ЗЕРКАЛЬНЫЙ ТРЕНАЖЕР

Полезная модель относится к медицинской технике в сфере неврологии, нейрохирургии, реабилитации и может быть использована для восстановления пациентов с гемипарезом, верхним или нижнем монопарезом, комплексным регионарным болевым синдромом конечности, одностороннем неглекте, при кинезиофобии.
В качестве наиболее доступного средства обратной связи активно используется зеркальная терапия. Зеркальная терапия - это доступный метод восстановления утраченных движений, а также лечения болевых синдромов, путем создания искусственной зрительной обратной связи. Принцип данной терапии заключается в следующем - перед пациентом с односторонними двигательными (сенсорными) нарушениями ставится зеркало с отражением в сторону здоровой руки, таким образом, когда пациент смотрит в зеркало на свою больную конечность, то видит отражение здоровой. При выполнении различных двигательных заданий здоровой конечностью ее зеркальное отражение воспринимается как больная конечность, поэтому у пациента возникает ощущение, что больная рука (нога) работает как здоровая (Назарова М.А, Пирадов М.А. ЗЕРКАЛЬНАЯ ТЕРАПИЯ В НЕЙРОРЕАБИЛИТАЦИИ. РМЖ. 2014. Т. 22. №22. С. 1563-1566. eLIBRARY ID: 22903481).
Известно реабилитационно-массажное устройство для кисти и пальцев рук (RU №2683071, МПК А63В 23/16, А61Н 23/00, опубликовано 01.06.2018), содержащее основание с блоком фиксации руки и механизм привода пальца в движение, содержащий крепление для кончика пальцев. Механизм привода пальца в движение содержит пять плоских пятизвенных шарнирных механизмов, установленных таким образом, что их плоскости совпадают с физиологической плоскостью движения каждого пальца руки. Механизм привода одного пальца в движение содержит один плоский пятизвенный шарнирный механизм, в центральном шарнирном узле которого расположено крепление для кончика пальцев, а каждое нижнее звено жестко связано с валом электропривода вращения, закрепленного рядом с ним на основании и независимо соединенного с электронным блоком управления.
Общими признаками является только назначение устройства - приведение движений пальцев кисти и необходимость фиксации устройства к ногтевой фаланге пораженной конечности.
К недостаткам можно отнести отсутствие работы сохранной конечности и использовании зеркальной терапии. Для безопасной работы реабилитационно-массажного устройства крепление для кончиков пальцев может быть снабжено предохранителем-защелкой. В заявляемом устройстве ограничение чрезмерного движения осуществляется как с помощью электронной обратной связи благодаря работе концевиков, так и физическим ограничением движения слайдера Рефлектора.
В научной статье «Разработка тренажера для восстановления подвижности изолированных суставов пальцев руки» eLIBRARY ID: 25290914 описан тренажер для восстановления подвижности пальцев, в открытых интернет-источниках, имеющих название «тренажер Бутон». Тренажер состоит из основания, рамы крепления руки, подвижной рамы с ремнями для крепления пальцев, электродвигателя для движения подвижной рамы, блока управления для регулирования под пальцы разной длины. Электродвигатель имеет датчик положения для ограничения крайних положений подвижной рамы. Блок управления может остановить движение тренажера при превышении допустимого тока потребления электродвигателя с целью предотвращения травматизации при сильной жесткости мышц пальцев. Основание и рама выполнены из алюминиевого уголка. Основание покрыто мягким материалом. Подвижная рама приводится в движение электродвигателем. Ось подвижной рамы проходит через запястно-пястные суставы кисти. На подвижной раме закреплены 4 ремня с креплением под дистальную фалангу каждого пальца. Высота крепления первой фаланги изменяется.
Общим признаком с заявленным устройством являются назначение устройства для пораженной конечности, использование электропривода для пассивного движения пальцев пораженной кисти, фиксация пальцев кисти, по конструкции сходств не найдено.
К недостаткам можно отнести недифференцированное движение пальцев, воздействие только на пораженную конечность и отсутствие принципа визуальной обратной связи.
