Комплекс электронно-механический для диагностики патологии

Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч.2, 2008
96
УДК 616.7: 621.3.084.2.
С.И. Болтрукевич, д-р мед. наук, Н.М. Белявский, канд. техн. наук, В.С. Аносов, канд. мед. наук, В.В. Лашковский, канд. мед. наук, Л.З. Сычевский, А.Г. Мармыш, С.Е. Сергеенко, В.Г. Татур
Комплекс электронно-механический для диагностики
патологии стоп
Приведено описание, структура, принцип построения комплекса электронно-механического
для диагностики патологии стоп состоящего из
устройства автоматической регистрации распределения давления стоп на поверхности тензосистемы и программного обеспечения для ПЭВМ.
Тензосистема выполнена в виде левой и правой
измерительных стелек с тензопреобразователями, по 16-24 шт. на каждой, размещенных в пяти
функциональных зонах стопы. Частота опроса
тензосистемы – 250 Гц, диапазон давления 0÷1
МПа, цикл регистрации 20 с. Программное обеспечение работает под управлением Microsoft
Windows и позволяет производить обработку зарегистрированных данных. Комплекс показал
эффективность его применения в клинической
практике.
The description structure, a principle of construction of the complex electron-mechanical designed for pathology pes diagnostics consisting of a
device of automatic registration of pressure pes distribution on a tensesystem surface and the software
for РС is given. The tensesystem is executed in the
form of the left and right measuring insoles with of
pressure sensors, of 16-24 pieces on everyone,
placed in five functional pes zones. Sampling Interrogation frequency of the tensesystem is 250 Hz, a
pressure is range d from 0 to 1 МРа, a registration
cycle is 20 second. The software works under control of Microsoft Windows and allows to make processing of the registered data. The complex has
shown its an efficiency in the clinical practice.
диабетической стопы на доклинических стадиях болезни открывает широкие возможности для эффективной и недорогой профилактики хирургических осложнений [1]. Включение в практику диспансеризации
больных сахарным диабетом обязательного функционального исследования состояния стоп с последующим адекватным ортопедическим пособием делает
реальной перспективу решения этой проблемы [2]. В
этой связи разработка средств диагностики различных
заболеваний человека, отвечающих современным
требованиям, является актуальной задачей.
Принципы построения и функционирования
комплекса для диагностики патологии стоп
Одним из эффективных способов ранней диагностики патологии стоп является использование клинико-диагностических систем. С этой целью был разработан «Комплекс электронно-механический для диагностики патологии стоп». С его помощью может
быть осуществлена эффективная регистрация и
компьютерный анализ распределения давления на
подошвенных частях стоп человека, в статике и динамике (при ходьбе, беге и выполнении других упражнений), с возможностью конструирования оптимального профиля индивидуальных корректирующих
подошвенных стелек. Общий вид комплекса представлен на рисунке 1.
Введение
В настоящее время охране здоровья населения в
Беларуси уделяется все возрастающее внимание.
Этой цели служит решение государства объявить
2008 год годом здоровья. Одним из часто встречающихся заболеваний является отклонение в опорнодвигательной системе человека, в частности, патология стопы. В первую очередь это относится к плоскостопию. Проведенные нами исследования показали,
что среди детей школьного возраста число нуждающихся в дополнительных лечебно-диагностических
мероприятиях из-за деформации стоп достигает
40%. В этой связи, для раннего выявления указанной
патологии, необходимо создание скрининговой системы осмотра детей с использованием эффективных диагностических алгоритмов. Это позволило бы
на ранних стадиях устанавливать различные виды
плоскостопия и целый ряд серьезных врожденных и
приобретенных деформаций (косолапость и пр.), а
также осуществлять своевременное и эффективное
лечение пациентов. Функциональная диагностика
Рис. 1.
При разработке комплекса исходили из того, что
его функции должны быть разделены на две структурные группы: регистрацию распределения давления и обработку зарегистрированных данных. При
этом учитывалось, что аппаратное средство, осуществляющее регистрацию, должно быть автономным и
размещаться на теле пациента таким образом, чтобы
не причинять неудобства при движении, а также не
ограничивать его передвижения в пространстве. Обработка и последующий анализ зарегистрированных
Биомедицинские приборы и системы
данных предполагает использование медицинских
методик и расчетов с применением компьютерного
моделирования, их оптимальное отображение, не
исключает возможность использования систем автоматического проектирования, например, для получения профиля корректирующих стелек и т.д. Эти условия определили функциональный состав комплекса.
