Методы оценки изменения состояния опорно-двигательного аппарата в процессе физической реабилитации

10

Однако, такие внешние факторы, как пыль на токопроводящей дорожке, грязь на специальной обуви, а также малый вес пациента приводили к неприемлемому результату.

2.3 АНАЛИЗ МЕТОДА ПОДОМЕТРИЯ

Развитием методов ихнометрии являются методы подометрии, которые предназначены для регистрации временных параметров изменения состояния опорно-двигательного аппарата. Наибольшее распространение среди способов в рамках данного метода получило использование контактных дорожек. Пример реализации метода подометрии представлен на рисунке 3.

Контактная

дорожка

Контакты

Рисунок 3 – Пример реализации метода подометрии

здесь t1, t2 – время срабатывания изменения состояния опорнодвигательного аппарата

Всоответствии с рисунком 3 к каждой ноге человека прикреплены контакты, который осуществляет перемещение по контактной дорожке. В процессе соприкосновения контактов носка и пятки с контактной дорожкой регистрирующее устройство фиксирует соответствующее время срабатывания. На основе данного метода разработан ряд устройств, среди которых программно-аппаратный комплекс анализа двигательной функции «МБН-Биомеханика» [8], «ОРТОРЕНТ С+» [9] и другие.

Внастоящее время на основе методов ихнометрии и подометрии

11

создана современная система, осуществляющая регистрацию всех кинематических параметров изменения положения опорнодвигательного аппарата человека в пространстве. Так, GAITRite является ведущей зарубежной организацией по разработке подобных систем [10].

Следует отметить, что основным недостатком методов ихнометрии и подометрии является необходимость значительных финансовых затрат на формирование условий проведения медицинского наблюдения, покупку оборудования и соответствующее обслуживание. Таким образом, применение данных методов для сбора информации об изменении состояния опорно-двигательного аппарата при осуществлении упражнений индивидуального плана восстановительных занятий возможно только в специально созданных стационарных условиях.

2.4 АНАЛИЗ МЕТОДА ДИНАМОМЕТРИИ

Динамометрия – это метод регистрации динамических характеристик изменения состояния опорно-двигательного аппарата, при котором осуществляется определение момента реакции опоры с помощью различных датчиков. Как правило, используют стационарные установки в виде платформ. Среди методов динамометрии выделяют электрические и неэлектрические [4, 7]. Разделение методов динамометрии на вышеуказанные группы осуществляется по критерию использования определенного типа датчика. В том числе, среди неэлектрических методов выделяют методы на основе использования пневмодатчиков в подошве обуви, механических платформ. В свою очередь, среди электрических методов выделяют методы, основанные на использовании угольных, конденсаторных, пьезоэлектрических датчиков и т.д. Общая схема использования динамометрической платформы представлена на рисунке 4.

12

Электронный

блок Металлическая плита

Трехкомпонентные

датчики

Рисунок 4 – Общая схема использования динамометрической платформы

В соответствии с рисунком 4 основанием динамометрической платформы является металлическая плита, в углах которой расположены трехкомпонентные датчики. Окончание каждого датчика соприкасается с покровной плитой. Сигналы с датчиков передаются на электронный блок для измерения соответствующих составляющих и координат вектора приложенной силы.

На основе вышерассмотренной схемы использования динамометрической платформы разработан ряд прикладных устройств, среди которых: динамометрические платформы фирмы

Kistler, Advanced Mechanical Tectology Inc [11], Bertec Corpotation [12].

Преимуществом данных платформ является наличие собственного программного обеспечения, позволяющего управлять соответствующим процессом. Среди отечественных динамометрических платформ следует выделить динамометрическую платформу ПД-3, основным преимуществом которой является полностью цифровой характер сбора и обработки информационных данных в процессе проведения медицинского наблюдения.

Основными недостатками методов динамометрии является необходимость создания ряда условий для их применения. Например, использование динамометрической платформы предполагает ее жесткое крепление к горизонтальной поверхности в целях достижения неподвижного ровного положения.

