СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ УДЕРЖАНИЯ СТАТИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ЧЕЛОВЕКА В ОРТОГРАДНОЙ ПОЗЕ
METHOD AND DEVICE TO MEASURE INTERVAL OF TIME OF RETENTION OF STATIC BALANCE OF PERSON IN ORTHOGRADE POSTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области медицины, в частности к способам и устройствам для оценки функционального состояния человека, а более конкретно к способам и устройствам для определения длительности удержания статического равновесия в ортоградной позе (в позе Ромберга), и может быть использовано в области практического здравоохранения, спортивной и авиакосмической медицины.
Уровень техники
Из уровня техники известен метод для определения нарушения равновесия человека выполняемый по «пробе/позе Ромберга», широко практикуемый врачами-неврологами, а также используемый при проведении практических занятий физической культурой и фитнесом. Проба Ромберга выявляет нарушение статического равновесия в положении стоя. Поддержание нормальной координации движений происходит за счет совместной деятельности нескольких отделов центральной нервной системы (ЦНС). К ним относятся мозжечок, вестибулярный аппарат, проводники глубоко-мышечной чувствительности, кора лобной и височной областей. Центральным органом координации движений является мозжечок. Проба Ромберга проводится в четырех режимах при постепенном уменьшении площади опоры (см. Фиг. 1).
Использование пробы Ромберга имеет большое практическое значение как в обычной жизни (управление транспортным средством), так и в спорте (акробатике, спортивной гимнастике, прыжках на батуте, фигурном катании и др.), где активно задействована функция вестибулярной системы, а также координационно-двигательные возможности человека. Регулярные тренировки способствуют совершенствованию координации движений. В ряде видов спорта данный метод является информативным показателем в оценке функционального состояния ЦНС и нервно-мышечного аппарата. При выполнении пробы Ромберга определяется время устойчивости в данной позе. При потере равновесия пробу прекращают и фиксируют время ее выполнения. Известно, что у здоровых нетренированных людей время устойчивости обычно находится в пределах 15-30 секунд и более. При отсутствии тренировки вестибулярной системы и, как следствие, нарушении координационно-двигательной функции, а также переутомлении и некоторых патологических состояниях эти показатели существенно изменяются. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что значение времени сохранения устойчивости равновесия свидетельствует о функциональном состоянии вестибулярного аппарата. Чем это время больше, тем лучше. В пробе Ромберга измерение этого времени выполняется вручную - врачом с секундомером, что приводит к погрешностям и неточным показаниям из-за наличия человеческого фактора.
Известен способ определения устойчивости вертикальной позы человека (см. [1] RU 2016546, МПК A61B 5/11, опубл. 30.07.1994), заключающийся в выполнении частотного анализа колебаний области дорсальной поверхности крестца по сигналам двухосных пьезо-акселерометрических датчиков при двухопорном и одноопорном стоянии. Недостатком указанного способа является использование только двух пространственных проекций ускорения (во фронтальном и сагиттальном направлениях) и отсутствие информации о длительности удержания статического равновесия.
Известны способ и устройство для определения степени раскачивания человека при поддержании человеком вертикальной позы (см. [2] US 20130035613, МПК A61B 5/11, опубл. 07.02.2013), в котором используется акселерометрический датчик. Способ заключается в регистрации ускорения, расчете производной ускорения и оценке степени раскачивания человека по значению интегрального показателя JERK, представляющего собой сумму разностей ускорений или его производных в смежные дискретные моменты времени в процессе удержания вертикальной позы. Недостатком указанного способа является отсутствие информации о длительности удержания статического равновесия.
Известен способ определения скорости и перемещения человека при его падении с помощью акселерометров (см. [3] WO 2011064705 А1, МПК A61B 5/11, опубл. 03.06.2011). Способ заключается в регистрации ускорения, обработке полученных сигналов с помощью фильтра скользящего среднего или медианного фильтра, вычитания ускорения свободного падения и сравнения с некоторым порогом. Указанный способ обладает следующими недостатками - он не предназначен для определения способности человека удерживать статическое равновесие и не позволяет получать информацию о длительности удержания статического равновесия.
