Способ для измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК A61B10/00 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к методам биомеханических исследования для диагностических целей.

Известен способ измерения параметров резонансных колебаний биомеханических звеньев человека, который заключается в регистрации амплитудных, частотных и фазовых характеристик механического колебательного про цесса, совершаемого биомеханическим звеном при вибрационном механическом возбуждении колебани1| jTl .

Известен также способ измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека, заключающийся в регистрации амплитудных, частотных и фазовых характеристик механического колебательного процесса,-.совершаемого биомеханическим звеном при статическом механическом возбужде НИИ колебаний 12.

Известно устройство для осуществления измерений параметров колебаний биомеханических звеньев человека содержащее вибрационный возбудитель механических колебаний и регистратор характеристик механических колебаний возбудителя, соединенные между собой, а также регистратор характеристик механических колеба Р НИИ биомеханического звена .

Известно также устройство для осуществления измерений параметров колебаний биомеханических звеньев человека, содержащее статический возf5 будитель механических колебаний би омеханического звена и регистратор характеристик этих колебаний 21,

Однако известные способы и устройства для их осуществления не лоа20воляют обеспечить определение вкла да отдельной мьшцы в механический колебателььшй процесс и определение рабо.тоспоссбности мышц ввиду

того, что характер возбуждения мышц постоянен в процессе регистрации, что не позволяет определить тонкую структуру энергетических состояний исследуемой биомеханической системы из-за отсутствия многопланового возбуждения мышц биомеханической системы с различной природой возбуждающих воздействий, поскольку механическое возбуждение колебаний биомеханического звена реализует вклад всех мышц звена в колебательный процесс.

Целью изобретения является обеспечение определения вклада отдельной мышцы в механический колебательный процесс, а также определение работоспособности мышц.

Поставленная цель достигается тем, что при осуществлении способа измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека, заключающегося в регистрации амплитуд-, ных частотных и фазовых характеристик механического колебательного процесса, совершаемого биомеханическим звеном- при механическом возбуждении колебаний, производится дополнительное электромагнитное возбуждение мышц исследуемой биомеханической системы, причем одновременно прд фиксированной температуре осуществляют статическое напряжение мышц в диапазоне моментов сил 0,5-200 Нм и возбуждение отдельных мышц электрическими импульсами с непрерывно изменяемым во времени периодом следования импульсов 1-1000 мс, амплитудой импульсов в диапазоне 5-300 В и длительностью импульсов 0,05-10 мс/ определяют разность параметров отклика биомеханического звена до и после электрического и статического возбуждения мышц.

При этом для определения работоспособности мышц биомеханическое звено возбуждают при режиме его максимального отклика.

Устройство для измерения параметров колебаний биомеханических звенье человека,содержащее возбудитель механических колебаний и регистратор характеристик механических колебаний возбудителя, соединенные между собой биомеханическое звено с расположенным на нем регистратором характеристик механических колебаний биомехани,ческого звена, дополнительно имеет блок измерения биопотенциалов мышц.

электростимулятор, терморегулирующий блок и блок анализа, причем возбудитель механических колебаний, электростимулятор и терморегулирующий блок воздействуют на мышцы биомеханического звена, к которым подсоединен, блок измерения биопотенциалов мышц, а выходы блока регистрации характеристик механических колебаний биомеханического звена, блок измерения биопотенциалов мышц и регистратора характеристик механических колебаний возбудителя соединены входами блока анализа, выходы которого подключены к входам терморегулирующего блока, электростимулятора и возбудителя механических колебаний

На чертеже изображена структурная схема устройства для осуществления способа измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека.

Устройство содержит биологический объект с биомеханическим звеном 1, внешний блок упругих связей 2 с изменяемой жидкостью, регистратор 3 характеристик механических колебаний биомеханического звена, блок ( измерения биопотенциалов мышц, элёктростимулятор 5, терморегулирующий блок 6, блок 7 регистрации температуры, механический возбудитель колебаний 8, регистратор 9 характеристик механических колебаний возбудителя, блок 10 анализа в виде вычислительного аналого-цифрового комплекса.

