Перчатка для оценки мышечной силы

Полезная модель относится к области медицины, в частности к диагностическим устройствам, применяемым в неврологии, травматологии и ортопедии, восстановительной медицине, спортивной медицине, и представляет собой устройство для оценки силы скелетной мускулатуры.
Известно использование датчика, который внедряют в ахиллово сухожилие и проводят прямое измерение силы трехглавой мышцы голени. Недостатком изобретения является его сложность, инвазивность при имплантации [1].
Известно устройство [2] для диагностики функционального состояния трехглавой мышцы голени. Устройство имеет датчики для измерения сигнала на дистальном отделе стопы и нижней трети голени, шину для фиксации конечности в средне-физиологическом положении, при этом первый из датчиков выполнен динамометрическим, а второй - в виде виброприемника-акселерометра, закрепленного на ахилловом сухожилии рядом с приводом вибратора. Недостатком устройства является ограниченное применение только для оценки функционального состояния трехглавой мышцы голени.
Известно использование миографа для косвенного определения силы мышц [3]. Игольчатая и стимуляционная электромиография позволяет оценить нарушения проведения по периферическим нервам и нервно-мышечную передачу, однако не может быть использована для прямого определения силы мышц.
Известны устройства для динамометрии - косвенного метода определения мышечной силы: механический кистевой динамометр ДК-50 и механический становой динамометр ДС-200, определяющие силу мышц кисти и спины соответственно [4].
Известно применение масштабируемой тактильной перчатки и глубоких нейронных сетей. Датчики, равномерно распределенные по перчатке, можно использовать для идентификации отдельных объектов, оценки их веса и изучения типичных тактильных паттернов, возникающих при захвате. Матрица, включающая 548 датчиков, собрана на вязаной перчатке и состоит из пьезорезистивной пленки, соединенной сетью электродов с проводящей нитью, которые подвергаются пассивному зондированию. Осуществляется запись крупномасштабного набора тактильных данных из 135000 кадров.
Недостатком модели является отсутствие возможности определения мышечной силы, она нацелена на идентификацию формы предметов, что имеет значение для робототехники [5].
Команда исследователей из Калифорнийского университета разработала перчатку, которая оценивает ригидность мышц. Устройство насчитывает более 300 датчиков давления, а также акселерометр на тыльной стороне. Перчатка подключается к компьютеру через USB-кабель. Когда врач сгибает и разгибает руку пациента, датчики осуществляют измерения. Акселерометр определяет, насколько быстро движется конечность. Программа на компьютере обрабатывает данные для оценки ригидности мышц [6]. Недостатком является техническая сложность изделия, необходимость обучения врача-исследователя работе с программным обеспечением; ограниченность применения перчатки - оценивается преимущественно ригидность мышц, что имеет значение для диагностики церебральных параличей, инсультов и рассеянного склероза. Данное устройство взято нами за прототип.
Техническим результатом является создание устройства - перчатки для неинвазивной оценки силы мышц.
Технический результат достигается тем, что перчатка состоит из кистевой части типа гловелетты из кожаного или тканого материала и запястной части из прорезиненной ткани, соединяющихся друг с другом застежками типа велькро; в кистевую часть в области гипотенара со стороны ладонной поверхности вшит высокоточный тонкопленочный тензорезистивный датчик с индукцией давления от 20 г до 10 кг; к тыльной поверхности запястной части устройства приклеен корпус программно-аппаратного блока, который включает: аналого-цифровой преобразователь, соединенный с тензорезистивным датчиком гибким двужильным кабелем при помощи штекера и гнезда стандарта TRRS 3.5 mini-jack; системную плату Arduino Pro mini, соединенную при помощи трехжильных кабелей с аналого-цифровым преобразователем, модулем Bluetooth, модулем индикации и отображения данных, экран которого располагается в соответствующем отверстии корпуса программно-аппаратного блока; аккумуляторную батарею, соединенную двужильными кабелями с системной платой Arduino Pro mini и платой зарядки, причем между аккумуляторной батареей и системной платой Arduino Pro mini расположен выключатель, соответствующий кнопке на поверхности корпуса программно-аппаратного блока, обеспечивающий включение и выключение устройства.
Высокоточный тонкопленочный тензорезистивный датчик, имеет известные физические характеристики: выходной сигнал аналоговый; диапазон индукции давления - 20-10000 г (триггер 20 г); сопротивление по умолчанию <200 кОм; время активации и время отклика <0,01 с; размеры: толщина/длина/ширина, мм - 0,45/50/40 (размеры рабочей поверхности: длина/ширина, мм - 36/36); масса 2 г.
Плата Arduino Pro mini имеет известные характеристики: микроконтроллер ATmega1684; рабочее напряжение - 3.3 В; входное напряжение - 3.35-12 В; цифровые входы/выходы - 14 (6 из которых могут использоваться как выходы широтно-импульсной модуляции); аналоговые входы - 6; постоянный ток через вход/выход - 40 мА; флеш-память - 16 Кбайт (2 Кбайта используются для загрузчика); SRAM - 1 Кбайт; EEPROM - 512 байт; тактовая частота - 8 МГц.