Он содержит устройство регистрации, представленное на рисунке 2, разработанный комплект программного обеспечения и ПЭВМ. Такой состав позволяет устройству адаптируется под новые задачи в
медицине, в спорте и в других случаях, требующих
выработки специальных навыков координации движения. Это достигается путем изменения программного обеспечения для ПЭВМ. Устройство регистрации построено по модульному принципу. Оно содержит: систему тензопреобразователей, состоящую из
двух каналов (по 16-24 тензопреобразователя),
вмонтированных в правую и левую стельки соответственно, двух конструктивно идентичных (левого и
правого) модулей преобразования и первичной обработки информации, модуля накопления информации и сопряжения с персональной электронновычислительной машиной для передачи данных о
распределении давления в ПЭВМ.
Рис. 2. 1 – тензосистема, 2 – ячейки с тензопреобразователями, 3,4 – модули преобразования и
первичной обработки информации, 5 – модуль накопления информации и сопряжения с персональной электронно-вычислительной машиной
Основу измерительной стельки составляет гибкая электрическая плата с тензопреобразователями,
изготовленными на основе кремниевых тензорезистивных интегральных чувствительных элементов [3],
выполненных по микроэлектронной технологии (рисунок 3), которая упакована в полимерную эластичную оболочку с ячейками.
Рис. 3. 1-электрическая плата, 2-тензопреобразователи
Габаритные
размеры
тензопреобразователя
97
∅15 х 2,9мм, масса не более 1,5 г., диапазон измеряемого давления 0÷1,0 МПа при относительной погрешности измерения – 1%. Ячейки заполнены тензопередаточной средой. В отличие от измерительной системы [4], у которой ячейки представляют собой герметичные камеры разной формы и объема
с тензодатчиками, заполненные жидким наполнителем, в нашем случае ячейки имеют одинаковую
форму и расположены по специальной биомеханической схеме в пяти функциональных зонах стопы.
Тензопередаточной средой служит низкомодульный
эластичный полимер с твердостью по Шору 8-12 ед.,
не требующий герметизации ячеек. Для подключения
к модулям преобразования и первичной обработки
информации, стельки снабжены шлейфами с разъемами. Такая конструкция тензосистемы технологична, экономична, обладает необходимой механической прочностью.
Модули преобразования и первичной обработки
информации построены на основе однокристальной
микро-ЭВМ. Они выполняют следующие функции:
опрос тензосистемы с частотой 250 Гц, компенсацию
разброса чувствительности и начального смещения
выходного сигнала тензопреобразователей, преобразование аналогового сигнала в цифровую форму,
передачу данных в модуль накопления информации
и сопряжения с ПЭВМ. Модули самостоятельно производят диагностику исправности тензопреобразователей. Регистрация данных производится циклами
длительностью 20 секунд. Автоматическая компенсация чувствительности и начальных смещений позволяет использовать тензопреобразователи с разбросом
параметров до 20%, что значительно снижает требования к тензосистеме и снижает ее стоимость.
Модуль накопления информации и сопряжения с
ПЭВМ так же построен на базе однокристальной
микро-ЭВМ. В состав модуля включены энергонезависимый сменный блок памяти с возможностью перезаписи на базе мультимедийной флэш-карты,
кнопка «Пуск/Стоп», индикатор «Измерение», индикатор «Переполнение накопителя данных» и адаптер
интерфейса связи с ПЭВМ. Модуль может работать в
двух режимах: автономном и сопряжения с ПЭВМ. В
автономном режиме нажатие на кнопку "Пуск/Стоп"
инициирует цикл регистрации. Данные, получаемые
от модуля преобразования и первичной обработки
информации, записываются в сменный блок памяти.
Подключение кабеля связи с ПЭВМ к адаптеру интерфейса переводит модуль из автономного режима
в режим сопряжения с ПЭВМ. В указанном режиме
обеспечивается полный доступ (чтение/запись) к накопителю данных, а также возможность калибровки
тензопреобразователей.
Программное обеспечение комплекса работает
под управлением графического интерфейса современных широко применяемых 32-разрядных операционных систем Microsoft Windows для визуализации
и обработки полученных данных.