Известен тренажер (RU №175324, МПК А61Н 1/02, опубликовано 30.11.2017), содержащий блок крепления на руку в виде основания, выполненного с возможностью крепления на наружной стороне предплечья и кисти руки и соединенные с ней блок привода и средства для крепления пальцев. Блок привода выполнен с возможностью перемещения над основанием по жестко установленной в его передней части направляющей и содержит двигатель, соединенный с установленным с возможностью вращения валом и датчиком угла положения тренажера, и консоли, установленные с боковых сторон блока привода и направленные в сторону кисти руки. Выполненная с возможностью перемещения часть тренажера выполнена в виде двух пар рычагов, расположенных по обе стороны от продольной оси блока привода и шарнирно соединенных с консолями. Между свободными концами вторых рычагов пары жестко установлена ось, на которой смонтированы средства крепления пальцев, выполненные в виде четырех цепочек шарнирно соединенных звеньев. На свободных концах цепочек установлены держатели пальцев, а звенья выполнены с отверстиями с возможностью размещения в них, по меньшей мере, двух тросов, при этом длина троса, размещенного ближе к пальцу, меньше длины троса, размещенного на большем расстоянии от пальца. Данный тренажер носит коммерческое название Rejoint в свободных интернет ресурсах.
Общими признаками заявляемого устройства с аналогом являются: использование электропривода. Вместе с тем, в заявляемом устройстве используется шаговый двигатель, обратная связь, организована с помощью концевиков, а угол смешения оси вала вычисляется контроллером исходя из положения пальца здоровой конечности.
Недостаток аналога заключается в том, что данное устройство позволяет сгибать и разгибать пальцы по заранее заданной программе тренировок. Также все пальцы сгибаются одновременно, не позволяя эффективно тренировать пораженную конечность.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип является устройство и способ реабилитации пораженной конечности (US №9820908, МПК А61Н 1/02, опубликовано 21.11.2017). Устройство выполнено в виде системы датчиков для измерения движения кости для здоровой (активной) конечности, электронного механизма для приведения в движение отдельных костей больной (пассивной) конечности, процессора и блока питания, выполненный в виде экзоскелета.
Общими признаками заявляемого устройства с прототипом являются: наличие контроллера, осуществляющего обработку сигналов, передаваемых между здоровой и больной конечностью, наличие блока питания электрокомпонентов, наличие датчиков, регистрирующих положение пальцев кисти.
Основными отличиями является механизм приведения в движение больной конечности (пассивной): электродвигатель приводит в движение винтовой механизм, который задействует трос, закрепленный на кольце фаланги пальца. В заявляемом устройстве точка крепления пальца к устройству находится в области дистальной фаланги пальца, последний фиксируется с помощью фалангового полукольца с дополнительной фиксацией лентой Velcro, механизм ременной передачи крутящего момента двигателя в поступательное движение слайдера устройства.
Недостаток вышеописанного устройства заключается в том, что винтовая конструкция, фиксирующаяся к валу двигателя, имеет низкую скорость движения фаланги пальца (или экзоскелета), тем самым добиться синхронности движения активной и пассивной конечности на практике невозможно. Указанный недостаток в заявляемом устройстве устраняется с помощью использования зубчатой пары ремня привода и шкивов. Также, изображенное кольцо, закрепленное к фаланге пальца (или размер экзоскелета) имеет фиксированный размер, для каждого человека нужно разрабатывать конструкцию индивидуально. В заявляемом устройстве данное ограничение устраняется с помощью использования фалангового полукольца и ленты Velcro.
Наличие признаков, отличительных от прототипа позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Из проведенного анализа патентной и специальной литературы авторами установлено, что предлагаемое техническое решение имеет признаки, отличающие его не только от базовой методики «Зеркальной терапии», но и от других известных технических решений в данной области медицины.
Разработанное устройство, использует механизм зеркальной обратной связи, при наличии синдрома гемипареза или верхнего/нижнего монопареза, условно названо «Зеркальным тренажером».
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении возможности осуществления дифференцированного движения каждого пальца кисти, а также реализации зеркальной терапии с использованием принудительной локомоции посредством вспомогательного устройства за счет синхронных движений здоровой и пораженной конечностей, достаточных по скорости и точности позиционирования элементов конструкции, к которым фиксируются пальцы кисти.
Указанный технический результат достигается тем, что зеркальный тренажер, содержащий контроллер обработки сигналов, передаваемых между здоровой и больной конечностями, блок питания электрокомпонентов и датчики регистрации положения пальцев кисти, согласно полезной модели содержит площадку с жестко закрепленными на ней в одной плоскости манипулятором, содержащим ложемент для предплечья с ремнями фиксации руки из текстильной застежки, жестко закрепленный на площадке винтовым соединением, крепление фаланги пальца манипулятора, выполненное в виде пластикового фалангового полукольца с фиксирующими лентами, соединенного посредством кольцевого шарнира с линейным переменным резистором, жестко закрепленным на платформе, и рефлектором, содержащим шаговый двигатель, размещенный с противоположной стороны площадки в нижней ее части, жестко закрепленный на ней с помощью винтового крепления, зубчатый шкив, закрепленный на валу посредством винтового соединения, в нише рабочей поверхности площадки с противоположной стороны двигателя впрессован подшипник с установленным в нем штифтом, на который фиксируется шкив с образованием зубчатой пары ремня привода и шкивов, на ремне привода жестко закреплен нижний полюс пластикового слайдера в центральной части которого выполнено отверстие, диаметр которого на 0,2 мм больше диаметра направляющей, слайдер выполнен с возможностью свободного движения слайдера по оси направляющей, к пластиковому слайдеру, на верхнем его полюсе, с помощью алюминиевого кольцевого шарнира фиксируется крепление фаланги пальца рефлектора, концевики, расположенные на противоположных полюсах каждой направляющей, причем расстояние между концевиками соответствует расстоянию, ограниченному рабочим размером линейного переменного резистора манипулятора, ложемент, фиксирующий запястье пораженной руки с помощью текстильной застежки; блок электронного управления с микроконтроллером и драйвером шагового двигателя, соединяющий рефлектор и манипулятор посредством проводной связи.
Устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображен зеркальный тренажер. Данная схема иллюстрирует устройство в случае работы с левой верхней пораженной конечностью. При наличии правостороннего патологического процесса, в устройстве положение Рефлектора (2) будет располагаться справа, а Манипулятора (3) - слева.
На фиг. 2 приведен алгоритм работы зеркального тренажера.
На фиг. 3. приведена принципиальная схема блока управления.
Зеркальный тренажер состоит из двух рабочих областей, которые располагаются в одной плоскости и закреплены на одной площадке прямоугольной формы (габаритные размеры 800 × 300 × 130 мм) выполненной из материала плексиглас (также допустимо использование пластика). Площадка располагается на 4 пластиковых опорах. Рабочие области имеют следующие условные обозначения:
1. Рефлектор - часть прибора, предназначенная для работы с пораженной конечностью;
2. Манипулятор - часть прибора, предназначенная для работы со здоровой конечностью.
Также на указанной площадке располагается блок электронного управления, который логически соединяет между собой Рефлектор и Манипулятор посредством проводной связи (также допустимо использование беспроводного способа передачи сигнала), выполненный из текстолитовых плат, имеет микроконтроллер, драйвера шагового двигателя.
Манипулятор (3) имеет ложемент для предплечья (6), жестко фиксированный к основанию устройства винтовым соединением, имеющий ремни из текстильной застежки (лента Velcro) для более удобной и быстрой фиксации руки к устройству. Каждый палец кисти фиксируется к устройству посредством крепления фаланги пальца манипулятора (14), представляющее собой пластиковое фаланговое полукольцо. Указанный элемент конструкции позволяет закреплять пальцы кисти любых размеров, при этом каждое фаланговое полукольцо оснащено лентами Velcro для более надежной фиксации. Фаланговое полукольцо (14) соединено с линейным переменным резистором (4) посредством кольцевого шарнира, выполненного из алюминия. Резистор переменного сопротивления имеет прямоугольную форму размером 100 мм × 5 мм, фиксируется к основанию устройства любым видом неподвижного соединения (в т.ч. винтовым). Линейный переменный резистор изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от изменения положения своего слайдера, который фиксирован к пальцу здоровой конечности посредством фалангового полукольца (для нижней конечности возможно использование ортеза-сапожка с фиксированным к нему резистором).
Рефлектор (2) состоит из шаговых двигателей, с противоположной стороны от рабочей поверхности устройства (снизу), жестко зафиксированным с помощью винтового крепления, вал которого выступает с лицевой стороны рабочей поверхности. На вал крепится зубчатый шкив GT2-6 с помощью предусмотренной конструкцией шкива винтовой фиксацией. С противоположной стороны от двигателя находится подшипник 605, впрессованный в нише рабочей поверхности устройства. В подшипник установлен штифт, на который фиксируется шкив, также как к валу шагового двигателя. Образуется зубчатая пара ремня привода (8) и 2-х шкивов (12): один активный, который фиксируется к валу двигателя, второй - пассивный, зафиксированный к штифту противоположно валу двигателя, передающих крутящий момент. К ремню привода жестко фиксирован (винтовая фиксация) нижний полюс пластикового слайдера (15). По центру слайдера имеется отверстие, диаметр которого на 0,2 мм больше диаметра направляющей (13), для свободного движения слайдера по оси направляющей (для снижения силы трения при движении слайдера во время работы допустимо впрессовывание линейного подшипника в отверстие слайдера). К пластиковому слайдеру, на верхнем его полюсе, с помощью алюминиевого кольцевого шарнира фиксируется крепление фаланги пальца рефлектора (10). Последний выполнен из пластика в виде фалангового полукольца, конструкция которого аналогична соответствующему фаланговому полукольцу Манипулятора с дополнительной фиксацией пальцев пораженной кисти с помощью ленты Velcro. Концевики (11) располагаются на противоположных полюсах каждой направляющей, причем расстояние между концевиками соответствует расстоянию, ограниченному рабочим размером линейного переменного резистора Манипулятора (4). Для более удобной эксплуатации в конструкции Рефлектора также предусмотрен ложемент (9), фиксирующий запястье пораженной руки к устройству с помощью текстильной застежки (лента Velcro).
Зеркальный тренажер работает следующим образом.
Движения пальцев руки, фиксированной к Манипулятору, изменяют положение слайдера Манипулятора, вследствие чего изменяется сопротивление в переменном резисторе, значения которых передаются на микроконтроллер, схемой соединения без использования беспроводных интерфейсов (допустимо также использование беспроводных интерфейсов), являющийся составной частью блока электронного управления (1). Разработанное программное обеспечение обрабатывает сигнал Манипулятора, передает сигнал управления драйверу шагового двигателя (7). Для этих целей можно использовать любой шаговый двигатель, который соответствует требованиям по мощности и радиусу шага. В устройстве используется шаговый двигатель PL42H48-D5. Биполярный шаговый двигатель PL42H48-D5 способен обеспечить тягу в 5.5 кг. Указанная нагрузка не приведет к повреждению костно-связочного аппарата кисти (безопасен), вместе с тем, способен преодолеть сопротивление при возникновении спастической контрактуры пальцев легкой и средней степени. Шаговый двигатель (7) приводит в действие механизм Рефлектора на ременном приводе (8, 10, 11, 12). Происходит синхронное и точное движение пальцев обеих конечностей.
Для контроля зеркальной терапии с помощью тренажера возможно использование ЭНМГ датчиков для оценки степени улучшения волевого сокращения мышц.
Преимущество эксплуатации заявляемого устройства по сравнению с зеркальной терапией заключается в том, что помимо визуальной обратной связи посредством работы с прибором возникают, в том числе и сигналы проприоцептивной и тактильной чувствительности, улучшает качество реабилитации, а также благодаря непосредственному воздействию на пораженную конечность осуществляется принцип СРМ-терапии (continued passive motion therapy).
Предлагаемое устройство «зеркальный тренажер» предназначено для использования в здравоохранении и может быть применено в неврологии, нейрохирургии, реабилитации.