Методи та технічні засоби діагностики рухів людини

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 615.47:617-089

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ДІАГНОСТИКИ ОПОРНО-РУХОВОГО АПАРАТУ ЛЮДИНИ

05.11.17 - біологічні та медичні прилади і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Носова Тетяна Віталіївна

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Семенець Валерій Васильович, Харківський національний університет радіоелектроніки Міносвіти і науки України, перший проректор ХНУРЕ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Лагутін Михайло Федорович, Харківський національний університет радіоелектроніки Міносвіти і науки України, професор кафедри охорони праці;

кандидат технічних наук, доцент Кипенський Андрій Володимирович, Національний технічний університет ”ХПІ” Міносвіти і науки України, професор кафедри промислової та біомедичної електроніки.

Провідна установа: Національний університет „Львівська політехніка” Міносвіти і науки України, м. Львів, кафедра „Електронні засоби інформаційно-комп'ютерних технології”.

Захист відбудеться 24.10.2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.03 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, проспект Леніна, 14, ауд. № 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, проспект Леніна, 14.

Автореферат розісланий 23.09. 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Мустецов М.П.



АНОТАЦІЯ

Носова Т. В. Методи та технічні засоби діагностики рухів людини. - Рукопис. міографічний телеметричний ходьба біомеханічний

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади та системи. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2006.

Дисертація містить теоретичні та експериментальні дослідження, спрямовані на вдосконалення методів та засобів діагностики патологічних змін, що призводять до порушення ходьби людини. Запропоновано об'єднати в одному телеметричному комплексі методи біомеханічних досліджень ходьби людини і методи фізіологічних досліджень нервово-м'язової системи на базі аналізу структури ЕМГ, одержаної під час ходьби. Удосконалено метод обробки міографічної інформації, що базується на аналізі автокореляційної функції. Запропонований апроксимуючий вираз АКФ та алгоритм визначення його параметрів. Запропонований вираз для обчислення амплітудного розподілу міографічних сигналів. На підставі проведених досліджень обґрунтовано медико технічні вимоги до телеметричної системи для мінімізації спотворень біомеханічної та міографічної інформації в процесі передачі та обробки.

Ключові слова: біомеханічні дослідження, електроміографія, автокореляційна функція, амплітудний розподіл.



АННОТАЦИЯ

Носова Т.В. Методи и средства повышения эффективности диагностики опорно-двигательного аппарата человека. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - биологические и медицинские приборы и системы. - Харьковский национальный університет радиоэлектроники, Харьков, 2006.

В диссертационной работе проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на усовершенствование методов и средств диагностирования патологических изменений периферической части двигательного аппарата с помощью телеметрических комплексов для исследования походки человека.

Предложено объединить в одном телеметрическом комплексе методы биомеханических и нервно-физиологических исследований.

Усовершенствован метод обработки миографической информации, основанный на анализе автокорреляционной функции.

Определен интервал реализации миографического процесса, необходимый для вычисления статистически достоверной АКФ. Проанализировано влияние детерминированных помех на АКФ. Предложено аппроксимирующее выражение для АКФ миографического процесса и алгоритм определения его параметров. Предложено выражение для вычисления амплитудного распределения на дискретных отсчетах.

Определены технические требования к телеметрическ комплексу для минимизации искажений биомеханической и биоэлектрической информации в процессе передачи и обработки. Определены спектральные характеристики биомеханических сигналов. Разработан алгоритм вычисления информативных параметров биомеханической информации.

Определены полосы частот, необходимые для неискаженной передачи миографического сигнала и его огибающей. Предложен алгоритм для передачи многоканальной миографии по радиоканалу с пропускной способностью 115,2 кБит/с.

Рассмотрены особенности построения аппаратно-программных телеметрических систем для исследования движений человека во время ходьбы. Проведенные исследования легли в основу полученного патента на способ диагностики и коррекции походки человека и устройство для его реализации.

Ключевые слова: биомеханические исследования, электромиография, автокорреляционная функция, амплитудное распределение.



SUMMARY

Nosova T. V. People motions diagnostics methods and hardware. - Manuscript.

Dissertation on competition of scientific degree of candidate of technical sciences on the specialty 05.11.17. Biological and medical devices and systems. - The Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkiv, 2006.

Dissertation contains the theoretical and experimental researches, directed on the improvement of diagnostics methods and hardware of pathological changes, which result in violation of people gait.

It is suggested to unite the methods of biomechanics researches of people gait and methods of physiology in one telemetric system.

Improved information treatment method, which based on the autocorrelation function analysis. Offered mathematical model's ACF and algorithm of its synthesis. Offered expression for the calculation of the EMG peak distributing.

