Устройство для лечения нарушений осанки

.(НОЕ ПАТЕНТСССРССР) ОБР Т И К АВТ Р КО ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ ий ин- аучноого и 873 ени оже их в поддерОПИСАНИЕ(71) Киевский научно-исследовател ьскститут ортопедии, Межотраслевой нинженерный центр по физике живмикроволновой резонансной терапиигук"(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯШЕНИЙ ОСАНКИ(57) Использование: лечение нарушосанки. Относится к ортопедии и Изобретение относится к медицинской технике, а цменно к ортопедическим устройствам для выборочной тренировки силы мышц, и предназначенодля консервативного лечения начальных степеней сколиоза и нарушений осанки во фронтальной плоскости у детей и подростков,Для контроля правильности осанки у детей с кифосколиозом известны устройства, выполненные в виде системы крепления на туловище ребенка контактного датчика и системы сигнализации, срабатывающей при нарушении правильной осанки, Эти устройства недостаточно эффективны, т.к. они предназначены преимущественно для контроля уже выработанной осанки и узкой направленности индикации только кифотического компонента деформации, который имеет место лишь у 25-30% больных сколиозом, не обеспечивая индикации соотношения биоэлектрической активности быть использовано при консервативном лечении нарушений осанки и сколиоза у детей. Цель - повышение эффективности лечения, Сущность изобретения; устройство содержит входной блок в виде электродов, усилитель биопотенциалов и выпрямителя, а также средство индикации, В устройство введен дополнительный входной блок, блок вычитания, задатчик 10 и блок управления средством индикации, выполненный в виде фигуры человека с позвоночным столбом, образованным пружинистым элементом, связанным с приводными средствами, 2 з.п, ф-лы, 14 ил. мышц-антагонистов, участвующжании осанки.Известна линейная электромиографическая система с биологической обратной связью. содержащая датчик в виде электродов, устанавливаемых на коже над соответствующей мышцей, усилителЬ биопотенциалов, выполненный в виде дифференциального усилителя, соединенную с ним систему фильтров, нагруженных на оптический индикатор в виде многоканального осциллографа, и звуковой сигнализатор. Недостатки этой системы заключаются в недостаточной эффективности обучения поддержанию правильной осанки вследствие невозможности индикации соотношения биоэлектрической активности мышц-антагонистов из-за наличия только одного канала, и низкой наглядности обучения в связи с использованием непосредственно сигнала биоэлектрической активности мышц, ото-Техред М,Моргентал Корректор Л.Ливрин кто Подписноеизобретениям и открытиям при ГКНТ СССРаушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 4468 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета 113035, Москва, Ж5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 бражаемого на экране светолучевого осциллографа, плохо воспринимаемого детьми малого возраста и утомительного для глаз,В качестве прототипа выбрано биологическое устройство обратной связи, содержащее усилитель биопотенциалов, систему фильтров, выпрямитель сигналов, нагрукенный на визуальное указательное приспособление, выполненное в виде ряда последовательно расположенных определенным образом световых источников.Недостатки прототипа заключаются в недостаточной эффективности обучения поддержанию правил ь ной оса н ки вследст.вие невозмокности индикации соотношения биоэлектрической активности мышц-антагонистов из-за наличия только одного канала, что удлиняет сроки обучения, и низкой наглядности обучения в связи с малой занимательностью средства индикации в виде светового табло, не позволяющего вносить в процесс лечения игровой момент, изменение световых Сигналов на котором непосредственно не соотносится с реальной величиной деформацйи позвоночного столба у конкретного пациента и степенью ее исправления,Цель изобретения - увеличение эффективности обучения поддержанию правильной осанки путем повышения наглядности индикации соотношения биоэлектрической активности мышц-антагонистов,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для лечения нарушений осанки, содержащее входной блок, выполненный в виде соединенных последовательно усилителя биопотенциалов и выпрямителя, электроды и систему индикации, введен дополнительный входной блок, на выходе