СПОСОБ ИМИТАЦИИ ХОДЬБЫ И БЕГА ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИИ БОЛЬНЫХ С РАЗЛИЧНЫМИ ДВИГАТЕЛЬНЫМИ НАРУШЕНИЯМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК A61H23/00 A61H39/00 A61N2/04 

Изобретение относится к медицинским приборам и медицинскому оборудованию и касается устройств для имитации ходьбы человека в условиях его ограниченной подвижности.

Известен способ имитации ходьбы в условиях ограниченной подвижности, в соответствии с которым тело человека соединяют с опорной системой упругой связью и воспроизводят кратковременные инерционно-ударные нагрузки, направленные по продольной оси тела с целью преодоления упругих сил связи [1]
Известно также устройство для имитации ходьбы человека, основанное на дозированном возбуждении вибраторами, размещенными в областях опорных зон подошвенной поверхности стоп человека. В соответствии с заданной программой вибраторы включаются в ритме естественного локомоторного акта ходьбы человека. В комплекс устройства входят платформы-подошвы с четьрьмя вибраторами на каждой и четырьмя парами выносных вибраторов, которые укрепляются эластичными манжетами: на задней поверхности бедра, на передней поверхности бедра, на передней поверхности голени и на месте перехода ахиллова сухожилия в икроножную мышцу. Аналогичное расположение вибраторов осуществляется на правой и левой нижних конечностях [2]
Указанные способ и устройство для имитации ходьбы человека не позволяют осуществить синхронизацию мышечных нагрузок с темпом ходьбы, т.е. не позволяют имитировать локомоторный акт. Кроме того, при ограниченной подвижности человека опорные зоны стоп ног не подвергаются воздействиям, существующим при нормальной ходьбе, когда опорные зоны стоп, ахиллово сухожилие и другие системы, связанные с двигательными функциями, периодически возбуждаются в ритме ходьбы человека, отсутствие возбуждения механорецепторов в конечном итоге приводит к нарушениям статокинетической регуляции.

Техническим результатом изобретения является имитация локомоторного акта, синхронизация мышечных нагрузок с темпом ходьбы и улучшение реабилитационного эффекта.

Технический результат достигается тем, что на опорные зоны стоп воздействуют механическими колебаниями и колеблющимся магнитным полем, причем сначала воздействуют на пяточные опорные зоны и постепенно переходят к носковой части стопы, воздействия на опорные зоны механическими колебаниями осуществляют с частотой (104; 52; 26) ±5% Гц, магнитным полем с частотой (6-7) Гц.

Технический результат достигается тем, что на опорных площадках расположены матрицы возбудителей механических колебаний, сердечники которых выполнены в виде постоянных магнитов и содержат сердечник, выполненный в виде пустотелого цилиндра, соединенный с диэлектрическим подвижным сердечником, выполненным из диэлектрического материала, внутри которого установлен с возможностью перемещения сердечник, выполненный в виде постоянного магнита, подпружиненного пружиной с криволинейной поверхностью, а собственная частота колебаний диэлектрического сердечника относится к собственной частоте магнитного сердечника, как 1:12.

На фиг. 1 изображена схема предложенного устройства; на фиг. 2 - сечение вибровозбудителя; на фиг. 3 схема устройства слежения запоминания (здесь и далее обозначения в тексте); на фиг. 4 схема аналого-цифрового преобразователя; на фиг. 5 и 6 схемы модуля аналогового ввода; на фиг. 7 - схема модуля цифрового ввода-вывода; на фиг. 8 спектральная характеристика естественного электромагнитного поля в атмосфере Земли; на фиг. 9 - усредненные частотные характеристики колебаний иглы в биологически активной точке; на фиг. 10 порогово-частотные характеристики телец Пачини (обозначения в тексте); на фиг. 11 порогово-частотные характеристики телец Пачини при вибрационной стимуляции; на фиг. 12 сравнительные данные о влиянии времени возбуждения на пороговые характеристики Р/Р_o в зависимости от частоты возбуждения; на фиг. 13 внешний вид предложенного устройства.