Defined technical requirements to the telemetric systems for minimization of distortions of biomechanics and bioelectric information in the process of transmission and treatment.

Keywords: biomechanics researches, EMG, autocorrelation function, peak distributing.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З кожним роком все більш актуальною в ортопедії, неврології, реабілітації та протезуванні стає проблема пошуку шляхів підвищення ефективності діагностики ходьби людини. В Україні на обліку знаходяться більше чотирьохсот тисяч інвалідів, з яких 13% користуються протезами нижніх кінцівок. Об'єктивна оцінка якості протезування ґрунтується на експериментальних дослідженнях та математичному моделюванні біомеханічних характеристик ходьби людини.

Ходьба є результатом складних процесів, у яких беруть участь всі основні системи організму. Сучасні методи дослідження біомеханіки ходьби людини ґрунтуються на визначенні механічних параметрів і дослідженні біоелектричної активності м'язів. При цьому в біомеханічних дослідженнях використовується огинаюча електроміограми (ЕМГ), приведена до циклу кроку. Такий підхід застосований у всіх відомих комплексах апаратури для біомеханічних досліджень (Winter D.A., Вітензон А.С., Бернштейн Н. А., Скворцов Д. В. та інші). Виявлені порушення ходьби повинні бути в подальшому диференційовані для з'ясування їх причини, яка може бути пов'язана з патологією опорної, м'язової, нервової, серцево-судинної систем. Одним з методів діагностики патологічного стану нервово-м'язової системи є електроміографія, що проводиться в стаціонарних клінічних умовах. При цьому, з одного боку, збільшується час діагностики, оскільки необхідно здійснити дві окремі процедури - біомеханічні дослідження ходьби і фізіологічні дослідження нервово-м'язової системи, а з другого боку, багато патологій, що виявляються в процесі ходьби (зокрема пов'язані з позою), при дослідженнь в стаціонарі не виявляються.

Актуальним є об'єднання обох методик і реалізація в одній телеметричній системі з застосуванням сучасної елементної бази і сучасних методів обробки біомеханічної та міографічної інформації.

Методи обробки електроміографічної інформації, що застосовуються в клінічній практиці, засновані на оцінці рівня електричної активності м'язів, частоти проходження імпульсів ЕМГ, їх спектру та аналізі функції розподілу (Персон Р.С.).

Актуальним залишається пошук статистично достовірних інформативних параметрів міографічного процесу, що компактно зберігаються та описують фізіологічний стан нервово-м'язової системи людини в процесі ходьби.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планани, темами. Дисертацію виконано у відповідності з планом наукового напрямку кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем (БМЕ) Харківського національного університету радіоелектроніки (ХНУРЕ) (НДР№181) за темами “Створення сучасних моделей процесів діагностики лікування та забезпечення життя людини” (0104U004065) та “Розробка телеметричної системи” Г/Д (00-58) (В 1.11.2000 р.)

Мета і задачі дослідження.

Метою досліджень є підвищення точності вимірювання характеристик ходьби людини. Робота відповідає 5-му і 8-му положенням, передбаченим паспортом спеціальності 05. 11. 17. Біологічні та медичні прилади і системи.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити ряд задач:

- розробити математичні моделі часових залежностей кутів вигину в суглобах нижніх кінцівок;

- удосконалити кореляційний метод обробки міографічної інформації;

- оцінити ефективність запропонованих методів і засобів обробки міографічних і біомеханічних сигналів на основі експериментальних досліджень міограм і гоніограм;

- науково обґрунтувати медико-технічні вимоги до апаратно-програмних телеметричних систем, що призначені для дослідження параметрів ходьби людини і реалізують розширені діагностичні можливості.

Об'єктом дослідження є процес роботи опорно-рухового апарату людини.

Предметом дослідження є методи обробки гоніометричної та міографічної інформації, одержаної в процесі ходьби людини.

Методи досліджень. Для побудови моделей біомеханічних процесів були застосовані методи математичного моделювання з використанням ортогональних функцій Лагерра, Лежандра, Бесселя, Чебишева, Фур'є та ін.

Інформативні параметри міографічного процесу досліджувалися методами статистичного аналізу випадкових процесів.

Обґрунтвування медико-технічних вимог для проектування вимірювально-інформаційних біотехнічних систем проводилося на підставі статистичної обробки експериментальних досліджень та клінічних випробувань.

Наукова новизна.

- Розроблені математичні моделі часових залежностей кутів вигину в суглобах нижніх кінцівок, що дозволило обґрунтувати медико-технічні вимоги до обробки біомеханічної інформації.

- Удосконалено метод визначення інформативних параметрів міографічного процесу, який ґрунтується на аналізі автокореляційної функції, що дозволило в стислій формі достатньо повно описати міографічний процес.