которых дополнительно включены интеграторы, соединенные с выходом выпоямителя, блок вычитания с противофазными входами которого соединены выходы входных блоков, блок программирования и блок управления средством индикации, содержащий по крайней мере один канал, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных узла компенсации и ключевого усилителя мощности; нагрукенного на соответствующий реверсивный электродвигатель, кинематически связанный со средством индикации и соответствующим датчиком положения, при этом первый, второй и третий входы узла компенсации каждого канала блока управления соединен с выходами соответственно блока вы читания, блока программирования и датчика положения, а система индикации выполнена в виде модели гибкого позвоночного столба, образованного пружинистым элементом с укрепленными на нем позвонками, плечевым и тазовым поясами, нейтральные участки пружинистого элемента прикреплены к перпендикулярным ему валам, связанным коромыслами, по крайней мере один из которых соединен с выходом редуктора с электродвигателем и установлен с возможностью осевого вращения неподвижно, а остальные валы размещены в направляющих с возможностью осевого вращения и линейного перемещения перпендикулярно своих осей.В варианте исполнения средство индикации выполнено одноканальным, в котором к валам прикреплены средний и крайние нейтральные участки пружинистого элемента, при этом средний вал установлен неподвижно, а два крайних размещены в направляющих, причем блок управления содержит один канал, узел компенсации которого выполнен в виде трехвходового сумматора, первый и второй входы первого из которых являются соответственно первым и вторым входами канала, а выход соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого является третьим входом.канала.В другом варианте исполнения для обеспечения индикации коррекции позвоночного столба соответственно особенностям его деформации средство индикации выполнено двухканальным, в нем к валам прикреплены верхний и нижний нейтральные участки пружинистого элемента, оба вала соединены через редукторы с соответствующими электродвигателями, а их коромысла связаны посредством жесткой тяги, равной суммарной длине обоих коромысел, причем нижний вал установлен неподвижно, а верхний вал размещен в направляющих, при этом блок управления содержит два канала, нагруженных соответственно на первый и второй электродвигатели, первые и вторые входы которых объединены, а узлы компенсации выполнены в виде суммирующих умножителей, первый и второй суммирующие входы которых являются соответственно первым и вторым входам каждого из каналов, а третие умножающие входы являются четвертыми входами каждого из каналов и соединены соответственно со вторым и третьим выходами блока программирования, и двухвходовые сумматоры, первые входы которых соединены с выходами суммирующих умнокителей, а вторые входы являются третьими входами каждого из каналов.В варианте исполнения сумматоры, суммирующие умножители и блок вычитания выполнены на аналоговых операцйбнных усилителях.В другом варианте исполнения сумматоры, суммирующие умножители, блок вычитания и блок программирования 5 выполнены на комбинационных цифровых схемах, а на выходах входных блоков и датчиков положения включены преобразователи аналог-код.На фиг. 1 показана блок-схема базового 10 варианта устройства, выполненного с использованием средства индикации, содержащего один электродвигатель; на фиг. 2 - блок-схема выходного блока управления электродвигателями средства индика ции; на фиг, 3 - конструкция одноканального средства индикации базового варианта выполнения устройства; на фиг. 4 - блоксхема одноканального блока управления средством индикации по фиг. 3, выполнен ного на аналоговых элементах; на фиг.5 - то же, в цифровом исполнении; на фиг, б - конструкция двухканального средства индикации; на фиг. 7 - блок-схема двухканального блока управления средством 25 индикации по фиг, б, выполненного на аналоговых элементах; на фиг. 8 - то же, но в цифровом исполнении; на фиг.9-13 - варианты отображения типов сколиоза в двухканальном средстве инди кации (соответственно, грудного, поясничного, "Я"-образного, "С"-образного, грудо-поясничного); на фиг. 14 - вид средства индикации спереди (со стороны пользователя). 