Частота пульса и величина тургора мышц измеряются датчиками 1, 2 и преобразуются в электрические сигналы, усиливаются с помощью усилителя 3, далее с помощью активного фильтра 4 из сигнала удаляются нежелательные составляющие (фиг. 1). Отфильтрованный сигнал поступает через аналоговый мультиплексор 5 на блок слежения-запоминания 6. Применение мультипликатора 5 позволяет в режиме разделения времени использовать единственный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 для многих каналов.

Преобразование аналоговой величины в цифровую всегда происходит за некоторый конечный промежуток времени. В течение этого промежутка времени сигнал на входе АЦП 7 должен поддерживаться неизменным. Эту функцию выполняет блок слежения-запоминания 6, сигнал на выходе которого пропорционален сигналу на входе до тех пор, пока не последует команда запоминания, после которой сигнал на выходе остается постоянным в течение промежутка времени, необходимого для преобразования сигнала в цифровую форму.

Аналого-цифровой преобразователь 7 преобразует уровень напряжения на входе в соответствующую цифровую величину. Далее цифровые данные через интерфейсные схемы сопряжения 8, 9 поступают в общую магистраль персонального компьютера (РС) 10.

С персонального компьютера 10 со стандартным интерфейсом CENTRONICS осуществляется управление двумя опорными площадками 11, 12 с матрицевыми вибровозбудителями 13. Вибровозбудитель (фиг. 2) содержит корпус 14, выполненный из диэлектрического материала (текстолит), обмотку возбуждения 15, основание 16 с установленным на нем постоянным магнитом 17 (самарий-кобальтовый). Внутри обмотки 15 установлена диэлектрическая направляющая 18. В ней установлен одноименными полюсами к постоянному магниту 17 с возможностью перемещения постоянный магнит 19. С диэлектрической направляющей 18 соосно установлен и соединен пустотелый цилиндр 20, выполненный из диэлектрического материала. Внутри пустотелого цилиндра установлен с возможностью перемещения сердечник, выполненный в виде постоянного магнита 2, подпружиненный пружиной 22 с криволинейной наружной поверхностью.

Аналоговый мультиплексор 5 выполнен на МОП транзисторах (К590КТ1). Сопротивление закрытого ключа достигает тысяч мегаом, и в этом отношении он становится близким к идеальному ключу, находящемуся в разомкнутом состоянии. По сравнению с другими полупроводниковыми ключами как полевой транзистор с р-n-переходом, так и МОП-транзистор характеризуются полным отсутствием напряжения смещения в открытом состоянии. Открытый ключ в этом случае подобен линейному омическому резистору от нескольких десятков до нескольких сотен ом. Источниками погрешностей таких ключей являются сопротивление открытого ключа, ток утечки и переходные процессы.

Динамические характеристики аналогового коммутатора определяются временем переключения. Это время для ключа на МОП-транзисторах составляет сотни наносекунд. Под влиянием паразит-схема модуля аналогового ввода приведена на фиг. 5, где П_д передатчик, П_р приемник, Т_эн триггер знака, ДША, У_пр дешифратор адреса и управляющих сигналов, СОП схема определения полярности, АЦП аналого-цифровой преобразователь, СУС схема управления и синхронизации АЦП, Р_гД В_ыв регистр данных вывода, У усилитель, МС мультиплексор, АК адрес канала. Рассмотрим принцип его работы. Вначале с помощью программного цикла "Запись" выбирается один из входных каналов. Селектор адреса и дешифратор управляющих сигналов вырабатывает разрешающий сигнал "Вывод О", по которому размещается запись кода адреса выбранного канала, поступающего из магистрали микроЭВМ в регистр данных вывода (биты Д₀₀ Д₀₃). С выхода регистра код поступает на адресный вход АК мультиплексора МС. Напряжение из выбранного канала поступает на усилитель У и далее на АЦП и схему определения полярности входного сигнала СОП. Схема определения полярности позволяет упростить реализацию АЦП.

