устройство для имитации ходьбы с системой обратной связи

Формула изобретения

1. Устройство для имитации ходьбы с системой обратной связи, содержащее контрольно-измерительный модуль с датчиками измерения физиологических параметров, данные о которых передаются в компьютер с программным обеспечением, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит:

микропроцессорный блок управления (МПБУ),

модуль ввода параметров, выполненный с возможностью выбора режима воздействия;

компьютер с программным обеспечением, выполненным с возможностью управления МПБУ и с возможностью задавать предельно допустимые значения физиологических параметров, при превышении которых осуществляется оповещение или имитация ходьбы автоматически прекращается,

ортезы со стельками, содержащими встроенные пневмокамеры, в которые поступает воздух под давлением через пневмоклапаны из ресивера, снабженного датчиком давления и регулирующим клапаном, и соединенного с компрессором,

при этом МПБУ выполнен с возможностью получения данных с датчика давления, на основании которых регулируется давление в пневмокамерах.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит монитор, выполненный с возможность отображения результатов измерения физиологических параметров.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ресивер содержит аварийный клапан.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пневмокамеры имеют бугристую поверхность.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью одновременного повышения давления во всех пневмокамерах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицинского приборостроения, в частности к аппаратно-программным комплексам, и может использоваться в тех областях медицины, где необходимо предупредить или лечить нарушение локомоции (биомеханики ходьбы и бега). Обычно, такие нарушения возникают у пациентов, длительно не осуществляющих опору на ноги. Это может быть больной в состоянии длительного постельного режима или космонавт в условиях невесомости. Такое состояние может быть также у неврологических больных, больных с травмой нижних конечностей. Также данное изобретение может использоваться в спорте - для повышения эффективности моторной тренировки и в профилактических целях - у людей пожилого возраста и у лиц, ведущих малоподвижный образ жизни.

Предлагаемое устройство может применяться в научно-исследовательских, лечебных, реабилитационных, профилактических и спортивных учреждениях здравоохранения, а также в домашних условиях с целью профилактики и восстановления двигательной функции человека.

Данное устройство предназначено для моделирования опорных реакций с использованием принципа пневмомеханического давления на соответствующие опорные зоны стоп с помощью специальных пневмокамер в режимах имитации реальной ходьбы с регистрацией ответных реакций человека - частоты сердечных сокращений (ЧСС), артериального давления (АД), частоты дыхательных движений (ЧДД), температуры тела, влажности кожи.

Устройство для имитации ходьбы снабжено системой обратной связи. Специальное оборудование, представляющее собой комплекс соответствующих датчиков, синхронизировано с программой управления устройства, что позволяет во время процедуры отслеживать состояние пациента - АД, ЧСС, ЧДД, температуру тела, влажность кожи. Это оборудование в одном из вариантов исполнения надевается на руку пациента, на дисплее устройства задаются предельно допустимые значения АД, температуры тела, ЧСС, при превышении которых имитация ходьбы автоматически прекращается. Можно задавать любые параметры АД, ЧСС, температуры, которые могут быть достигнуты в процессе процедуры, тем самым создается возможность дифференцировать тренировочные программы с учетом индивидуальных особенностей пациента.

Устройство, воздействуя на пациента путем стимуляции опорных зон стоп, формирует мощный афферентный поток, который оказывает регулирующее действие на структуры центральной нервной системы (ЦНС), контролирующие движения, тем самым стимулируя процессы нейропластичности. За счет применения предлагаемого устройства может осуществляться ранняя активизация больных, особенно тех, кому по функциональному состоянию проведение активных реабилитационных мероприятий затруднено, также может повышаться эффективность спортивных тренировок и осуществляться профилактика двигательных нарушений у пожилых людей и лиц, ведущих малоподвижный образ жизни.

Снятие опорных нагрузок на стопы человека при длительном постельном режиме (больной человек) или в условиях невесомости (космонавт), а также при малоподвижном образе жизни (пожилые люди) сопровождается рядом нежелательных изменений в морфологии и в системе управления движениями ног. Изменения касаются сенсорного аппарата стопы, мышечного аппарата голени, костной структуры; происходят изменения в системе регуляции позы человека.

"Сенсорный голод", возникающий в указанных условиях, обусловливает отсутствие начального звена рефлекторной дуги, лежащей в основе управления движениями. Отсутствие восходящей импульсации от механорецепторов ступни создает условия для неблагоприятных изменений в системе локомоций.

Профилактике этих изменений и должно служить предлагаемое техническое решение.

