способ и устройство оценки состояния осанки человека

Формула изобретения

1. Способ оценки состояния осанки человека, заключающийся в измерении профилей спины в сагиттальной и горизонтальной плоскостях путем регистрации длины отделов позвоночника и кривых сечений поверхности спины горизонтальной плоскостью на разных уровнях и отклонений измеренных параметров ее от физиологической нормы, отличающийся тем, что измерения проводят дистанционно, облучая поверхность спины микроволновым сигналом, рассчитывают лордотический и кифотический индексы в сагиттальной плоскости и коэффициенты асимметрии в грудном, грудно-поясничном и поясничном отделах позвоночника в горизонтальной плоскости сечения спины, диагностируют нарушение осанки в сагиттальной плоскости при превышении значений лордотического и кифотического индексов 20% или нарушение осанки во фронтальной плоскости при превышении значений коэффициентов асимметрии 10% относительно физиологической нормы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение микроволновым сигналом проводят в диапазоне частот 35,0 - 90,0 ГГц.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при сочетанном превышении значений индексов и коэффициентов предельных величин устанавливают комбинированное нарушение осанки.

4. Устройство для оценки состояния осанки человека, содержащее датчик, соединенный через преобразователь с логическим блоком анализа и записи, отличающееся тем, что в качестве датчика использована приемопередающая антенна на основе гибкого диэлектрического волновода, соединенная через циркулятор и направленный ответвитель с передающим генератором, работающим в диапазоне частот 35 - 90 ГГц, преобразователь соединен с направленным ответвителем и циркулятором и включает первый и второй делители, первый и второй балансные смесители, фазовращатель и первый и второй предварительные усилители доплеровской частоты, при этом к входу первого делителя, являющегося входом преобразователя, подключен направленный ответвитель, к его выходам подключены фазовращатель и второй балансный смеситель, выход фазовращателя подключен к первому входу первого балансного смесителя, другой вход которого соединен с выходом второго делителя, второй выход которого связан с вторым входам второго балансного смесителя, выходы первого и второго балансных смесителей подключены к входам соответствующих предварительных усилителей доплеровской частоты, выходы которых связаны с входами блока выделения фазы, входящего в состав логического блока анализа и записи, а циркулятор подключен к входу второго делителя, являющегося вторым входом преобразователя.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что микроволновый генератор имеет диапазон частот 35 - 90 ГГц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а именно к гигиене и может быть использовано при проведении массовых профилактических осмотров детей, подростков и призывников, а также взрослых на основе дистанционной регистрации профилей спины в двух плоскостях - сагиттальной и горизонтальной с одновременным получением количественных характеристик состояния осанки, параметры которых определяются с помощью радиолокационного метода. При этом устройство - доплеровский локатор для реализации способа содержит приемник с квадратурными каналами, что обеспечивает измерение фазы отраженного сигнала, которая линейно связана с расстоянием от антенны радиолокатора до объекта. Наличие в устройстве логического блока анализа сигналов обеспечивает надежную регистрацию кривой, соответствующей профилю физиологических изгибов позвоночника, и кривых, соответствующих сечению поверхности спины на разных уровнях позвоночника, по которым перемещается антенна радиолокатора, что позволяет оценить состояние осанки исследуемого объекта.

Уровень техники в области, к которой относится изобретение, включает следующие решения:

1. Прибор для измерения деформации позвоночника, который позволяет определять деформацию во фронтальной и сагиттальной плоскостях, снабжен передвижными поперечными планками для отсчета делений, на которых предусмотрены отвесы, колеблющиеся в одной плоскости. Недостатками такого прибора являются низкая точность, трудоемкость метода измерения и регистрации, требует специальной подготовки медицинского персонала (авт. св. N 61062, кл. A 61 B 5/103).

2. Кифосколиограф выполнен в виде пантографа, несущего обводной щуп, снабжен двумя взаимно перпендикулярными отметчиками, установленными на шарнире пантографа. Обеспечивает копирование конфигурации позвоночника в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Прост по конструкции и в обращении, однако имеет невысокую точность, значительные временные затраты, связанные с прощупыванием костных выступов позвоночника (авт. св. N 105576, кл.A 61 B 5/07, 1956 г.).