Одновременно сигнал "Вывод О" запускает схему управления и синхронизации АЦП. После завершения цикла преобразования по сигналу "Конец преобразования" устанавливается в 1 триггер Т "Готовность" (бит Д₁₀). С помощью программного цикла "Чтение" состояние триггера "Готовность" может быть считано микроЭВМ (разрешающий сигнал "Ввод 4"). Прием результата преобразования в РС 10 осуществляется также с помощью программного цикла "Чтение", при этом вырабатывается разрешающий сигнал "Ввод 2" и через передатчики код данных (Д₀₀ Д₀₉) и код знака (Д₁₅) поступают в магистраль микроЭВМ.

Для обеспечения гальванической развязки системы питания микроЭВМ и измерительной части модуля используется изолирующий источник питания. Гальваническая развязка интерфейсной части модуля и его аналоговой части осуществляется с помощью оптоэлектронных ключей.

Подсистема аналогового вывода (фиг. 6) построена на базе серийно выпускаемого модуля 15КА-60/4-009. Модуль содержит четыре параллельных канала и предназначен для преобразования цифровых данных, выдаваемых персональным компьютером, в напряжение постоянного тока. Модуль состоит из приемников П_пр и передатчиков П_д магистрали, дешифратора адреса и управляющих сигналов ДША и У_пр, регистров данных Р_гД₁ - Р_гД₄, 10-разрядных ЦАП₁ ЦАП₄, источника опорного напряжения Е₀.

Код адреса А и управляющие сигнал У_пр поступают из магистрали РС 10 через приемники П_р на дешифратор адреса и управляющих сигналов ДША и У_пр, который вырабатывает один из сигналов обращения к выбранному регистру (Выв). Код данных (Д₀₀ Д₀₉) поступает на информационные входы всех регистров Р_гД, однако запись производится только в выбранный регистр. С выходов регистра код поступает в ЦАП, где преобразуется в напряжение постоянного тока. Цифровая и аналоговая части модуля гальванически развязаны с помощью оптоэлектронных ключей. Питание аналоговой части модуля осуществляется от изолирующего источника напряжения. Источник опорного напряжения Е₀ вырабатывает два отдельных напряжения: положительное (+10,24 В) и отрицательное (-10,24 В). По выбору с помощью перемычек можно на любой из ЦАП подать соответствующее опорное напряжение Е₀ и получить на выходе ЦАП напряжение нужной полярности.

Блок слежения-запоминания 6 (фиг. 3) принимает входной уровень напряжения в точно определенный момент времени и удерживает этот уровень напряжения на входе на время выполнения одного преобразования АЦП. Работа устройств слежения-запоминания основана на принципе хранения заряда на конденсаторе С (фиг. 3, 4). В то время, когда аналоговый ключ К_л замкнут, напряжение на конденсаторе С в точности следует за напряжением на входе. В момент размыкания ключа слежение прекращается и напряжение на конденсаторе С остается постоянным и соответствующим моменту размыкания ключа. Входной БУ₁ и выходной БУ₂ буферные усилители включены по схеме повторителей. Входной усилитель БУ₁ предотвращает шунтирование запоминающего конденсатора С входными в то время, когда ключ открыт. Выходной усилитель БУ₂, имея высокое входное сопротивление, существенно уменьшает скорость разряда запоминающего конденсатора С при разомкнутом ключе.

