CC BY
388
Раздел III
РАЗРАБОТКА ЛЕЧЕБНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ И ИНСТРУМЕНТАРИЯ. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 612.7- 073: 007.51
ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНКИ ФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕЛОВЕКА С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ ДВИЖЕНИЯ - АКСЕЛЕРОМЕТРОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
С.И. ЛОГИНОВ1
Неотъемлемая часть жизни человека - потребность в движении. Она реализуется в домашней, производственной, физкультурно-спортивной, досуговой, рекреационной и прочей физической активности. Объективно и точно измеренная повседневная физическая активность человека (ФАЧ) является одним из ключевых показателей для разработки групповых и индивидуальных оздоровительных и реабилитационных программ, составления пищевых рационов, нормирования труда и отдыха, планирования учебного и тренировочного процессов в образовательных и лечебных учреждениях различного типа. Физическая активность - это «любое телесное движение, которое производится скелетными мышцами и требует расхода энергии» [1].
Принято рассматривать ФАЧ и оценивать как поведение, связанное со здоровьем [2], информацию о повседневном уровне и структуре которой можно систематизировать и оценивать на индивидуальном и популяционном уровнях. Для этого используются методы, включающие оценку индивидуального физического и психологического здоровья, уровень физической подготовленности, частоту, продолжительность и интенсивность физической активности, а также переменные-посредники - восприятие затруднений, ожидание результата и самоэффективность.
Снижение ФАЧ - явление повсеместное и неблагоприятное, поскольку она во многом определяет характер адаптации организма человека к условиям окружающей среды. Низкая ФАЧ отмечается у всех возрастных групп населения и является установленным фактором риска ишемической болезни сердца, гипертонии, ожирения, диабета 2 типа и других заболеваний. Всестороннее изучение детерминант физической активности и ее различных коррелятов позволяет разработать эффективные модели коррекции и повысить физическую активность современного человека до уровня, обеспечивающего ему минимальный «безопасный» уровень здоровья. С позиций классического детерминизма построение адекватных моделей коррекции ФАЧ возможно только в ограниченных объемах пространства и на локальных временных интервалах. Всегда есть бифуркации высоких порядков, амплитуды которые настолько малы, что ими можно пренебречь. Даже стохастический подход с его понятиями вероятностного распределения, корреляционных и регрессионных взаимоотношений, факторного анализа занимает сейчас лишь некоторое промежуточное положение при изучении биологических динамических систем (БДС), пребывающих как в условиях нормы, так и функционирующих в режиме патологии. Построение адекватных моделей, позволяющих оценивать и предсказывать поведение, связанное с проявлением физической активности людей возможно на основе теории хаоса и синергетики (ТХС). При этом важно выяснить процедуры нахождения к подпространств, определяющих русла поведения вектора состояния человека (ВСОЧ), определить параметры порядка (к<т), построить модели, обеспечивающие оценку и прогноз динамики поведения ВСОЧ [3]. Для этого нужны точные количественные данные ФАЧ, полученные с помощью систем съема и обработки информации (ССОИ).
Цель - выявление типов электронных акселерометров, пригодных для изучения ФАЧ (по данным анализа литературы).
Методы оценки физической активности. Инструментами для описания количественных связей в БДС выступают различные методы анализа на основе оценки уровня и структуры ФАЧ с помощью 7-дневных отчетов, анкет и опросников, хронометража суточной активности индивида и шагометрии.
1 Сургутский госуниверситет, г. Сургут
Все эти данные являются характерным примером хаотической динамики поведения параметров биосистем различного уровня организации. Эти методы имеют возрастные ограничения и обладают рядом недостатков, снижающих внутреннюю валидность. К их числу относится необходимость ежедневной фиксации итоговых данных в дневнике, что не всегда выполняется в точном соответствии с инструкциями, подобные измерения носят дискретный характер и имеют существенную погрешность. Применение акселерометра для оценки ФАЧ более эффективно.
Акселерометр - это портативный электронный счетчик количества движений, осуществляемых индивидом в повседневной жизни. Учет движений происходит на основе регистрации ускорений, возникающих при смещении органов локомоции. Высокочувствительные пьезоэлектрические сенсоры воспринимают изменение положения тела в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Затем микропроцессор рассчитывает первую производную скорости движения, записывает оцифрованный сигнал в оперативную память для последующей обработки на ЭВМ. Голландский Tracmor, например, имеет габариты 7*2*0,8 см и весит около 30 г. Он имеет герметичный, водонепроницаемый корпус и измеряет ускорения относительно переднезадней, медиолате-ральной и вертикальной осей тела человека. В зависимости от задач исследования акселерометр закрепляют на поясе и носят от нескольких часов до 7-ми суток и более, обеспечивая тем самым непрерывную регистрацию основных движений человека.