3. Способ определения деформации позвоночника путем измерения величины угла между краниальной замыкающей пластинкой верхнего и каудальной замыкающей пластинкой нижнего позвонков искривленного участка позвоночника, дополнительного измерения длины искривления отдела позвоночника, по отношению величины угла искривления к длине искривленного отдела позвоночника судят о тяжести деформации. К недостаткам способа относятся значительная сложность измерения, большие временные затраты, необходимость квалифицированного специалиста, метод контактный, проводится на раздетом пациенте, диагностика деформаций - в одной плоскости (авт. св. N 651784, кл. A 61 B 5/107, 1979 г. ).

4. Устройство для измерения искривлений позвоночника содержит транспортир с двумя границами с контактными площадками и указатель, размещенный в центре транспортира, транспортир снабжен шкалой линейных измерений, а указатель выполнен с продольной прорезью и линейной шкалой и имеет возможность продольного перемещения и поворота относительно упругого фиксатора, установленного в центре транспортира, при этом границы установлены на шкале линейных измерений с возможностью перемещений вдоль последней. Обеспечивает повышение точности за счет сочетанного отсчета угла и линейных искривлений на заданном участке позвоночника. Недостатки: значительная сложность измерений, большие затраты времени при измерениях, требование квалифицированного специалиста (авт.св. N 1326244, A 61 B 5/107, 1987 г.).

5. Из литературы известен способ определения начальных форм нарушений осанки (Минский И.А. Прибор для определения начальных форм нарушения осанки с графическим изображением линии остистых отростков позвоночника. Гигиена и санитария, 1972, N 7, с. 73-76), основанный на графическом изображении линии остистых отростков позвоночника. Измерение профиля физиологических изгибов позвоночника производится путем механического перемещения вручную специального устройства ("ролика") вдоль позвоночника спокойно стоящего ребенка и отображения на бумаге пишущим "пером" соответствующей кривой. Для оценки состояния осанки и выявления начальных форм нарушений осанки проводится измерение длины разных отделов позвоночника и сравнение полученных данных с табличными (нормативными) данными. На основании анализа результатов исследования определяется степень начальных форм нарушений осанки у детей.

Однако, этот способ имеет ряд недостатков, а именно:

1. При проведении обследования механическое прикосновение к остистым отросткам позвоночника вызывает рефлекторное сокращение мышц спины, что приводит к погрешностям измерения.

2. Способ и устройство позволяют регистрировать изменения состояния осанки только в сагиттальной плоскости. Нарушения же во фронтальной плоскости с помощью данного способа и устройства не выявляются.

Вместе с тем нарушения осанки во фронтальной плоскости и предсколиотические изменения осанки занимают значительное место среди всех видов деформаций осанки.

3. Обследование детей проводится без одежды. В таких условиях дети испытывают температурный дискомфорт, что также вызывает рефлекторное сокращение мышц, участвующих в обеспечении осанки, и, как следствие этого, погрешности измерений.

Перечисленные недостатки снижают точность результатов обследования при массовых профилактических осмотрах детей, что приводит к неправильной оценке состояния осанки и формированию групп детей для проведения коррегирующих мероприятий.

6. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом является устройство и осуществляемый с его помощью способ, описанные в авт.св.N 1825615, кл. A 61 B 5/103, 1990 г. на "Устройство для определения кривизны позвоночника". Согласно способу исследуемый пациент устанавливается на базовом основании, ролик прибора прижимается к позвоночнику и перемещается вдоль него, измеряется искривление по осям XZ и YZ (т.е. в трех плоскостях) в процессе сравнения физиологической нормы и реальных параметров. Устройство содержит преобразователь, основание со стойкой и штангу, соединенную с панелью, на которой установлен электродвигатель с редуктором, соединенным посредством зубчатой передачи со стойкой. Преобразователь выполнен в виде двух резисторов, соединенных с блоком обработки данных. Способ и устройство позволяет производить комплексное одновременное измерение в трех плоскостях, долговременную запись на магнитофонной ленте информации об искривлении позвоночника, повысить точность измерений. Недостатки: устройство контактного типа, сложность управления механической системой устройства, необходимость квалифицированного персонала.

