СПОСОБ И СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ЭЛЕКТРОМИОСТИМУЛЯЦИИ МЫШЦ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ИМ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ Российский патент 2023 года по МПК A61N1/32 A61B5/389 

Изобретение относится к способам мониторинга физического состояния и тренировок, а также к принадлежностям для занятий спортом, в частности к проведению тренировок с помощью специализированной одежды, оборудованной средствами ЭМС (электромиостимуляции).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время острейшей конкуренции и высокой плотности спортивных результатов вовлечение в спортивную подготовку наиболее эффективных вспомогательных тренировочных средств, представляется весьма полезным. Высокий результат в спорте высших достижений возможен, лишь, при оптимальном сочетании эффективных тренировочных программ, регулярном точном контроле наиболее информативных показателей специальной подготовленности, применении широкого арсенала нетрадиционных вспомогательных методик. Учет необходимости достижения достаточного уровня промежуточных реперных точек физического состояния спортсмена в течение разных периодов годичного цикла подготовки и умелое планирование применения наиболее эффективных тренировочных и вспомогательных средств являются залогом побед на самых престижных соревнованиях.

Исследования применения методики динамической электромиостимуляции в спортивной подготовке, периодически проводились, начиная с 80-х годов прошлого века до настоящего времени и показали безусловность положительного воздействия на различные стороны лыжегоночной подготовленности спортсменов и на интегральный показатель - спортивный результат в лыжных гонках и биатлоне.

Из текущего уровня техники известны: «Костюм для эмс тренировоки система его содержащая», RU 2659892 С2, опубл. 30.03.2018. Изобретение относится к принадлежностям для занятий спортом, в частности к проведению тренировок с помощью специализированной одежды, оборудованной средствами ЭМС (электромиостимуляции). Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленного решения, является повышение эффективности тренировки за счет целенаправленного воздействия на различные группы мышц. Заявленное изобретение выполняется в виде костюма для проведения ЭМС тренировок, содержащего жилет, пояс для тренировки мышц ягодиц, манжеты для рук и ног, где каждая из частей костюма содержит электроды для ЭМС, причем жилет выполнен из основных композиционных частей: спинки и двух полочек, содержит вшитые ЭМС электроды, фиксатор в виде молнии, в спинке содержится группа электродов, равномерно распределенная по всей области спинки, в каждой из полочек содержится группа электродов, причем каждый электрод фиксируется в специально изготавливаемом токопроводящем кармашке на подкладке жилета; пояс для тренировки мышц ягодиц содержит по меньшей мере два электрода, расположенных в специально изготавливаемых токопроводящих кармашках на подкладке пояса, и фиксатор в виде липучки; манжеты для рук и ног - каждая выполнена в виде единой детали, содержащей электрод и закрепляемой на конечности с помощью липучки; причем каждый из электродов выполнен с возможностью получения сигналов от блока управления.

Также известна: «Одежда для электромиостимуляции», RU 185746 U1, опубл. 17.12.2018. Полезная модель относится к области электротерапии путем стимуляции постоянными или прерывистыми электрическими импульсами и может быть применена в медицине, косметологии или профессиональном спорте. Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является обеспечение возможности применения токопроводящего кабеля в одежде для проведения электромиостимуляции. Сущность полезной модели заключается в том, что одежда для электромиостимуляции содержит электромиостимулятор, электрод и токопроводящий кабель и отличается тем, что токопроводящий кабель содержит проводник, переплетенный с нитями из латекса, и оплетку из полиэстера.

Основными недостатками существующих аналогов являются: отсутствие постоянного определения физического состояния человека при выполнении им двигательной активности, при этом не учитываются разности потенциалов мышц при выполнении различной двигательной активности, резервы в тренировке и сила нервной системы.

СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, присущих существующим аналогам.

Технический результат от использования данного технического решения заключается в повышении эффективности тренировок с использованием принципов электромиостимуляции, повышении безопасности и удобства при проведении подобных тренировок.

Данный технический результат достигается за счет предварительного определения типа и интенсивности двигательной активности человека, непрерывного мониторинга состояния физической формы и, в зависимости от этого, подбора оптимальных характеристик электромиостимуляции.