- Отримано аналітичний опис амплітудного розподілу міографічного процесу на дискретних відліках, що дозволило одержати числову характеристику рівня нервово-м'язової патології.

- Обґрунтовані основні принципи побудови апаратно-програмних телеметричних систем, які одночасно реалізують методи біомеханічних досліджень опорно-рухового апарату і фізіологічних досліджень нервово-м'язової системи, що дозволило підвищити ефективність та скоротити час діагностики.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблений спосіб обробки електроміографічної інформації застосовується під час проведення діагностичних досліджень опорно-рухового апарату людини в лабораторії патофізіології Інституту патології хребта та суглобів ім. Ситенка АМНУ. (Акт впровадження результатів у клінічну практику.)

Отримані параметри та практичні рекомендації на проектування діагностичних телеметричних систем використовувалися під час розробки способу діагностики і корекції ходьби людини та пристрою для його реалізації в УкрНДІпротезування, протезобудування та відновлення працездатності. (Акт впровадження результатів у клінічну практику.)

Принципи діагностики фізичного стану людини використовуються під час читання лекції та проведення практичних занять з дисципліни „Фізичне виховання, підготовка та спорт” в Харківському університеті Повітряних Сил ім. І. Кожедуба. (Акт впровадження результатів в навчальний процес.)

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. В публікаціях, що надруковані у співавторстві, особисто здобувачем отримано: у роботах [1,2,6,9] запропоновані автором моделі часових залежностей кутів вигину в суглобах нижніх кінцівок; у статтях [3,7,11] отримано характеристики біомеханічних сигналів на базі побудованих моделей; у роботах [16,17] запропоновано спосіб обробки міографічної інформації, що базується на аналізі АКФ, та отримано вираз для амплітудного розподілу ЕМГ на дискретних відліках; у статті [15] визначена смуга частот, необхідних для метрологічно достовірної передачі міографічної інформації, проаналізовані принципи побудови апаратно-програмних систем для біомеханічних досліджень [8,10]; у роботі [4] визначені параметри датчиків, необхідних для створення телеметричних систем.

Апробація роботи. Основні результати й положення дисертаційної роботи доповідались: на 8-му Міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”, Харків, 2004 р.; на 8 - 10-й Міжнародних конференціях “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, Туапсе, 2002 - 2004 рр.; IV Міжнародному симпозіумі “Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия”, С.-Петербург, 5 - 7 лютого 2004 р.; Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людіна і космос”. Космічна біологія, фізіологія і медицина в Дніпропетровському НЦАОМУ 2004 р., в 2005 р. та на Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих учених 24-29 квітня 2005 р. у м. Севастополі.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 17 наукових праць (з них 5 статей у спеціалізованих фахових виданнях), а також 12 робіт і тез доповідей зазначених конференцій; отримано один патент.

Структура та об'сяг дисертації. Робота викладена на 161 сторінках і складається з вступу, 4 розділів, висновків та переліку використаних джерел. Робота містить 58 рисунків та 6 таблиць. Перелік використаних джерел містить 101 найменування.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Вступ містить обґрунтування актуальності дисертаційної роботи, формулювання мети і задач дослідження, вказуються наукова новизна та практичне значення.

У першому розділі наведений огляд літератури, розглянуті існуючі методи дослідження ходьби людини.

Часові характеристики досліджуються за допомогою подографічних методів. Найвідоміші методики реєстрації подограм використовують контактні доріжки або систему датчиків, розміщених на поверхні підошви спеціальних сандалій.

Серед багатьох параметрів, які характеризують просторові переміщення за допомогою опорно-рухового апарату, основними є зміщення в крупних суглобах нижніх кінцівок. Вимірювання цих показників є задачею електрогоніометрії. Гоніометричні дані можуть бути одержані за допомогою оптичних систем або з використанням датчиків, розміщених на суглобах.

Для дослідження біоелектричної активності м'язів використовується огинаюча електроміограми, приведена до циклу кроку.

У роботах Скворцова Д.В., Вітензона А.С., Чирскова М.Я. детально розглянуті гоніометричні, подографічні і міографічні параметри, характерні для нормальної ходьби і при різних патологіях.

Знайдені порушення ходьби людини можуть бути пов'язані з патологіями різних систем організму: нервово-м'язової, опорно-рухової та серцево-судинної.