Основной особенностью перечисленных методов является регистрация параметров изменения состояния всего опорно-

13

двигательного аппарата, поскольку данные методы обеспечивают более детальную оценку процесса физической реабилитации. Следовательно данные методы регистрации целесообразно применять на втором этапе стационарного периода при подтверждении эффективности проведенной реабилитации. Такие аппаратнопрограммные средства являются достаточно громоздкими, отсюда их использование возможно исключительно в стационарных условиях под контролем медицинского специалиста.

Применение рассмотренных методов регистрации в дистанционном режиме приведет к необходимости обеспечения правильного обслуживания и эксплуатации пациентом используемого оборудования. Для регистрации параметров изменения состояния отдельно взятой конечности целесообразно применять метод, который предполагает использование малогабаритных аппаратно-программных средств, что позволит обеспечить регистрацию параметров изменения движения в дистанционном режиме.

2.5 АНАЛИЗ МЕТОДА ГОНИОМЕТРИИ

Гониометрия – это метод регистрации относительных движений опорно-двигательного аппарата человека с использованием датчиков угла, размещенных на определенном участке тела [13]. В работе рассмотрен подход к построению прикладного гониометра, представляющего собой транспортир с подвижными линейками. При этом транспортир располагается на суставе, а подвижные линейки закрепляются на костных звеньях. Прикладной гониометр позволяет осуществлять измерение углов в единственной плоскости – плоскости расположения транспортира. Отсюда, использование данного вида гониометра для определения максимального угла движения сустава приводит к снижению точности. Количественная оценка погрешности результатов измерения посредством прикладного гониометра приведена в [14]. Показано, что ошибка измерения составляет не более 7 %, однако подобная особенность является существенным ограничением широкого применения данного гониометра в лабораторных биомедицинских экспериментах.

В целях повышения качества результатов измерения был разработан электрический гониометр, представляющий собой совокупность потенциометрического датчика и бранша [14]. В свою очередь, потенциометрический датчик представляет собой резистор с линейной характеристикой. Пример реализации электрического гониометра на основе встроенных функций смартфона и мобильного

15

вращения суставов;

– наличие погрешности измерения сопротивления потенциометрическим датчиком, и как следствие – погрешности измерения угла движения сустава.

В целях устранения данных недостатков применяются различные подходы к стандартизации метода крепления датчиков угла. Несмотря на низкое значение показателя погрешности измерения, использование гониометров различных типов имеет существенную особенность – результатом измерения является только значение угла движения сустава. Качественная оценка данного значения с высокой степенью достоверности, и как следствие, формирование заключения о текущих физиологических характеристиках рассматриваемого сустава, эквивалентного значению угла, возможна только при наличии определенных медицинских знаний. Отсюда следует, что использование метода гониометрии в целях регистрации изменения состояния опорно-двигательного аппарата человека требует непосредственного участия специалиста для интерпретации результатов медицинского наблюдения. Кроме того, проведение анализа выполнения упражнений индивидуального плана восстановительных занятий только на основании значения показателя угла движения является затруднительным, поскольку не характеризует в полном объеме процесс физической реабилитации поврежденной части опорно-двигательного аппарата.

2.6 АНАЛИЗ МЕТОДА ЦИКЛОМЕТРИИ

Результатом применения данного метода является формирование циклограммы, которая представляет собой набор линий (траекторий), последовательно соединяющих отдельные дискретные состояния положения опорно-двигательного аппарата. В большинстве случаев циклограмма применяется для оценки степени соответствия выполнения движения заранее известному шаблону [15-17].

В рамках реализации метода циклометрии для передачи зарегистрированной информации об изменении положения опорнодвигательного аппарата применяется оптический канал передачи информации. При этом осуществляется регистрация изменения положения в пространстве устройств, например, шарообразных маркеров, размещенных на теле человека. В процессе осуществления двигательной активности происходит срабатывание маркеров, которые бывают активными или пассивными. К активным маркерам можно отнести лампочки, светодиоды, индикаторы и так далее. К пассивным

16

– светоотражающие элементы, темные предметы и так далее.

Для сбора данных о срабатываниях маркеров используются следующие виды регистрирующих устройств:

–средства фотофиксации;

–средства видеофиксации;

–иные системы.

