УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СУСТАВНОГО ТРЕМОРА
DEVICE FOR JOINT TREMOR STUDY

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения микроколебаний конечностей, и может быть использовано в нейрофизиологических исследованиях при оценке профессиональной пригодности, при проведении количественной диагностики заболеваний, связанных с нарушением координации, при отработке реабилитационных двигательных навыков в ходе биомеханических исследований, а также к области спорта для оценки психофизиологического состояния человека и изучения характеристик двигательных действий как в статике, так и динамике.
При изучении движений человека в соответствии с аспектами построения двигательных действий возникают непроизвольные микроколебания, вызванные физиологическим феноменом - тремором. Общеизвестно [1], что при поддержании человеком некоторого постоянного угла в суставе наблюдаются микроколебания с амплитудой порядка 1°. Это явление, получившее название суставного тремора, приводит к тому, что все суставы подвижных частей тела совершают хаотические микроколебания, обуславливающие дрожание в них.
Известны устройства [2, 3, 4] для регистрации угловых параметров движений в суставах конечностей или в шарнирах протезов, содержащие в качестве основных элементов переменные резисторы (потенциометры), шины которых фиксируются на звеньях изучаемого сустава. Указанные устройства не могут обеспечить требуемую чувствительность (единицы угловых минут), необходимую для исследования суставного тремора.
Известны также устройства для измерения тремора и изучения непроизвольных движений конечности, в которых используют электропроводный щуп и электропроводные направляющие в виде щелей, дорожек или лабиринтов [5, 6, 7]. В ряде устройств того же назначения используются различные датчики колебаний: с жидкой массой [8], сверхлегкий акселерометрический [9], токовихревой [10], абсолютной угловой скорости [11], которые обеспечивают амплитудно-частотный анализ микроколебаний, соответствующий классическим представлениям о физиологическом треморе [1], но позволяют получить только интегральные кинематические характеристики микроколебаний всей конечности в целом, что существенно сужает возможности диагностики психофизиологического состояния и тремора в отдельных суставах конечности или шарнирах протеза.
Кроме того, известны устройство для оценки функционального состояния центральной нервной системы [12] и устройство для экспресс-измерения психофизиологических данных человека [13], оценивающие микроколебания по величине девиаций усилий на опорном элементе. Указанные устройства позволяют измерять количественные показатели тремора только в условиях выполнения тестового задания, что сужает необходимый диапазон возможностей использования последних.
Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является устройство тензометрического угломера [14]. Это устройство содержит две площадки, соединенные плоской стальной пружиной, на которую наклеены проволочные тензорезисторы. Площадки закреплены на двух смежных звеньях сустава. Чувствительность устройства обеспечивает измерение угловых смещений порядка 10-15 угловых секунд. Тензорезисторы соединяют в мостовую измерительную схему и регистрируют амплитудно-частотный спектр флуктуации угла в суставе при его микроколебаниях, вызванных тремором.
Существенным недостатком приведенного устройства является невозможность измерения тремора при выполнении двигательных действий в естественных условиях, что сужает его функциональные возможности. Это связано с тем, что относительное положение площадок тензометрического угломера [14] и соответственно угла в суставе неизменно и допускает смещение в пределах до 1° только за счет упругих свойств стальной измерительной пружины.
Другим недостатком устройства является невозможность измерения тремора синхронно с измерением угла в изучаемом суставе, что сужает функциональные возможности устройства и исключает анализ динамических характеристик тремора как функции угла в суставе.
Предлагаемое в качестве изобретения устройство для измерения суставного тремора решает задачу расширения функциональных возможностей устройства при одновременном повышении достоверности измерений и объективности диагностики.
Эта задача достигается за счет того, что известное устройство для измерения суставного тремора, содержащее первую и вторую шины, упругую измерительную пластину, оснащенную, по крайней мере, двумя тензодатчиками, дополнительно содержит потенциометр, к нижней части корпуса которого прикреплена направляющая ось, соосная оси потенциометра, при этом упругая измерительная пластина одним концом жестко прикреплена к оси потенциометра, а другая - неподвижно закреплена на второй шине, первая шина неподвижно закреплена на свободном конце направляющей оси, на которой установлена вторая шина с возможностью свободного вращения вокруг нее, а упругая измерительная пластина имеет жесткость, при которой момент трения в оси потенциометра превосходит вращающий момент, возникающий при изгибе упругой измерительной пластины на угол до 1°.