Одним з методів діагностики стану нервово-м'язової системи є аналіз міографічної інформації. В роботах Гехта Б.М., Юсевича Ю.С., Desmedt J.Е., Hausmanowa-Petrusewicz I. розглянутий взаємозв'язок патологічних змін у м'язах, нервових волокнах, передніх “рогах” спинного мозку із структурою одержаної міограми. Під час аналізу ЕМГ візуальний метод дотепер залишається основним. Як інформативні параметри міографічного процесу традиційно використовуються відомості про рівень електричної активності та параметри середньої частоти імпульсів міографічного сигналу, а також відомості про частоту повторення локальних максимумів і мінімумів міографічного сигналу. При цьому виміряні частотні характеристики сигналу можуть залежати від параметрів апаратури каналу підсилення міографічного сигналу, що утруднює порівняльний аналіз результатів досліджень ЕМГ, одержаних при використанні діагностичних комплексів з відмінними технічними характеристиками.

У працях Б.М. Гехта і Р.С. Персон вказується на взаємозв'язок між фізіологічним станом м'яза і спектром сигналів міограми, що відводиться. Використання статистичних методів аналізу для великих масивів даних було утруднено через недостатній ресурс обчислювальних засобів.

Питання апроксимації кореляційних функцій розглядалися в працях Леннінга Дж. Х., Беттіна Р.Г. і Бендата Дж. Аналітичний опис АКФ здійснюється апроксимацією за допомогою нескінченного ряду деякої певної системи функцій або за допомогою лінійної комбінації кінцевого їх числа.

Зручною виявилася апроксимація АКФ за допомогою ряду наступного вигляду:

, (1)

де , , - параметри апроксимуючої функції. N - число членів ряду.

Огляд сучасних комплексів для біомеханічних досліджень показав, що в переважній більшості випадків для передачі інформації від пацієнта використовується дротяний зв'язок, а аналіз міографічних сигналів обмежується аналізом їх огинаючої.

На підставі аналізу стану діагностики параметрів ходьби людини сформульовані задачі для подальших досліджень.

У другому розділі проводиться аналіз і математичне моделювання часових залежностей кутів вигину в суглобах нижніх кінцівок. Для здорових людей темп ходьби вважається нормальним за тривалості подвійного кроку 1,14 с.

Максимальні кути вигину в суглобах нижніх кінцівок людини не перевищують 70. Для побудови моделей доцільно застосовувати періодичні функції, найпростішими з яких є {sin mx, cos mx}, їх поєднання і комбінації. Тому для моделювання було запропоновано використовувати функцію вигляду:

,



де - амплітуда, - напівперіод, - номер точки відліку на осі часу .

Для обробки результатів моделювання гоніометричних сигналів від ТБС їх період розбивається на 120 поділок, тобто , що відповідає тривалості кроку 1,2 с.

При цьому інтервал нагляду розбивається на дві ділянки з різними залежностями .

,

де A, B, T, n, - параметри моделі.

На рис. 2 представлені експериментальна залежність та її математична модель , а також залежність похибки апроксимації .

де - математична модель ТБС.

Для моделювання характеристики була запропонована залежність:

,

де A, B, C, T₁, T₂, ,- параметри моделі.

Динаміка гомілковостопного сигналу була змодельована функцією вигляду:

,

де , А_i, N_i, M_i - параметри моделі.

Середнє значення помилки наближення моделі складає для ТБС 0.17^о, КС - 0.39^о, ГСС - 0.42^о. Пошук досконаліших моделей полягав у визначенні коефіцієнтів розкладання для ортогональних функцій Лагерра, Лежандра, Бесселя, Чебишева, Фур'є з подальшим вибором однієї з них за критерієм мінімальної середньоквадратичної похибки і точності відтворення інформативних параметрів. Результати аналізу помилок наближення для і дозволяють кваліфіковано вибрати допустиме значення похибки вимірювання. Точність вимірювання повинна бути на порядок вищою, ніж отримане значення помилок наближення.

Результати оцінки помилок апроксимації сигналів ТБС (суцільною лінією - розкладання за Фур'є , пунктирною - за функціями Лагерра, штриховою - за функціями Бесселя). Як видно з наведених графіків, функція Лаггера найбільш близька до оптимальної за критерієм мінімуму помилки апроксимації. Аналогічні результати спостерігаються під час аналізу ГСС.

Динамічний діапазон амплітуд для залежностей , і оцінювався зі співвідношення

де , - максимальне і мінімальне значення безперервного сигналу.

Максимальне значення для всіх амплітуд огинаючих сигналів , і не перевищує 26 дБ.

На підставі аналізу результатів дослідження динаміки ходьби людини розроблений алгоритм, призначений для обчислення часових і амплітудних параметрів гоніограм суглобів нижніх кінцівок. Обробка біомеханічної інформації полягає в оцінці значень характеристик кроку людини, порівнянні їх з нормою та надання рекомендацій з корекції виявлених відхилень.