Устройство для имитации ходьбы с системой обратной связи предназначено для:

- реабилитации моторных нарушений, связанных со снижением или длительным отсутствием опорных нагрузок;

- моделирования сенсорного образа ходьбы в режиме естественной, закрепленной в эволюции циклограммы, ходьбы;

- моделирования сенсорного образа ходьбы, активизируя рефлекторные механизмы шага, в частности, активизацию спинального генератора ходьбы, и моторные центры более высокой организации;

- комплексного лечения в неврологии и в реабилитации.

Уровень техники

Известно "Устройство для реабилитации опорно-двигательного аппарата в условиях невесомости" (патент RU 2148981), действие которого на организм обусловлено раздражением рецепторных зон подошвы человека пневмомеханическим давлением, создаваемым в импульсном режиме.

Однако известное устройство может быть использовано только индивидуально, например у космонавтов, его использование весьма затруднительно в клинических условиях при большом количестве пациентов ввиду нижеследующего.

Для осуществления локального давления на анатомически характерные зоны ступней в устройстве имеются два пневмоботинка, снабженных пневмомодулями. "Пневмоботинки" имеют определенный размер, "пневмомодули" располагаются в них жестко в определенных местах, соответствующих зонам скопления фатер-пачиниевых телец на подошве ступни, под размер которой сделан пневмоботинок. Устройство должно быть выполнено с учетом индивидуальных особенностей анатомии стопы каждого пациента (прежде всего, учитываются размеры по длине и ширине, а также возможные деформации, характерные для ряда заболеваний).

Манжеты обжатия в известном устройстве создают раздражение механорецепторов на тыле стопы, которые не имеют никакого отношения к организации реакции опоры и формирования рефлекторной дуги, лежащей в основе управления локомоциями.

Дело в том, что манжеты обжатия, служащие для плотного "притяга" пневмомодулей к подошве, работают в такт подачи давления в пневмомодули, воздействующие на механорецепторы подошвы, т.е. импульсные механические воздействия устройство осуществляет на ступню как снизу, так и сверху. Таким образом, происходит обжатие ступни почти целиком, а так как площадь соприкосновения с телом у манжет обжатия больше, чем у пневмомодулей, то ощущение давления сверху выражено сильнее, чем давление на подошвы. Такое обжатие приводит к созданию нефизиологичного, ненужного механического давления на конечность, вызывающего негативную эмоциональную реакцию пациента.

Также неоправдана конструктивная сложность известного устройства за счет наличия 3 пневмомодулей (1 - в пяточной зоне и 2 - в носковой части ботинка (латеральный и медиальный).

Каждый пневмомодуль имеет собственную систему обслуживания (отдельную воздушную линию, клапан, представительство в микропроцессоре). Однако известно, что анатомическое расположение фатер-пачиниевых телец в плюсневой зоне стопы выглядит как два пятна (медиальное и латеральное), функционального различия между этими скоплениями рецепторов нет. Такое расположение телец фатер-пачини обусловлено анатомией стопы: в этих местах давление от опоры сильнее, ввиду наличия бугров на подошве стопы.

При осуществлении контактов с опорой эти образования раздражаются (возбуждаются) практически одновременно. Поэтому нагрузочные элементы в передней части ботинка могут быть объединены в один, что существенно упрощает конструкцию и повышает ее надежность.

Наличие в известном устройстве вредного или бесполезного для адаптации рецепторов минимального давления также может относиться к недостаткам устройства.

"Дежурное" минимальное давление в пневмомодулях (в это время осуществляется соединение их с ресивером минимального давления) нарушает точность имитации фактора давления и, с этой точки зрения, минимальное давление может рассматриваться как вредное (условия для адаптации рецепторов) или, по крайней мере, как бесполезное.

Наличие в известном устройстве второго ресивера обусловливает его конструктивную сложность. Устройство имеет два ресивера и два уровня давлений - минимальный и максимальный. Назначением устройства является имитация физических факторов воздействия на подошву стопы человека, характерных для локомоций в условиях гравитации. Однако давление на зоны расположения фатер-пачиниевых телец при ходьбе и беге возникает лишь в фазы контакта с опорой, в остальное время давление равно 0. Сброс давления должен происходить до атмосферного. Следовательно, наличие ресивера минимального давления является физиологически неоправданным.

Расположение пневмомодулей в корпусе стельки известного устройства ограничивает ход камеры (мембраны), из-за чего ощущения давления снижены.