Цель изобретения - создание бесконтактного, точного и достоверного способа оценки состояния осанки человека и устройства для его осуществления.

Способ и устройство оценки состояния осанки основан на объективной количественной характеристике, параметры которой определяются с помощью радиолокационного метода. Сравнение значений расчетных коэффициентов с нормативными данными служат критериальными показателями оценки состояния осанки и выявления нарушений осанки у человека. Результат обследования, таким образом, имеет количественную характеристику и вместе с этим большие диагностические преимущества перед существующим способом.

Мобильность и портативность установки позволяет проводить обследование в условиях детских садов и общеобразовательных школ, что существенно увеличивает объемы обследований. Пропускная способность данной установки составляет 30-40 детей в час. Участие врача-специалиста при использовании данного способа не является обязательным. Все обследование может с успехом провести медицинская сестра. Полученные при обследовании данные могут храниться на дискетах или в памяти компьютера до очередного обследования. Регистрация отклонений и хранение результатов обследования в базе данных позволяет проводить сравнение данных в динамике наблюдения и судить о положительных или отрицательных изменениях в состоянии осанки индивидуально для каждого ребенка и в целом для каждой возрастно-половой группы, объективно оценивать эффективность проводимых профилактических и коррегирующих мероприятий - вести компьютерный мониторинг за процессом формирования осанки.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении точности и достоверности количественной дистанционной оценки состояния осанки человека.

Данный способ существенно повышает точность обследования, сокращает его время и заметно расширяет возможности массовых профилактических осмотров детского и взрослого населения.

Заявляемое устройство удовлетворяет критерию "промышленная применимость", т.к. известны устройства, включающие в себя блоки, аналогичные блокам в заявляемом устройстве (патенты РФ N 2000080, 2053706), при этом задачи, решаемые в указанных патентах, отличаются от задач, решаемых в заявленном устройстве.

Способ осуществляется следующим образом:

1. Обследуемый (не раздеваясь) встает спиной к устройству на расстоянии 15-25 см, соединенному с персональным компьютером (например, типа IBM PC - XT).

2. Медицинская сестра вводит основные паспортные данные обследуемого в компьютер и вызывает следующие режимы работы компьютерной программы:

* режим "Параметры", осуществляющий ввод параметров регистрации,

* режим "Регистрация", осуществляющий регистрацию профилей спины и их визуальный контроль в двух плоскостях:

1) сагиттальной плоскости - регистрация профиля физиологических изгибов позвоночника;

2) горизонтальной плоскости - регистрация профилей спины на 3-х уровнях: грудном, грудо-поясничном и поясничном отделах позвоночника;

* режим "Результат обследования", осуществляющий обработку измеренных данных в соответствии с принятым алгоритмом и выдачу результата обследования.

Для измерения расстояния от антенны до участка поверхности тела, находящегося точно под антенной, применяется следующее вспомогательное устройство: штатив, на котором закреплена поворотная рейка, имеющая возможность занять фиксированное вертикальное или горизонтальное положение. Параллельно рейке на изолированных стойках натянута нихромовая нить, на которой закреплен скользящий по нити токосъемный зажим, объединенный с держателем излучающей антенны. На концы нити подводится низкое напряжение постоянного тока, обеспечивающее протекание очень малого тока (не более 10 мА) по нити. Такое устройство называется линейным потенциометром, оно позволяет ввести в компьютер координату перемещения антенны по вертикальной оси. На рейке в специальном скользящем зажиме закреплен конец гибкого диэлектрического волновода, выполняющего роль антенны. Антенна может перемещаться вдоль всей длины рейки, зафиксированной либо в горизонтальном, либо в вертикальном положении. Начинать и заканчивать движение антенны можно в произвольной точке рейки в соответствии с физическими размерами обследуемого. Скорость перемещения антенны по рейке не влияет на величину измеряемых параметров.