Аккумуляторная батарея 120 мА имеет плату зарядки (мини-USB зарядное устройство, ТР4056 type А 4,2 V).
Модуль индикации и отображения данных OLed 0,91'' 128*32 SSD1306 for Arduino Pro mini позволяет отображать на экране цифровое выражение силы давления, оказываемой на датчик в виде внесистемной единицы измерения - грамм-сила (гс).
Устройство является портативным и предназначено для многоразового использования. Врач-исследователь быстро надевает кистевую и запястные части перчатки, фиксируя их между собой застежками типа велькро, и при необходимости быстро снимает перчатку.
Свойства датчика позволяют измерять силу давления, оказываемое на него в диапазоне от 20 до 10000 гс, результат мгновенно выводится на экран модуля индикации и отображения данных. Тензометрический датчик устойчив к деформациям в виде сжатия и растяжения и рассчитан на 100000 измерений.
Перчатка для оценки мышечной силы состоит из кистевой части типа гловелетты из кожаного или тканого материала и запястной части из прорезиненной ткани, соединяющихся друг с другом застежками типа велькро. В кистевую часть в области гипотенара со стороны ладонной поверхности вшит высокоточный тонкопленочный тензорезистивный датчик с индукцией давления от 20 г до 10 кг. К тыльной поверхности запястной части устройства приклеен корпус программно-аппаратного блока, который включает аналого-цифровой преобразователь, соединенный с тензорезистивным датчиком гибким двужильным кабелем при помощи штекера и гнезда стандарта TRRS 3.5 mini-jack; системную плату Arduino Pro mini, соединенную при помощи трехжильных кабелей с аналого-цифровым преобразователем, модулем Bluetooth, модулем индикации и отображения данных, экран которого располагается в соответствующем отверстии корпуса программно-аппаратного блока; аккумуляторную батарею, соединенную двужильными кабелями с системной платой Arduino Pro mini и платой зарядки. Причем между аккумуляторной батареей и системной платой Arduino Pro mini расположен выключатель, соответствующий кнопке на поверхности корпуса программно-аппаратного блока, обеспечивающий включение и выключение устройства.
Полезная модель поясняется графическим материалом. На фигуре 1 изображена схема перчатки, которая состоит из кистевой части 1 типа гловелетты и запястной части 2, соединяющихся друг с другом застежками 3 типа велькро. В кистевую часть 1 в области гипотенара со стороны ладонной поверхности вшит высокоточный тонкопленочный тензорезистивный датчик 4. К тыльной поверхности запястной части 2 приклеен корпус 5 программно-аппаратного блока, который включает аналого-цифровой преобразователь 6, соединенный с тензорезистивным датчиком 4 гибким двужильным кабелем при помощи штекера и гнезда стандарта TRRS 3.5 mini-jack; системную плату 7 Arduino Pro mini, соединенную при помощи трехжильных кабелей с аналого-цифровым преобразователем 6, модулем Bluetooth 8, модулем индикации и отображения данных 9, экран которого располагается в соответствующем отверстии корпуса 5 программно-аппаратного блока; аккумуляторную батарею 10, соединенную двужильными кабелями с системной платой 7 Arduino Pro mini и платой зарядки 11, причем между аккумуляторной батареей 10 и системной платой 7 Arduino Pro mini расположен выключатель 12, обеспечивающий включение и выключение устройства.
Предложенное устройство работает следующим образом. Врач-исследователь надевает перчатку на свою правую или левую руку в зависимости от индивидуальных особенностей (правша/левша). Сначала надевает запястную часть перчатки, затем кистевую и фиксирует их между собой застежками типа велькро. Кистевую часть перчатки исследователь надевает так, чтобы в области гипотенара со стороны ладонной поверхности оказался вшитый высокоточный тонкопленочный тензорезистивный датчик.
Посредством гибкого двужильного кабеля датчик кистевой части при помощи штекера и гнезда стандарта TRRS 3.5 mini-jack соединяют с аналого-цифровым преобразователем программно-аппаратного блока корпуса запястной части устройства. Включают устройство, нажимая на кнопку корпуса.
Врач-исследователь, удерживая соответствующий сегмент конечности, просит испытуемого выполнить требуемые движения (сгибание/разгибание, отведение/приведение, супинацию/пронацию и т.д.). При оказании сопротивления движениям испытуемого, врач-исследователь с помощью тензометрического датчика кистевой части перчатки оценивает давление, производимое испытуемым. Сигнал от датчика, поступающий в аналого-цифровой преобразователь и трансформирующийся в цифровые значения в грамм-сила, подается на экран модуля индикации и отображения и фиксируется исследователем или его помощником. После выполнения необходимых измерений врач-исследователь выключает устройство, нажимая на кнопку корпуса, отсоединяет двужильный кабель от программно-аппаратного блока корпуса, раскрывает застежки типа велькро и снимает кистевую и запястную части перчатки.
