УДК 004.454, 616-03, 617.3, 617-7

УДК 004.454, 616-03, 617.3, 617-7
Автоматизированный механизм подвижности коленного сустава для опорнодвигательного аппарата
Липович Н.А. (Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики»)
Научный руководитель – Умнов В.В. (Федеральное государственное бюджетное
учреждение «Научно-исследовательский детский ортопедический институт им. Г.И.
Турнера»)
Научный руководитель – Киселев С.С. (Федеральное государственное автономное
образовательное
учреждение
высшего
образования
«Санкт-Петербургский
национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики»)
Научный руководитель – Ошурок Э.Э. (Федеральное государственное автономное
образовательное
учреждение
высшего
образования
«Санкт-Петербургский
национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики»)
Введение. Существуют разные группы людей, со слабыми мышцами опорно
двигательного аппарата, от пожилых людей до людей болеющих различными видами
заболеваний от врожденных, до приобретенных. В данной работе рассматриваются больные
спастической диплегией и вялым параличом, так как это наиболее распространенные виды
болезни детского церебрального паралича (ДЦП). По статистике в России порядка трѐх
больных на тысячу человек, таким образом, если учесть, что в России 143,5 миллиона
жителей получается 430,5 тысяч больных, в нашей стране.
В современных медицинских учреждениях, в качестве средства лечения, проводят
хирургическую операцию с последующей реабилитацией на программно-аппаратном
комплексе Lokomat. Аппаратная часть комплекса имеет
в своем составе низшие
кинематические пары вращения и поэтому можно утверждать, что он «навязывает движение
походки». После прохождения курса механотерапии, пациент адаптируется для ходьбы. Но
Lokomat не учитывает индивидуальные характеристики каждого пациента, такие как фаза
шага, траектория движения бедра и голени каждой ноги, мышечная активность и.т.д. В таком
случае каждый из них в большей или меньше мере расположен к самостоятельному
перемещению. Кроме того необходимо учитывать высокую стоимость, и габариты
Lokomat’a. Поэтому, устанавливать его можно в медицинских учреждениях, но не для
личного пользования каждого пациента.
Наблюдая за ходьбой детей больных ДЦП, можно констатировать следующее:
 «Рваный цикл» фазы шага [1];
 фазы шага [1] не повторяются;
 динамика углов сгибания и разгибания коленного сустава не повторяются;
 в фазе пред-переноса [1] наблюдаются резкие движения, нога в недостаточной
степени разгибается и не способна сохранять свое положение для обеспечения
переноса веса на неѐ и перехода.
Для решения названных проблем предлагаются следующие задачи:
1. Разработка конструкции механизма подвижности коленного сустава при нагрузке
веса пациента 40-50кг.
2. Механизм коленного сустава, должен выполнять функции: сесть (встать),
перемещение по горизонтальной поверхности, подъем (спуск) по лестнице.
3. Механизм должен обеспечивать самоторможение при любой функции.
4. Автоматическая настройка фазы шага.
5. Вес одного механизма коленного сустава не должен превышать 8кг.
Цель работы. Разработка программно-аппаратного комплекса подвижности коленного
сустава.
Базовые положения исследования. Для величин фаз шага [1], используются датчики
давления [2-4] в сочетании с акселерометром, что позволяет измерять угловое положение
голени относительно бедра. [2-4]. Акселерометры располагаются на мышцах бедра и голени,
а датчики давления – на стопе. Наличие датчиков давления, акселерометров и управляющих
сигналов для обеих ног, достаточно наукоемкая задача, поэтому было решено взять за
основу уже реализованные алгоритмы [2-11].
Практические результаты. В ходе выполнения работы были получены следующие
результаты:
 обзор вариантов автоматизированных механизмов подвижности коленного сустава;
 разработано РКД механизма;
 реализованы алгоритмы управления подвижностью коленного сустава для обеих ног;
 проведено тестирование в НИДОИ им. Турнера.
Перспективы развития. В дальнейшем планируется доработать автоматизированный
механизм подвижности коленного сустава, алгоритмы управления функциями и провести
клинические испытания.
Литература
1. Gait Analysis Using Wearable Sensors / W.Tao, T. Liu, R. Zheng et al. // Sensors. 2012.
Vol. 12. P. 2255-2283
2. Lau H., Tong K. The reliability of using accelerometer and gyroscope for gait event
identification on persons with dropped foot // Gait & Posture. 2008. Vol. 27. P. 248-257.
3. Methods for gait event detection and analysis in ambulatory systems / J. Rueterboriesa, E. G.
Spaich, B. Larsen et al. // Medical Engineering and Physics. 2010. Vol. 32. P. 545-552.
4. Bae J., Tomizuka M. Gait phase analysis based on Hidden Markov Model // Mechatronics.
2011. Vol. 21. P. 961-970.
5. Real-time gait event detection for normal subjects from lower trunk accelerations / R.C.
Gonzalez, A.M. Lopez, J. Rodriguez-Uria et al. // Gait & Posture. 2010. Vol. 31. P. 322-325.
6. Estimation of spatial-temporal gait parameters in level walking based on a single accelerometer:
Validation on normal subjects by standard gait analysis / F. Buganea, M. Benedettia, G.
Casadiob et al. // Computer methods and programs in biomedecine. 2012. Vol. 08. P. 129-137.
7. Quantitative estimation of foot-flat and stance phase of gait using foor-worn inertial sensors / B.
Mariani, H. Rouhani, X. Crevoisier et al. // Gait & Posture. 2013. Vol. 37. P. 229-234.
8. 3D gait assessment in young and elderly subjects using foot-worn inertial sensors / B. Mariani,
C. Hoskoves, S. Rochat et al. // Journal of Biomechanics. 2010. Vol. 43. P. 2999-3006.
9. Ojeda L., Borenstein J. Non-GPS Navigation for Security Personnel and First Responders //
Journal of Navigation.
10. Mayagoitiaa R.E., Neneb A.V., Veltinkc P. H. Accelerometer and rate gyroscope measurement
of kinematics: an inexpensive alternative to optical motion analysis systems // Journal of
Biomechanics. 2002. Vol. 35. P. 537-542.
11. Nolinear optimization for drift removal in estimation of gait kinematics based on accelerometers
/ M.D. Djuric-Jovicic, N. Jovicic, D.B. Popovic et al. // Journal of Biomechanics. 2012 Vol. 45.
P. 2849-2854.