С помощью компьютера рассчитываются следующие две группы показателей (см. фиг.1):

I группа показателей - для оценки состояния осанки в сагиттальной плоскости:

K = MK/CI100% - Кифотический индекс,

L = PN/IS100% - Лордотический индекс,

где MK - максимальное расстояние прогиба позвоночника в грудном отделе, измеренное радиолокационным датчиком относительно базовой линии, по которой перемещается антенна измерителя от точки C до точки S (сверху-вниз);

CS - длина базовой линии при измерении профиля позвоночника;

C - верхняя (начальная) точка движения антенны измерителя, соответствующая уровню VII шейного позвонка (C₇);

S - нижняя (конечная) точка движения антенны, соответствующая сакральному отделу позвоночника (S₁);

CI - расстояние от верхней точки базовой линии C (начало движения антенны) до пересечения измеренного профиля позвоночника в нижней части грудного отдела с базовой линией (точка I);

PN - максимальное расстояние прогиба позвоночника в поясничном отделе, измеренное радиолокационным датчиком относительно базовой линии, по которой перемещается антенна измерителя от точки I до точки S;

I - точка пересечения измеренного профиля позвоночника с базовой линией в верхней части поясничного отдела;

IS - расстояние от точки пересечения измеренного профиля позвоночника с базовой линией в верхней части поясничного отдела до нижней точки базовой линии.

II группа показателей - для оценки состояния осанки во фронтальной плоскости:

K (Th) = (Th-O)d/(Th-O)s - показатель асимметрии в грудном отделе позвоночника,

K(Th-L) = (Th-L-O)d/(Th-L-O)s - показатель асимметрии в грудо-поясничном отделе позвоночника,

K(L) = (L-O)d/(L-O)s - показатель асимметрии в поясничном отделе позвоночника,

где Th - грудной отдел позвоночника;

(Th-L) - грудо-поясничный отдел позвоночника;

L - поясничный отдел позвоночника;

(Th-O)d - длина кривой - сечения поверхности спины в грудном отделе справа от линии остистых отростков позвоночника;

(Th-O)s - длина кривой - сечения поверхности спины в грудном отделе слева от линии остистых отростков позвоночника;

(Th-L-O)d - длина кривой - сечения поверхности спины в грудо-поясничном отделе справа от линии остистых отростков позвоночника;

(Th-L-O)s - длина кривой - сечения поверхности спины, в грудо-поясничном отделе, слева от линии остистых отростков позвоночника;

(L-O)d - длина кривой - сечения поверхности спины в поясничном отделе, справа от линии остистых отростков позвоночника;

(L-OI)s - длина кривой - сечения поверхности спины в поясничном отделе, слева от линии остистых отростков позвоночника.

Заключение о состоянии осанки осуществляется на основе анализа рассчитанных параметров.

Критериальными показателями для нарушенной осанки в сагиттальной плоскости являются отклонение хотя бы одного из двух значений отношений:

K>20%

L>20%

Критериальными показателями для нарушенной осанки во фронтальной плоскости являются отклонение хотя бы одного из трех значений отношений :

K(Th)>10%,

K(Th-L)>10%,

K(L)>10%

Критериальные показатели разработаны в соответствии с материалами, представленными в методических рекомендациях "Профилактика и коррекция нарушений осанки у детей в условиях школы", Киев, 1985 г.

Критериальными показателями для нарушенной осанки в обеих плоскостях (комбинированное нарушение) являются любые сочетания приведенных выше значений отношений во фронтальной и сагиттальной плоскостях.

Кроме того, известные способы для определения начальных форм нарушений осанки, включая и прототип, не обеспечивают дистанционную, бесконтактную диагностику и не исключают влияние рефлекторного сокращения мышц при прикосновении контактного устройства к исследуемому телу, что приводит к погрешности измерения. Эти способы также не обеспечивают съем данных в двух плоскостях - сагиттальной и фронтальной и не позволяют проводить измерения в одежде.

