Проектирование биотехнических систем для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника (96.

где f1,2 – показатели (функции) работоспособности.

Неравенства (3) определяют область Q в трехмерном пространстве проектных параметров, которую мы называем областью работоспособности. Уравнение гиперповерхностей, ограничивающих область работоспособности, имеет вид (при j = 1, 2)

Таким образом, процесс проектирования биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника вклю-

чает процедуру определения вектора Y , конец которого находится внутри области работоспособности Q. При различных проектных параметрах вместо точки, соответствующей концу вектора Y , по-

лучим область Qн, часть которой не принадлежит Q. В этой части невозможно механотерапевтическое воздействие, при котором происходят недопустимо большие отклонения проектных параметров.

Использование при проектировании многомерной области работоспособности затруднено. Значительно удобнее оперировать ее двумерными сечениями. Процедура их определения включает следующие основные этапы:

1)численный расчет в целях получения зависимостей показателей работоспособности биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника от ее конструктивных параметров;

2)анализ полученных зависимостей, определение степени влияния на показатели работоспособности различных конструктивных параметров рассматриваемой системы, выделение множества проектных параметров;

3)анализ зависимостей показателей работоспособности от проектных параметров с учетом ограничений, наложенных на эти показатели, построение сечений соответствующих областей работоспособности.

Использование областей работоспособности позволяет существенно упростить процедуру поиска рациональных проектных решений при наличии нескольких критериев качества и дополни-

11

тельных ограничений. В этом случае определяются области работоспособности по каждому из показателей в отдельности, а затем отыскиваются пересечения рассматриваемых областей.

Таким образом, наличие сечений областей работоспособности дает возможность учитывать все специфические особенности условий эксплуатации биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника и позволяет разработчику в короткий срок найти рациональные проектные решения.

Проектирование биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника человека в соответствии с заданными медицинскими требованиями представляет собой процесс последовательных приближений. Охарактеризуем его исходные данные и этапы.

Исходные медико-технические данные

1.Назначение биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника.

2.Характер механотерапевтического воздействия (вытяжение позвоночника, массаж мышц спины).

3.Требуемые значения (или интервалы значений) показателей качества и допускаемые отклонения.

4.Ограничения на значения тех или иных технических характеристик биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника (на размеры габаритов, массажных элементов и т. д.).

Первый этап

1.Исходя из анализа возможных условий эксплуатации, с учетом имеющегося опыта конструирования, производства и эксплуатации сходных установок для механотерапии заболеваний опорнодвигательной системы человека, проводится выбор вида механотерапевтического воздействия.

2.Исходя из назначения биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника, по результатам анализа прототипов и с учетом ограничений, налагаемых на конструктивные параметры, ориентировочно определяется множество возможных значений конструктивных параметров – область поиска.

3.Для заданного механотерапевтического воздействия определяется зависимость медицинских характеристик от конструктивных параметров биотехнической системы для массажа мышц

12

спины и вытяжения позвоночника. Устанавливается множество (пространство) проектных параметров.

4.В выбранном пространстве проектных параметров определяются области работоспособности (их сечения) по каждому показателю.

5.Определяется область работоспособности биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника как пересечение полученных частных областей. Если среди частных областей есть непересекающиеся, проводится корректировка области поиска. Область работоспособности определяет множество допустимых проектных решений.

6.Проводится контроль выполнения условий работоспособности для допустимых элементов.

7.Разрабатываются эскизные проекты допустимых элементов. Прорабатываются общие виды элементов биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника, схемы их монтажа в системе.

Второй этап

1.Прорабатываются предварительные варианты общих схем технологических процессов изготовления допустимых элементов. Проводится ориентировочный сравнительный анализ технологичности различных допустимых элементов. При этом некоторые из них отвергаются как нетехнологичные.

2.Прорабатываются предварительные варианты общих схем технологии монтажа допустимых элементов в системе. Проводится предварительный сравнительный анализ монтажной технологичности различных допустимых элементов. При этом некоторые элементы отвергаются как нетехнологичные при монтаже.

3.Проводится предварительный анализ качества допустимых элементов по совокупности показателей, которые не находят отражения в принятой расчетной схеме биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника.

4.По результатам анализа, выполненного в соответствии с п. 1–3 (второй этап), вся совокупность допустимых элементов делится на две группы.

К первой группе относятся элементы, удовлетворяющие требованиям п. 1–3 (второй этап), и те элементы, функциональные показатели которых могут быть приведены в соответствие с этими тре-

13

бованиями путем относительно незначительных изменений проектных или второстепенных параметров. Элементы первой группы называем базовыми.

Ко второй группе относятся все остальные элементы, которые далее не рассматриваются.

Таким образом, в результате отбора множество рассматриваемых элементов (область поиска) существенно суживается (базовых элементов значительно меньше, чем допустимых).

5.Проводится коррекция параметров базовых элементов (п. 4) (второй этап).

6.Для всех скорректированных в соответствии с п. 5 (второй этап) проектных решений выполняются операции, указанные в п. 6–7 (первый этап), п. 1–5 (второй этап).

Описанный цикл повторяется до тех пор, пока множество базовых элементов не сведется к некоторому количеству, удовлетворяющему всем условиям работоспособности. Эти элементы называем рабочими.

Третий этап

1.Разрабатываются технические проекты и рабочие чертежи элементов биотехнической системы.

2.Прорабатывается технология изготовления и монтажа рабочих элементов.

3.Изготавливаются опытные образцы рабочих элементов.

4.Проводятся испытания опытных образцов. Экспериментально определяются критерии качества и показатели работоспособности. Проводится анализ результатов экспериментов.

5.На основе анализа результатов экспериментов и с учетом неформальных, в частности, экспертных оценок, корректируются параметры рабочих элементов и выбираются окончательные варианты конструкций рабочих элементов, т. е. принимаются рациональные проектные решения.

Изложенная методика позволяет проектировать биотехническую систему для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника с заданными или находящимися в заданных пределах техническими характеристиками, которые обеспечивают выполнение медицинских требований, предъявляемых к механотерапевтическим установкам, при наличии произвольных дополнительных ограничений.

14

4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МАССАЖА МЫШЦ СПИНЫ И ВЫТЯЖЕНИЯ ПОЗВОНОЧНИКА

С ЗАДАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ

При проектировании биотехнической системы для механического массажа мышц спины и вытяжения позвоночника необходимо выполнить три основных принципа: целеполагания, адекватно-

сти и идентификации.

Принцип целеполагания подразумевает введение целевой функции биотехнической системы и выбор метода, максимизирующего ее значение. Определение целевой функции предполагает составление перечня критериев ее эффективности, установление вида взаимосвязи между ними и количественными критериями. Основные критерии эффективности механического массажа мышц спины и вытяжения позвоночника:

1)параметры воздействия механического массажа Q на мышечную систему и систему кровообращения;

2)параметры воздействия тракции и дистракции T на опорнодвигательную систему человека;

3)параметры механотерапевтического воздействия K при лечении пациентов с болями в спине.

Принцип адекватности требует гармоничного функционирования биологических и технических элементов в единой биотехнической системе. Применительно к биотехнической системе для механического массажа мышц спины и вытяжения позвоночника этот принцип можно сформулировать так: параметры воздействия должны выбираться, исходя из диапазона параметров биообъекта при его нормальном функционировании или при успешном воздействии на заболевание опорно-двигательной системы.

Для адекватного воздействия требуется: изучить особенности биологического объекта; построить математическую модель основных физиологических процессов в нем; провести стендовые испытания, имитирующие взаимодействие технической системы с биологическим объектом; создать прибор, пригодный для повседневной реабилитационной практики.

15

В этих целях была разработана динамическая модель, эквивалентная телу человека по следующим основным показателям: а) геометрическим размерам и формам; б) распределению массы частей тела (в частности, в соответствии с расположением центров массы частей тела); в) видам соединений отдельных звеньев; г) упругим и демпфирующим свойствам. Динамическая модель тела человека представляет собой систему элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами, связанных между собой упругими элементами. Модель позвоночника – стержень переменного поперечного сечения с распределенными параметрами. По передней и задней поверхностям стержня приложены распределенные силы мышц-антагонистов, рефлекторно возрастающие при удлинении мышц (в зависимости от перемещения позвоночника). Мышца рассматривается как упруговязкая среда. Воздействие собственной жесткости позвоночника на изгиб относительно невелико в сравнении с вкладом мышечной компоненты. При исследованиях динамической модели тела человека были рассчитаны значения резонансных частот и тракционных сил, возникающих при массаже мышц спины и вытяжении позвоночника.

Принцип идентификации требует единства информационных и управляющих сигналов, с помощью которых происходит вещественный, энергетический или информационный метаболизм внутри биотехнической системы.

Принцип идентификации предусматривает создание технических средств, позволяющих применять разработанный метод воздействия и обеспечивать единый информационный поток в биотехнической системе. При этом необходимо создать схему этой системы, используемой для вытяжения позвоночника и массажа мышц спины в соответствии с разработанными алгоритмами.

Изложенная выше методика проектирования была применена при разработке биотехнической системы «Мустанг» (кафедра «Валеология» МГТУ им. Н.Э. Баумана). Медицинские требования, предъявляемые к механотерапевтическому воздействию, определяют основные характеристики качества этой системы.

1. Усилия (осевая сила), возникающие в i-м отделе позвоночника при механотерапевтическом воздействии, определяются по формуле

где m – вес пациента.

16

2. Перемещения (продольные перемещения), возникающие в i-м отделе позвоночника при механотерапевтическом воздействии, определяются (в мм) по формуле

Был проведен расчет областей работоспособности биотехнической системы «Мустанг» для каждого конкретного пациента, что позволило определить параметры воздействия при комбинированной механотерапии. На рис. 1 представлен расчет областей (пересечение областей по показателям) работоспособности для пациен- та-мужчины (рост 178 см, вес 82 кг, возраст 42 года).