Частично, указанные недостатки устранены в известном устройстве (RU 2330640 - аналог) для профилактики и лечения нарушений локомоций, включающем два ботинка, каждый из которых содержит средство создания давления на рефлексогенные зоны в виде пневмомодулей, состоящих из пневмокамеры, источника давления, представляющего собой компрессор с электродвигателем, соединенным через ресивер, снабженный датчиком давления и регулирующими клапанами, с каждой пневмокамерой.

К недостаткам известного устройства можно отнести сложность конструкции, неудобство в эксплуатации, недостаточный эффект воздействия. В известном устройстве пневмокамеры крепятся липучкой на стельку и вставляются в обувь пациента, что не способствует надежности получения хороших результатов при стимуляции опорных зон.

Наиболее близким аналогом является устройство для имитации ходьбы с системой обратной связи, содержащее контрольно-измерительный модуль с датчиками для измерения параметров физиологического состояния пациента и компьютер с программным обеспечением (US 6666831, 23.12.2003). Однако известное устройство не обеспечивает полного контакта со стопой пациента, вследствие чего для достижения необходимого эффекта требуется выполнение длительной и изнурительной для пациента процедуры.

Раскрытие изобретения

Задачей данного изобретения является создание устройства для имитации ходьбы с системой обратной связи, позволяющего эффективно лечить нарушение локомоции у пациентов, в т.ч. с длительным обездвиживанием, и удобного в использовании.

Достигаемым техническим результатом является адекватное моделирование сенсорного образа ходьбы в режиме физиологической ходьбы и потенциирование рефлекторных механизмов шага, в частности, активизация моторных центров спинальной и более высокой организации еще на стадии постельной иммобилизации пациентов.

Адекватное моделирование опорных реакций обеспечивается использованием принципа пневмомеханического давления на соответствующие опорные зоны стопы пациента с помощью пневмокамер. Действующим фактором имитатора опорной нагрузки подошвенного является механическая стимуляция пяточных и плюсневых зон стоп. Только на подошве расположены рецепторы глубокой чувствительности, которые реагируют на давление. Эти тельца имеют прямые проекции в кору головного мозга, в зоны, которые отвечают за ходьбу. Таким образом, стимуляция этих рецепторов приводит к активации нейронов коры голоного мозга, а те, в свою очередь, по нисходящим путям активируют двигательную активность.

Причем именно комбинированное использование ортезов с пневмокамерами, позволяет оптимизировать данное воздействие на стопы. Это обеспечивается конструкцией ортеза, которая позволяет добиться приемлемой фиксации на ноге при одновременном исключении избыточного давления на передний свод стопы, что в свою очередь, как следствие, приводит к исключению риска появления болевого синдрома, натирания, психологического дискомфорта. Кроме того, перечисленные эффекты благодаря использованию обратной связи, позволяют подобрать индивидуально оптимизированный режим имитации ходьбы.

Разработанное устройство для имитации ходьбы с системой обратной связи содержит микропроцессорный блок управления, пару обуви со стельками и пневмокамерами, соединенными с компрессором через пневмоклапаны и ресивер, снабженный датчиком давления, регулирующий клапан, контрольно-измерительный модуль с датчиками для измерения параметров физиологического состояния пациента, модуль ввода указанных параметров и компьютер с программным обеспечением. Пара обуви представляет собой пару ортезов. В каждом ортезе закреплена стелька с встроенными в нее двумя пневмокамерами, при этом регулирующий клапан размещен на ресивере и напрямую соединен с микропроцессорным блоком управления, а устройство выполнено, в том числе, с возможностью одновременного повышения давления во всех пневмокамерах.

В предпочтительных вариантах устройство содержит монитор, ресивер оснащен аварийным клапаном, а пневмокамеры имеют бугристую поверхность.

Размер камер должен быть зависим от размера стопы, и, поэтому, предлагаемые ортезы по данному изобретению соответствуют анатомо-физиологическому состоянию стопы, в том числе, в зависимости от возраста. Стандартные камеры не позволяют учитывать анатомическое строение стопы в соответствии с возрастом и полностью исключают использование имитации ходьбы у детей до 3-х лет.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит клавиатуру (1), модуль ввода параметров (2), дисплей (3), светодиоды (4), компьютер с программным обеспечением (5), блок управления (6), модуль питания (7), компрессор (8), пневмоклапаны (9), пневмокамеры (10), ресивер (11), пневмопровод для оперативного подключения пневмокамер (12), пневмопроводы (13), бугристую поверхность пневмокамер (14), регулирующий клапан (15), контрольно-измерительный модуль (16), датчики контрольно-измерительного модуля (17), монитор (18), аварийный клапан (19), пневмоортезы (20), пневмовводы (21), стельки (22), динамик (23).

