книги / Экспериментальные методы в биомеханике

Основная погрешность измерений связана с тем, что большинство осей вращения суставов человека – плавающие. С целью коррекции этого вида погрешности было предложено несколько устройств: механизмы для самоустановки оси потенциометра в месте, наиболее соответствующем оси вращения сустава; механизмы – компенсаторы перемещений оси движения в суставе (например, гониометр для измерения движений сгибания-разгибания в коленном суставе: на одной бранше гониометра находится потенциометр, ось которого соединена с другой браншей через параллелограммную систему рычагов, компенсирующую изменение положения оси вращения); гониометры с большой площадью рабочей зоны. Одна из моделей гониометра с большой площадью рабочей зоны представляет собой два потенциометра, укрепленных на планке длиной 5–7 см. Непосредственно к их осям фиксируются бранши гониометра. Электрическая схема такова, что оба потенциометра работают, как один. При этом регистрируется лишь истинный угол между браншами. Ошибка измерений, проверенная методом циклографии, составляет ±2°. Другая конструкция гониометра была разработана в ЦНИИПП. Измерительный элемент этого гониометра состоит из трех последовательно соединенных с помощью планок прецизионных потенциометров. На осях крайних потенциометров фиксируются бранши. Электрическая схема позволяет регистрировать только угол между браншами. Точность измерения достигает 1,5 %. Основной недостаток этой конструкции по сравнению с другими – значительные габариты и вес.

Особое семейство гониометров разработано и серийно выпускается в США. Это трехосевые гониометры. Гониометр состоит из двух браншей, между которыми в едином блоке компактно расположены в трех взаимно перпендикулярных плоскостях три миниатюрных потенциометра. Такой гониометр позволяет получать полную пространственную характеристику движений в суставе. Однако он, как и гониометры первой группы, требует установки вблизи оси вращения сустава.

Из непотенциометрических методов регистрации гониограмм известно применение в качестве датчика угла поворотного индукто-

341

сина или поляризационного светового гониометра. Кроме того, существуют данные о применении в качестве гониометра гибкого малогабаритного электрогидравлического устройства. В настоящее время гибкие датчики углового перемещения с измерением в одной, двух и трех плоскостях серийно выпускаются в Великобритании. Цифровые датчики угла, разработанные российской фирмой «МБН», также относятся к непотенциометрическим (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Цифровой гониометр фирмы «МБН» (Россия).

Основными достоинствами этих датчиков являются:

•высокая точность (ошибка измерений не превышает ±0,3°);

•датчики не нуждаются в калибровке;

•возможность проводить измерения от любого заданного положения, которое принимается за «0»;

•проведение измерений сложных циклических движений, так как количество регистрируемых оборотов вала датчика не ограничено.

Таким образом, чаще всего в качестве датчиков угла используются одиночные простые или прецизионные потенциометры, однако их точность удовлетворяет не всех исследователей. Более точные измерения позволяют провести комбинированные гониометры, не требующие обязательного совмещения с осью вращения сустава, или гониометры, регистрирующие движения во всех трех плоскостях. Новым направлением является использование внеосевых гибких датчиков угла.

342

9.4. Ихнометрия

Для регистрации пространственных характеристик ходьбы, т.е. длины шага, базы шага и угла разворота стопы, используются следующие методы:

•импрегнационные;

•механические;

•косвенные математические;

•оптические;

•электрические.

Суть импрегнационных методов заключается в получении отпечатков стоп при проходе обследуемого по бумаге, резине, линолеуму и т.д. Самый простой – получение отпечатков стоп на бумажной дорожке путем предварительного окрашивания стоп краской. Более гигиеничным является способ, когда подошвы стоп окрашиваются 10 % раствором Люголя и обследуемый проходит по предварительно пропитанной слабым раствором крахмала и высушенной бумаге. Основной недостаток этих методов – непосредственный контакт подошв стоп с красящим веществом.

Практически лишен этого недостатка способ, когда больной проходит по дорожке из черной неопреновой резины, начальный участок которой присыпан тальком. На черной поверхности резины остаются контрастные белые отпечатки стоп. Поскольку последующее обследование других испытуемых требует стирания предыдущего результата, измерение всех показателей необходимо проводить сразу после прохода.

Самое широкое применение в клинике получил способ, позволяющий получить отпечатки стоп на бумаге без непосредственного контакта их с краской. Ткань или другая основа, покрытая с одной стороны типографской краской или другим красителем, кладется на бумагу окрашенной стороной вниз. При проходе пациента на бумаге остаются отчетливые следы стоп. Существует вариант данной методики, когда бумажная дорожка покрывается тканевым ковриком, смоченным раствором поваренной соли, а отпечатки на бумаге проявляются раствором танина. Также существует «ленинградская» методика, согласно которой обследуемый проходит по полу, покры-

343

тому линолеумом темных тонов, в обуви, на подошву которой предварительно наноситься мелом осевая линия. На темном линолеуме остаются отпечатки линий, по которым проводятся все измерения. Аналогичную информацию позволяет получить установка на пятке и носке обуви чернильных самописцев.

К механическим способам определения длины шага относится метод, когда измерения проводятся с помощью прикрепленного к поясу обследуемого троса, вращающего при ходьбе генератор тока.

Косвенным математическим методом является способ расчета длины шага по межзвенным углам и длинам звеньев нижней конечности в период двойной опоры или по углу между голенями и длине ноги, но последний крайне неточен ввиду множества принятых допущений.

Оптический способ получения информации о пространственных характеристиках шага с помощью методов циклографии и оптоэлектронной системы с автоматической обработкой информации позволяет избежать неудобства всех вышеперечисленных методов. Длина и ширина шага в этом случае определяются с точностью

2±1 см.

Всвязи с тем, что фото- и кинометоды не позволяют оперативно получить требуемую информацию, а оптоэлектронные системы пока еще сложны и дороги, многие авторы продолжают попытки измерения неэлектрических пространственных характеристик шага электрическими методами.

Врижском НИИТО разработан электроихнограф, позволяющий получить данные о длине, ширине и угле разворота стопы непосредственно во время исследования. Измерение длины шага требует специальной дорожки со струнами из высокоомных сплавов, расположенных с шагом в 5–-7 мм, и обуви с встроенными микропереключателями, компенсирующими изменение сопротивления струны дорожки. К недостаткам предложенного устройства следует отнести то, что измеряемые показатели обладают дискретностью, вызванной наличием между струнами некоторого расстояния. Кроме того, во время ходьбы результаты измерения угла разворота стопы могут быть искажены при угле разворота более 35 градусов. Это происходит в результате того, что некоторые струны между пяточным и носочным контактами остаются незамкнутыми.

344

Отсутствие достаточно простых и удобных средств регистрации пространственных характеристик ходьбы привело к разработке нового метода регистрации пространственных характеристик шага. Устройство содержит токопроводящую дорожку, блок питания

иэлектроды, фиксируемые на обуви пациента в носочной и пяточной области. Электроды соединены с электронно-измерительным блоком с помощью гибкого кабеля. Токопроводящая дорожка выполнена из цельного листа электропроводного полимера, сходного с резиной. На обуви расположены электроды в пяточной и носочной части. Питание токопроводящей дорожки осуществляется источником постоянного тока. Для измерения пространственных характеристик шага используется три режима работы.

Для измерения длины шага полюса источника тока подключаются к торцам дорожки. Ток протекает по электропроводной резине

исоздает на ней падение напряжения. Электродами, расположенными на подошве, снимается падение напряжения на участке резины, равном длине шага. Сопротивление измеренного участка зависит от его длины, а значит, и падение напряжения тоже зависит от длины. Если через токопроводящую дорожку пропустить ток, создающий падение напряжения 1 В/м, то вычисление длины шага сведется к простому измерению напряжения. Измерение напряжения, а следовательно, и длины шага между носочным электродом позади стоящей ноги и пяточным впереди стоящей ноги выбрано потому, что в период двойной опоры только эти две области стоп остаются в контакте с дорожкой. Возможны и другие варианты измерения длины шага, но они будут верны только при патологической ходьбе.

При измерении базы шага питание дорожки источником постоянного тока подается по ширине. Амплитуда измеренного напряжения будет пропорциональна базе шага, а его продолжительность соответствует времени периода двойной опоры.