В одном из предпочтительных вариантов реализации предложен способ мониторинга физического состояния и электромиостимуляции мышц человека при выполнении им двигательной активности, характеризующийся тем, что: предварительно определяется тип и интенсивность двигательной активности; подбираются характеристики электромиостимуляции, включающие в себя: виды, амплитуды и продолжительность электрических импульсов; в процессе двигательной активности непрерывно проводится мониторинг состояния физической формы человека; определяются уровни собственных электрических потенциалов мышц и скорость их нарастания при выполнении двигательной активности; определяются и устанавливаются пороги скоростей и уровней напряжения мышц, а также разности потенциалов мышц при выполнении двигательной активности; при регистрации факта преодоления определенных на предыдущем шаге порогов скоростей и уровней напряжения мышцам передается дополнительная энергия в виде электрических импульсов, соответствующих вида, амплитуды и продолжительности.

Данное техническое решение может быть выполнено в виде системы мониторинга физического состояния и электромиостимуляции мышц человека при выполнении им двигательной активности, в состав которой входят: костюм, со встроенными силиконовыми электродами, расположенными на проксимальных и дистальных окончаниях мышц основных суставов человека, датчики, расположенные на сегментах рук, ног и туловища; связанные между собой, смонтированные на платах из нежесткого материала, встроенных в пояс костюма: схемы определения разности потенциалов, возникающих на мышцах потенциалов действия при физической работе, электростимулятор, предназначенный для передачи мышцам дополнительного электрического импульса, микропроцессор, элементы памяти, модуль связи, включатель, выключатель, индикаторные светодиоды, разъемы для зарядки, блок питания.

Датчики могут представлять собой акселерометр, гироскоп, миографические датчики.

Модуль связи может представлять собой модуль проводной или беспроводной связи по одному из существующих стандартов.

Разъемы для зарядки могут быть выполнены по одному из существующих USB стандартов.

Все измеренные данные могут передаваться посредством модуля связи для дополнительной программной обработки и анализа.

Управление системой может производиться посредством программного обеспечения, размещенного на мобильном устройстве.

Управление системой может производиться вовне посредством программно-аппаратного комплекса.

Дополнительная программная обработка и анализ могут быть основаны на работе нейронных сетей, что позволяет перераспределять подачу электрических импульсов, их вид, амплитуду, продолжительность на другие группы мышц, при переходе человека на другой тип и интенсивность двигательной активности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - блок-схема способа мониторинга физического состояния и электромиостимуляции мышц человека при выполнении им двигательной активности;

Фиг. 2 - фотография опытного образца как примера возможной реализации системы мониторинга физического состояния и электромиостимуляции мышц человека при выполнении им двигательной активности;

Фиг. 3 - кривая программной обработки показателей датчиков (красная линия) и электрические импульсы (зеленые прямоугольники).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

В данном устройстве микропроцессор является устройством обработки команд, под ним подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы).

Устройство обработки команд считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более устройства хранения данных. В роли устройства хранения данных могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флеш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические приводы.

Программа - последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины или устройством обработки команд.

Ниже будут рассмотрены некоторые термины, которые в дальнейшем будут использоваться при описании технического решения.

Электромиостимуляция (мионейростимуляция, миостимуляция) - метод восстановительного лечения, в основе которого лежит электрическая стимуляция нервов и мышц, осуществляемая посредством передачи тока с заданными характеристиками от миостимулятора к телу человека через электроды. Широко применяется для реабилитации пациентов после травм, с заболеваниями центральной и периферической нервных систем, в профессиональном спорте и косметологии.

Данное техническое решение обеспечивает повышение эффективности тренировок с использованием принципов электромиостимуляции, повышение безопасности и удобства при проведении подобных тренировок за счет предварительного определения типа и интенсивности двигательной активности человека, непрерывного мониторинга состояния физической формы и, в зависимости от этого, подбора оптимальных характеристик электромиостимуляции.

Согласно предлагаемому техническому решению, способ мониторинга физического состояния и электромиостимуляции мышц человека при выполнении им двигательной активности заключается в выполнении следующих этапов (блок-схема изображена на Фиг. 1).

Предварительно определяется тип и интенсивность двигательной активности.

Под типом подразумевается вид спорта, речь идет о разных физических упражнениях - лыжи, коньки, бег, волейбол и т.п. Также важен характер, если речь идет о разных проявлениях физических качеств в одном и том же упражнении. Например, бег на 100 м - проявление силы и быстроты, выносливость не нужна. Бег на длинные дистанции - требует высокий уровень качества выносливости. Соответственно, от данных параметров зависит подбор характеристик электромиостимуляции.

Подбираются характеристики электромиостимуляции, включающие в себя: виды, амплитуды и продолжительность электрических импульсов.

