CC BY
56
Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 475-477
УДК 531.7:612.833
ОСОБЕННОСТИ ЧАСТОТНОГО АНАЛИЗА ПОКАЗАНИЙ СИЛОМОМЕНТНЫХ ДАТЧИКОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПОСТУРАЛЬНЫХ МИКРОДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА
© 2011 г. П.А. Кручинин13, Н.В. Холмогорова23, В.Ю. Шлыков3
Московский госуниверситет им. М.В. Ломоносова ^Московский государственный педагогический университет ^Московский городской психолого-педагогический университет
Поступила в редакцию 15.06.2011
Известно, что силомоментные датчики используют для оценки функционального состояния, анализа неврологических и ортопедических патологий человека. Сигнал, измеренный силомоментным датчиком, взаимодействующим с телом человека, является интегративным. Он включает механические составляющие, обусловленные системой управления движением, а также дыханием, кардиоритмом и т.п., что находит свое отражение в его частотном спектре. Обсуждается задача выделения в спектре составляющих постуральных микродвижений человека, вызванных напряжением определенной группы мышц.
Ключевые слова: постуральные микродвижения человека, частотный спектр, силомоментный датчик.
Обсуждаются проблемы обработки показаний аппаратно-программного комплекса (АПК) «Многофункциональное кресло», разработанного при сотрудничестве МГППУ (г. Москва) и ОКБ Ритм (г. Таганрог). Экспериментальный образец АПК, включает специальное кресло, очувствленное семью силомоментными платформами, установленными на основных поверхностях, с которыми контактирует человек, а также дополнительные физиологические каналы, обеспечивающие регистрацию вегетативных показателей, таких как КГР, частота дыхания, кардиоритм и т.д. Измеренный силомомен-тным датчиком сигнал по своей природе является интегративным и включает механические составляющие, обусловленные вегетативными составляющими (дыхание, кардиоритм) и составляющими, обусловленными системой управления движением, что находит отражение в его частотном спектре. Цель настоящего исследования — обсуждение возможностей выделения «мышечных» составляющих колебаний и анализа проявлений тремора.
Экспериментальные исследования на АПК «Многофункциональное кресло» проводились в Московском городском психолого-педагоги-ческом университете. В ходе эксперимента испытуемый сидел неподвижно в кресле в позе, изображенной на фотографии (рис.1). Статическая работа, совершаемая испытуемым, заключалась в удержании грузов различной массы в пра-
Рис. 1
вой руке, опирающейся локтем на неподвижную опору — подлокотник с вмонтированным трехкомпонентным силомо-ментным датчиком. Груз удерживался в руке 2—3 мин до начала развития утомления. Проводились измерения до, во время и после выполнения статической работы. В исследовании приняло участие 20 человек. Произведено 48 записей с грузами, массы которых варьировались от 1 до 5.5 кг с шагом 0.5 кг.
Основным методом обработки показаний датчиков многокомпонентного кресла явился спектральный анализ с использованием непараметрического метода Велча. Для вычислений выбирались интервалы времени, протяженность которых превышала 60 с при частоте опроса датчиков 50 Гц.
Результаты анализа сигналов датчиков многокомпонентного кресла и дополнительных физиологических каналов (ЭКГ и дыхания) позволили выделить в спектре сигналов силомомен-тных датчиков составляющие, порожденные дыханием и сокращениями сердца. Они имели многочастотный характер и включали значи-
тельные составляющие, кратные частотам дыхания и сердечных сокращений. Это объясняется тем, что у здорового человека характер дыхательных движений и микродвижений, вызванных сердечными сокращениями, является почти периодическим, но не является синусоидальным. Этот эффект хорошо виден на участках сагиттальной спектральной характеристики правого подлокотника, приведенных на рис. 2 (груз в правой руке — сплошная линия, до нагрузки - штриховая, после нагрузки — штрихпунктирная).
Частота пульса испытуемого, зафиксированная датчиком частоты сердечных сокращений, составила 1.3 Гц. Вследствие вышеописанного эффекта на приведенных спектральных характеристиках наблюдаются максимумы в окрестностях частот 1.3; 2.6; 3.9 Гц. Соответствующий эффект имеет место и при обработке показаний других измерительных систем: показаний датчика дыхания ДДПТ-1, оценки координат маркера системы видеоанализа БТгаек2 Тгаекраек, закрепленного на груди испытуемого.
Анализ сигналов АПК «Многофункциональное кресло» и исключение характерных составляющих дыхательного и сердечного ритмов позволяют выделить составляющие колебаний, вызванные напряжением мышц руки при удержании груза. На рис. 2 соответствующий экстремум достигается при частоте 3.4 Гц.
ется упругим элементом. Соответствующее приближение для 3 испытуемых, основанное на математическом моделировании задачи, отображено на рис. 3 кривыми.
2 3 4
Рис. 3
5 m, кг
Ко второй группе отнесены составляющие колебаний, частоты которых лежат в диапазоне 5— 12 Гц. Эти колебания проявляются не у всех ис-
x 10-4 Weight 1.5 kG in right hand. Elbow Right Ballistogram Patient: KPA
2.5
О 2
(k
m, 1.5
u
r
rt 1
ec 1
ю 0.5
wero
o
P
2.5 3 3.5
Frequency,Hz
Рис. 2
На рис. 3 представлено отображение результатов на плоскости параметров «масса груза — частота колебаний». Различными символами изображены точки, соответствующие различным испытуемым.
Обнаруженные частоты разделены на 2 группы. К первой группе отнесены «низкие» частоты колебаний в диапазоне 1.5—4 Гц. Эти колебания проявляются практически сразу после получения груза испытуемым. Частоты этих колебаний О существенно зависят от массы груза т. Поэтому такие колебания ассоциируются с «механическими» колебаниями, при которых мышца моделиру-
пытуемых. Их интенсивность нарастает со временем по мере накопления усталости.
Следует отметить, что в ряде случаев, эти ко -лебания отмечены не только на датчике правого подлокотника, но также и на других датчиках. У некоторых испытуемых «высокочастотные» колебания при нагружении проявлялись на датчиках, удаленных от места нагружения, например на левом подлокотнике, на сидении и т.д., в то время как на правом подлокотнике колебания с этими частотами не наблюдались.
Таким образом, частотный анализ сигналов силомоментных датчиков, взаимодейству-
м
1
ющих с телом человека, позволяет выделить постуральные микродвижения, обусловленные как вегетативными составляющими (дыханием, кардиоритмом), так и системой управления дви-
жением, играющей важную роль в реализации усиленного физиологического тремора.
Работа поддержана РФФИ (грант 09-01-00809).
CHARACTERISTICS OF FREQUENCY ANALYSIS OF THE DATA FROM FORCE/TORQUE SENSORS FOR POSTURAL HUMAN MICROMOTIONS INVESTIGATION
P.A. Kruchinin, N.V Holmogorova, V.Yu. Shlykov
Force/torque sensors are used for an estimation of human functional condition, analysis of neurologic and orthopedic pathologies. The signal measured by the force/torque sensor, contacting with a human body, has an integrative character. It includes the mechanical components caused by a motion control system, and also, respiration, cardiac rhythm, etc. This effect is observed in the frequency content of sensors. The problem of spectral components separation caused by activity of congenerous muscles during human postural micromovements is considered.
Keywords: human postural micromovements, frequency analysis, force/torque sensors.