Для измерения угла разворота стопы напряжение питания на дорожку подается по ширине дорожки. Напряжение измеряется между носочным и пяточным электродами в интервале контакта всей стопой с поверхностью дорожки. Величина измеренного напряже-

345

ния пропорциональна синусу угла разворота стопы, а продолжительность сигнала равна времени опоры на всю стопу данной конечности.

Время сигнала, а также промежутки между сигналами дают временные характеристики шага. Время опоры на одну ногу и время переноса контралатеральной ноги соответствуют времени между периодами двойной опоры (время измерения длины и базы шага). Время опоры на всю стопу соответствует времени измерения угла разворота стопы.

Данный метод регистрации пространственных характеристик ходьбы реализован в программно-аппаратном комплексе анализа движений «МБН-Биомеханика». Выполнение токопроводящей дорожки в виде цельного листа электропроводного материала позволило конструктивно упростить устройство и исключить искажения результатов измерения угла разворота стопы при больших углах. Точность измеряемых пространственных показателей походки, т.е. однородность плотности тока по длине и ширине токопроводящей дорожки, зависит от качества материала, из которого она изготовлена, а также степени ее загрязнения. Для сопоставления данных обследования разных пациентов применяются различные методы нормирования результатов измерения, когда вместо абсолютной величины длины и ширины шага берется их отношение к некоторому антропометрическому параметру (например, к длине нижней конечности обследуемого).

9.5. Пододинамометрия

Регистрация реакций опоры – это классический метод исследования двигательной функции в биомеханике, применяемый в подавляющем большинстве исследований походки. Для реализации методов исследования реакций опоры используются различные датчики, которые можно разделить по принципу действия на электрические и неэлектрические.

Неэлектрические:

•пневмодатчик в подошве обуви;

•механические платформы;

•оптические методы определения реакции опоры. Электрические:

346

•угольные датчики;

•конденсаторные датчики;

•пьезоэлектрические датчики;

•кварцевые резонаторы.

Неэлектрические методы исследования дают явно приближенные результаты, и поэтому большая часть из них в настоящее время имеет только историческое значение.

Наиболее часто в клинической практике для регистрации реакций опоры используется одиночная или сдвоенная динамометрическая платформа. В некоторых случаях конструируется целая измерительная дорожка на 5–7 локомоторных циклов.

Как правило, динамометрическая платформа представляет собой сборную металлическую плиту длиной 60 см, шириной 40 см, высотой более 10 см и весом более 35 кг. Основание платформы – тяжелая металлическая плита, в углах которой расположены трехкомпонентные датчики. Второй конец каждого датчика фиксирован на покровной плите. Покровная плита выполняется из легких сплавов на основе алюминия. Сигналы датчиков поступают в электронный блок, где подвергаются первичной обработке, усилению и суммированию. Дальнейшая обработка осуществляется компьютером.

В настоящее время в мире имеется несколько крупных производителей динамометрических платформ. Например, швейцарская фирма Kistler Instrumente AG, динамометрические платформы которой стали стандартом в своей области. В качестве датчиков используются анизотропные в одной плоскости пьезоэлектрические диски. Фирма производит несколько видов платформ, специально для медицинских целей – анализа походки, стабилометрии и т.д. Американская компания «AMTI», использующая датчики силы на базе тензорезисторов и выпускающая динамометрические платформы, предназначенные для медицинских исследований, которые также применяются и для систем видеоанализа походки. Bertec Corporation – самая молодая компания, производящая такого рода продукцию, отличающуюся оригинальным внешним покрытием верхней плиты платформы и удобным программным обеспечением. В России производством динамометрических платформ для клинических целей занимается фирма «МБН». Платформа данного производите-

347

ля имеет первично цифровой характер получаемой информации с прямой передачей ее в последовательный порт компьютера.

Наиболее простой и часто применяемый способ обработки и интерпретации исследований на динамометрических платформах – это метод критических точек. На полученной кривой измеряются координаты пиков и пересечений с изолинией. Силы измеряются в процентах веса тела, а время в процентах цикла шага.