Применение комплекса в клинической
практике
Разработанный комплекс был использован при
98
Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч.2, 2008
обследовании патологии стоп у детей и последующей ее коррекции. Объектом исследования послужили 8102 человека -школьники г. Гродно 1-11 классов, из которых была отобрана группа детей и подростков в количестве 2914 человек с паталогией стоп.
На основании результатов обследования был осуществлен анализ ортопедической заболеваемости.
Кроме исследования с помощью созданного комплекса барометрического давления стоп выполнялись фотоплантограммы, диагностические R-граммы.
При проведении исследований выявлены следующие
патологии стоп:
• продольное плоскостопие – 1195 (41 %)
• плоско - вальгусная деформация стоп – 1063
(36,6 %)
• поперечное плоскостопие – 288 (9,9 %)
• продольно – поперечное плоскостопие – 311
(10,7 %)
• косолапость – 8 (0,26 %)
• полая стопа – 9 (0,3 %)
• приведение передних отделов стоп 31 (1,1 %)
• деформация пальцев 2 (0,06 %)
Комплекс позволил осуществить модификацию
информационно-ортопедического банка данных с учетом увеличения объема визуальной информации и
добавления проверенных объектов. На основе результатов исследований проведена разработка алгоритма
использования клинических данных для построения
индивидуальной модели ортопедической коррекции. С
этой целью были систематизированы данные, полученные при отборе детей и подростков с использованием клинических, фотоплантографических и компьютерно – динамических методов исследований. В компьютерной базе данных выявлены основные виды
патологии стоп, наиболее часто встречающихся у детей школьного возраста, проведен анализ эффективности индивидуальной ортопедической коррекции.
Определены конкретные признаки для интерпретации
результатов, полученных при инструментальном обследовании, сформулированы принципы построения
индивидуальной конструкции ортопедической коррекции для каждого выделенного вида патологии. Подготовлена схема для дифференциальной диагностики
основных вариантов деформации стоп и методов коррекции. Таким образом, созданный комплекс позволит
разработать новые алгоритмы использования клинических данных для построения индивидуальной модели лечебно - восстановительного подошвенного ортеза. Разработано программное обеспечение архивирования и поиска в базе данных визуальной информации (фотоплантограммы, диагностические
снимки и др.), существенно расширены аналитические и статистические возможности обработки. Уточнены диагностические параметры скрининговых осмотров, вносимые в компьютерную базу данных. На
основании информации, полученной при компьютерной и инструментальной диагностике, изготовлена
индивидуальная ортопедическая коррекция 1308 пациентам с различными видами патологии стоп. Разработан и изготовлен силиконовый ортопедический
элемент для динамической диагностики и коррекции
патологии стоп.
Выводы
Создан «Комплекс электронно-механический для
диагностики патологии стоп» ТУ РБ 500032863.0012005, патент BY3374U2007.02.28 [5]. Он прошел все
стадии испытаний, внесен в «Реестр государственной регистрации комитета по стандартизации, метрологии и сертификации при совете министров Республики Беларусь», № 020154, рекомендован к постановке на серийное производство. Комплекс расширяет арсенал технических средств функциональной диагностики различных вариантов патологии
стоп, обладает высокой производительностью и эффективностью. Характерной особенностью разработанного комплекса является то, что наряду с достоверной диагностикой, он позволяет точно определить
критические зоны на подошвенной поверхности стоп,
подверженные опасности возникновения очагов хирургической инфекции, что, в свою очередь, дает
возможность эффективной консервативной ортопедической коррекции.
Комплекс может быть рекомендован для широкого внедрения, в первую очередь, в детских учреждениях и эндокринологических
диспансерах, с обеспечением нуждающихся изготовленными по результатам компьютерной диагностики
индивидуальными корректирующими подошвенными
стельками.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
Кочергин В.В., Домбровский Я.Р. "Возможности
ортопедической реабилитации "диабетической
стопы". В сб. тезисов докладов Белорусскопольского научно-практического семинара Белосток-2001, С. 105–107.
Кочергин В.В., Свириденок А.И., Тишковский В.Г.
Домбровский
Я.Р.
"Биологические
и
технологические особенности ортопедической
коррекции при "диабетической стопе". В сб.
материалов III международнго симпозиума по
ортопедической
и
протезной
инженерии.
Белосток, 2001.
Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983. – 136 с.
Описание системы "Parotec system" фирмы "F.W.
Kraemer KG", 1994, 150138D-42828 Remscheid.
Патент Республики Беларусь BY 3374U
2007.02.28.