35Рассмотрим базовый вариант устройства, выполненный на аналоговых элементах, содержащий средство индикации с одноканальным управлением.Устройство для лечения нарушений 40 осанки содеркит по крайней мере два входных блока 1 и 2, каждый из которых состоит из последовательно соединенных усилителя 3 биопотенциалов с симметричным входом, к которому подключены электроды для 45 съема биопотенциалов (не показаны), выпрямителя 4 и интегратора 5, выход которого являются выходом входных блоков 1 и 2.Количество входных блоков определяется количеством мышц, участвующих в поддер жании осанки при данном типе ее нарушения, и должно быть парным (2, 4 и т,п.). При использовании более двух входных блоков 1, 2, они предназначены для регистрации биопотенциалов с групп мышц-синерги стов, например, длинных мышц спины в грудном и поясничном отделах (4 входных блока) и мышц живота (еще 2 входных блока итого 6 входных блоков). Выходы нечетных входных блоков 1 и четных входных блоков 2 соединены, соответственно, со взаимно противофазными входами блока 6 вычитания, выполненного в виде многовходового дифференциального сумматора 7, выход которого соединен с первым входом блока 8 управления средством 9 индикации. Со вторым и третьим входами блока 8 управления соединены, соответствейно,"йервыи выход блока 10 программирования и выход датчика 12 положения, установленного в средстве 9 индикации,В случае выполнения устройства на аналоговых элементах блок 10 программирования и датчик 12 положения выполнены, например, в виде переменных резисторов 11 и 13, крайние выводы которых подключены к шинам "плюс" и "минус" питания, а средний вывод является выходом, Выход блока 8 управления нагружен на реверсивный электродвигатель 14, установленный в средстве 9 индикации, вал которого через редуктор 15 кинематически соединен с датчиком 12 его углового положения. Блок 8 управления содержит по крайней мере один канал, содержащий узел 16 компенсации, выполненный в виде трехвходового сумматора, выход которого соединен со входом ключевого усилителя 17 мощности,Средство 9 индикации выполнено в прямоугольномм плоском корпусе 18 с окном 19, закрытым прозрачным материалом. Параллельно окну 19 в корпусе установлена непрозрачная перегородка 20 с отверстием 21 в центре и двумя вертикальными прорезями 22. Перпендикулярно перегородке 20 сквозь отверстие 21 выведен вал 24 с возможностью осевого вращения неподвижно, а сквозь прорези 22 - валы 23 и 25, причем средний вал 24 соединен с выходным валом редуктора 15, а верхний и нижний валы 23 и 25 установлены в направляющих 26 с возможностью осевого вращения и линейного перемещения перпендикулярно своих осей. Верхний и нижний валы 23 и 25 снабжены односторонними коромыслами 27, а вал 24 - двойным коромыслом 28. Свободные концы коромысел 27 и 28 шарнирно соединены между собой попарно, причем плечи всех коромысел равны между собой, К концам валов 23 - 25 в промежутке между окном 19 и перегородкой 20, перпендикулярно их оси, прикреплен пружинистый элемент 29 в средней и крайних точках, несущий макеты позвонков, плечевой пояс 30 и тазовый пояс 31 фигуры человека,,: .В двухканальном варианте исполнения устройства отличия от одноканального (базового) варианта заключаются в конструкции средства 9 индикации, блока 8 управления им и блока 10 программирова5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ния, В блоке 9 индикации пружинистый элемент 29 соединен своим верхним и нижним нейтральными участками только с двумя валами 23, 24, выведенными, соответственно, через прорезь 22 с возможностью осевого вращения и линейного перемещения перпендикулярно своей оси, и отверстие 21 в перегородке 20 с возможностью осевого вращения неподвижно, Нижний вал 24 соединен с валом редуктора 15,1 непосредственно, а верхний вал 23 соединен с валом дополнительного редуктора 15.2, кинематически связанного сбвторым реверсивным электродвигателем 14.2 и вторым датчиком .12.2 углового положения посредством гибкой пружины 32 типа Баудена. Валы 23 и 24 концентрически расположены внутри полых дополнительных валов, соответственно. 33, 34, и связаны с ними кинематически с возможностью соосного вращения в противоположных направлениях с одинаковым углом поворота. К валам 23, 24 жестко прикреплены односторонние коромысла, соответственно, 27 и 35, а к валам 33 и 34 - соответственно, коромысла 36 и 37, Коромысла 27, 37 и 36, 35 связаны попарно жесткими тягами 38, укрепленными шарнирно, и равными суммарной длине обоих коромысел.