Конструктивно акселерометры подразделяются на два вида - одноосевые и трехосевые. В качестве примера серийно выпускаемых, коммерчески доступных одноосевых акселерометров, можно привести пьезорезистивные акселерометры марки ICS Sensors Model 3145, Milpitas, СА (США), Caltrac производства Computer Science Application (США) и Mini Motionlogger Actigraph (США). Трехосевые акселерометры марки Tritrac-R3D (США) и Tracmor (Голландия) зарекомендовали себя как более точные [4]. Технические устройства, использующие принцип ускорения давно используются в практике научно-технических и испытательных лабораторий. Раньше это были довольно громоздкие стационарные приборы, требующие квалифицированного обслуживания. В настоящее время появилось множество разнообразных акселерометров, используемых для измерения вибрации и ударных нагрузок. Так, например фирма Bruel & Kjaer выпускает свыше 300 наименований, в том числе акселерометры массой около 1 г, которые можно наклеивать на поверхности деталей машин для измерения ускорений. Аналогичные приборы разработаны и выпускаются в Нижнем Новгороде. Однако до сих пор они недостаточно приспособлены для научных исследований и массового применения с медикобиологическими и тренировочными целями. Для изучения движений человека акселерометры стали применяться примерно тридцать лет назад под влиянием развития микроэлектроники и вычислительной техники. Наибольший прогресс в акселерометрии произошел за последние десять лет в связи с запросами ученых, остро нуждавшихся в объективных и точных инструментах для исследования повседневной физической активности на индивидуальном и популяционном уровнях.
Термин «акселерометр» происходит от латинского слова accelerato, что значит ускоряю. Основной принцип работы акселерометра основан на измерении ускорения, т.е. изменения скорости во времени (AV/At). В математике эта величина называется первой производной, а физическое понятие включает ускорение свободного падения под влиянием силы земного притяжения (g=9,8 м/с2). Степень ускорения понимается как показатель перемещения, который включает изменение скорости, с которой данное расстояние преодолевается. Движение с постоянной скоростью акселерометр не регистрирует. Одна из первых ССОИ по физической активности была сконструирована в 70-х годах прошлого века и успешно применена для регистрации перемеще-
ний психиатрических больных [5]. Это стимулировало разработку акселерометров нового поколения, которые получили прочный корпус и надежную электронную «начинку». После того как сигналы восприняты пьезорезистором, они фильтруются с помощью цифровых фильтров высоких и низких частот. Фильтрация сигналов необходима для того, чтобы исключить артефакты, которые не связаны с перемещением человека. Фильтры верхних частот удаляют низкочастотные сигналы, что позволяет записать нулевое ускорение, которое отмечается, если человек просто стоит на месте. Фильтры нижних частот обрезают ускорение высокой частоты и электрические наводки. Величина ускорения человеческого тела обычно ниже 10 Гц и меняется в пределах от -6 до +6 О. Акселерометры третьего поколения имеют фильтры нижних частот порядка 20 Гц, что обеспечивает полное восприятие амплитуды движений, акселерометр может измерять перемещение не только тела, но и отдельных кинематических звеньев.
Существует ряд факторов, которые могут влиять на мощность сигналов акселерометра. Чаще всего это ускорение вследствие движения тела, гравитационное ускорение, внешняя вибрация, не связанная с телом, сотрясение чувствительного элемента вследствие ударов прибора о тело человека при его ношении. Одним из факторов, влияющих на мощность сигнала акселерометра, является его расположение на теле. Исследователи тестировали акселерометры, которые размещались на бедре, талии и лодыжке. Наиболее удачными местами для ношения акселерометра при измерении повседневной физической активности оказались бедро и талия. Крепление прибора в этих местах позволяет регистрировать большинство ускорений, возникающих при нормальных движениях человека. Вместе с тем акселерометр не может измерить энергетическую стоимость работы рук спортсмена, который совершает круги де Лассаля на гимнастическом коне или работу, производимую при толкании тележки с грузом. Помещенный на талию он неточно определит количество движений при езде на велосипеде. Размещать акселерометр надо в зависимости от цели исследования и предписаний фирмы-изготовителя. Мониторы физической активности точно измеряют весь спектр двигательных действий, составляющих основной вид ежедневной активности большинства детей и взрослых.