Развитие современных информационно-коммуникационных технологий позволило существенно улучшить характеристики устройства регистрации изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве и соответствующий модельный ряд. Кроме средств видеофиксации широкое применение в области регистрации движений получили инерциальные измерительные системы (ИИС) (Inertial Measurement Unit, (IMU)) на основе микроэлектромеханических (Microelectromechanical systems, (MEMS))

технологий. С учетом использования современных регистрирующих устройств можно выделить следующие методы циклометрии:

1Моноциклометрия.

2Стереоциклометрия.

3Системы захвата движений по данным видеофиксации.

4Инерциальные измерительные системы на основе MEMSтехнологии.

2.7 АНАЛИЗ МЕТОДА МОНОЦИКЛОМЕТРИИ

Метод моноциклометрии был предложен Н.А. Бернштейном в работе [15-17]. В качестве устройства регистрации была использована фотокамера со стробоскопической насадкой. Пример результатов применения метода моноциклометрии в целях регистрации изменения состояния опорно-двигательного аппарата представлен на рисунке 6 [15].

17

Стартовый прыжок человека в воду

Специальный

костюм

Активные маркеры

T

Фотокамера

Рисунок 6 – Пример результатов применения метода моноциклометрия

В соответствии с рисунком 6 примером результата применения метода моноциклометрии является моноциклограмма последовательных положений тела человека при стартовом прыжке в воду. На человека надевается специальный костюм из черной неблестящей ткани. В области меняющих положение суставов, а также в других точках тела закреплены активные маркеры. Изменение состояния опорно-двигательного аппарата вызывает формирование следа на фотопленке. При этом каждому маркеру соответствует своя световая траектория в виде линии на пленке.

Проведенные в [15, 16] исследования были ограничены отсутствием полного набора пространственных характеристик движения, поскольку регистрация данных происходила только в плоскости, перпендикулярной оптической оси камеры.

2.8АНАЛИЗ МЕТОДА СТЕРЕОЦИКЛОМЕТРИИ

Вслучае применения метода стереоциклометрии для регистрации информационных данных изменения состояния опорно-двигательного аппарата используется совокупность камеры и наружных зеркал.

18

Пример применения метода стереоциклометрии в целях регистрации изменения состояния опорно-двигательного аппарата представлен на рисунке 7 .

Z

Камера

Рисунок 7 – Пример применения метода стереоциклометрии

Всоответствии с рисунком 7 при стереоциклометрии осуществляется одновременная регистрация движения и объекта и соответствующего отражения в зеркале [15].

Всвязи с тем, что циклограммы позволяют получить максимальное количество информации, характеризующей изменение состояния опорно-двигательного аппарата, а также сформировать картину целостного пространственного положения тела в результате сложения угловых движений относительно друг друга, данный метод регистрации изменения состояния опорно-двигательного аппарата в настоящее время активно развивается.

19

2.9 АНАЛИЗ СИСТЕМ ЗАХВАТА ДВИЖЕНИЙ ПО ДАННЫМ ВИДЕОФИКСАЦИИ

Возможности современной видеосистемы позволили создать полное представление об изменении положения опорно-двигательного аппарата в пространстве на основе использования от 3 до 32 высокочастотных (от 60-200 Гц) цифровых камер [4, 5, 7]. Широко применяются такие видеосистемы регистрации изменении положения опорно-двигательного аппарата в пространстве, как Selspot,

GaitTrak [18], VICON [19], Qualisys [20] и другие системы.

Так, видеосистема Selspot предназначена для использования при занятиях спортом. В свою очередь, системы GaitTrak и VICON, являются медицинскими системами. При этом система VICON широко используется в киноиндустрии и анимации. Система Qualisys предназначена как для изучения спортивных движений, так и в медицинских целях. Пример применения системы захвата движений по данным видеофиксации системы Qualisys представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 – Применение системы захвата движений по данным видеофиксации

В соответствии с рисунком 9 на теле человека закреплены маркеры. При изменении положения опорно-двигательного аппарата данные с маркеров фиксируются камерами Qualisys и передаются в вычислительную систему, где строится математическая трехмерная модель, позволяющая воспроизвести последовательное положение тела.

Однако использование подобных маркеров на практике