З урахуванням проведених досліджень біомеханічної інформації були зроблені висновки, що мінімальне середньоквадратичне відхилення дають математичні моделі біомеханічних сигналів, побудовані на основі функцій Лагерра. Максимальна циклічна частота гоніометричного сигналу за тривалості подвійного кроку в одну секунду не перевищує 13 Гц . Інформацію про частотний спектр біомеханічних сигналів необхідно враховувати під час проектування телеметричних систем та при обробці міографічної інформації, одержаної під час ходьби, де перешкоди від зсуву електродів мають ту ж форму і частоту, що і гоніометричні сигнали.

У третьому розділі розглянуті питання, пов'язані з визначенням інформативних параметрів міографічного процесу за його автокореляційніою функцією.

Електроміографічні сигнали з м'язів нижніх кінцівок (як під час ходьби, так і при статичних навантаженнях) знімалися за допомогою біполярних електродів у смузі частот до 8000 Гц і вводилися для подальшої обробки в ПЕОМ. Фрагмент міографічного процесу, одержаного з м'яза gastrocnetnius в процесі ходьби людини.

Нормована автокореляційна функція , обчислена для міографічного процесу тривалістю 1024.

Для знаходження мінімальної тривалості міограми достатньої для достовірного визначення АКФ, досліджувалися реалізації міографічних процесів тривалістю від 8 с до 1024 с. Вираховувалося середньоквадратичне відхилення двох автокореляційних функцій одного й того ж міографічного процесу при різних значеннях інтервалу реалізації.

При тривалості реалізації міографічних процесів понад 160 с середньоквадратичне відхилення мало змінюється. Тому вказане значення тривалості інтервалу реалізації можна вважати достатнім для обчислення статистично достовірної автокореляційної функції.

Наявність в АКФ незгасаючих гармонійних осциляцій вказує на присутність адитивної перешкоди. Компоненту спотворення АКФ, викликану дією детермінованої адитивної перешкоди, можна понизити. Джерелом адитивних перешкод для ЕМГ, одержаної під час ходьби, може бути зсув електродів з частотою ходьби. Джерелом мультиплікативних перешкод може бути амплітудна модуляція ЕМГ у циклі кроку.

Автокореляційна функція звичайно обчислюється на дискретній множині змінної, що призводить до порівняно великого обсягу даних, які не є достатньо зручними для проведення аналізу. Стиснення інформації про автокореляційну функцію здійснюється шляхом її апроксимації.

Для розробки алгоритму пошуку параметрів апроксимуючого виразу АКФ необхідно визначити інтервал кореляції та мінімально допустиму кількість відліків міографічного процесу для отримання заданої точності апроксимації. Інтервал кореляції визначається як таке значення аргументу АКФ, починаючи з якого виконується співвідношення: , для всіх , де - максимальна абсолютна похибка експериментально одержаного значення дисперсії. При оцінюванні максимальної похибки експериментального значення дисперсії залежно від кількості відліків досліджуваного міографічного процесу для випадку нормованої АКФ виконується співвідношення:

,



де N - число відліків дискретизованої реалізації.

Для відносної похибки 4 % складає 6000 відліків.

Вхідними даними для створення апроксимуючого виразу є масив експериментально одержаних числових значень АКФ , де - дискрета приросту часу (прийнята рівною періоду дискретизації), а n - номер відліку, що приймає значення від 0 до (Т - час реалізації).

Основою запропонованого апроксимуючого виразу є апроксимуюче співвідношення (1). В першому наближенні експериментальні значення АКФ апроксимуються функцією вигляду:

. (2)

Для знаходження параметрів і співвідношення (2) логарифмується і перетворюється до вигляду (3)

. (3)

Експериментальні дослідження показали, що значення показника ступеня можна вважати константою, рівною 0,5. Для першого локального максимуму (3), коли , визначають параметр , рівний

.

У точці локального мінімуму косинусоїдальна складова рівна одиниці, а обчислене значення дорівнюватиме шуканому значенню .

З урахуванням умови апроксимуючий вираз має вигляд:

,

а його похибка визначається зі співвідношення:

і в початковій точці має нульове значення.

Подальше уточнення похибки апроксимуючого виразу для можна проводити за допомогою синусоїдальних складових вигляду:

де i - порядковий номер синусоїдальної складової. Для знаходження параметрів синусоїдальних складових аналогічно вводиться позначення:

і знаходяться параметри .

Таким чином, уточнений апроксимуючий вираз АКФ має вигляд:

.



Далі визначається похибка уточненого апроксимуючого виразу. Якщо похибка вище допустимої, продовжується уточнення за допомогою синусоїдальних складових, поки не буде досягнута необхідна точність або не буде перевищено допустиму кількість складових. За результатами розрахунку виводяться масиви і значення похибки.