Известен способ и устройство для оценки мышечной работы спортсменов при помощи коротких тестов (см. [4] RU 2404708, МПК A61B 5/22, опубл. 27.11.2010), заключающийся в закреплении на человеке трехосного акселерометра, определении последовательности значений ускорения человека во время теста и выведении на дисплей результатов теста, а именно значений ускорений. Устройство содержит трехосный акселерометр, автономное средство электропитания, средства компьютерной обработки данных и дисплей. Несмотря на то, что данное устройство сходно по конструктивным элементам с заявляемым, оно относится к другой области техники, и блок обработки не предназначен для получения информации о длительности удержания статического равновесия и интервалов времени.
В качестве наиболее близкого аналога взято выполнение пробы Ромберга, широко практикуемое врачами-неврологами и ЛФК, а также используемое при проведении практических занятий физической культурой и фитнесом (см. [5] Дубровский В.И. Спортивная медицина: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. - 2-е изд., доп.- М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС 2002.-512 с: ил.). Недостатками прототипа являются большие погрешности и неточные показания из-за выполнений измерений вручную, т.е. влияния человеческого фактора.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является автоматическое определение временного интервала удержания статического равновесия в ортоградной позе (позе Ромберга).
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении погрешности измерения времени, вызванной человеческим фактором.
Указанный технический результат достигается за счет способа измерения интервала времени удержания статического равновесия человека, включающего закрепление на обследуемом трехосного акселерометра; принятие обследуемым исходного положения и закрытие глаз, по команде начала теста; формирование сигнала «старт» в момент статического положения в начале теста, а именно в момент минимального ускорения; регистрацию параметров от трехосного акселерометра с последующей передачей в блок обработки сигналов, содержащих значения ускорения, создаваемого обследуемым в процессе сохранения равновесия в ортоградной позе, при этом по изменению временных зависимостей проекций ускорения, фиксируется время до момента потери равновесия; автоматическую фиксацию момента времени потери равновесия при помощи блока обработки сигналов и вывод, через блок измерения интервалов времени в блок индикации, числового значения интервала времени сохранения статического равновесия в ортоградной позе по полученным данным значения ускорения от акселерометра. В исходном положении обследуемый встает на одну (любую) ногу, причем другая согнута в колене вперед и стопой упирается в колено опорной ноги, руки на поясе, голова прямо. Дополнительно может применяться трехосный гироскоп с соответствующим блоком обработки сигналов, при этом в двух независимых каналах измерения, ускорения и угловой скорости, получают два измеренных значения времени, при этом значение времени от канала измерения гироскопа служит для повышения точности акселерометрического канала измерения.
Указанный способ реализуется за счет устройства измерения интервала времени удержания статического равновесия человека, которое содержит блок трехосного акселерометра с элементами крепления, блок обработки, блок измерения интервала времени и блок индикации, причем в состав устройства входит фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой компаратор, таймер, при этом выход акселерометра подключен к входу фильтра, выход фильтра подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу цифрового компаратора, на второй вход которого поступает пороговое значение ускорения; выход цифрового компаратора подключен к первому входу таймера, на второй вход которого подается сигнал "старт"; выход таймера подключен к входу блока индикации. Устройство дополнительно содержит анализатор статического положения, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, а выход анализатора статического положения подключен к второму входу таймера для формирования сигнала «старт». Блок анализатора статического положения содержит блок вычисления модуля ускорения, блок вычисления модуля разности ускорения и ускорения свободного падения, блок фильтра нижних частот, причем на вход блока вычисления модуля ускорения поступают три проекции ускорения от акселерометра; выход блока вычисления модуля ускорения подключен к первому входу блока вычисления модуля разности ускорения и ускорения свободного падения, на второй вход которого поступает значение ускорения свободного падения; выход блока вычисления модуля разности ускорения и ускорения свободного падения подключен к входу блока фильтра нижних частот, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу цифрового компаратора, на второй вход которого поступает пороговое значение ускорения. Устройство дополнительно содержит трехосный гироскоп с соответствующим блоком обработки сигналов.