Представленное устройство работает следующим образом.

При помощи клавиатуры (1) через модуль ввода параметров (2) набирается программа воздействия на пациента в данном сеансе: величина давления в пневмокамерах; необходимый режим, например стандартный режим цикла - "ходьба-1" (75 шагов/мин), "ходьба-2" (120 шагов/мин), бег (150 шагов/мин); время цикла и другое. Заданный режим отражается на дисплее (3) модуля ввода (2) и контролируется светодиодами (4). Включается кнопка "старт" клавиатуры (1). Запускается программа компьютера (5), обеспечивающая слаженную работу всех модулей устройства.

Компьютерная программа (5) дает задание микропроцессорному блоку управления (6), который, в свою очередь, подает сигнал модулю питания (7). Модуль питания (7) после этого включает компрессор (8) и пневмоклапаны (9), причем дальнейшее включение и выключение по заданной схеме работы происходит автоматически.

Подача воздуха в пневмокамеры (10) осуществляется из ресивера (11) с помощью пневмоклапанов (9), работающих в режиме давление/стравливание через пневмопроводы (12). Пневмопровод (12) для оперативного подключения пневмокамер снабжен цанговым зажимом или аналогичным.

Через пневмопроводы (13) воздух поступает непосредственно в пневмокамеры (10), причем для более плотного прилегания к стопе пневмокамеры имеют бугристую поверхность (14).

Формирование циклограмм управления пневмоклапанами (9) осуществляется через буферные схемы блока управления (6) независимо для каждой зоны стимуляции.

Для воздействия на стопы пациента воздух под давлением поступает в пневмокамеры (10) через пневмоклапаны (9) из ресивера (11). Давление в ресивере (11) поддерживается системой автоматического управления следующим образом: давление в ресивере измеряется с помощью датчика давления и передается в блок управления (6), где переводится в цифровую форму и сравнивается с заданным значением. Если давление в ресивере ниже заданного, следует включение компрессора (8). По достижении заданного давления компрессор отключается.

Когда давление в ресивере (11) поднимается до верхней допустимой границы, открывается регулирующий клапан (15) и давление понижается до нижней границы, клапан (15) закрывается. Работающий компрессор (8) доводит давление в ресивере (11) до верхней разрешенной границы и цикл регулирования повторяется.

Обслуживающий персонал на протяжении всего сеанса отслеживает информацию по дисплею (3): в том числе, название режима, факт срабатывания каждого клапана (дублируется вспыхиванием светодиодов (4), заданное и текущее давление в ресивере (11), заданное время цикла, оставшееся время цикла.

Во время всего сеанса происходит контроль за состоянием пациента. К телу пациента перед началом сеанса подключаются датчики (17) контрольно-измерительного модуля (16), который может быть встроен в конструкцию устройства либо работать автономно. Датчики (17) контрольно-измерительного модуля (16) могут измерять различные параметры физиологического состояния пациента, в том числе, артериальное давление (АД), частоту дыхательных движений (ЧДД), частоту сердечных сокращений (ЧСС), температуру, влажность кожи. Результаты измерений отображаются на мониторе (18).

При критических значениях параметров физиологического состояния пациента может происходить визуальное - через монитор (18), светодиоды (4), дисплей (3) и/или звуковое - через динамик (23) оповещение персонала.

Получаемые данные физиологических параметров позволяют:

- блокировать дальнейшую работу устройства,

- изменить величину давления в пневмокамерах.

В системе действуют два контура пневмобезопасности:

- если система отключения компрессора заблокирована, то блок управления по достижении давления более 0,75 кгс/см² (75 кПа) реализует режим «Прокачка», стравливая воздух (и конденсат) из ресивера с помощью клапана (15);

- если произойдет отказ системы управления, то по достижении давления в ресивере более 0,75 кгс/см² (75 кПа) сработает аварийный клапан (19).

Ортезы (20) со встроенными пневмокамерами (10) с бугристой поверхностью (14) изготовлены из нетоксичных материалов. Пневмовводы (21) расположены на внешней боковой стороне стельки (22).

По истечении назначенного времени (до 1 часа) происходит автоматическая остановка работы устройства. После этого пациент освобождается от элементов устройства и проходит осмотр зон воздействия.