CC BY
59
Известия ТРТУ
УДК 612.017.2: 57 322
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУСТАВНЫХ МОМЕНТОВ ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОТЕЗИРОВАНИЯ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ
Ю.Н. Иванов, Н.В. Авилова
344010, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, Донской государственный технический университет, кафедра “Приборостроение”; тел.: (862) 38-13-69
Проблема двуногой ходьбы человека актуальна в связи с необходимостью оптимального конструирования протезов для обеспечения комфортности ходьбы инвалидов. Базой для этого являются кинематические и динамические параметры процесса ходьбы человека в норме.
Математический аппарат и экспериментальное оборудование, описанные в публикациях, не позволяют адекватно интерпретировать кинематическое и энергетическое состояние исследуемого биологического объекта в любой момент фазы движения в силу чрезвычайной сложности как самого объекта, так и процесса его движения.
Представленная работа включает в себя выполняемые параллельно и взаимно дополняющие друг друга экспериментальное и аналитическое изучение параметров ходьбы человека в норме с целью установления реальных и формализованных значений межзвенных углов, угловых скоростей, угловых ускорений звеньев, суставных моментов, опорных реакций и энергозатрат при движении. Эти результаты позволят решить две задачи:
-сформулировать технические требования и получить исходные данные для разработки конструкций протезов нижних конечностей, включая геометрические размеры звеньев, их форму и параметры приводных устройств, обладающих нужными характеристиками;
-выбрать систему критериев качества и их числовые значения для оценки принимаемых технических решений.
Экспериментальная часть работы заключается в практическом измерении и регистрации межзвенных углов, угловых ускорений и суставных моментов с математической обработкой результатов. Основными исходными параметрами здесь являются значения межзвенных углов, измеряемых в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах посредством специально созданного измерительного устройства.
Измерительное устройство включает в себя жесткие шины, материализующие оси звеньев, шарнирно соединенные друг с другом и закрепляемые на испытуемом так, чтобы оси шарниров шин совпадали как можно точнее с осями суставов. В местах шарниров установлены датчики, преобразующие угловое положение сочлененных шин в электрический сигнал. Одновременная регистрация сигналов трех датчиков дала возможность синхронной записи кинематики движения ноги идущего человека во всех его фазах и построения планов положения звеньев. Графическое изображение межзвенных углов во времени дало основу для разработки начального варианта математической модели. Разработано и находится в стадии наладки измерительное устройство, оснащенное в шарнирах датчиками, преобразующими угол поворота в последовательность импульсов в коде Грея. Введено устройство, закрепляемое на спине испытуемого и измеряющее текущее значение углового расположения корпуса идущего человека относительно вертикали , материализация которой осуществляется гироскопом. Это создает объективную базу для измерения всех межзвенных углов. Информация, снимаемая с датчиков, обрабатывается ЭВМ в реальном масштабе времени так, что одновременно
МИС-98
II. Аппаратные и программные средства медицинской диагностики и терапии регистрируются: межзвенный угол, его первая ( угловая скорость) и вторая (угловое ускорение) производные по времени.
Введенные в программу ЭВМ антропометрические данные измерения конечности испытуемого (масса каждого звена и координаты центров их масс, определенные по специально разработанной методике) позволяют вычислить значения и построить графики изменения суставных моментов и механической мощности, развиваемой двигательным аппаратом испытуемого.
Полученные экспериментальные данные позволили внести существенные изменения в описание математической модели движения нижней конечности. В отличие от ранее разработанных, полученная математическая модель наиболее приближена к ходьбе человека в норме: имеет весомые стопы; вязкоупругие элементы, моделирующие податливость сочленений; спиральные пружины в соединениях суставов, имитирующие их упругую податливость; неравномерное распределение масс сочленений.
Уравнения движения математической модели составлены в виде уравнений Лагранжа второго рода, в котором за обобщенные координаты i приняты угловые координаты, определяющие отклонения звеньев от вертикали. Для решения полученной системы дифференциальных уравнений теоретически определены: кинетическая и потенциальная энергии системы, координаты центров масс звеньев, их угловые скорости и угловые ускорения. В результате решения системы дифференциальных уравнений теоретически определены значения суставных моментов и энергозатраты при ходьбе человека, которые согласуются с предварительными экспериментальными значениями.
УДК 621:612.815
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПАТОЛОГИЧЕСКОГО ТРЕМОРА ПРИ ПАРКИНСОНИЗМЕ
А. В. Литвин, О. А. Полушкин, В. В. Ширгин
344010, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, Донской государственный технический
университет, кафедра “Приборостроение”; тел.: (862) 38-13-69
Частым видом двигательных нарушений в клинике различных заболеваний является патологический тремор конечностей. При паркинсонизме патологический тремор - один из основных симптомов заболевания. Наблюдается существенное различие между нормальным и патологическим тремором у больных паркинсонизмом. Тремор при других заболеваниях (базедова болезнь, алкоголизм и т. д.) также имеет свои отличительные черты [1]. Таким образом, объективное исследование тремора при паркинсонизме имеет большое практическое значение для диагностики и оценки эффективности лечения.
Нами произведены исследования вибрационных характеристик тремора верхних конечностей у больных паркинсонизмом. Регистрация и запись тремора выполнялись на виброизмерительном стенде. Пьезоэлектрические датчики крепились на запястии и пальцах руки. Математико-статистическая обработка записей тремора включала спектральный анализ методом быстрого преобразования Фурье, обработку по пиковым значениям записей тремора, анализ методом огибающих и определение нормированной автокорреляционной функции [2]. Для анализа данных и выполнения статистических расчетов применялись компьютерные системы AutoCAD и MATLAB [3].
Результаты анализа патологического тремора позволяют сделать следующие выводы:
