УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1997 года по МПК A61B5/16 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для исследования системы поддержания равновесия человека методом стабилографии, и может использоваться в диагностических целях при выявлении нарушений опорно-двигательных функций и для анализа опорных реакций в процессе выполнения спортивных и трудовых движений с целью профотбора или обучения для оптимизации их.

Изучение опорных реакций имеет большое значение в нейрологической практике, например при анализе вертикальной стойки человека, а также служит индикатором распределения нагрузок на мышцы опорно-двигательного аппарата при выполнении движений.

Известны стабилографы, содержащие источники питания, тензометрические мосты, усилители и регистраторы, которые предназначены для изучения колебаний проекции центра тяжести стоящего человека на горизонтальную плоскость, а также механические конструкции стабилографов для определения устойчивости человека, которые имеют регулируемые по жесткости опоры верхних панелей для изменения чувствительности регистрируемых опорных сигналов. Кроме того, известны содержащие стабилографы устройства для исследования функции равновесия и биомеханики движений человека и статических функций человека, а также устройства для оценки функционального состояния центральной нервной системы, в которых используются блоки сенсорных раздражителей и вычислители.

Ограниченные возможности устройств по анализу опорных реакций связаны с тем, что в них используются двухкоординатные стабилографы, регистрирующие только колебания проекции центра тяжести человека на горизонтальную опору по осям Х и У, и принимаются различные меры для исключения влияния массы тела на показания регистрирующих приборов. Во многих устройствах платформы, на которые встает испытуемый, изготовлены подвижными со сложной кинематикой передачи усилия, что нарушает нормальную функцию поддержания вертикальной стойки у человека и затрудняет ее изучение, особенно в случае патологии.

Известны силовые платформы фирмы Kistler, которые обеспечивают измерение сил реакций опоры, необходимое для эффективного анализа походки, бега, тянущих и толкающих усилий, прыжков и т.д. В этих платформах используются чувствительные к давлению и чувствительные на сдвиг пьезоэлектрические элементы, регистрирующие вертикальную и горизонтальные составляющие силы, действующей на платформу. По электрическим сигналам с этих элементов в вычислительной машине восстанавливается действие суммарной силы во времени в трехмерном пространстве. Использование таких платформ (не считая трудности и дороговизну изготовления чувствительных к направлению приложения силы кварцевых элементов со значительной площадью опоры) не позволяет непосредственно наблюдать регистрируемые опорные реакции и колебания проекции общего центра тяжести, которые могли бы анализироваться и быть преобразованы в сенсорный образ для испытуемого, стабилизация или регуляция которого позволили бы более точно следить за изменением его функционального состояния.

За прототип принято устройство для оценки функционального состояния ЦНС, содержащее двухкоординатный стабилограф, вычислитель, блок сенсорных раздражителей и регистратор, по своему функциональному назначению и по наличию основных блоков наиболее совпадающее с заявляемым устройством. Однако устройство использует всего два сигнала с выхода двухкоординатного стабилографа (отклонения по координатам Х и У), что ограничивает оценку состояния двигательной системы и сенсорных систем управления поддержанием равновесия, в частности вестибулярной и зрительной. Кроме того, устройство содержит блоки перестраиваемых и задаваемых коэффициентов, не позволяющие или затрудняющие сравнение результатов тестирования не только разных испытуемых, но одного и того же испытуемого в разные дни. Работая только с сигналами отклонения центра тяжести, устройство не позволяет регистрировать абсолютные значения опорных реакций и, следовательно, не позволяет оценивать нагрузку на опорно-двигательный аппарат.

Таким образом, целью изобретения является увеличение точности экспресс-диагностики функционального состояния организма благодаря отражению наиболее полной картины распределения нагрузок в опорно-двигательном аппарате человека, необходимой для оценки возможных нарушений работы систем поддержания равновесия и выявления компенсаторных возможностей организма при действии возмущений как на двигательный аппарат, так и на сенсорные органы, участвующие в регуляции вертикальной стойки и обеспечивающие сохранение равновесия.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для оценки функционального состояния центральной нервной системы, содержащее двухкоординатный стабилограф, блок сенсорных раздражителей и вычислитель, введены сумматор, дополнительные дифференциальные усилители регистрации опорных реакций, инверторы, последовательно соединенные преобразователи аналогового напряжения в частоту следования импульсов и блоки счета и цифровой индикации, схема управления регистрацией и многоканальный аналого-цифровой преобразователь для ввода информации в вычислитель для временного, амплитудного и частотного анализа введенных сигналов.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для оценки функционального состояния центральной нервной системы, где 1 электрическая схема стабилографа, 2 мостовые схемы из тензорезисторов, 3 дополнительные дифференциальные усилители опорных реакций, 4 дифференциальные усилители отклонений, 5 сумматор, 6 аналого-цифровой преобразователь, 7 блок сенсорных сигналов, 8 преобразователи аналогового напряжения в частоту следования импульсов, 9 инверторы, 10 счетчики с цифровой индикацией, 11 - схема управления регистрацией, 12 компьютер, 13 входы для ввода физиологических параметров; на фиг. 2 осциллограммы анализируемых сигналов опорных реакций и отклонений, введенных в память компьютера для статистической обработки и частотного анализа.