Получив расчет, врач видит области красного цвета (на рис. 1 они черные), в которых дистракционно-массажное воздействие на данного пациента не рекомендуется из-за недопустимых усилий и перемещений, возникающих в отделах позвоночника. Далее в допустимых областях (белого цвета) врач, основываясь на личном опыте и исходя из состояния пациента, выбирает параметры воздействия.

Проведенные эксперименты позволили определить параметры рабочих элементов биотехнической системы для механического массажа мышц спины и вытяжения позвоночника «Мустанг». Было признано необходимым обеспечить регулировку частоты движения массажных элементов в интервале 0,1…1,8 Гц и амплитуду движения рамы с массажными элементами 10…20 см. Время проведения процедуры не должно превышать 15…20 минут. Для непрерывного массажа мышц спины с учетом физиологических изгибов позвоночника целесообразно использовать массажные элементы в виде роликов, диаметр которых равен 6 см, расположенных на пружинах, обеспечивающих амплитуду их вертикального перемещения, равную 3 см.

На основе изложенной концепции была спроектирована биотехническая система для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника, соответствующая принципу адекватности и медикотехническим требованиям в части геометрических, временных и силовых параметров. Эта система предназначена, в первую очередь, для расслабления и вытяжения суставов шейного, грудного и поясничного отделов позвоночника. Макет биотехнической системы «Мустанг» показан на рис. 2.

17

а

б

Рис. 1. Области работоспособности биотехнической системы «Мустанг» для пациента-мужчины: а) диапазон частот 0…6 Гц; б) диапазон частот 0…34 Гц

18

Рис. 2. Макет биотехнической системы «Мустанг» для механического массажа мышц спины и вытяжения позвоночника

Установка включает скользящую раму с массажными элементами, угол наклона которой может изменяться по программе в диапазоне ± 25° в зависимости от индивидуальных параметров пациента. Эта рама совершает периодические возвратно-поступательные перемещения с частотой, рассчитываемой с учетом указанных параметров. Плавные движения рамы обеспечиваются подшипниками, расположенными в ее боковых направляющих. Внутри рамы расположены вращающиеся ролики на пружинах, которые обеспечивают массаж мышц спины с учетом физиологических изгибов позвоночника.

В результате проведенной в МГТУ им. Н.Э. Баумана апробации биотехнической системы «Мустанг» для механического массажа мышц спины и вытяжения позвоночника была подтверждена адекватность параметров воздействия, определенных на основе динамической модели тела человека.

19

Список рекомендуемой литературы

Агашин М.Ф., Кахидзе А.С., Ткачук А.П. Биомеханические тре-

нажеры – универсальные технические средства для оздоровления, тренировки и реабилитации // Юбилейный сборник трудов ученых РГАФК, посвященный 80-летию академии. М.: ФОН, 1998.

Бирюков А.А. Массаж в борьбе с недугами. М.: Советский спорт, 1991.

Боли в спине – новые подходы к проблемам реабилитации / Е.Е. Аринина, Г.И. Семикин, Г.А. Мысина и др. Реабилитационная помощь населению в Российской Федерации: Тр. 1-го Всероссийского конгресса (12–15 мая 2003 г., МГУ им. М.В. Ломоносова). Изд-во МГУ. М.: 2003.

Дитрих Я. Проектирование и конструирование: системный подход. М.: Мир, 1981.

Лощилов В.И., Щукин С.И. Принципы анализа и синтеза биотехнических систем: Учеб. пособие по курсу «Теоретические основы биотехнических систем». М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1987.

Лощилов В.И., Щукин С.И., Иванцов В.И. Принципы анализа и синтеза биотехнических систем: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1988.

Математическое моделирование тела человека и физические основы методов комплексной механотерапии / Г.И. Семикин, О.С. На-

райкин, Г.А. Мысина, С.В. Альков// Медицинская физика. 2001. №11.

Мысина Г.А. Основы создания новых средств для комплексной механотерапии с позиции теории биотехнических систем и устройств //Медицинскийнаучныйиучебно-методическийжурнал. 2002. №6.

Нарайкин О.С., Семикин Г.И., Мысина Г.А. Биомеханические основы методов комплексной механотерапии и математическая модель тела человека // Медицинская радиоэлектроника. 2001. № 9.

Образцов И.Ф., Ханин М.А. Оптимальные биомеханические системы. М.: Медицина, 1989.

Реабилитационно-оздоровительные мероприятия при пояс- нично-крестцовом остеохондрозе позвоночника / Г.И. Семикин,

В.В. Тишкин, Г.А. Мысина, А.Ю. Кастров // Медицинский науч-

ный и учебно-методический журнал. 2001. № 7.

Юмашев Г.С., Фурман М.Е. Остеохондроз позвоночника. М.: Медицина, 1984.

20