Аналого-цифровой преобразователь 7 (фиг. 4) выполнен по схеме поразрядного уравновешивания, характеризуется быстродействием 50000 преобразований в секунду при высокой разрешающей способности 16 бит. Его работа основана на принципе последовательного сравнения с помощью компаратора входного напряжения и напряжения, вырабатываемого цифровоаналоговым преобразователем (ЦАП), входящим в состав АЦП (фиг. 4). Напряжение поступает на компаратор У₁, реализованный на микросхеме К521СА3. На другой вход компаратора поступает напряжение, вырабатываемое ЦАП, состоящим из цифровоаналогового преобразователя У₃ (К521ПА1) и операционного усилителя У₄ (К140УД6). Основные функции по реализации алгоритма поразрядного уравновешивания выполняет регистр последовательного приближения У₂ (К155ИР17). В начале преобразования на вывод 14 регистра У₂ подается уровень "О" (сигнал START), а на вывод 13 положительный сигнал, по переднему фронту которого на выводах 21 16, 9 5 устанавливается код 01111111111, а на выходе появится напряжение, равное 0,5 Е₀. Это напряжение компаратором У₁ сравнивается с напряжением на входе. Сигнал на выходе компаратора поступает на вход данных регистра У₂ (вывод 11). Затем схемой управления вырабатывается еще один положительный сигнал, который подается на вход синхронизации регистра У₂ (вывод 13). При этом старший разряд (вывод 21) устанавливается в состояние, в котором в настоящий момент находится вход данных регистра (вывод 11), а следующий разряд (вывод 20) устанавливается в 0. Синхронизирующие сигналы СС будут поступать на вывод 13 до тех пор, пока на выводе 5 не появится 0, служащий признаком окончания преобразования. В этот момент с выходов инверторов У_5.1 У_5.10 считывается код, числовое значение которого соответствует данному напряжению.

Система содержит не только аналоговые входные и выходные величины, характеризующие частоту пульса и величину тургора мышц (с помощью датчика 1, 2), но и цифровые величины, позволяющие оператору задавать имитируемую скорость ходьбы пациента. В этом случае сигналы на входе представляют заданный темп ходьбы. Для сопряжения этих сигналов с РС 10 их предварительно преобразуют в стандартный уровень. В качестве преобразующих схем использованы триггеры Шмитта и согласователи уровней. В качестве переключающих элементов использованы полевые транзисторы с V-структурой (VMOS). В качестве основы для построения подсистемы цифрового ввод-вывода использовано устройство параллельного обмена И215 КС-180-032.

Упрощенная схема устройства представлена на фиг. 7.

Для передачи данных из ЭВМ во внешнее устройство ВУ адрес регистра вывода Р_гВ_ыв и управляющие сигналы У_пр через приемник подаются на дешифратор адреса и управляющих сигналов ДША и У_пр, который, в свою очередь, вырабатывает сигнал разрешения "Вывод 2". По этому сигналу происходит запись данных (Д₀ Д₁₅) в Р_гДВ_ыв (данные к этому моменту присутствуют на информационных входах регистра). С выводов регистра данные поступают на разъем связи РС с внешним устройством ВУ.

При необходимости данные, хранящиеся в регистре вывода Р_гДВ_ыв, могут быть считаны программным путем. Для этой цели служат разрешающий сигнал "Ввод 2" и передатчики магистрали.

При вводе данных из внешнего устройства в ЭВМ используется адрес регистра ввода и цикл магистрали "Чтение". При этом вырабатывается разрешающий сигнал "Ввод 4". Вентильные схемы передатчиков открываются и код из внешнего устройства поступает в магистраль РС 10. Таким образом, с помощью рассмотренного устройства можно организовать выдачу управляющих сигналов в контролируемый объект, а также обеспечить прием дискретных сигналов по входным каналам.