Важнейшим отличием предлагаемого решения от известных аналогов является автоматическое определение интервала времени сохранения статического равновесия в ортоградной позе по выявленным значениям ускорения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - режимы пробы Ромберга.
Фиг. 2 - структурная схема устройства.
Фиг. 3 - вариант исполнения устройства, при котором сигнал "старт" формируется не автоматически.
Фиг. 4 - вариант исполнения устройства, при котором сигнал "старт" формируется в момент статического положения (минимального ускорения) в начале теста.
Фиг. 5 - блок анализатора статического положения.
Раскрытие изобретения
Необходимость определения длительности удержания статического равновесия в ортоградной позе (в позе Ромберга) часто возникает в ортопедии, неврологии, спортивной и авиакосмической медицине.
Заявленное изобретение направлено на автоматическое определение интервала времени сохранения статического равновесия в ортоградной позе по данным о значениях ускорения, создаваемого обследуемым в процессе сохранения равновесия в ортоградной форме. Измерение ускорения выполняется с помощью трехосного акселерометра, закрепленного на обследуемом, с соответствующим блоком обработки сигналов. Обработка сигналов, содержащих значения ускорения, выполняется с помощью методов цифровой обработки сигналов в блоке обработки сигналов. Блок обработки сигналов автоматически фиксирует момент времени потери равновесия, а блок индикации выводит числовое значение интервала времени сохранения статического равновесия в ортоградной позе (см. Фиг. 2).
Способ измерения интервала времени удержания статического равновесия человека в ортоградной позе заключается в закреплении на обследуемом трехосного акселерометра с элементами крепления и соответствующим блоком обработки сигналов. Далее обследуемый принимает исходное положение, в котором он встает на одну любую ногу, причем другая согнута в колене вперед и стопой опирается в колено опорной ноги, руки на поясе, голова прямо. После чего по команде начала теста обследуемый (находящийся в исходном положении) закрывает глаза и в момент статического положения (т.е. в момент минимального ускорения) в начале теста формируется сигнал «старт». Трехосный акселерометр регистрирует параметры, содержащие значения ускорения, создаваемого обследуемым в процессе сохранения равновесия в ортоградной позе, и передает их в блок обработки данных. При этом по изменению временных зависимостей проекций ускорения фиксируется время до момента потери равновесия. Момент времени потери равновесия фиксируется автоматически при помощи блока обработки сигналов. Числовое значение интервала времени сохранения статического равновесия в ортоградной позе по полученным данным значения ускорения от акселерометра выводится через блок измерения интервалов времени в блок индикации.
Способ может быть дополнен применением блока трехосного гироскопа с соответствующим блоком обработки сигналов, при этом в двух независимых каналах измерения, ускорения и угловой скорости, получают два измеренных значения времени, при этом значение времени от канала измерения гироскопа служит для повышения точности акселерометрического канала измерения.
Предложенный способ реализуется при помощи устройства для измерения интервала времени удержания статического равновесия человека в ортоградной позе, которое содержит блок трехосного акселерометра с элементами крепления, блок обработки, блок измерения интервалов времени и блок индикации, причем выход блока трехосного акселерометра с элементами крепления подключен к входу блока обработки, выход блока обработки подключен к входу блока измерения интервалов времени, выход блока измерения интервалов времени подключен к входу блока индикации (см. Фиг. 2).
Осуществление изобретения
В зависимости от принципа формирования сигнала "старт" (запуска теста) в блоке измерения интервалов времени, устройство может быть выполнено в двух вариантах (Фиг. 3 и Фиг. 4).