Имеется целый ряд серийно выпускаемых портативных акселерометров, пригодных как для научного исследования физической активности, так и для контроля реабилитационного и тренировочного процесса. Самые современные модели базируются на тех же самых принципах ускорения, но отличаются по объему памяти, программным возможностям, типу, размерам и чувствительности сенсорного элемента. Они также отличаются ценой, которая варьирует от €150 до $500 (табл.).
Таблица
Коммерчески доступные, серийно выпускаемые акселерометры
Марка Число осей Функции Цена Производитель / продавец
Caltrac 1 КД, РЭ $200 Muscle Dynamics Fitness Network, Torrance, USA www.stayhealthy.com
Tritrac R3D 3 КД, РЭ $500
CSA 7164 Actigraph 1 КД $300 Manufacturing Technology Inc., Fort Walton Beach, USA
Biotrainer 1 КД $500 IM System, Baltimore, USA, www.imsystems.net
Actitrac 1 КД $200 IM System, Baltimore, USA
PAM Tracmor 3 КД, РЭ €150 Маастрихт, Голландия, www.pam.com
КД - количество движений; РЭ - расход энергии, ккал
Большинство этих приборов непрерывно регистрируют данные о количестве совершаемых движений, накапливают их в памяти и выдают в обобщенном виде на дисплей. Накопленные данные по окончании периода исследования загружаются в персональный компьютер для последующей обработки. Объем данных, которые могут сохраняться в памяти прибора, зависит от длительности интервала считывания информации. Чем длиннее интервал, тем больше информации может сохраниться. Например, считывание в секундном интервале заполняет память в
течение нескольких десятков часов, тогда как работа с периодом в одну минуту позволяет накапливать сигналы в течение 10-30 дней. Преимуществами акселерометров перед шагомерами и другими способами учета ФАЧ разного возраста являются: высокая точность и валидность результатов измерений; возможность поминутной регистрации ФАЧ в течение 7 и более дней с последующей обработкой данных на ЭВМ; возможность регистрации всех типов основных движений человека; отсутствие возрастных ограничений. В сравнительных исследованиях, проведенных Клаасом Вестертерпом из Маастрихтского университета [4] не найдено явных различий между данными косвенной калориметрии и показателями акселерометра в процессе ходьбы при использовании одноосевого и трехосевого приборов, помещенных на запястье, бедро или голень. «Сидячие действия» лучше отражались с помощью трехосевого акселерометра, по сравнению с одноосевым. Два акселерометра (Tritrac R3D и Tracmor) были проверены на надежность в повседневных условиях жизни по сравнению с меченной дейтерием водой. Самая высокая корреляция между показаниями акселерометра и активностью с расходом энергии была найдена для Tracmor. Высокая точность акселерометрии подтверждена в исследованиях на здоровых испытуемых при различных режимах ходьбы и бега, в сочетании с холтеров-ским мониторированием ЭКГ, у детей разного возраста, у лиц с заболеваниями артерий нижних конечностей, а также у практически здоровых людей в процессе производственной деятельности [6]. По сравнению с данными шагомера показатели акселерометрии точнее в 6-13 раз. Только в исследовании [7], посвященном изучению техники подъема штанги с помощью стационарного акселерометра, предпочтение было отдано лазерному датчику.
Библиографический поиск проводили с использованием ключевых слов physical activity, accelerometer, health, accelerome-try, двигательная активность, физическая активность, акселерометр, акселерометрия, здоровье с помощью поисковых баз данных Medline, ERIC, Psylnfo, SportDiscus, Index Medicus, Current Content, РЖ Биология, а также ресурсов ГЦНМБ и РГБ. Кроме того, были просмотрены авторефераты диссертаций по медицине, биологии, психологии, педагогике и физической культуре. Выявлено 234 литературных источников по акселерометрии, опубликованных в мире за последнее десятилетие (1996-2006 гг.). Результаты убедительно свидетельствует, что трехосевой акселерометр для регистрации движения - это объективный инструмент, который может использоваться для оценки различий в уровнях ФАЧ между индивидуумами и выявления эффектов вмешательств в физическую активность с целью ее коррекции на индивидуальном и популяционном уровнях. На основе анализа библиографии выделим области применения акселерометрии: исследования по биомеханике и кинезиологии человека и животных, включая коррекцию и реабилитацию при нарушении движений; оценка повседневной ФАЧ, связанной со здоровьем; контроль энергетического обмена, ожирение; фармакология ФАЧ; контроль работы кардиостимуляторов в зависимости от уровня ФАЧ.