Способ имитации ходьбы и бега человека и устройство для его осуществления работают следующим образом. Сначала измеряют тургор мышц и частоту пульса и устанавливают их соответствие темпу ходьбы. Затем пациент (оператор) устанавливает свои стопы на опорные площадки 11, 12, на которых расположены матрицы вибровозбудителей 13. На пациента (оператора) устанавливают датчики частоты пульса и тургор мышц и включают систему. От датчиков 1, 2 на вход системы поступает сигнал, который усиливается усилителем 3. С помощью активного фильтра 4 из сигнала удаляются нежелательные составляющие. Отфильтрованный сигнал поступает через аналоговый мультиплексор 5 на блок слежения-запоминания 6 в аналого-цифровой преобразователь 7 и через интерфейсные схемы сопряжения поступают в общую магистраль персонального компьютера 10 со стандартным интерфейсом "CENTRONICS", с которого по определенной программе осуществляется управление системой матриц возбудителей. При подаче напряжения на обмотку возбуждения 15 диэлектрический сердечник совершает возвратно-поступательные движения (колебания) и воздействует полым цилиндром на тельца Фатер-Пачини стопы пациента (оператора). Роль активной пружины для диэлектрического сердечника 18 выполняет сила отталкивания, действующая между одноименными полюсами постоянных магнитов 17, 18. В связи с тем, что резонансные частоты диэлектрического сердечника 18 и магнитного сердечника 21 относятся, как 1 16, магнитный сердечник 21 начинает колебаться внутри полого цилиндра 20 со своей частотой механических колебаний и воздействует на тельца Фатер-Пачини, расположенные в опорных зонах стопы пациента (возможна инверсия конструкции). В матрице осуществляется коммутация работы возбудителей 13 последовательно с пятки на носок с частотой, соответствующей имитации темпа ходьбы. Время воздействия на рецепторные точки пропорционально скорости ходьбы и бега пациента и определяется из соотношения

где l длина стопы пациента;
n число возбудителей в продольном направлении по длине стопы или число рецепторных точек;
V скорость переката стопы в фазе опоры.

Для оценки требуемых параметров воздействия на различные зоны стопы проведен эксперимент по измерению частоты колебаний игл, введенных в биологически активные точки. Кроме стимуляции опорных зон, матрица предусматривает возможность стимуляции биологически активных зон стопы с целью проведения лечебно-профилактических мероприятий.

Теоретические расчеты и экспериментальные исследования спектральной характеристики колебаний электромагнитного поля (Н напряженность поля) Земли позволили установить максимальную амплитуду этих колебаний, зафиксированных на частотах 6 7 Гц (фиг. 8). Полученные данные коррелируют (А амплитуда колебаний) с усредненными частотными характеристиками иглы в биологически активной точке (фиг. 9). При механической стимуляции виброрецептора существенным является обеспечение совпадения ритма собственной биологической активности рецептора с оптимальной частотой механического раздражения (явление биохимического резонанса). Получены порогово-частотные характеристики телец Пачини (фиг. 10). На кривых представлены: 1 зависимость величины генераторного потенциала от частоты синусоидального механического раздражения, 2 период возбудимости, 3 зависимость относительного порога возбуждения Р/Р_о от частоты синусоидального вибрационного раздражения, 4 - зависимость порога раздражения от частоты звуковой стимуляции, 5 то же для рецепторов с проколотой капсулой.

Получены также порогово-частотные характеристики телец Пачини при вибрационной стимуляции (фиг. 11).

Ось абсцисс частота стимуляции, ось ординат относительные пороги Р/Р_о
1 характеристика рецептора при t 27^oC,
2 то же при t 36^oC,
3 реакция декапсулированного рецептора.

Исследования частотных характеристик виброрецепторов позволили установить, что в них четко выражены резонансные свойства на частоте f₀ 102,5 104 Гц. Резонансная частота разграничивает две области воспринимаемых частот, при которых в рецепторах возникает качественно различный импеданс. Энергия стимула в области низких частот (f < f₀) расходуется на преодоление упругих характеристик капсулы, а в области высоких частот (f > f₀) на сопротивление силам ее инерции. Снижение температуры окружающей среды приводит к сужению диапазона воспринимаемых частот. Виброрецептор можно представить как частотный фильтр, т. е. как систему, избирательно с минимальной потерей энергии воспринимающую частоты в диапазоне 104±5% Гц. За резонансные явления в виброрецепторе ответственны механические характеристики капсулы и цикличность АТФ АТФазного комплекса. При стимуляции виброрецептора в указанном диапазоне частот создаются не только оптимальные условия возбуждения, требующие минимальных затрат приложенной энергии, но и адаптация рецептора происходит значительно позднее (фиг. 12). Воздействуя на тельца Фатер-Пачини, расположенные в опорных зонах стопы пациента, последовательно с пятки на носок, которые, в свою очередь, связаны с внутренними системами организма, обеспечивающими локомоторный акт механическими колебаниями и магнитным полем со своими частотными параметрами, достигнут эффект имитации ходьбы и бега пациентов с отличным реабилитационным эффектом. Так, одиннадцатилетние испытания предложенных способа и устройства по реабилитации постинсультных и постинфарктных больных на базе клиник Управления N 4 МЗ РФ позволили на 30 40% уменьшить сроки их реабилитации. Предложенные способ и устройство полезны и здоровым операторам, ведущим малоподвижный образ жизни, например операторам ЭВМ, как профилактическое средство, уменьшающее гиподинамию пациентов.

