Методы оценки состояния опорно-двигательного аппарата в телемедицинских системах физической реабилитации. Учебное пособие

9

Согласно рисунку 2 для определения длины шага полюсы источника тока подключаются к торцам дорожки. Ток протекает по электропроводной резине и создает на ней падение напряжения. Данное падение напряжения между носочным электродом позади стоящей ноги и пяточным впереди стоящей ноги снимается другими электродами. Для измерения ширины шага питание дорожки источником постоянного тока подается по ширине, а подключение электродов, в свою очередь, остается прежним. В целях измерения угла разворота стопы αл, αп напряжение питания на дорожку подается по ширине дорожки. Напряжение измеряется между носочным и пяточным электродами и пропорционально синусу угла разворота стопы αл, αп соответственно. При этом продолжительность сигнала равна времени опоры на всю стопу данной конечности.

На основе метода ихнометрии был разработан программноаппаратный комплекс анализа движений «МБН-Биомеханика» [4, 7]. Особенностью данного комплекса является наличие возможности одновременной регистрации рассмотренных выше кинематических параметров.

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

2.2. АНАЛИЗ МЕТОДА ПОДОМЕТРИИ

Развитием метода ихнометрии является метод подометрии, который предназначен для регистрации временных параметров изменения состояния опорно-двигательного аппарата. Наибольшее распространение среди способов в рамках данного метода получило использование контактных дорожек. На основе данного метода разработан ряд устройств, среди которых программно-аппаратный комплекс анализа двигательной функции «МБН-Биомеханика» [8], «ОРТОРЕНТ С+» [9] и другие.

Пример реализации метода подометрии представлен на рисунке 3.

10

Контактная дорожка

Контакты

Рисунок 3 – Пример реализации метода подометрии:

Т – период времени (продолжительность) изменения положения ОДА; t1, t2 – время срабатывания изменения состояния опорно-двигательного аппарата

Всоответствии с рисунком 3 к каждой ноге человека, который осуществляет перемещение по контактной дорожке, прикреплены контакты. В процессе соприкосновения контактов носка и пятки с контактной дорожкой регистрирующее устройство фиксирует соответствующее время срабатывания.

Внастоящее время на основе методов ихнометрии и подометрии создана современная система, осуществляющая регистрацию всех кинематических параметров изменения положения опорнодвигательного аппарата человека в пространстве. Ведущей зарубежной организацией по разработке подобных систем является GAITRite [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.

11

2.3. 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 ряду неэлектрических методов выделяют методы на основе использования пневмодатчиков в подошве обуви и механических платформ. В ряду электрических выделяют методы, основанные на использовании угольных, конденсаторных, пьезоэлектрических датчиков и т.д. Общая схема использования динамометрической платформы представлена на рисунке 4.

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

12

динамометрической платформы разработан ряд прикладных устройств, среди которых: динамометрические платформы фирмы Kistler,

Advanced Mechanical Tectology Inc [11], Bertec Corporation [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.

Основным недостатком метода динамометрии является необходимость создания ряда условий для его применения. Например, использование динамометрической платформы предполагает ее жесткое крепление к горизонтальной поверхности в целях достижения неподвижного ровного положения.

Указанные выше методы: ихнометрии, подометрии и динамометрии – способствуют регистрации параметров изменения состояния всего опорно-двигательного аппарата. Следовательно, с учетом интеграции дистанционной физической реабилитации в общие периоды процесса физической реабилитации данные методы регистрации целесообразно применять на втором этапе стационарного периода.

Поскольку аппаратно-программные средства, обеспечивающие применение данных методов, являются крупногабаритными, их использование возможно исключительно в стационарных условиях под контролем специалиста. Кроме того, применение рассмотренных выше методов регистрации в дистанционном режиме приведет к необходимости обеспечения правильного обслуживания и эксплуатации используемого оборудования.

Поэтому для регистрации параметров изменения состояния конечности пациента целесообразно применять метод, который предполагает использование малогабаритных аппаратно-программных средств, что позволит обеспечить регистрацию параметров изменения движения в дистанционном режиме. Одним из таких методов является метод гониометрии.