Использование полезной модели поясняется клиническими примерами.
Здоровому мужчине М., 20 лет выполнено определение силы группы мышц сгибателей стопы, сгибателей предплечья и мышц, отводящих верхнюю конечность. При определении силы мышц задней поверхности голени, сгибающих стопу, положение испытуемого горизонтальное на кушетке на животе. Испытуемого просили осуществлять подошвенное сгибание стопы, исследователь рукой с надетой перчаткой (кистевая часть из тканого материала) оказывал сопротивление. На мониторе устройства получены следующие цифры: сила мышц сгибателей стопы справа - 5747 гс, слева - 5377 гс. При определении силы мышц сгибателей предплечья положение испытуемого сидя на стуле, плечо находится на кушетке, рука согнута в локтевом суставе под углом 90°. Испытуемого просили осуществлять сгибание предплечья в локтевом суставе, а исследователь оказывал споротивление. Результаты измерения были следующими: сила мышц сгибателей предплечья справа - 5586 гс, слева - 4278 гс. При определении силы дельтовидной мышцы положение испытуемого сидя на стуле с отведенной в сторону верхней конечностью параллельно полу. Испытуемый выполняет попытку максимального отведения верхней конечности от туловища. А исследователь оказывает сопротивление, проводя попытку приведения конечности к туловищу. Получены следующие показатели силы мышц, отводящих верхнюю конечность: справа - 6060 гс, слева - 5735 гс.
Мужчине Д., 50 лет после перенесенного ОНМК и имеющего левосторонний гемипарез проводилось исследование силы мышц сгибателей стопы, сгибателей предплечья и мышц, отводящих верхнюю конечность. При определении силы мышц сгибающих стопу, положение испытуемого горизонтальное на кушетке на животе. Испытуемого просили осуществлять подошвенное сгибание стопы, а исследователь оказывал сопротивление, пытаясь ее разогнуть. На мониторе устройства получены следующие цифры, характеризующие силу мышц сгибателей стопы: справа - 4635 гс, слева - 1457 гс. При определении силы мышц сгибателей предплечья положение испытуемого сидя на стуле, плечо находится на кушетке, рука согнута в локтевом суставе под углом 90°. Испытуемого просили осуществлять сгибание предплечья в локтевом суставе, а исследователь оказывал сопротивление, пытаясь разогнуть верхнюю конечность испытуемого. Результаты измерения силы сгибателей предплечья были следующими: справа - 3692 гс, слева - 1342 гс. При определении силы дельтовидной мышцы положение испытуемого сидя на стуле с отведенной в сторону верхней конечностью параллельно полу. Испытуемый выполняет попытку максимального отведения верхней конечности. А исследователь оказывает сопротивление, проводя попытку приведения конечности к туловищу. Получены следующие показатели силы мышц, отводящих верхнюю конечность: справа - 3983 гс, слева - 1538 гс.
Таким образом, выявлено снижение мышечной силы в исследуемых трех группах мышц у пациента с гемипарезом, развившегося после перенесенного ишемического инсульта. У здорового молодого человека продемонстрированы нормальные симметричные показатели силы в исследуемых группах мышц.
Перчатку для оценки мышечной силы возможно и целесообразно использовать в условиях неврологических и травматолого-ортопедических стационарных отделений для оценки мышечной силы у пациентов с поражениями периферической и центральной нервной системы, опорно-двигательного аппарата; в условиях отделений восстановительной медицины для оценки эффективности лечения и реабилитационных мероприятий; в спортивных учреждениях для оценки эффективности тренировок и анализа наращивания мышечной силы, а также в амбулаторной практике остеопатов, кинезиологов, спортивных врачей, реабилитологов для оценки состояния мышечной системы, подготовки спортсменов, контроля результативности спортивных тренировок.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Komi P.V. Stretch-shortening cycle: a powerful model to study normal and fatigued muscle. Journal of Biomechanics. 2000; 33:1197-1206.
2. Львов C.E., Шапин В.И., Щавелев В.Л., Ноздрин М.А., Русских С.В., Колодина И.Г. Устройство для диагностики функционального состояния трехглавой мышцы голени. Патент РФ №2123803 от 27.12.1998.
3. Бегун П.И., Самсонова А.В. Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека: Монография. СПб: Кинетика, 2020. 179 с.
4. Методические указания и задания к лабораторной работе «Исследование и количественная оценка функционального состояния скелетных мышц методом динамометрии» по дисциплине «Физика, математика» для студентов медицинских и фармацевтических специальностей. Симферополь, 2016. 11 с.
5. Sundaram S., Kellnhofer P., Li Y. et al. Learning the signatures of the human grasp using a scalable tactile glove. Nature. 2009;569:698-702. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1234-z
6. University of California San Diego. (2017, April 20). Sensor-filled glove could help doctors take guesswork out of physical exams. ScienceDaily. Retrieved February 23, 2021 from www.sciencedailv.com/releases/2017/04/l70420114024.htm.