Изобретение направлено на создание надежной методики дистанционного измерения и оценки состояния осанки у детей, подростков и призывников, а также взрослых с использованием доплеровского локатора, основанной на регистрации расстояния между антенной доплеровского локатора и объектом с автоматическим определением показателей асимметрии в грудном, грудо-поясничном и поясничном отделах позвоночника, а также заключении о состоянии осанки на основе анализа измеренных параметров.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе измерения профилей спины дистанционно облучают кожный покров спины с использованием доплеровского локатора электромагнитной волной сверхвысокой частоты в диапазоне 35,0-90,0 ГГц (границы частотного интервала выбраны из соображений технологичности конструкции, а также с учетом того, что микроволновые волны не проникают на глубину более нескольких десятых миллиметра и не оказывают нагревающего опасного для тканей действия) и путем разложения отраженного сигнала доплеровской частоты на квадратурные составляющие выделяют изменения его фазы. При этом суждение о профиле спины производят по регистрируемому персональным компьютером расстоянию между антенной доплеровского локатора и поверхностью спины при равномерном перемещении над нею антенны. При этом в устройстве для доплеровской локации, содержащем передающий генератор, подсоединенный через направленный ответвитель к циркулятору и антенне, приемник, который соединен с направленным ответвителем и на входе с циркулятором и антенной, принимающей отраженный сигнал, и включает смесители и усилитель, и блок обработки, подключенный через фильтр к выходу приемника, для обеспечения возможности реализации заявленного способа и дистанционной регистрации расстояний между антенной радиолокатора и объектом с последующим выделением параметров, характеризующих профиль спины, рабочая частота СВЧ-генератора составляет 60 ГГц, приемник выполнен с двумя квадратурными каналами и снабжен фазовращателем и делителями, а в качестве излучающего устройства используется антенна типа "диэлектрический клин", выполненная на основе гибкого диэлектрического волновода длиной 1,5 м, при этом к входу первого делителя подключен направленный ответвитель, а его выходы соединены с балансным смесителем первого канала и через фазовращатель с балансным смесителем второго канала, вход второго делителя подключен к выходу циркулятора и далее к антенне, а выходы - к балансным смесителям квадратурных каналов, выход приемника с предварительных усилителей доплеровской частоты соединен с блоком выделения фазы, связанному с логическим блоком анализа сигналов, в задачу которого входит вычисление показателей асимметрии и выдачи заключения о состоянии осанки.

При этом точность и достоверность определения профиля спины обеспечивается в изобретении как фазометрическим методом обработки отраженного сигнала (т. к. фаза отраженного сигнала линейно связана с изменением расстояния от антенны локатора до облучаемого объекта и обладает большой крутизной характеристики) в режиме облучения объекта непрерывным монохроматическим немодулированным сигналом, так и выбором рабочей частоты, которая в заявленном СВЧ-диапазоне обусловливает значительный фазовый набег отраженного сигнала при измерении расстояний между антенной радиолокатора и объектом, в том числе и при наличии препятствий в виде одежды, постельного белья и т.п.

Логический блок анализа сигналов, выполненный на базе ЭВМ с высокой степенью точности и надежности, автоматически обрабатывает квадратурные составляющие, выделяя фазу отраженного сигнала, регистрируя измеряемые параметры.

На чертеже представлена блок-схема устройства для доплеровской локации.

Для получения информации о параметрах физиологического профиля позвоночника определяют расстояние от антенны радиолокатора до участка поверхности тела, находящегося точно под антенной, путем облучения этого участка с использованием доплеровского локатора При этом выделяют изменение фазы "" отраженного сигнала (которое линейно связано с изменением расстояния до облучаемого объекта) путем его разложения на квадратурные составляющие "sin" и "cos" и преобразования синусной (e₁= sin) и косинусной (e₂= cos) квадратурных составляющих сигнала в аргумент его фазы "" , вычисляемый в блоке выделения фазы как арктангенс отношения квадратурных составляющих = arctg(e₁/e₂) . Поскольку функция = arctg(e₁/e₂) является периодической и разрывной на концах периода, логический блок обработки сигналов производит последовательную "сшивку" концов периодов таким образом, чтобы получалась непрерывная кривая изменения фазы отраженного сигнала.