Устройство (фиг. 1) состоит из стабилографа 1, тензорезисторы на каждом из опорных элементов которого соединены в мостовые схемы 2, первые диагонали которых подключены к источникам питания, а вторые диагонали к входам дифференциальных усилителей 3 для регистрации опорных реакций, выход первого из которых подключен к первым инвертирующим входам основных дифференциальных усилителей 4 для регистрации отклонений колебаний центра тяжести, выход второго подключен к второму инвертирующему входу первого дифференциального усилителя 4 и к первому неинвертирующему входу второго дифференциального усилителя 4, выход третьего подключен к первому неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя 4 и к второму неинвертирующему входу второго усилителя 4, а выход четвертого усилителя 3 подключен к второму неинвертирующему входу первого усилителя 4 и к второму инвертирующему входу второго усилителя 4. Выходы всех дополнительных дифференциальных усилителей 3 подключены к входам сумматора 5 и к входам аналого-цифрового преобразователя 6, к входам которого присоединены также выход сумматора 5 и выходы дифференциальных усилителей 4, соединенные также с входами блока формирования сенсорных раздражителей 7. Кроме того, выход каждого дифференциального усилителя 4 подключен к входам пары преобразователей 8 аналогового напряжения в частоту следования импульсов одного непосредственно, а другого через инвертор 9, к выходам которых подключены блоки 10 счета и цифровой индикации, дополнительные входы которых подключены к выходу схемы управления регистрацией 11, которая является программируемым таймером. Выход многоканального аналого-цифрового преобразователя 6 соединен с компьютером 12, в который также могут быть введены по входу 13 аналого-цифрового преобразования 6 физиологические параметры, характеризующие состояние испытуемого.

Преобразователь 8 аналогового напряжения в частоту следования импульсов выполнен по оригинальной схеме управляемого генератора импульсов, обеспечивающей высокую чувствительность к сигналам малой амплитуды и широкий диапазон изменения частоты следования импульсов.

Для связи с ПЭВМ 12 использованы в качестве аналого-цифрового преобразователя 6 стандартное устройство СЭТ-1 для многоканального ввода аналоговых сигналов и разработанная в ЛИАП на кафедре АСУ в отделе АИС программа ANDEХ для визуализации и первичной обработки введенных в ЭВМ сигналов. Все усилители выполнены на базе операционных усилителей интегральных микросхем, а схемы счета и цифровой индикации выполнены на элементах двоичной логики счетчики и регистры.

На фиг.2 представлен фрагмент осциллограммы опорных реакций (обозначены в соответствии с обозначениями усилителей на фиг.1) 3-1, 3-2, 3-3 и 3-4, суммарной опорной реакции 5, равной весу испытуемого в спокойном состоянии поддержания вертикальной стойки, и отклонений проекции центра тяжести в плоскости опоры 4-У и 4-Х во время спокойного состояния за 20 с.

Устройство работает следующим образом. Когда испытуемый встает на платформу стабилографа 1, опорные элементы под действием нагрузки деформируются, нарушая баланс мостовых схем 2 из тензорезисторов, сигналы с которых усиливаются дифференциальными усилителями 3, напряжения на выходах которых пропорциональны величинам соответствующих опорных реакций. Эти напряжения складываются на сумматоре 5, напряжение на выходе которого пропорционально весу испытуемого или общей реакции давления на опору. Кроме того, напряжения с выходов усилителей 3 подаются по типу мостовой схемы на входы двух дифференциальных усилителей 4, на выходах которых формируются напряжения, пропорциональные, соответственно, разбалансу величины усилия отдельно по координатам Х и У на опорной поверхности, независимо от абсолютного веса испытуемого. Эти семь напряжений четыре, характеризующие вертикальные опорные реакции по углам платформы стабилографа, одно, характеризующее суммарную опорную реакцию, и два, характеризующие только отклонения относительно координат Х и У в горизонтальной плоскости опорной поверхности, поступают на входы многоканального АЦП 6 для их текущей обработки и хранения исходных данных и результатов анализа в памяти ПЭВМ 12. Напряжения с выходов усилителей 4 поступают в блок 7 сенсорных раздражителей (звуковой, световой, тактильный), формирующих сигнал, интенсивность которого может восприниматься соответствующими органами чувств испытуемого. Эти сигналы используются в качестве каналов обратной связи, например, для коррекции позы, если перед испытуемым ставится задача стабилизировать свое положение на опорной поверхности с определенным соотношением опорных реакций. Последовательно соединенные преобразователи 8 аналогового напряжения в частоту следования импульсов и блоки 20 счета и цифровой индикации позволяют непосредственно в ходе эксперимента дать количественную экспресс-оценку асимметричности опорных реакций в процессе поддержания вертикальной стойки за время, устанавливаемое схемой 11 управления регистрацией. Наличие инверторов позволяет отдельно оценивать величину отклонений вверх и вниз и вправо и влево относительно координатных осей Х и У, пересечению которых соответствует центр поверхности верхней панели стабилографа.