В области исследований по биомеханике заслуживают внимания работы, посвященные применению акселерометров для измерения и управления сгибанием протеза нижней конечности в коленном и в тазобедренном суставах, для оценки эффективности реабилитационных процедур в процессе восстановления движений верхней конечности, для измерения ускорения сегментального центра масс при изучении трехмерной кинематики нижней конечности человека в процессе ходьбы и бега, исследования функций опорно-двигательного аппарата [8, 9], изучения баланса, равновесия и походки. Значительное число работ посвящено изучению количественных характеристик ФАЧ с помощью акселерометрии во взаимосвязи с определением расхода энергии при избыточной массе тела и различных вмешательствах с целью коррекции [8, 10-13]. Удачные попытки калибровать показания акселерометров в единицах основного обмена (МЕТ) и в ккал/мин позволили классифицировать продолжительность суточной физической активности по трем категориям - низкая (23,9 MET), умеренная (4-7 МЕТ) и высокая (>7 MET) [14-15]. Такая классификация удобна для практического использования.
Заключение. Точность и объективность измерения ФАЧ является важнейшим метрологическим требованием обеспечения внутренней валидности при сборе первичных данных для построения динамических моделей коррекции низкой физической активности. Трехосевые акселерометры обладают достаточной
точностью и успешно применяются за рубежом в исследовательской, реабилитационной и физкультурно-спортивной практике. Акселерометрия ограниченно осуществляется в региональных научно-исследовательских лабораториях, специализирующихся на изучении физической активности человека в различных условиях внешней среды, а также в крупных оздоровительных и реабилитационных центрах. Отечественные разработки миниатюрных трехосевых акселерометров [8] не получили должного признания. Необходимо наладить их серийное производство и сервисное обслуживание. По мере удешевления акселерометров их использование станет таким же доступным как применение электронных шагомеров и портативных кардиотестеров.
Литература
1985.-
1. Caspersen C.J. et al. // Publ. Health Reports.-Vol. 3.- P. 126-131.
2. Логинов С. И. Физическая активность: Методы оценки и коррекции.- Сургут, 2005.- 344 с.
3. Еськов В.М. и др. Синергетика в клинической кибернетике. Ч. 1. Теоретические основы системного синтеза и исследований хаоса в биомедицинских системах.- Самара: Офорт, 2006.233 с.
4. Westerterp K.R. // Med Sci Sports Exerc.- 1999.- Vol. 31.-S. 522-555.
5. Montoye H.J. et al. // Med Sci Sports Exerc.- 1983-Vol. 15.- P. 403-407.
6. Анишкина Н.А. и др. // Мед. техника.- 1992.- № 3.- C. 32.
7. Болховских Р.Н. Семин Н.И. // Мат-лы совм. науч-практ. конф. РГАФК, МГАФК и ВНИИФК.- М., 2001.- C. 16-17.
8. Анишкина Н.А. и др. Пьезоакселерометры ПАМТ и их применение для исследования механической активности опорнодвигательного аппарата человека: Препринт института прикладной физики АН СССР.- Горький, 1986.- 140.- 14 с.
9. Ефимов А.П. и др. // Ортопедия, травматология и протезирование.- 1991.- № 1.- P. 55-56.
