением предписаний врача.
Уровень техники
Известны несколько аналогов предлагаемому решению. В частности, известен индикатор натяжения ремня ортопедического устройства (US 7,285,103 В2), содержащий: жесткую рамку с отверстием; упругий элемент, расположенный в отверстии; пластину с отверстием для ремня; крепежный элемент, частично расположенный в отверстии для подвижного крепления пластины, с возможностью деформации упругого элемента при натяжении ремня.
Ремень вставляется в отверстие пластины, подвижно закрепленной в жесткой рамке посредством крепежного элемента. Без нагрузки на ремень пластина находится в одном из двух крайних положений. При приложении нагрузки к ремню пластина сдвигается в сторону другого крайнего положения, деформируя упругий элемент. В зависимости от величины нагрузки на ремень, величина деформации упругого элемента и положение пластины меняется. В свою очередь, в зависимости от положения пластины, крепежный элемент закрывает одну или другую сторону отверстия, индицируя достижение или недостижение необходимого натяжения.
Существенным недостатком описанной конструкции является невозможность автоматической регистрации натяжения ремня, что не позволяет применять ее для контроля за выполнением предписаний врача.
Также из публикации Лу и др. (Lou Е. и др. An Intelligent Active Brace System for the Treatment of Scoliosis // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2004. T. 53. №4. C. 1146-1151) известна система, совмещающая измерение давления под пелотом корсета с обеспечением этого давления пневматической системой, содержащей подушку, насос и клапан (пелот - вставка на внутренней стороне ортеза, непосредственно оказывающая давление на участок тела пациента). В зависимости от измеренного датчиком давления, система либо нагнетает воздух в подушку с помощью насоса, либо стравливает его из подушки через клапан, таким образом, обеспечивая поддержание величины давления в подушке в заданном диапазоне.
Недостатком данной конструкции является сложность интеграции в корсет, поскольку, в зависимости от типа патологии, корсет содержит от 3 пелотов до 5 пелотов, индивидуально формируемых под каждого конкретного пациента и оказывающих различное давление. Таким образом, требуется индивидуальный подбор контролируемого диапазона давлений под каждую модель корсета и под каждого пациента, что существенно усложняет процедуру подгонки и выдачи корсета.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является датчик и система обратной связи для использования в ортезах и протезах (US 2016/0317084 А1). Система предназначена для мониторирования одного и более параметров применения изделия медицинского назначения и включает в себя структуру, содержащую индуктивный датчик, и сборку, содержащую проводящий материал, причем структура и сборка взаимодействуют, генерируя как минимум один сигнал, позволяющий мониторировать параметры использования изделия медицинского назначения.
В частности, структура может представлять собой ремень с электромагнитной мишенью, представляющей собой вставку из фольги треугольной формы, а сборка может представлять собой пряжку со встроенной катушкой индуктивности, расположенной напротив упомянутой мишени. Катушка является частью колебательного контура, частота которого выступает в качестве измеряемой величины генерируемого сигнала. В зависимости от положения ремня относительно пряжки с катушкой взаимодействует разные по площади участки мишени (вставки из фольги), тем самым изменяя добротность колебательного контура и, как следствие, частоту генерируемого сигнала.
Существенным недостатком данной системы является то, что фактически она измеряет не натяжение ремня, а его положение относительно пряжки. Корректное положение пряжки для заданного натяжения может меняться как в течение дня, в зависимости от того, насколько наполнен кишечник, водно-солевого обмена и т.п., так и на более длительных промежутках времени вследствие роста и изменения веса пациента. Таким образом, система не решает поставленную задачу.
Другим недостатком является то, что размещение металлических предметов вблизи пряжки может исказить показание датчика, что позволяет фальсифицировать показания системы.
Еще одним недостатком является необходимость использования двух индуктивных датчиков и, соответственно, двух мишеней для исключения влияния зазора между мишенью (ремнем) и датчиком (пряжкой). Изменение зазора на несколько десятых долей миллиметра без указанной компенсации вторым датчиком эквивалентно смещению ремня на несколько миллиметров, что существенно отражается на величине натяжения ремня.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является измерение и периодическая автоматическая регистрация силы натяжения ремня ортеза.
Технический результат полезной модели заключается в повышении точности и надежности измерения силы натяжения ремня.
Технический результат достигается тем, что измерение силы натяжения ремня ортеза производится индуктивным способом посредством измерения деформации упругого элемента, обуславливающего взаимное расположение ферримагнитной мишени в форме кольца и находящейся в нем катушки индуктивности, которая выступает в роли чувствительного элемента.
Поставленная задача решается тем, что устройство включает в себя корпус с неподвижно закрепленной в нем катушкой индуктивности и электронный блок, подключенный параллельно к катушке, и отличается тем, что содержит пластину, подвижно размещенную в корпусе, и по крайней мере один упругий элемент, закрепленный одним концом на корпусе, а другим концом закрепленный на упомянутой пластине, а также кольцо из ферримагнетика, закрепленное на пластине с возможностью перемещения упомянутой катушки внутри кольца.
В одном из вариантов выполнения упругий элемент представляет собой пружину.
Также в одном из вариантов выполнения устройство содержит два упругих элемента.
В предпочтительном варианте выполнения электронный блок содержит преобразователь частоты, подключенный к катушке, и микроконтроллер, подключенный к преобразователю частоты.
В одном из вариантов выполнения электронный блок выполнен с возможностью преобразования значения частоты в значение силы, воздействующей на пластину.
В одном из вариантов выполнения электронный блок выполнен с возможностью сохранения значения силы в памяти.
В одном из вариантов выполнения электронный блок выполнен с возможностью передачи значений силы на внешние устройства.
В одном из вариантов выполнения электронный блок выполнен с возможностью индикации соответствия значения силы заданному порогу.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструктивная детализация одного из вариантов выполнения заявляемого устройства, при этом на фиг. 2 представлена фотография с общим видом устройства, на фиг. 3 показана схема взаимодействия электронных компонентов устройства.
Позициями на фигурах обозначены
1 - пластина,
2 - кольцо,
3 - верхняя часть корпуса,
4 - нижняя часть корпуса,
5 - пружина,
6 - электронный блок,
7 - катушка,
8 - заклепки,
9 - штифты,
10 - винты,
11 - элемент питания,
12 - микроконтроллер,
13 - антенна,
14 - преобразователь частоты,
15 - светодиод,
16 - кнопка.
Осуществление полезной модели
Устройство содержит следующие основные компоненты (фиг. 1): подвижную пластину 1 с ферритовым кольцом 2, корпус, состоящий из верхней 3 и нижней 4 частей, две пружины 5, электронный блок 6 и катушку индуктивности 7, изготовленную на печатной плате.
П-образная подвижная пластина 1 расположена в соответствующих пазах верхней 3 и нижней 4 частей корпуса, причем часть пластины 1 находится снаружи корпуса 3, 4 и образует проушину для крепления ремня корсета. На противоположном конце пластины 1 по краям закреплены заклепки 8, на которых крепятся пружины 5. Другие концы пружин закреплены на штифтах 9, установленных в соответствующих отверстиях частей 3, 4 корпуса.
Внутри корпуса 3, 4 пластина 1 имеет перемычку, которая совместно с нижней частью корпуса 4 ограничивает диапазон перемещения пластины 1 до 4 мм. На перемычке пластины 1 также неподвижно закреплено ферритовое кольцо 2, в котором размещена плата катушки индуктивности 7, в свою очередь, неподвижно закрепленная в корпусе 3, 4 и подключенная к электронному блоку 6, неподвижно размещенному в корпусе 3, 4. Ферритовое кольцо 2 и плата катушки 7 размещены с возможностью их перемещения друг относительно друга без касания. Пружины 5 обеспечивают усилие 50 Н при деформации на 4 мм. Верхняя 3 и нижняя 4 части корпуса скрепляются винтами 10.
Электронный блок 6 представляет собой печатную плату, с верхней стороны которого расположены пружинные контакты, обеспечивающие соединение с элементом питания 11. Также на плате электронного блока 6 расположен микроконтроллер 12 со встроенным радиомодулем Bluetooth, подключенная к нему антенна 13, соединенный с микроконтроллером 12 шиной I2C преобразователь частоты 14, светодиод 15, кнопка 16, прочие электронные компоненты (фиг. 3).
Устройство работает следующим образом:
Устройство закрепляют на корсете в разрыве ремня, стягивающем разрез корсета таким образом, что, по крайней мере, с одной стороны, длина ремня регулируется. Пациент надевает корсет и регулирует длину ремня для обеспечения его натяжения. При этом на пластину 1 и корпус 3, 4 начинает действовать сила, деформирующая пружины 5.
В исходном положении пружины 5 сжаты, а пластина 1 максимально втянута внутрь корпуса 3, 4, при этом ферритовое кольцо 2 смещено относительно оси катушки 7, а индуктивность катушки 7 минимальна. При увеличении нагрузки на ремень пластина 1 вытягивается из корпуса 3, 4, растягивая пружины 5, при этом ферритовое кольцо 2 смещается к оси катушки 7, и ее индуктивность увеличивается (фиг. 3). В крайних положениях перемычка пластины 1 упирается в нижнюю часть корпуса 4.
Индуктивность катушки 7 определяет частоту колебаний контура, подключенного к преобразователю частоты 14. Преобразователь частоты 14 преобразует частоту в цифровой код. Микроконтроллер 12 содержит программу, обеспечивающую управление преобразователем частоты 14, считывания с него данных о частоте колебательного контура, пересчет считанных данных в величину натяжения ремня через кусочно-линейную функцию, сохранение полученных данных о натяжении во встроенную Flash-память, передачу их по Bluetooth на внешние устройства.
При несоответствии натяжения ремня заданному уровню, либо при изменении режима работы устройства, микроконтроллер 12 сигнализирует свечение светодиода 15. При нажатии на кнопку 16 микроконтроллер выходит из спящего режима, а при длительном - переходит в режим сопряжения с другими устройствами посредством Bluetooth.
Элемент питания 11 обеспечивает питание упомянутых электронных компонентов.
Конструкция характеризуется:
- малыми габаритами и весом, и, как следствие, отсутствием неудобств при повседневном ношении, во сне и т.д.;
- отсутствием дорогостоящих компонентов;
- низким потреблением энергии;
- возможностью применить в существующих типах корсетов без существенных изменений конструкции ремней;
- беспроводным способом считывания с устройства зарегистрированных данных.
Применение ферримагнитной мишени в виде кольца позволило добиться:
- большого запаса точности измерения силы натяжения ремня (порядка 0,01 Н) и низкого энергопотребления благодаря применению ферримагнитного материала мишени вместо традиционно применяемых металлических мишеней, что обусловлено широким диапазоном изменения индуктивности и высокой добротностью колебательного контура;
- отсутствие влияния зазора между мишенью и катушкой, а также воздействия не предусмотренных конструкцией мишеней, благодаря замыканию магнитного потока в кольце.
Были проведены экспериментальные испытания указанной реализации полезной модели (фиг. 2) на корсете типа Шено, по результатам которых было подтверждена возможность измерения натяжения ремня и автоматической его регистрации. Данная реализация позволила измерять натяжение ремня в диапазоне от 5 до 50 Н с точностью 0,01 Н.