Анализ существующего уровня техники не выявил совокупность признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемая конструкция устройства по п.1, 2 изображена на чертеже, где:
1 - верхняя шина;
2 - нижняя шина;
3 - ось направляющая;
4 - направляющая втулка шины;
5 - фиксирующая втулка измерительной пластины;
6 - резьбовой фиксирующий штифт втулки измерительной пластины;
7 - упругая измерительная пластина;
1-2
8 - тензодатчики;
9 - крепежный уголок;
1-4
10 - крепежные винты;
11 - корпус потенциометра;
12 - ось потенциометра.
1-4
1-4
Устройство для измерения суставного тремора состоит из первой (1) и второй (2) шин, обеспечивающих удобное и относительно жесткое крепление их к звеньям исследуемого сустава. Первая шина (1) неподвижно закреплена на свободном конце направляющей оси (3). На второй шине (2) неподвижно расположена направляющая втулка (4), внутренний диаметр которой обеспечивает свободное и относительно беззазорное вращение первой шины (1) на направляющей оси (3). На второй шине (2) крепежными винтами (10) зафиксирован уголок (9). К уголку (9) винтами (10) прикреплен один конец измерительной пластины (7), выполненной из упругого материала. Другой конец направляющей оси (3) также неподвижно соединен с нижней частью корпуса потенциометра (11) так, чтобы соблюдалась соосность с осью потенциометра (12).
1-2
Второй конец измерительной пластины (7) жестко прикреплен к фиксирующей втулке (5), которая надета на ось потенциометра (12) и неподвижно зафиксирована с помощью штифта (6). На измерительную пластину (7) для определения ее деформации наклеены не менее двух тензодатчиков (8), которые соединены в мостовую или полумостовую измерительную схему.
Упругие свойства измерительной пластины должны обеспечивать возможность реализации суставного тремора, который вызывает флуктуации угла в суставе в диапазоне до 1° [10], поэтому момент вращения, возникающий при изгибе измерительной пластины на предельный угол 1°, должен быть меньше, чем момент трения в оси потенциометра (12). Правильный подбор жесткостных свойств упругой измерительной пластины позволит четко разграничить два физиологических процесса: произвольное целенаправленное изменение суставного угла при выполнении естественных движений и непроизвольные флуктуации суставного угла, вызванные тремором. При изменениях угла менее чем на 1°, что соответствует диапазону функционирования тремора [1], подвижность предложенного устройства определяется только упругой измерительной пластиной, так как момент трения в оси потенциометра больше возникающего момента вращения и поэтому ось потенциометра (12) неподвижна. При углах поворота более 1°, что соответствует выполнению произвольных движений, возникает вращающий момент, превосходящий момент трения, и ось потенциометра свободно поворачивается, обеспечивая измерение суставного угла потенциометрическим каналом предлагаемого устройства.
Устройство для измерения суставного тремора работает следующим образом.
1-2
1-2
Перед началом измерений тензодатчики (8), регистрирующие деформацию измерительной пластины (7), подключают к тензоусилительному устройству (не указано). Выводы потенциометра (11) соединяют с омметром, обеспечивающим измерение его сопротивления (не указан). На исследуемый сустав испытуемого укрепляют предлагаемое устройство с помощью, например, резинового бинта так, чтобы шины (1) и (2) располагались на звеньях сустава, а ось вращения потенциометра (12) совпадала с осью вращения сустава. Мгновенные значения сигнала тензоусилителя, к которому подключены тензодатчики (8), пропорциональны деформации измерительной пластины (7), а ее деформация пропорциональна углу поворота шин (1) и (2) устройства и, соответственно, углу микроколебаний сустава (тремору). Для получения абсолютных значений спектра амплитуд микроколебаний угла (тремора) и макроуглы поворота звеньев сустава при выполнении естественных произвольных движений предлагаемое устройство необходимо протарировать по обоим измерительным каналам.
Для тарировки тензоканала устройства контролируют сигнал на выходе усилителя в зависимости от амплитуды микроколебаний угла поворота шин в диапазоне до 1°. Для тарировки другого канала контролируют сигнал на выходе омметра в зависимости от угла поворота шин гониометра, больших 1°.
Затем в соответствии с физиологией регуляции движений человека, которая раскрывается биомеханическим анализом амплитудно-частотного спектра сигнала суставного тремора узко профильными специалистами, например, врачами-травматолагами, невропатологами, протезистами, тренерами и т.п., из чего можно установить истинные механизмы нарушений нервно-мышечных процессов, вызванные травмами или заболеваниями, кроме того, возникает возможность высокоэффективной и целенаправленной реабилитации после ряда заболеваний, возможно, также совершенствование методики тренировки, например, в спорте.