2.4. АНАЛИЗ МЕТОДА ГОНИОМЕТРИИ

Гониометрия – это метод регистрации относительных движений опорно-двигательного аппарата человека с использованием датчиков угла, размещенных на определенном участке тела [13]. Простейшим

14

В соответствии с рисунком 5 электрический гониометр располагается на суставе человека таким образом, чтобы ось движения потенциометрического датчика соответствовала оси движения сустава. При этом вращение вала потенциометрического датчика, характеризующее изменение угла движения сустава, приводит к изменению значения сопротивления. Применение электрического гониометра позволяет обеспечить достижение погрешности измерения угла движения сустава не более 2 %, что является преимуществом по сравнению со значением аналогичного параметра для прикладного гониометра.

Основными преимуществами использования гониометра в телемедицинских системах являются:

–простота эксплуатации;

–низкая себестоимость;

–обеспечение получения результатов измерения без использования дополнительных методов обработки информации.

Основными недостатками использования гониометра для регистрации изменения состояния опорно-двигательного аппарата в процессе выполнения физической реабилитации являются:

–наличие погрешности, обусловленной изменением осей 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 следующий недостаток: 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, возможны 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

15

в полном объеме процесс физической реабилитации поврежденной части опорно-двигательного аппарата.

2.5. АНАЛИЗ МЕТОДА ЦИКЛОМЕТРИИ

Результатом применения метода исследования циклических движений является формирование циклограммы, которая представляет собой набор линий (траекторий), последовательно соединяющих отдельные 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, которые бывают активными или пассивными. К активным маркерам можно отнести лампочки, светодиоды, индикаторы и так далее. К пассивным – светоотражающие элементы, темные предметы и так далее.

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

–средства фотофиксации;

–средства видеофиксации.

Кроме средств фото- и видеофиксации, широкое применение в области регистрации движений получили инерциальные измерительные системы (ИИС) [Inertial Measurement Unit, (IMU)] на основе микроэлектромеханических [Microelectromechanical systems, (MEMS)] технологий. Использование современных регистрирующих устройств позволило расширить спектр применяемых методов циклометрии, среди которых:

1)моноциклометрия;

2)стереоциклометрия;

3)системы захвата движений по данным видеофиксации;

4)системы захвата движений по данным инерциальных измерительных систем на основе микроэлектромеханических технологий.

16

2.6. АНАЛИЗ МЕТОДА МОНОЦИКЛОМЕТРИИ

Метод моноциклометрии был предложен Н.А. Бернштейном [1517], который в качестве устройства регистрации использовал фотокамеру со стробоскопической насадкой. Пример результатов применения метода моноциклометрии в целях регистрации изменения состояния опорно-двигательного аппарата представлен на рисунке 6 [15].

T

Фотокамера

Рисунок 6 – Пример результатов применения метода моноциклометрии:

T – период времени (продолжительность) изменения положения опорно-двигательного аппарата

На рисунке 6 изображена моноциклограмма последовательных положений тела человека при стартовом прыжке в воду. Для того чтобы получить моноциклограмму, на человека надевается специальный костюм из черной неблестящей ткани. Затем в областях меняющих положение суставов, а также в других точках тела закрепляются активные маркеры, с помощью которых формируются следы на фотоплёнке, фиксируя изменения состояния опорно-двигательного аппарата. При этом каждому маркеру соответствует своя световая

18

Всоответствии с рисунком 7 при стереоциклометрии осуществляется одновременная регистрация движения 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.

Метод циклометрии используется во многих областях человеческой деятельности: от фундаментальных клинических и физиологических исследований до киноиндустрии и компьютерных игр. Среди основных технических средств, в задачу которых входят контроль двигательной активности и определение положения тела в пространстве, можно выделить системы захвата движений по данным видеофиксации и инерциальные измерительные системы на основе микроэлектромеханической технологии.

2.8. 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 изменения 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. Системы GaitTrak и VICON являются медицинскими системами. 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 8.