10. Rowlands A.V., Eston R.G. // Res. Q. Exerc. Sport.- 2005.-Vol. 76.- P. 251-257.
11. Dunton G. et al.//Am.J.Prev.Med.- 2005.- Vol. 29.- P. 281.
12. Riddoch C.J. et al. // Med. Sci. Sports Exerc.- 2004.-Vol. 36.- P. 86-92.
13. Jackson D.M. et al. // Obes. Res.- 2003.- Vol. 11.- P. 420.
14. Tudor-Locke C. et al. // Med Sci Sports Exerc.- 2002.-Vol.34.- P. 2045-2051.
15. AadahlM., Jorgensen T. // Med. Sci. Sports Exerc.- 2003.-Vol. 35.- P. 1196-1202.
УДК 616.314-089-053
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕЧЕБНЫХ И ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ У ДЕТЕЙ С ЗАБОЛЕВАНИЯМИ МОЛОЧНЫХ ЗУБОВ
С.Н. ГОНТАРЕВ *
Введение. Заболеваемость молочных зубов у детей, среди которой наибольшую распространенность имеет кариес, является высокой. Частота кариеса молочных зубов в 3, 6 и 9 лет среди детей г. Воронежа составляет соответственно 67%, 87% и 89% [1]. У 3-летних детей Майкопа распространенность кариеса временных зубов составила 80,8% при средней интенсивности 3,82±0,10. Поэтому актуально внедрение новых методов лечения и реабилитации детей с патологией молочных зубов [2, 3].
Цель - инструментальная оценка эффективности лечения и реабилитации детей с заболеваниями молочных зубов.
Материал и методы. Исследования проведены в 1-й (119 человек), 2-й (121 человек) экспериментальных и контрольной (КГ - 120 детей) группах. В 1-й группе применялся композит «CHARISMA» и ультрафонофорез в течение 4 дней после лечения. Во второй группе до и после пломбирования композитом «CHARISMA» в течение 4 дней применялись иглорефлексотера-пия и ультрафонофорез. В контроле -композит «CHARISMA».
Инструментальная оценка эффективности лечения включала электроодонтодиагностическое, рентгенологическое и интраско-пическое обследование через 2-3 дня, 6 месяцев и 1 год. Результаты исследования обработаны на основе критерия Стьюдента.
Результаты. Электроодонтодиагностическое исследование пломбированных зубов показало что через 2-3 дня лучшие результаты были в 1-й группе (рис. 1), средние - во 2-й группе. В КГ сила тока была максимальной (Р<0,05).Через полгода результаты лечения незначительно улучшились во 2-й группе, а в 1-й и КГ - без изменений. К концу периода наблюдения сила тока оказалась минимальной во 2-й группе и отличалась от КГ (Р<0,01). Рентгенологическое исследование показало, что пломбировочный материал во всех группах является рентгеноконтрастным в 100% случаев. Рентгенологический контроль постановки пломбы на предмет нависающих краев в поддесневой области выявил различия в группах (рис. 2).
6 -
4
<
м
З
2
З
—
2-3 дня
б мес.
1 год
Время
Рис. 1. Динамика силы тока в реставрированных зубах через 2-3 дня, 6 месяцев и 1 год в 1-й (1), 2-й (2) и контрольной (3) группах.
На 2-3 сутки нависающие края пломбы практически отсутствовали во 2-й группе (Р<0,001). В 1-й группе в сравнении с КГ также выше удельный вес детей с отсутствием при рентгенокон-троле нависающих краев пломбы в поддесневой области (Р<0,01). Наличие нависающих краев пломбы достоверно выше в КГ и составляет около 37%. Исследование этого показателя через 0,5 и 1 год не выявило изменений и указывает на лучшие и хорошие результаты соответственно во 2-й и 1-й группах.
Определение точечного контакта на аппроксимальной поверхности показало высокие результаты в 1-й и 2-й группах, где у всех детей выявлено наличие точечного контакта через 2-3 дня после лечения. В КГ этот показатель составил 55,5%, что существенно ниже (Р<0,001). Через 6 месяцев и 1 год результаты лечения во всех трех группах остались без изменений. При определении множественного точечного контакта на буграх жевательных зубов установлена та же закономерность (табл.1). У всех пациентов 1-й группы и практически у всех детей 2-й группы на 2-3 день после лечения имелся множественный точечный контакт на буграх жевательных зубов, а в КГ - в 39,1% случаев (Р<0,001). Отсутствовал множественный точечный контакт в КГ у большинства детей. Ситуация не изменилась и через 0,5, и 1 год. В 1-й и 2-й группах через 6 месяцев и 1 год результаты лечения не ухуд шились.
* Курский государственный технический университет
Рис. 2. Рентгеноконтроль постановки пломбы на наличие или отсутствие нависающих краев в поддесневой области через 2-3 дня (1), 6 месяцев (2) и 1 год (3) в 1-й (А),2-й (Б) и контрольной (В) группах (Р±тр,%); штриховка - отсутствие нависающих краев пломбы, иначе - их наличие
5
2
А
Б
В
