УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕМАТИКИ ЛОКОМОЦИЙ

Полезная модель относится к медицине, более точно к биомеханике и может быть использована в ортопедии и клинической биомеханике при определении положения в пространстве (координат) суставов, сегментов или других частей тела.
Для определения кинематических характеристик локомоций (координаты и их производные) на тело человека ставят маркеры. Положение маркеров на теле человека ориентировано относительно различных анатомо-биомеханических образований, таких как: мыщелки, костные выступы, центры вращения в суставах (Бернштейн Н.А., «О построении движений», 1947).
Маркеры бывают двух типов: активно и пассивно отражающие (Бернштейн Н.А., «О построении движений», 1947; Ferrigino G., Pedotti A. «ELITE: a digital dedicated hardware system for movement analysis via real-time TV signal procession»// IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1985, Vol.BME-32, N. 11, p.943-950).
Активно отражающие маркеры являются источниками света в видимой или невидимой (инфракрасной) части спектра света. Требования к механическим свойствам маркеров:
- оптимальный размер и форма;
- минимальный вес;
- надежная фиксация на коже;
- способность минимально рассеивать и хорошо возвращать направленный свет.
Под оптимальным размером маркера понимают следующее: изображение маркера в точках экрана (пикселях) должно содержать не менее 3 точек. Чем больше размер светового пятна на изображении, тем более точно определяется координаты маркера.
Под минимальным весом понимают вес крепежного устройства и метки. Если метка обладает значительной массой, то при ускорении сегментов тела будут возникать силы, сдвигающие маркер относительно анатомических точек, так как кожа, на которой крепится маркер, является эластической тканью, а подкожный жировой слой позволяет смещаться коже относительно костей и мышц с небольшими усилиями.
Вес метки менее 5 г. Собственные исследования показали, что вертикальное ускорение в центре масс голени при контакте с опорой при быстрой ходьбе или беге не более 50 м/с. Следовательно, при контакте стопы с опорой при наземных локомоциях сила, действующая на смещение метки в вертикальном направлении менее 2,5Н. Статическая сила, которую необходимо приложить к метке, чтобы нарушить контакт, клипсы и электрода составляет 5Н.
Под способностью минимально рассеивать и хорошо возвращать свет понимают следующее: согласно законам физики отражение света от поверхности зависит от направления света и формы поверхности. Поверхность шарообразной формы обладает рефлектирующим свойством возвращать свет в сторону источника света. Поэтому, придание маркерам шарообразной формы способствует световозвращению с минимальным рассеиванием.
За наиболее близкий аналог полезной модели нами выбрано устройство отражения света фирмы Vicon (Великобритания). Известное устройство выполнено в виде шара диаметром 25 мм, покрытого световозвращающей бумагой. С одной стороны шарика находится пластиковое основание диаметром 20 мм. С помощью двусторонней клейкой ленты пластиковое основание метки крепится к коже.
Недостатком известного устройства является ненадежность контакта между пластиковым основанием шарика и кожей. Поэтому, даже при слабом
механическом воздействии на метку происходит нарушение крепления. Как следствие этого приходится останавливать эксперимент и заново крепить метку на теле человека. Подобное действие не только увеличивает время эксперимента, но и приводит к метрологическим ошибкам. При нарушении контакта метки с кожей трудно зафиксировать метку на прежнем место. Поэтому, при нарушении контакта между меткой и кожей биомеханическое исследование выполняется при различном положении маркеров по отношению к анатомическим ориентирам, например, центру вращения в суставе. Повторное крепление метки на теле увеличивает время проведения эксперимента. Падение электрода с тела человека во время эксперимента приводит к тому, что из биомеханического анализа выпадают участки траектории, что нежелательно при анализе локомоций человека.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности фиксации шарика к коже человека.