Блок 8 управления содержит два канала 39, 40, каждый из которых включает последовательно соединенные узел компенсации и ключевой усилитель 17,1 и 17,2 мощности, нагруженный на соответствующий реверсивный электродвигатель 14.1 и 14.2. Узел компенсации каждого из каналов содержит последовательно соединенные первый суммэто р-умножител ь 41.1, 41.2, второй сумматор 42.1, 42,2, первый вход которого соединен с выходом сумматора-умножителя 41, а выход подключен к ключевому усилителю мощности 17, Первые входы сумматоров-умножителей 41, являющиеся первыми входами каналов 39, 40, объединены и соединены с выходом блока 6 вычитания, Вторые входы сумматоров-умножителей 41, являющиеся втооыми входами каналов 39, 40, также объединены и соединены с первым выходом блока 10 программирования, который представляет собой движок переменного резистора 11. Сумматоры-умножители 41.1, 41.2 имеют дополнительный третий вход, являющийся четвертым входом каналов 39, 40, Они обьединены и соединены со вторым выходом блока 10 программирования, представленным движком переменного резистора 43, крайние выводы которого соединены с выходами, соответственно, сумматоров-умножителей 42.1 и 42,2. Со вторыми входами вторых сумматоров 42,1 и 42.2, которые являются третьими входами каналов 39, 40, соединены, соответственно, выходы датчиков 12.1 и 12,2 положения.Электронная часть блока 8 управления может быть выполнена также на цифровых логических элементах; При этом структура узлов, составляющих блоки и логика их работы аналогичны вышеописанным аналоговым вариантам. Различие состоит лишь во введении между выходами входных блоков 1 и 2 и входами блока 6 вычитания, а также выходами датчиков 12 положения и третьими входами блока 8 управления аналогоцифровых преобразователей (АЦП), управляемых общим генератором тактовых импульсов (не показан) - соответственно, 46.1 и 46,2. Кроме того, усилители мощности 17 содержат цифровые компараторы входов, нагруженные на силовые ключи (не показаны), а блок 10 программирования выполнен в виде дискретного переключателя кодов, Преимущество цифрового варианта исполнения устройства заключается в его высокой помехозащищенности и стабильности работы, а также возмокности эмулирования схемотехники и логики работы на ми кро-Э В У,Работа базового варианта устройства осуществляется следующим образом.В исходном состоянии входы входных блоков 1 и 2 закорочены на нулевую шину и на их выходах, а соответственно, и на выходе блока 6 вычитания сигналы отсутствуют. В связи с этим фаза и величина сигнала на выходе узла 16 компенсации блока 8 управления определяется алгебраической суммой сигналов, поступающих нэ его второй и третий входы с, соответственно, выхода блока 10 программирования и датчика 12 положения, При неравенстве его нулю (наличии сигнала разбаланса) включается усилитель 17 мощности, подающий напряжение на реверсивный электродвигатель 14 в полярности, Вращение его вала через редуктор 15 приводит к изменению угла положения вала 24 и, соответственно, положения датчика 12 положения, до тех пор, пока абсолютное значение сигнала с его выхода не уравняется со значением сигнала на выходе блока 10 программирования, при чем на выходе узла 16 компенсации сигнал принимает нулевое значение и усилитель 17 мощности выключателя. Достигнутое угловое положение вала 23 через коромысла 27 и 28 передается на валы 23 и 25, совместное положение которых "Я"-образно деформирует пружинистый элемент 29,имитируя деформацию позвоночного столба, соответствующую имеющейся у конзвоночного столба или не изменится, или деформация увеличится, что индицирует па циенту о неправильности выполнения им указаний.Таким образом, задачей пациента является путем напряжения мышц туловища выпрямить макет позвоночного столба у фигуры человека в средстве 9 индикации и удержать его в таком положении как можно дольше. Такая задача посильна детям начиная с 5-6-летнего возраста, Индикация формы макета позвоночного столба может быть видимой даже боковым зрением, что позволяет наблюдать одновременно за несколькими соседними средствами 9 индикации, вносит игровой момент в процессе обучения и дух соревновательности.Базовый вариант устройства лишь отчасти удовлетворяет задачам лечения различных типов сколиоза, т.