Вид характеризуется формой импульса - прямоугольный, синусоидальный и т.п. Таким образом, вид - это форма и характеристики (видимые) этой формы, например, синусоидальный с частотой 50 Гц, в зависимости от данных параметров, а также амплитуды и продолжительности электрических импульсов, электромиостимуляция может влиять в большей или меньшей степени на эффект развития того или иного физического качества.

В процессе двигательной активности непрерывно проводится мониторинг состояния физической формы человека.

Определяются уровни собственных электрических потенциалов мышц и скорость их нарастания при выполнении двигательной активности.

Определяются и устанавливаются пороги скоростей и уровней напряжения мышц, а также разности потенциалов мышц при выполнении двигательной активности.

При регистрации факта преодоления определенных на предыдущем шаге порогов скоростей и уровней напряжения мышцам передается дополнительная энергия в виде электрических импульсов, соответствующих вида, амплитуды и продолжительности.

При проведении испытаний описанного способа во всех исследованиях был обнаружен только положительный эффект на различные стороны подготовленности спортсменов и на спортивный результат. Оказалось, что динамическая электромиостимуляция четырехглавой мышцы бедра, применяемая при передвижении на вело, прыжках, в беге, лыжных гонках, вызывает:

• развивающие сдвиги физических качеств: взрывная сила (градиент силы при прыжке вверх), в среднем, возрастает от 8 до 13%, выносливость на 1.5 - 3% (средняя скорость передвижения на 10 км дистанции), быстрота на 3.3% (определялось за 20 повторений прохождения отрезка 100 м подъема 4% на лыжероллерах, поочередно, с применением электромиостимуляции и без нее);

• снижение потребления кислорода при передвижении на скорости ПАНО, в среднем, на 2.3 - 4.5%, снижение пульсовой стоимости (ПС) прохождения отрезков дистанции на 6.4% (ПС=ЧСС: (V х 60), уд/мин);

• повышение электроактивности стимулируемой группы мышц, в среднем, составило 14,3%. При этом обнаружено солидарное повышение электроактивности других, не стимулируемых групп мышц, являющихся синергистами четырехглавой мышцы бедра и, активно участвующих в решении поставленной задачи (на 6.1 - 6.7%). В это же время обнаружено снижение электроактивности мышц, которые не участвуют активно в продвижении спортсмена и должны расслабляться в это время цикла (на 6.5 - 7.1%);

• повышение экономичности функционирования организма спортсменов. Об этом свидетельствует снижение потребления кислорода при передвижении на уровне ПАНО и снижение пульсовой стоимости 1 м пути;

• срочную и долговременную адаптацию. Первые сдвиги основных показателей специальной подготовленности, определяемые в отсутствии описанного способа, в том числе и спортивного результата, появляются после 5 занятий с использованием описанного способа. После 10 занятий эффект сохраняется в течение 17-20 дней. В пересчете на дистанцию 10 км спортивный результат в исследованиях повышался от 18 до 50 сек.

В состав системы мониторинга физического состояния и электромиостимуляции мышц человека при выполнении им двигательной активности входят: костюм, со встроенными силиконовыми электродами, расположенными на проксимальных и дистальных окончаниях мышц основных суставов человека, датчики, расположенные на сегментах рук, ног и туловища; связанные между собой, смонтированные на платах из нежесткого материала, встроенных в пояс костюма: схемы определения разности потенциалов, возникающих на мышцах потенциалов действия при физической работе, электростимулятор, предназначенный для передачи мышцам дополнительного электрического импульса, микропроцессор, элементы памяти, модуль связи, включатель, выключатель, индикаторные светодиоды, разъемы для зарядки, блок питания.

В качестве примера выполнения описанной системы рассмотрим ее реализацию в качестве опытного образца (на Фиг. 2) и принципы его работы.

Опытный образец представляет собой аппаратно-программный электромиостимуляционный комплекс, состоящий из электронного блока, шорт, с вшитыми силиконовыми электродами, датчиками движения и программного обеспечения.

Внутри шорт расположены датчики (3-х осевые акселерометры и датчики углового положения бедра) для регистрации параметров движения и тренировки и силиконовые электроды для передачи электрических импульсов. Электростимулятор, батарея, микропроцессор, в котором находится программное обеспечение и другие электронные элементы, расположены в миниатюрной коробочке (электронном блоке), закрепляемой на поясе.

В качестве управления используются смартфоны и iPhone, часы и планшеты на основных операционных системах iOS и Android.