Изобретение позволяет имитировать ходьбу и бег человека для реабилитации больных с различными двигательными нарушениями, а также в условиях его ограниченной подвижности путем воздействия на опорные зоны стопы механическими колебаниями с частотой (104; 52; 26) ±5% Гц и магнитным полем с частотой 6 - 7 Гц, постепенно переходя от пяточной к носковой части стопы. Время коммутации последующего возбудителя колебаний пропорционально скорости ходьбы и бега пациента. В качестве задатчика параметров возбуждения использован персональный компьютер, который связан с вибровозбудителями механических колебаний и магнитного поля, встроенными в матрицу, через устройство сопряжения. Блок управления выполнен в виде отдельного функционального блока, который подключается к персональному компьютеру через стандартный интерфейс CENTRONICS. Работоспособность устройства сопряжения поддерживается программным обеспечением, позволяющим реализовать все необходимые режимы работы вибровозбудителей, а также вести оперативный учет больных и характеристик примененного к ним лечения. Блок управления выполнен в отдельном корпусе и состоит из следующих частей: платы сопряжения, содержащей 9 цифровых микросхем, 8 операционных усилителей, 16 транзисторов, резисторы, конденсаторы; сетевого блока питания, содержащего трансформатор ТПП-253, два диодных моста КЦ402А, 3 транзистора, резисторы, стабилитроны, конденсаторы; все транзисторы расположены на общем радиаторе площадью 300 см². 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ имитации ходьбы и бега человека для реабилитации больных с различными двигательными нарушениями, включающий воздействие на рецепторные точки опорных зон стоп механическими колебаниями синхронно с темпом ходьбы, отличающийся тем, что одновременно с механическими колебаниями осуществляют воздействие колеблющимся магнитным полем, причем сочетанное воздействие осуществляют с начала на пяточные опорные зоны с постепенным переходом к носковой части стопы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие колеблющимся магнитным полем осуществляют с частотой 6 7 Гц, а механическими колебаниями с частотой или 26 ± 5% Гц, или 52 ± 5% Гц, или 104 ± 5% Гц, при этом время воздействия на рецепторные точки определяется из соотношения t l/nv, где l длина стопы, n число рецепторных точек, v скорость переката стопы в фазу опоры. 3. Устройство для имитации ходьбы и бега человека для реабилитации больных с различными двигательными нарушениями, включающее опорные площадки с матрицами возбудителей механических колебаний, связанных с формирователем управляющих сигналов, синхронизированных с темпом ходьбы, отличающееся тем, что возбудители механических колебаний снабжены сердечниками в виде постоянных магнитов, установленных с возможностью перемещения, а блок формирования управляющих сигналов выполнен с возможностью управления частотой колебаний магнитного поля. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в каждом из возбудителей механических колебаний постоянный магнит установлен в пустотелом цилиндре из диэлектрического материала и подпружинен с помощью пружины с криволинейной поверхностью, при этом цилиндр размещен на подвижном диэлектрическом сердечнике. 5. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что блок формирования управляющих сигналов включает персональный компьютер, информационные входы которого подключены к датчикам пульса и величины тургора мышц через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок слежения-запоминания, мультиплексор, активный фильтр и усилитель, а выходы персонального компьютера являются выходами блока формирования управляющих сигналов. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что для проведения лечебно-профилактических мероприятий персональный компьютер выполнен с возможностью управления включением возбудителей в зависимости от патологии пациента.