Технический результат достигается тем, что в известном средстве для определения кинематики локомоций, выполненном в виде усеченного шарика, покрытого световозвращающей бумагой, и закрытого с усеченной стороны подложкой с наружным клеевым слоем, обеспечивающим фиксацию средства к коже пациента, в место подложки, снабженной клеевым слоем, применены стандартные электрокардиографические электроды. Усеченный шарик выполнен полым, его внутренняя полость заполнена поролоном, вес шарика не превышает 5 г, его усеченная сторона, являющаяся основанием, закрыта кнопкой-клипсой, выполненной с возможностью установки ее на электрокардиографическом электроде со стороны противоположной клеевому слою электрода.
Диаметр шарика преимущественно составляет 25 мм.
Диаметр основания преимущественно не превышает 20 мм.
Устройство поясняется чертежами
- рис.1 общий вид
- рис.2 разрез А-А
- рис.3 вид сверху,
где цифрами обозначены следующие позиции:
1 - усеченный шарик, покрытый световозвращающей бумагой; 2 - стандартные электрокардиографические электроды; 3 - усеченная сторона шарика; 4 - кнопка-клипса, закрывающая усеченную сторону, 5 - наполнитель внутренней полости шарика - поролон.
Нами обнаружено, что крепление предлагаемого маркера в виде шарика не напрямую к коже пользователя, а к стандартным электрокардиографическим электродам, снабженным клейкой поверхностью для крепления их к коже пациента, и устанавливаемым предварительно в нужном анатомическом образовании обеспечивает более жесткую фиксацию, не допускающую самопроизвольного нарушения крепления. Такая жесткость фиксации обеспечивается несколькими факторами:
- метка может быть зафиксирована на кардиографическом электроде любого размера, который может быть надежно закреплен на теле человека;
- клейкая поверхность кардиографического электрода не вызывает аллергических реакций, которые возможны при креплении основания метки на кожу с помощью двусторонней клейкой ленты, вследствие чего не возникает воспаления и не нарушается контакт средства с кожей.
Повышение надежности крепления метки к коже пользователя обеспечивает следующие преимущества:
- позволяет выполнять движения со значительными ускорениями (типа ударных или бросковых движений);
- снижает вероятность потери кинематических данных в процессе исследования;
- сокращается время подготовки к исследованию.
Устройство изготавливали следующим образом. Из пластмассы изготавливали полый шарик размером преимущественно 25 мм. Шарик с одной стороны отрезали, заполняли поролоном Диаметр усеченного основания составлял, как правило, не более 20 мм. Для изготовления средства была использована стандартная кнопка-клипса производства, марки F9032/Z (производства Италии). По краям кнопки-клипсы электрокардиографического электрода наносили тонкий слой клея и вставляли кнопку во внутрь шарика. Световозвращающую бумагу ЗМ производства (США) нарезали по форме эллипсов длинный диаметр которого равен половине периметра шарика, короткий диаметр составлял 5% от периметра шарика. При таких геометрических размерах при наклеивании на выпуклую поверхность шарика бумага почти не деформируется и края бумаги конгруэнтны друг другу.
В качестве средства крепления на кожу использовали стандартные электрокардиографические электроды (например, Skintact, F301 производства Австрии).
Устройство используют следующим образом: на тело человека в латеральной проекции суставных осей или других анатомических ориентирах крепят стандартные электрокардиографические электроды  /2/ путем размещения их клейкой поверхности на коже пациента. К электродам /2/ с помощью кнопки-клипсы /4/ крепятся маркеры /1/. Включают видерегистрирующую аппаратуру и подсветку (направленный свет). Возвращенный свет от меток попадает на считывающее устройство камеры, вследствие чего образуются траектории, в виде последовательности ярко белых
кругов, диаметр которых зависит от расстояния до объекта съемки, по которым рассчитывают о кинематические параметры локомоций.
Маркер в виде усеченной сферы ограничивает угол видения метки. Форма маркера не меняется, если угол съемки не более ±40° от точки надира (точки в которой оптическая ось камеры перпендикулярна плоскости видеосъемки). Если угол видения метки больше 40°, то основание маркера придает метке вид усеченной сферы, что приводит к искажению формы маркера.