Одержаний апроксимуючий вираз може містити ряд затухаючих гармонійних складових:

,

де - дисперсія процесу; - частота косинусоїдальної складової, яка визначається параметрами потенціалів дії рухових одиниць м'яза; - частоти синусоїдальних складових, що є, як правило, парними гармоніками ; - коефіцієнти згасання, що характеризують співвідношення спектральних складових міографічного процесу.

Реально використовуються косинусоїдальна і дві синусоїдальні складові.

Достовірність результатів апроксимації оцінювалася як за значенням середньоквадратичного відхилення апроксимуючої функції від початкової АКФ, так і за збігом спектральних щільностей, одержаних за експериментальними даними та за апроксимуючим виразом АКФ. З допомогою даної методики було оброблено 112 реалізацій міографічних процесів, відведених від м'язів нижніх кінцівок людей без патологій, та з функціональними і органічними порушеннями. Похибка апроксимації АКФ на інтервалі від 0 до склала менше 5 %.

Спектральна щільність процесу обчислювалася за експериментальною АКФ і за її апроксимуючим виразом із співвідношення Вінера-Хінчина.

Наведені експериментальна АКФ міографічного процесу (крива 1) та графік її апроксимуючого виразу (крива 2). Наведена спектральна щільність реалізацій, обчислена за експериментальною АКФ (крива 1) і за апроксимуючим виразом (крива 2).

Як відомо, функція розподілу міографічних процесів має дві складові, що відповідають -функції при і нормальному розподілу при . В результаті дискретного квантування -функція трансформується до вигляду .

Як показали експериментальні дослідження, значення обох складових амплітудного розподілу закону при рівні між собою.

Показано, що в цьому випадку щільність амплітудного розподілу має вигляд:

,

де - номер відліку, - крок зміни амплітуди, - дисперсія нормального закону розподілу.

Обчислений таким чином розподіл амплітуд міографічного процесу при має середньоквадратичне відхилення 6% відносно експериментально отриманого розподілу за наслідками обробки 56 реалізацій міографічних процесів без патології. Приклад амплітудного розподілу міографічного процес: крива 1 - експериментальна залежність, крива 2 - розрахункова залежність.

Як показали клінічні дослідження, відхилення розподілу амплітуд від теоретичного значення є показником рівня патології.

Одержане значення похибки апроксимації АКФ, а також спектральної щільності та амплітудного розподілу підтверджує адекватність запропонованого методу визначення інформативних параметрів міографічних процесів.

У четвертому розділі наведені матеріали медико-технічного обгрунтування параметрів телеметричної системи для діагностики ходьби людини, доповненого каналом обробки міографічної інформації. Апаратно-програмна телеметрична система складається з носимого блоку і комп'ютера з радіоприймальним пристроєм. До складу носимого блоку входять подографічні датчики, гоніометричні датчики, поверхневі міографічні електроди, нормуючі підсилювачі, мікроконтролер з багатоканальним АЦП і радіопередавальний пристрій.

Доповнення телеметричної системи каналом зняття та обробки міографічних сигналів вимагає забезпечити: вибір типу і конфігурації відвідних електродів, вибір кількості каналів, вибір способу і місця кріплення датчиків, визначення оптимального частотного діапазону тракту обробки сигналів, вибір параметрів мікроконтролера, вимоги до розробки оптимального алгоритму обробки інформації перед трансляцією сигналів на стаціонарну ЕОМ. Враховуючи функціональну диференціацію м'язів, їх доступність для відведення ЕМГ, рівень їх електричної активності для електроміографічних досліджень, доцільно вибрати на стегні semitendi nosus, biceps femoris, rectus femoris, vastus lateralis, а на гомілці gastrocnemius medialis і gastrocnemius lateralis. Аналізуються сигнали від восьми м'язів.

Підсилювач міографічних сигналів повинен задовольняти ряд вимог: мати високий вхідний опір, високий коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу, низький рівень власних шумів, регульований коефіцієнт підсилення, необхідну частотну характеристику.

Вхідний опір і коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу визначаються параметрами вхідного каскаду. Необхідні для цього характеристики забезпечують інтегральні інструментальні підсилювачі, побудовані на основі класичної схеми з трьома операційними підсилювачами, такі як AD620 - AD627 фірми Analog Devices

Вибір необхідного коефіцієнта підсилення здійснюється процесором після аналізу максимального рівня сигналу. Міографічні сигнали, що знімаються з датчиків, розташованих на м'язах нижніх кінцівок, мають рівень напруги в межах від 10 мкВ до 500 мкВ. Для отримання необхідного вихідного рівня в 1 В для роботи АЦП мікроконтролера ці сигнали повинні бути підсилені на 60 - 100 дБ.