Предлагаемое в качестве изобретения устройство для измерения суставного тремора позволяет существенно расширить функциональные возможности при одновременном повышении достоверности измерений за счет определения количественных характеристик тремора не только в статике или при выполнении тестовых заданий, а в условиях осуществления произвольных естественных двигательных действий.
Устройство для измерения суставного тремора позволяет повысить достоверность измерений за счет того, что выполняется количественная оценка не интегральных результирующих характеристик микроколебаний всей конечности, а анализируется тремор конкретного сустава, что особо важно при лечении травм и протезировании.
Также предлагаемое устройство для измерения суставного тремора повышает объективность диагностики и анализа биомеханики движений, а также процесса реабилитации больных, возникает возможность объективного контроля и коррекции при проектировании и изготовлении протезов за счет синхронного измерения тремора и угла в изучаемом суставе.
Предлагаемое в качестве изобретения устройство для измерения суставного тремора позволяет упростить и ускорить процесс измерения и диагностики за счет использования надежной, стабильной, высокоточной и технологичной угломерной аппаратуры.
Источники информации
1. Андреева, Е.А. О связи суставного тремора с процессом управления суставным углом / Е.А.Андреева, Х.А.Тураханов, О.Е.Хуторская, В.И.Чернов. Автоматика и телемеханика. - 1969. - №12.
2. Пат. СССР 733653, МКИ А61В 5/10. Устройство регистрации угловых параметров позы оператора/ Н.П.Прокофьев, В.А.Зубарьков, А.И.Харламов. - №2576744-13; заявлено 08.02.1978; опубл. 16.05.1980.
3. Пат. СССР 240912, МКИ А61В 4/06. Устройство для измерения движений стопы относительно голени/М.П.Полян, В.И.Корюкин. - №1222176/31-16; заявлено 27.02.1968; опубл. 01.04.1969.
4. Пат. СССР 719608, МКИ А61В 5/10. Гониометр/ Х.А.Янсон, И.З.Гольденштейн, В.Я.Регжа. - №243847/28-13; заявлено 10.01.1977; 5. Пат РФ 2074640, МКИ А61В 5/16. Секционный тремометр Верхало Ю.Н./Ю.Н.Верхало. - №5061334/14; заявлено 02.09.1992; опубл. 10.03.1997.
6. Пат. РФ 78655, МПК А61В 5/11. Измеритель тремора / А.В.Мещеряков - №2008129957/22; заявлено 21.07.2008, опубл. 10.12.2008.
7. Пат РФ 2028080, МКИ А61В 5/16. Способ диагностики непроизвольных движений конечности и устройство для проведения исследований / В.И.Матвеев. - №4777700/14; заявлено 27.11.1989; опубл. 09.02.1995.
8. Пат. СССР 279883, МКИ А61В 5/10. Способ исследования тремора/С.Э.Вальтерис, Ш.П.Кучингис, В.В.Нейукайтис, И.П.Рауба. - №1332783/31-16; заявлено 23.05.1969; опубл. 15.02.1971.
9. Пат. РФ 79239, МКИ А61В 5/11. Система регистрации пальцевого тремора /С.В.Прокопенко, Е.В.Шанин, Е.Г.Шанина. - №2008128039/22; заявлено 09.07.2008; опубл. 27.12.2008.
10. Пат РФ 24920, МКИ А61В 5/00. Дифференциальный датчик для регистрации высокоамплитудного тремора / М.Я.Брагинский, В.М.Еськов, Е.В.Майстренко. - №2002106025/20; заявлено 14.03.2002; опубл. 10.09.2002.
11. Пат РФ 2102922, МКИ А61В 5/11. Тремометр / Ю.В.Власов, П.Б.Дергачев, М.В.Попова, B.C.Лабунец, О.А.Балунов, К.В.Черенков. - №95122711/14; заявлено 05.12.1995; опубл. 27.01.1998.
12. Пат. РФ 2195869, МКИ А61В 5/16. Способ оценки функционального состояния центральной нервной системы человека и устройство для его реализации /В.В.Манойлов, С.П.Романов. - №2000128698/14; заявлено 08.11.2000; опубл. 10.01.2003.
13. Пат. РФ 40866, МКИ А61В 5/00. Устройство для экспресс-измерения психофизиологических данных человека/ Н.Г.Головко, В.М.Коршунов, А.И.Филиппов. - №2004121320/20; заявлено 15.07.2004; опубл. 10.10.2004.
14. Гурфинкель B.C. Регуляция позы человека / B.C.Гурфинкель, Я.М.Коц, М.Л.Шик. - М.: «Наука», 1965, 256 с.