Человек выбирает с помощью мобильного приложения вид спорта, характеристики электрического импульса и, после начала передвижения, автоматически, при каждом отталкивании, получает электрический импульс на 4-х главую м бедра в момент ее наибольшего напряжения во время отталкивания в каждом шаге при передвижении во всех средствах тренировки.

Также осуществляется непрерывная регистрация параметров тренировочной деятельности автоматически после начала движения человека, реализована возможность сохранения данных тренировки и, при необходимости, их передачи.

В качестве модуля связи используется радиомодуль СС1101, который был выбран благодаря высокой функциональности, надежности и минимальному набору внешних компонентов, наличию встроенного генератора с автоподстройкой несущей частоты, что в свою очередь исключает настройку радиомодуля после сборки. Механизм защиты гарантирует, что данные будут получены без ошибки, либо не будут получены вовсе. Таким образом, исключается влияние внешней среды на передачу данных.

При включении питания в блоке питания микропроцессор проводит инициализацию миографических датчиков, схем определения разности потенциалов, возникающих на мышцах потенциалов действия при физической работе, гироскопа, акселерометра и радиомодуля. При успешной инициализации датчики переходят в режим ожидания команды от микропроцессора. При получении такой команды, считывают данные с миографических датчиков, акселерометра и гироскопа (данные об ускорении и угловой скорости с датчиков по радиоканалу), анализируют полученные данные, и на основании этих данных принимается решение об электростимуляции соответствующих мышц, то есть тех групп мышц, на которые установлены передающие импульс электроды. Кроме того, эти данные, а также момент начала стимуляции, записывают в съемную flash-память (SD). На Фиг. 3 изображена кривая программной обработки показателей датчиков (красная линия) и электрические импульсы (зеленые прямоугольники).

Специалисту в данной области, очевидно, что конкретные варианты осуществления способа и системы мониторинга физического состояния и электромиостимуляции мышц человека при выполнении им двигательной активности описаны здесь в целях иллюстрации, допустимы различные модификации, не выходящие за рамки и сущности объема изобретения.

Изобретение относится к способам мониторинга физического состояния и тренировок и может быть использовано для проведения спортивных тренировок с помощью специализированной одежды, оборудованной средствами электромиостимуляции. Способ включает использование системы мониторинга физического состояния мышц человека при выполнении им двигательной активности. Система содержит костюм со встроенными силиконовыми электродами, расположенными на проксимальных и дистальных окончаниях мышц основных суставов человека, и датчики, расположенные на сегментах рук, ног и туловища. Для мониторинга предварительно определяют тип и интенсивность двигательной активности. Подбирают характеристики электромиостимуляции, включающие в себя: виды, амплитуды и продолжительность электрических импульсов. Определяют уровни собственных электрических потенциалов мышц и скорость их нарастания при выполнении двигательной активности. Определяют и устанавливают пороги скоростей нарастания и уровней разности потенциалов мышц при выполнении двигательной активности. При регистрации факта преодоления определенных на предыдущем шаге порогов скоростей и уровней напряжения мышцам передается дополнительная энергия в виде электрических импульсов соответствующих вида, амплитуды и продолжительности. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности тренировок с использованием принципов электромиостимуляции, в повышении безопасности и удобстве проведения тренировок. 3 ил.

Способ электромиостимуляции мышц человека при выполнении им двигательной активности, характеризующийся тем, что включает использование системы мониторинга физического состояния мышц человека при выполнении им двигательной активности, которая содержит костюм со встроенными силиконовыми электродами, расположенными на проксимальных и дистальных окончаниях мышц основных суставов человека, датчики, расположенные на сегментах рук, ног и туловища; связанные между собой, смонтированные на платах, встроенных в пояс костюма: схемы определения разности потенциалов, возникающих на мышцах потенциалов действия при физической работе, электростимулятор, предназначенный для передачи мышцам дополнительного электрического импульса, микропроцессор, элементы памяти, модуль связи, включатель, выключатель, индикаторные светодиоды, разъемы для зарядки, блок питания, при этом предварительно определяют тип и интенсивность двигательной активности; подбирают характеристики электромиостимуляции, включающие в себя: виды, амплитуды и продолжительность электрических импульсов; определяют уровни собственных электрических потенциалов мышц и скорость их нарастания при выполнении двигательной активности; определяют и устанавливают пороги скоростей нарастания и уровней разности потенциалов мышц при выполнении двигательной активности, при регистрации факта преодоления определенных на предыдущем шаге порогов скоростей и уровней напряжения мышцам передается дополнительная энергия в виде электрических импульсов соответствующих вида, амплитуды и продолжительности.