Під час роботи були проведені експериментальні дослідження, спрямовані на визначення швидкості потоку в каналі зв'язку телеметричної системи для неспотвореної передачі міографічної інформації. Сигнали з м'язів нижніх кінцівок, зняті за допомогою біполярних електродів у смузі частот до 16000 Гц, вводилися в ПЕОМ для подальшої обробки. Початковий сигнал піддавався фільтрації фільтрами з різними частотами зрізу в області верхніх і нижніх частот та обчислювалося діюче значення напруги.

Далі обчислювалося відношення діючих значень напруги обмеженого по частоті сигналу Uд і початкового Uд.0.

Граничні частоти, визначені за рівнем 0,95, склали 10 Гц для ФВЧ і 330 Гц для ФНЧ. Вказаний діапазон 10 - 330 Гц можна вважати допустимим для неспотвореної передачі огинаючої міографічних сигналів.

Для оцінки верхньої частоти, необхідної для неспотвореної передачі ЕМГ, був застосований метод кореляційного аналізу. Початковий сигнал піддавався фільтрації з частотами зрізу фільтру нижніх частот від 50 Гц до 4 кГц у двадцяти точках вибраних в логарифмічному масштабі. Коефіцієнт кореляції, обчислений згідно з формулою Пірсона відображає ступінь відхилення рівня і форми обмеженого за частотою сигналу від початкового.

Як порогове значення коефіцієнта кореляції було вибрано максимальне значення, яке забезпечить 12-розрядний АЦП при помилці в один M3Р (молодший значущий розряд), тобто 4094/4095==0,99976. Даному критерію відповідають сигнали з частотами зрізу понад 1250 Гц. Звідси можна зробити висновок, що для обчислення огинаючої достатнім є верхнє значення спектру 330 Гц, а для докладнішого аналізу необхідний сигнал зі смугою понад 1250 Гц.

При частоті дискретизації 2,5 кГц і розрядності АЦП рівній дванадцяти для передачі одного міографічного сигналу необхідна швидкість передачі 30 кбіт/с. Для передачі радіоканалом із застосуванням протоколів, що забезпечують відсутність постійної складової, необхідна швидкість принаймні в два рази вища за початкову.

Необхідну швидкість передачі радіоканалом можливо реалізувати із застосуванням комплектів мікросхем, які з'явилися в середині 2004 року, що забезпечують в діапазоні 2,4 ГГц швидкість до 1 Мбіт/с.

Для існуючих апаратно-програмних телеметричних комплексів, які забезпечують швидкість обміну до 115 кбіт/с, рекомендований підхід, при якому для кожного з міографічних каналів обчислюється і передається огинаюча сигналу і додатково передається на стаціонарну ЕОМ початковий сигнал від одного з каналів. Перемикання каналів в даному випадку синхронізується за інтервалом кроку.

Розроблений алгоритм, що реалізує дану методику вимірювання інформативних параметрів гоніометричної і міографічної інформації, та написана програма для мікроконтролера ADuC812, який використовується в апаратно-програмній телеметричній системі.



ВИСНОВКИ

У даній дисертаційній роботі наведено розв'язання задач, спрямованих на підвищення точності та вірогідності діагностики патологічних змін у периферичній частині рухового апарату людини, що призводять до порушення ходьби:

1. Вперше запропоновано та запатентовано спосіб діагностики опорно-рухового апарату людини, який передбачає одночасний аналіз інформації, одержаної під час ходьби людини, за рахунок поєднання методів біомеханічних досліджень ходьби і методів фізіологічних досліджень нервово-м'язової системи, що дозволило підвищити ефективність та скоротити час діагностики.

2 Побудовані математичні моделі часових залежностей кутів вигину в суглобах нижніх кінцівок на основі рядів ортогональних функцій, що дозволило обґрунтувати медико-технічні вимоги до обробки біомеханічної інформації. Встановлено, що мінімальне середньоквадратичне відхилення дають функції Лагера. Визначена максимальна циклічна частота гоніометричної інформації.

3. Удосконалено метод обробки міографічної інформації, що базується на аналізі АКФ:

- встановлено тривалість інтервалу реалізації міографічного процесу для одержання достовірної АКФ, що дозволило визначити умови стаціонарності;

- запропоновано апроксимуючий вираз АКФ, що дозволило в стислій формі достатньо повно описати міографічний процес;

- розроблено метод визначення параметрів апроксимуючого виразу АКФ, що дозволяє отримати достовірні результати апроксимації при скороченій реалізації міогафічного процесу;

- запропоновано аналітичний опис амплітудного розподілу міографічного процесу, що дозволило одержати числову характеристику рівня нервово-м'язової патології.