к. "Я"-образная деформация позвоночного столба наблюдается лишь при самых начальных стадиях заболевания, с неустановившимся типом. У подавляющего большинства больных она имеет индивидуальные особенности (тип деформации); для которых предназначен двухканальный вариант исполнения устройства.Работа блока 8 управления, выполненного на аналоговых элементах и средства 9 индикации двухканального варианта исполнения устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии устанавливают исходную величину деформации макета позвоночного столба, соответственно имеющейся у конкретного больного, путем регулировки фазы и значения сигнала на первом выходе блока 10 программирования, аналогично базовому варианту, Установка стороны и типа йскривления макета позвоночйого столба выполняется путем регулировки введенных частей переменного резистора 43, от чего зависит коэффициент усиления сумматоров-умножителей 41.1 и 41.2 (собственно, благодаря этому резистору и задается обратно пропорциональный коэффициент усиления сумматора каждого канала). С учетом коэффициента их усиления, для уравнивания с сигналом, поступающим с первого выхода блока 10 программирования, требуются различные значения сигналов с выходов датчиков 12.1 и 12.2 положения, следовательно, угловое положение валов 23, 33 и 24, 33 также будет различным, Соответственно этому, деформация пружинистого элемента 29 в его верхнем и нижнем участках будет различной(различные по выраженности дуги искривления) с имитацией соответствующего типа деформации позвокретного больного, Таким образом, регули-руя фазу и значение сигнала на выходе блока 10 программирования путемперемещения движка переменного резистора 11, устанавливают исходную величину 5и сторону деформации макета позвоночногостолба,Обнажают туловище пациента и прикрепляют электроды к коже над проекциейсоответствующей мышц, симметрично позвоночного столба, Выбор мышц и точеккрепления над ними электродов определяется особенностями деформации позвоночного столба конкретного пациента, Входынеиспользуемых входных блоков остаются 15закороченными на нулевую шину (вследствие чего на последующую работу устройстваони не влияют). Электроды соединяют совходами входных блоков 1 и 2 и пациентупредлагают напряжением мышц исправить 20имеющуюся у него деформацию позвоночного столба. Если амплитуда биопотенциалов с мышц одной стороны туловищапревысит амплитуду биопотенциаловконтралатеральных мышц, то выходной сигнал, например, входного блока 1 превыситвыходной сигнал входного блока 2. При использовании более двух входных блоков 1,2, выходные сигналы нечетных и четныхвходных блоков (соответственно, 1,1 - 1,И и 302,1 - 2,М) суммируются, а затем взаимновычитаются в блоке 6 вычитания, формируявыходной сигнал, по величине и фазе пропорциональный алгебраической суммевходных сигналов. Он поступает на первый 35вход узла 16 компенсации, вызывая формирование сигнала разбаланса на его выходе, приводящего к включению усилителямощности и, соответственно, электродвигатель 14, Это ведет к изменению углового 40положения валов 23-25, и, соответственно, выраженности деформации макета позвоночного столба, с соответствующимизменением сигнала с выхода датчика 12положения доуравнивэния его абсолютного 45значения с сигналом с выхода блока 6 вычитания, аналогично вышеописанным процессам. Если пациент правильно понялуказания и активировал нужные мышцы,исправляющие имеющуюся у него деформацию позвоночного столба (с соответствующей асимметрией амплитудырегистрируемых с них биопотенциалов), тосигнал на выходе блока 6 вычитания принимает фазу, вызывающую уменьшение деформации макета позвоночного столба,индицируя пациенту о правильном выполнении им указаний. При симметричном активировании мышц либо при неправильномих активировании, положение макета по1782540 12 5 10 30 35 40 4550 55 ночного столба, аналогичного имеющемуся у обучающегося пациента (грудного, поясничного,"Я"-образного, "С"-образного, грудо-поясничного), Дальнейшая работа каждого из каналов устройства не отличается от вышеописанного одноканального варианта,При выполнении устройства на цифровых элементах работа его блоков и узлов отличается тем, что величина и фаза сигналов с выходов входных блоков 1, 2 и датчиков 12 положения представлены цифровым кодом (например, прямьм