Способ осуществляется при помощи устройства следующим образом.

До начала процесса измерения в блок анализа 10 (ЭВМ М-6000; вводится программа обработки поступающей информации (например программы корреляционно-спектрального анализа)

Кроме того, для сокращения времени измерений исходные данные могут вначале записываться на магнитограф, а затем обрабатываться.

На вход блока k измерения биопо-тенциалов мышц, например, биоточного усилителя УБП-ОЗ, поступают электромагнитные сигналы мышц биомеханического звена. При помощи механического возбудителя колебаний 8, в качестве которого в случае динамического возбудителя может использоваться электродвигатель или сельсин, осуществляется вибрационное воздействие по заранее заданной программе через блсж упругих связей 2 с изменяемой жесткостью на биомеханическое звено 1 биологического объекта. Изменение жесткости упругих связей, в качестве которых может использоваться набор пружин, происходит дискретно, изменением общего числа пружин. Указанная совокупность дискретных внешних упругих связей и возбудителя 8 обпеспечивает механическое динамическое возбуждение биомеханической системы биологического объекта. В случае статического возбуждения колебаний биомеханического звена механический возбудитель 8, в качестве которого может использовать ся пружина или гиря, соединенные с биохимическим звеном через блок упругих связей 2 с изменяемой жесткостью, обеспечивает условия генерации механических колебаний мышцами звена. При помощи блока упругих связей 2 с изменяемой жесткостью осущес вляется также реализация необходимог значения жесткости всей системы при заданной величине суммарного момента внешних сил действующих на биомеханическое звено. I Выходные сигналы электростимулятора 5 и терморегулирующего блока 6, причем последний может воздействовать как на группу звеньев, так и на биологический объект в целом изменяя температуру окружающей среды (в данном случае в качестве терморегулирующего устройства может использоваться кондиционер, а в случае локального воздействия на звено или группу звеньев терморегулирующий блок 6, состоящий например, из электронагревальной спирали, помещенной между электроизолирующими прокладкам охватывающими исследуемые звенья, по верх которых расположен слой сухого льда (углекислого газа в твердом со стоянии), с внешней стороны прижатого теплоизолирующей прокладкой , воз действуют на биомеханические звенья биологического объекта, механические колебания которых измеряются регистратором 3 характеристик механических колебаний биомеханического звена, на пример, акселерометром, а температура - блоком 7 регистрации температур состоящим, например, из термопары, расположенной на поверхности биомеханического звена, на которое воздей ствует терморегулирующий блок 6. 06 Выходные параметры возбудителя В измеряются регистратором 9, в качестве которого могут быть использованы тахогенераторы и разнообразные датчики механических величин, например акселерометры. Выходные сигналы регистратора 3, блока измерения биопотенциалов мышц, электростимулятора 5, блока 7 регистрации температуры и регистратора 9 поступают на входы вычислительного аналого-цифрового комплекса, в качестве которого могут быть использованы аналоговые вычислительные машины МН-18 и ЭЦВМ М-6000. Выходы вычислительного аналого-цифрового компплекса подключены к входам возбудителя 8 (при этом, изменяя величину тока в обмотке электродвигателя, можно регулировать частоту выходных па- раметров возбудителя) и входу терморегулирующего блока 6, причем в процессе измерения происходит изменение температуры внутри блока 6 по заданному закону посредством изменения величины тока, протекающего через электрическю спираль блока 6. Для исследований выбирается необходимое для диагностики биомеханическое звено 1, нaпpимep рука человека, практически здорового мужчины в возрасте л. Испытуемый помещается в специальное кресло и жестко закрепляется ремнями таким образом, чтобы полностью исключить влияние посторонних звеньев на исследуемое биомеханическое звено. При исследовании колебаний предплечья рука испытуемого опирается на подлокотник и может совершать движения только в вертикальной плоскости типа сгибание-разгибание в локтевом суставе. Перед испытуемым ставится задача - удерживать за рукоятку с укрепленным на ней акселерометром Срегистратором механических колебаний) в растянутом состоянии блок