4. Обгрунтовані медико-технічні вимоги до побудови телеметричної системи:

- встановлено, що для передачі міографічної інформації необхідний канал з верхньою частотою пропускання не нижче 1250 Гц;

- встановлено, що для неспотвореної передачі огинаючої ЕМГ достатня смуга частот 10 - 330 Гц;

- для передачі одночасно багатоканальної міографічної та біомеханічної інформації пропускна спроможність радіоканалу повинна складати 1 Мбіт/с.

5. Показано, що середньоквадратичне відхилення амплітудного розподілу від теоретичного є одним з критеріїв визначення рівня нервово-м'язової патології.

6. Експериментально підтверджено ефективність запропонованого методу обробки електроміографічної інформації під час обстеження пацієнтів з різними патологіями опорно-рухового апарату.



ПУБЛІКАЦІЇ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Носова Т.В., Письменецкий В.А., Семенец В.В. Моделирование биомеханических сигналов нижних конечностей // Радиоэлектроника и информатика. Информационные технологии. - 2003. - №1. - С. 122 - 123.

2. Носова Т.В., Безнос М.С., Семенец В.В., Письменецкий В.А. Поиск оптимальной модели функционирования нижних конечностей человека // Проблемы бионики. - 2003. - №58. - С. 86 - 90.

3. Носова Т.В., Семенец В.В., Письменецкий В.А. Анализ основных характеристик биомеханических сигналов // Радиоэлектроника и информатика. Информационные технологии. - 2004. - №1. - С. 135 - 138.

4. Немченко С.В., Носова Т.В. Датчики для биомеханических исследований // Материалы 8-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”. Электронная техника и технологии. Харьков, - 2004. - Часть 1. - С. 128.

5. Гороховатский А.В., Носова Т.В. Определение координат визуальных объектов в условиях искажений // Материалы 8-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”. Электронная техника и технологии. - Харьков, - 2004. - Часть 1. - С. 139.

6. Носова Т.В., Безнос М.С., Семенец В.В., Письменецкий В.А. Моделирование электрической активности мышц нижних конечностей человека // Тезисы докладов 10-й Международной научной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. Информационно-аналитические системы поддержки и принятия решений. Харьков-Туапсе, - 2004. - Часть 2. - С. 46.

7. Носова Т.В. Анализ параметров ходьбы человека // Збірник тез. VI Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос”. Космическая биология, физиология и медицина. Дніпропетровськ: НЦАОМУ, - 2004. - С.227.

8. Подпружников П.М., Радченко В.І., Семенець В.В., Носова Т.В. Деякі принципи побудови апаратно-програмних комплексів для біомеханічних досліджень: Збірник наукових праць за матеріалами 8-ї Міжнародної конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (“Інтегровані інформаційні системи, мережі і технології”) “ІІСТ-2002”. - С.322 - 323.

9. Письменецький В.О., Семенець В.В., Носова Т.В. Моделювання біомеханічних сигналів: Збірник. наукових праць за матеріалами 8-ї Міжнародної конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (“Інтегровані інформаційні системи, мережі і технології”) “ІІСТ-2002”. - 2002. - С. 410 - 412.

10. Семенец В.В., Носова Т.В., Подпружников П.М., Качер В.С. Системы и методы анализа ходьбы человека 9-я Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе, - 2003. - С. 230.

11. Носова Т.В., Письменецкий В.А., Семенец В.В. Моделирование спектров биомеханических сигналов нижних конечностей человека // 9-я Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе, - 2003. - С. 77 - 78.

12. Пат. на винахід № 68877 МПК(2006) А61В 5/0488. Спосіб діагностики і корекції ходи людини та пристрій для його реалізації / Семенець В.В.,Салєєва А.Д., Подпружников П.М., Радченко В.І., Гадяцький О.В., Качер В.С., Носова Т.В, Харківський національний університет радіоелектроніки, Український науково-дослідний інститут протезування, протезобудування та відновлення працездатності - № 20031110282; Заява.: 14.11.2003; Опубл.: Бюл. № 4.17.04.2006.

13. Носова Т.В. Корреляционный анализ миографической информации// Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Севастополь, - 2005г. - С. 80.

14. Носова Т.В. Миографическая информация в телеметрических комплексах: Збірник тез.VI Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос”. Космическая биология, физиология и медицина. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ, - 2005. - С. 216.

15. Носова Т.В. Оптимизация обработки миографической информации в телеметрических комплексах // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. - 2004. - №129. - С. 28 - 36.

16. Носова Т.В., Радченко В.И., Семенец В. В. Способ обработки миографической информации: Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних сил. - 2005. - Випуск 5(5). - С. 78 - 83.

17. Носова Т.В., Немченко С.В. Автокорреляционная функция в миографии. Материалы 9-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. - 2005. - С. 201.

Размещено на Allbest.ru