и дополнительным, либо смещенным),Описанное устройство апробировано в школе-интернате для детей, больных сколиозом. При обучении 48 детей 1 и 2 классов правильная осанка достигнута у 45 из них (94%) за 3 - 5 сеансов (в течение первого месяца учебного года). У учеников параллельных классов, включающих 44 ребенка, правильная осанка достигнута к концу первого месяца учебного года лишь у 12 (27%) (по критерию "Хи-квадрат" Р0,001). Для ее поддержания требовались контрольные сеансы обучения по крайней мере 2 раза в месяц. тогда как у детей первой группы контроль 1 раз в месяц демонстрировал потерю достигнутой осанки, требовавшую их дополнительного доучивания, лишь у 2 - 5 из них, Наблюдение в течение последующего учебного года показало, что в первой группе к началу следующего учебного года повторное обучение потребовалось у 15 детей (31%), а во второй - у 38(86%) (по критерию "Хи-квадрат" Р0,001). Формула изобретения 1. Устройство для лечения нарушений осанки, содержащее входной блок, выполненный в виде соединенных последовательно усилителя биопотенциалов и выпрямителя, электроды и средство индикации,отличающееся тем,что,с целью увеличения эффективности обучения поддержанию правильной осанки путем повышения наглядности индикации соотношения биоэлектрической активности мышц- антагонистов, в него дополнительно введены и входных блоков, на выходе каждого из которых дополнительно включен интегратор, соединенный с выходом выпрямителя, блок вычитания, с противофазными входами которого соединены выходы входных блоков. задатчик и блок управления средством индикации, содержащий по крайней мере один канал, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных узла компенсации и ключевого усилителя мощности, нагруженного на соответствующий реверсивный электродвигатель, кинематически связанный со средством индикации и соответствующим датчиком положения, при этом первый, второй и третий входы узла компенсации каждого канала блока управления соединены с выходами соответственно блока вычитания, задатчика и датчика положения, а средство индикации выполнено в виде модели гибкого позвоночного столба в виде пружинистого элемента с укрепленными на нем позвонками, плечевым и тазовым поясами, нейтральные участки пружинистого элемента прикреплены к перпендикулярным ему 15 валам, связанным коромыслами, по крайней мере один из которых соединен с выходом редуктора с электродвигателем и установлен с возможностью осевого вращения неподвижно, а остальные валы разме щены в направляющих с возможностьюосевого вращения и линейного перемещения перпендикулярно своим осям.2, Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что в средстве индикации к валам 25 прикреплены средний и крайние нейтральные участки пружинистого элемента, при этом средний вал установлен неподвижно, а два крайних размещены в направляющих, причем блок управления содержит один канал, узел компенсации которого выполнен в виде двух последовательно соединенных сумматоров, первый и второй входы первого из которых являются соответственно первым и вторым входами канала, а выход соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого является третьим входом канала.3, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что,с целью обеспечения индикации коррекции позвоночного столба соответственно особенностям его деформации, в системе индикации к валам прикреплены верхний и нижний нейтральные участки пружинистого элемента, оба вала соединены через редукторы с соответствующими электродвигателями, а их коромысла связаны посредством жесткой тяги, равной суммарной.длине обоих коромысел, причем нижний вал установлен неподвижно, а верхний вал размещен в направляющих, при этом блок управления содержит два канала, нагруженных соответственно на первый и второй электродвигатели. первые и вторые входы которых объединены, а узлы компенсации выполнены в виде суммирующих умножителей, первый и второй суммирующие входы которых являются соответственно первым и вторым входами каждого из каналов, а третьи умножающие входы являются четвертыми входами каждого из каналов исоединены соответственно с вторым и третьим выходами задатчика и двухвходовых сумматоров, первые входы которых соединены с выходами суммирующих умножителей своего канала, а вторые входы являют ся третьими входами каждого из каналов,