пружин, причем один конец одной из пружин К1эепится к генератору механических колебаний в случае динамического возбуждения биомеханической системы механическим генератором, а остальные пружины - к неподвижной опоре для обеспечения квазистатического возбуждения биологической системы, и поддерживать заданный постоянный угол, например, близкий к ЭОв локтевом суставе. Жидкость -внешних вязко-упругих связей пружин выбирается в дилплзоне 1000 Н/м в зависимости от тияа исследуемого биомеханического звена и в частности, для руки используются пружины жесткостью 70 Н/м, величина статических моментов сил, дейст вующих на звено относительно мгновенной оси вращения в локтевом суставе, устанавливается равной 0,5 Н/ Температура эквивалентного термического воздействия на звенья задается в диапазоне , в нашем случае - (температура окружающего воздуха). На двуглавую и трехглавую мышцы предплечья наклеивались электроды от блока 4 измерения биопотенциалов мышц - электромиографа Диза - и внешнего управляемого устройства, изменяющего функциональное состояние мышц при помощи электростимулятора 5. На магнитографе или непосредственно в /запоминающем устройстве ЭВМ М-6000 производится регистрация ускорения колебаний руки и электромиограмм мышцы предплечья. Осуществляют электромагнитную стимуляцию мышц и, в частности, включая например, электростимулятор, причем вначале стимулируют двуглавую мышцу, потом трехглавую и далее обе сразу, длительность импульсов задают paBHdW 50 мс, период повторения - 1 мс, амплитуду стимулирующих импульсов плав но увеличивают от 5 В до возникновения болевых ощущений. В проведенных экспериментах болевой порог прак тически для всех звеньев был окдло 300 В. В процессе эксперимента производят регистрацию параметров электростимуляционных импульсов. Магнитная стимуляция мышц осуществляется, например, наложением постоянных магнитов на исследуемую мышцу. Аналогичные измерения проводят для всевозможных совокупностей длительностей электрических импульсов, лежащих в диапазоне 0 05-10 мс и периода повторения импульсов 1-1000 мс Далее увеличением количества растягиваемых пружин дискретно увеличивается момент сил, действующий на звено в диапазоне 0, Н/м, причем в случае динамического механичес кого возбуждения на другой конец одной, из пружин воздействует генератор механических колебаний - мотор с редуктором - с плавным изменением частоты воздействия от 0,5 до АО цикл регистрации повторяется с каж0, , 8 дои дополнительной пружиной во всем диапазоне частот генератора механических колебаний. С магнитографа зарегистрированные процессы вводят в блок 10 анали за (ЭВМ М-6000), где после соответствующих преобразованийS например фильтрации, рассчитыаются спектры ус корений колебаний биомеханического звена, спектры ЭИГ и их взаимные кор реляционно-спектральные характеристики. Поскольку спектры представляют собой энергетические оценки исследуемых процессов, то сопоставляя рас считанные спектры и соответствующие им параметры внешних воздействий и учитывая функциональное состояние испытуемого, определяют тонкую структуру энергетических состояний биомеханического звена и распределение фазовых сдвигов между выходными параметрами возбуждающих систем и откликами биомеханической системы, а также режим возбуждения мышц, соответствующий максимальному отклику биомеханического звена. Аналогичные измерения, проводимые при найденном экстремальном режиме, позволяют определить скорость изменения параметров колебаний биомеханического звена при выполнении испытуемым дозированной работы. Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют определить вклад отдельной мышцы в механический колебательный процесс и работоспособность мышц, что повышает эффективность диагностики. Формула изобретения 1. Способ измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека, заключающийся в регистрации амплитудных частотных и фазовых характеристик механического колебательного процесса, совершаемого биомеханическим звеном при механическом возбуждении колебаний, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью определения вклада отдельной мышцы в механический колебательный процесс, одновременно при фиксированной температуре осуществляют статическое напряжение мышц в диапазоне моментов сил 10,5-200 Нм и возбуждение отдельных мышц электрическими импульсами с непрерывно изменяемым во времени периодом следования импульсов