9.6.Видеорегистрация

Внастоящее время под этим названием объединяется большая группа методов регистрации движений, характерным признаком которой является наличие только оптического канала связи регистрирующей аппаратуры с обследуемым. Преимуществами этих методов являются: отсутствие связи обследуемого с регистрирующей аппаратурой; наличие полной пространственной картины исследования; малый вес маркеров и другого оборудования, носимого обследуемым.

По применяемым техническим средствам эти методы можно разделить следующим образом:

1. Регистрирующая аппаратура – фотокамеры, кинокамеры, видеокамеры, другие системы.

2. Маркеры на теле обследуемого – активные (лампочки, светодиоды и др.), пассивные (темные точки, светоотражающие элементы).

3. Способ получения дискретной информации – стробоскоп, импульсные активные маркеры, импульсное освещение, смена кадров, частота сканирования.

4. Способ обработки информации – ручная, полуавтоматическая, автоматическая.

Непосредственно сами методы исследования можно разделить на группы:

Моноциклография (с использованием одной камеры). Стереоциклография (с мнимым базисом, с использованием

двух и более камер)

Пространственная видеорегистрация.

348

Наиболее простой метод – моноциклография. Основы его в СССР детально разработаны Н.А. Бернштейном. Он применил фотокамеру со стоброскопической насадкой. В качестве маркеров на испытуемом были использованы миниатюрные лампочки.

В работе [10] предложен новый метод анализа движения человека с помощью стробоскопической фотосъемки. Основная идея метода состоит в фотографировании движущегося человека через вращающийся диск, который имеет одно прозрачное и несколько закрытых фильтрами окон, служащих затворными апертурами. Тогда производится ряд экспозиций с равными интервалами времени и на фотографии виден процесс движения. Фотография содержит ряд изображений человека, между которыми видны прерывистые линии – траектории мини-прожекторов, прикрепленных к испытуемому. Такая фотография дает наглядное представление о движении в целом. Различные фазы движения и соответствующие им временные зависимости приобретают форму, в которой хорошо видны их физические характеристики. Этот метод сочетает в себе возможность наглядного представления сложных движений на одной фотографии (рис. 9.5) и простоту используемой аппаратуры.

Рис. 9.5. Стробоскопическая фотография ходьбы человека [10]. Прерывистые светлые линии – траектории движущихся лампочек, прикрепленных к испытуемому

349

В настоящее время в связи с появлением более совершенных методов регистрации (кино, видео) метод стробоскопической фотографии используется редко. Чаще для этой цели применяются кинокамеры, однако трудоемкость ручной обработки информации требует применения автоматических анализаторов или автоматизированной обработке на ЭВМ. С применением телевизионной техники для циклографии стали использовать телекамеры. Однако возможности циклографии ограничены отсутствием пространственной характеристики движения, так как регистрация происходит только в плоскости, перпендикулярной оптической оси камеры. Попытки регистрации движения двумя и более камерами ранее не нашли широкого применения ввиду технически сложной синхронизации кинокамер. Большое распространение получила стереоциклография с мнимым базисом, т.е. съемка одной кинокамерой со стереонасадкой или с помощью наружных зеркал. Таким образом, происходит одновременная регистрация движения объекта и его отражения в зеркале. Возможности современной техники позволили создать надежные системы с двумя и более кинокамерами.

Сегодня для стереоциклографии широко применяется видеотехника, непосредственно сопряженная с компьютером. Ряд таких систем за рубежом выпускается серийно. По точности они почти не уступают киноустройствам, но превосходят их по оперативности анализа. В подавляющем большинстве они имеют пассивные маркеры в виде шариков различного диаметра (5–20 мм). Маркеры фиксируются непосредственно на коже обследуемого или представляют рамку треугольной формы с маркерами в углах, которые крепятся на том или ином сегменте тела пациента. Одна или две камеры позволяют проводить двухмерную регистрацию движений. Для трехмерной, как правило, используют четыре камеры, хотя трехмерная реконструкция возможна с определенными ограничениями и при использовании трех или двух камер. Точность определения пространственного положения маркера в среднем составляет 1–

что необходимо для анализа походки. Существуют видеосистемы, достигающие частоты 200 Гц, но цена их велика и применяются они

350