Затем из полученного непрерывного сигнала, характеризующего изменение фазы "" за счет равномерного перемещения антенны над отражающим объектом (т. е. обручаемым участком тела) регистрируют расстояние от антенны до облучаемого участка тела, находящегося точно под антенной в виде кривой, отображающей в линейном масштабе профиль того участка, над которым переместилась антенна радиолокатора при ее равномерном перемещении.

Регистрация расстояния от антенны до облучаемого участка кожного покрова для дистанционного определения физиологического профиля позвоночника и примыкающих к нему участков тела согласно изобретению осуществляется с помощью устройства для доплеровской локации, блок-схема которого представлена на чертеже (фиг.2).

Устройство содержит передающий СВЧ-генератор 1 (СВЧ-Г), вентиль 2 (В), направленный ответвитель 3 (НО), приемо-передающую антенну 4 (А), приемник 5, блок обработки 6. Приемник 5 выполнен по гомодинной схеме с циркулятором 7 (Ц) на балансных смесителях с двумя квадратурными каналами (двухканальным) и содержит делители 8 и 9 (Д₁ и Д₂), балансные смесители 10 и 11 (СМ 1 и СМ 2), фазовращатель 12 (/2) и предварительные усилители доплеровских частот 13 и 14 (ПУДЧ 1 и ПУДЧ 2). Блок обработки 6 содержит блок выделения фазы 15 и логический блок анализа сигналов 16 (ЛБАС), который включает блок сглаживания 17 (БС) и блок выдачи решений (БВР) 18.

Устройство для доплеровской локации при реализации заявленного способа работает следующим образом.

Облучение участка поверхности тела осуществляется антенной 4, выполненной в виде наконечника типа "диэлектрический клин" на основе диэлектрического волновода из гибкого полистирола длиной 1,5 м и диаграммой направленности основного лепестка, равной 20-25^o, сигнал сверхвысокой частоты f = 60 ГГц, на которую поступает от передающего СВЧ-генератора 1 через вентиль 2 и направленный ответвитель 3. Отраженный сигнал, содержащий доплеровскую частоту вследствие перемещения антенны над неровной поверхностью, воспринимается антенной 4 и через циркулятор 7 поступает на вход приемника 5 к делителю 9, который разделяет его на две равные части и направляет на входы балансных смесителей 10 и 11 квадратурных каналов. Опорный сигнал, ответвленный направленным ответвителем 3 от излучаемого сигнала с передающего генератора 1 после вентиля 2, поступает на делитель 8, где разделяется, аналогично делителю 9, на две части, одна из которых направляется на второй вход балансного смесителя 11, а другая - через фазовращатель 12 на второй вход балансного смесителя 10. Квадратурные составляющие доплеровского сигнала с выходов балансных смесителей 10 и 11 поступают на идентичные предварительные усилители доплеровской частоты 13 и 14, где они усиливаются до необходимой величины и затем поступают на блок выделения фазы 15, где преобразуются в текущую фазу ( "" ) отраженного сигнала, пропорциональную измеряемому расстоянию от антенны (А) до участка кожного покрова, находящегося точно под антенной.

Логический блок анализа сигналов 16 состоит из блоков 17 и 18 и обеспечивает вычисление параметров, характеризующих отклонение профиля позвоночника от физиологической нормы путем обработки сигнала в следующей последовательности. В блоке сглаживания 17 происходит сглаживание текущей фазы отраженного сигнала, пропорциональной измеряемому расстоянию от антенны до облучаемого участка тела. Блок выдачи решений 18 обеспечивает считывание и запоминание измеренных значений расстояния от антенны до облучаемого участка тела, вычисление кифатического и лордотического индексов, коэффициентов асимметрии в соответствии с приведенными на фиг.1 формулами, сравнение вычисленных параметров с физиологической нормой и выдачу заключения о превышении этой нормы.

Блоки 16, 17, 18, входящие в состав блока 6, могут быть выполнены на базе ЭВМ, что существенно облегчает обработку и регистрацию данных.