В первом случае, когда сигнал "старт" формируется не автоматически (Фиг. 3), устройство содержит трехосный акселерометр, фильтр, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой компаратор, таймер и блок индикации, причем выход акселерометра подключается к входу фильтра, выход фильтра подключается к входу АЦП, выход АЦП подключается к первому входу цифрового компаратора, на второй вход которого поступает пороговое значение ускорения; выход цифрового компаратора подключен к первому входу таймера, на второй вход которого подается сигнал "старт"; выход таймера подключен к входу блока индикации.
x
y
z
Устройство в первом случае работает следующим образом. После того, как на обследуемом закрепляют трехосный акселерометр и обследуемый принимает исходное положение, формируется сигнал "старт" для запуска таймера. Три проекции вектора ускорения (a, a, a) с акселерометра поступают на фильтр, далее подвергаются процедуре аналого-цифрового преобразования в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), после чего сравниваются со значением порога в блоке цифрового компаратора, который формирует сигнал "стоп" для остановки таймера и вывода времени равновесия на блок индикации.
Во втором случае, когда сигнал "старт" формируется автоматически в момент статического положения (минимального ускорения) в начале теста (Фиг. 4), устройство содержит акселерометр, фильтр, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), анализатор статического положения, цифровой компаратор, таймер и блок индикации, причем выход акселерометра подключается к входу фильтра, выход фильтра подключается к входу АЦП, выход АЦП подключается к входу блока анализатора статического положения и первому входу цифрового компаратора, на второй вход которого поступает пороговое значение ускорения; выход анализатора статического положения подключается к первому входу таймера, выход цифрового компаратора подключается к второму входу таймера; выход таймера подключен к входу блока индикации.
Блок анализатора статического положения (см. Фиг. 5) содержит блок вычисления модуля ускорения, блок вычисления модуля разности ускорения и ускорения свободного падения, блок фильтра нижних частот (ФНЧ), блок цифрового компаратора, причем на вход блока вычисления модуля ускорения поступают три проекции ускорения, выход блока вычисления модуля ускорения подключен к первому входу блока вычисления модуля разности ускорения и ускорения свободного падения, на второй вход которого поступает значение ускорения свободного падения; выход блока вычисления модуля разности ускорения и ускорения свободного падения подключается к входу блока ФНЧ, выход ФНЧ подключен к первому входу цифрового компаратора, на второй вход которого поступает значение порога равновесия, на выходе цифрового компаратора формируется сигнал "старт" для запуска таймера.
x
y
z
Устройство во втором случае работает следующим образом. После того, как на обследуемом закрепляют трехосный акселерометр и обследуемый принимает исходное положение, три проекции вектора ускорения (a, a, a) с акселерометра поступают на фильтр, далее подвергаются процедуре аналого-цифрового преобразования в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), после чего поступают на блок анализатора статического положения, вырабатывающего сигнал "старт" для запуска таймера, и сравниваются со значением порога в блоке цифрового компаратора, который формирует сигнал "стоп" для остановки таймера и вывода времени равновесия на блок индикации.
<mrow><msub><mi>a</mi><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>x</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>a</mi><mi>z</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
r
Блок анализатора статического положения вырабатывает сигнал "старт" в момент статического положения (минимального ускорения) в начале теста. В этом блоке последовательно выполняется вычисление модуля ускорения
, вычитание из него значения ускорения свободного падения g, вычисление модуля |a-g| этой разности, фильтрация с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ), сравнение в цифровом компараторе полученного значения со значением ускорения в момент статического положения (порогом равновесия) и выдача сигнала "старт" в случае не превышения заданного порога.
Блок индикации может быть выполнен в виде дисплея или устройств наподобие экранов смартфонов, планшетов и т.д.
Испытания, проведенные на программно-аппаратном макете, показали более точное определение временного интервала удержания статического равновесия человека в ортоградной позе, чем при выполнении ранее известными способами, вследствие чего можно сделать вывод, что данное изобретение обладает «промышленной применимостью» и достигает заявленный технический результат.