Учитывая высокую чувствительность сенсорного аппарата человека к возможным перемещениям или смещениям платформы стабилографа, необходимо, чтобы опорные элементы его конструкции обладали достаточной жесткостью. Отличительной особенностью схемы устройства является то, что в стабилографе опорные элементы, расположенные под каждым из углов платформы, на которую встает испытуемый, снабжены тензодатчиками, которые соединены в тензометрические мосты и подключены к отдельным дифференциальным усилителям для измерения деформаций отдельно на каждой опоре. Усиленные сигналы с выходов этих усилителей далее подаются к входам дифференциальных усилителей для формирования сигналов, аналогичных отклонению в двухкоординатных стабилографах. Последовательное подключение этих дифференциальных усилителей по мостовой схеме значительно повышает чувствительность тензометрических мостов, позволяя повысить жесткость опорных элементов до такой степени, чтобы изменения положения платформы вследствие колебаний тела человека не воспринимались его весьма чувствительным сенсорным аппаратом.

Возможность регистрации отдельно каждой из опорных реакций позволяет более точно анализировать нагрузки на двигательный аппарат, так как они дифференцируются относительно правой и левой ноги и относительно распределения нагрузки на носки и пятки во время регуляции позы или удержания нормальной для человека стойки. Эти данные важны для профотбора, так как характеризуют активность нервной системы по управлению сокращением мышц и ее затраты на поддержание равновесия, а также помогают выявить причины перенапряжения в отдельных группах мышц, особенно у работающих стоя. Задавая уровень опорных реакций через блок сенсорных коррекций, можем оценить усилия определенных групп мышц по регистрации их ЭМГ-активности и диапазон регулирования их активности, необходимый для удержания равновесия человеком.

Устройство также позволяет исследовать центральные механизмы регуляции поз и движений, используя методы кросс-корреляционного анализа для выявления связи или доказательства ее отсутствия в управлении как отдельными опорными реакциями, так и между ними и сенсорными сигналами, включая ЭМГ-активность и активность нервных элементов различных структур мозга, участвующих в организации двигательных функций.

Использование: устройство относится к области медицины и медицинской техники и может быть использовано в диагностических целях при выявлении нарушений опорно-двигательных функций. Сущность: устройство содержит стабилограф, блок сенсорных раздражителей, блок оценки отклонений проекции центра тяжести относительно координатных осей Х и У в плоскости опоры и вычислитель. Устройство предназначено для регистрации и анализа распределения опорных реакций человека во время поддержания вертикальной стойки в норме, во время выполнения трудовых движений или при патологических процессах и заболеваниях опорно-двигательного аппарата, включая нарушения работы нервной системы. Новизна заключается в том, что устройство позволяет регистрировать кроме отключений проекций центра тяжести на опорной поверхности истинные величины опорных реакций за счет введения дополнительных дифференциальных усилителей между чувствительными элементами и усилителями отклонений, а также регистрировать суммарную величину опорной реакции. 2 ил.

Устройство для оценки функционального состояния центральной нервной системы, содержащее стабилограф, опорные элементы которого снабжены тензодатчиками в виде тензорезисторов, а выходом служат выходы дифференциальных усилителей отклонений, блок сенсорных раздражителей, входы которого подключены к выходам стабилографа, и вычислитель, отличающееся тем, что в него введены дифференциальные усилители опорных реакций, сумматор, преобразователи аналогового напряжения в частоту следования импульсов, инверторы, блок счетчиков, блок управления регистрацией и многоканальный аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход подключен к входу вычислителя, причем включенные в тензометрический мост тензорезисторы стабилографа одними входами подключены к источникам питания, другими подключены к входам дифференциальных усилителей опорных реакций, выход первого из которых подключен к первым инвертирующим входам каждого из дифференциальных усилителей отклонений, выход второго подключен к второму инвертирующему входу первого дифференциального усилителя отклонений и первому неинвертирующему входу второго дифференциального усилителя отклонений, выход третьего подключен к первому неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя отклонений и второму неинвертирующему входу второго дифференциального усилителя отклонений, а выход четвертого дифференциального усилителя опорных реакций подключен к второму неинвертирующему входу первого усилителя отклонений и второму инвертирующему входу второго усилителя отклонений, выходы всех дифференциальных усилителей опорных реакций подключены к входам сумматора и соединены с группой входов многоканального аналого-цифрового преобразователя, к другим входам которого подключены также выход сумматора и выходы дифференциальных усилителей отклонений, к каждому из которых подключены входы двух преобразователей аналогового напряжения в частоту следования импульсов одного непосредственно, а другого через инвертор, к выходам которых подключены первые входы блока счетчиков, вторые входы которых подключены к выходу блока управления регистрацией.