В последние годы ведущие мировые медицинские центры проводят исследования в области создания реабилитационных систем для пациентов, перенесших инсульты, травмы или хирургические вмешательства, повлекшие за собой нарушения двигательных функций.
Одним из перспективнейших направлений в этой сфере является метод лечебной физкультуры, основанный на выполнении дозированных движений. Зачастую травма (и вынужденная обездвиженность) приводит к частичной атрофии мышц и связочного аппарата. Реабилитация призвана решить две основные проблемы: возобновление полного объема движений в суставе и восстановление правильного стереотипа движений в нем. Существует большое количество различных тренажеров, методик и реабилитационных систем, которые позволяют проводить механотерапию [2].
В большинстве случаев тренажеры представляют собой системы для пассивной реабилитации, которые лишь сгибают и разгибают сустав в пределах заданного угла [3]. При этом практически отсутствуют аппараты, локально воздействующие на группы мышц в заданные фазы движения суставов для формирования правильного стереотипа ходьбы и активизирующие мышцы, необходимые для стабилизации пациента в пространстве.
Актуальным направлением в области создания медицинской техники является разработка устройств, сочетающих в себе узлы точной механики, сенсорные системы очувствления и интеллектуальные блоки управления, используемые в механотерапии. Такие устройства способны не только облегчить труд врача-физиотерапевта, но и существенно расширить его возможности, позволяя имитировать естественные движения человека, подбирать индивидуальные программы для каждого пациента, осуществлять непрерывный контроль за состоянием пациента во время проведения процедур [5].
Цель – построение математической модели, разработка и создание опытного образца принципиально нового типа устройства для механотерапии и проведение численных и натурных экспериментов по исследованию динамики предлагаемого устройства.
Материалы и методы исследования
Поставленные задачи решаются с применением методов теоретической и прикладной механики, теории робототехнических систем, математического моделирования и систем управления.
Основная задача механотерапии на аппаратах пассивного действия — увеличение подвижности в суставе, что достигается дозированным растяжением параартикулярных тканей, при условии мышечного расслабления. Основным преимуществом аппаратов данного типа является возможность более раннего их использования по сравнению с прочими видами механотерапии [1]. За счет расслабления мышц во время пассивного движения значительно снижается контактное взаимодействие суставных поверхностей, что является необходимым условием успешной терапии при патологических состояниях в области суставов.
С целью изучения динамических процессов, протекающих в устройстве, а также с целью расширения функциональных возможностей реабилитационного аппарата в настоящей работе представлен опытный образец, представляющий собой модернизацию существующих аналогов. Сущность предложенных нововведений в данном устройстве заключается в реализации независимого вращения трех шарниров за счёт использования индивидуальных приводов [4].
Результаты исследования и их обсуждение
Опытный образец устройства для реабилитации был изготовлен с учетом усредненных геометрических параметров, а также биомеханических особенностей нижних конечностей человека.
Экспериментальная установка состоит из основания стола 1, штанг 2–4, соединенных между собой электроприводами вращательного движения 5–7, манжет 14–16, которые фиксируют ногу человека.
Для устройства разработана система автоматического управления, которая представляет собой комплекс, включающий в себя:
1) датчики тока 8–10, датчики углов поворота 11–13;
2) блок электроприводов;
3) блок управления.
Внешний вид опытного образца для реабилитации нижних конечностей человека
Разработанный программный комплекс, моделирующий динамику системы «реабилитационное устройство – нижняя конечность человека», может использоваться для проведения численных экспериментов по отработке различных программ реабилитации. Моделируя различные характеристики мышц, а также варьируя законами управления, можно исследовать методики реабилитации и подобрать оптимальные параметры нагрузки на мышечно-суставной аппарат исследуемой области.
В ходе исследования был теоретически обоснован принцип движения реабилитационного устройства, основанный на биомеханических возможностях человека и соответствующий фазам движения конечности. Разработана математическая модель плоского трехзвенного стационарного аппарата, отличительной особенностью которой является учет динамических процессов, протекающих в электроприводах, сил реакции опоры, возникающих в точках контакта ноги аппарата и шероховатой поверхности, динамических процессов протекающих в устройстве при перемещении звеньев в соответствии с биомеханическими возможностями человека.
Проведена методика расчета параметров конструкции. Определены мощности двигателей, осуществлен синтез параметров регулятора системы автоматического управления приводами устройства, учитывающий процессы взаимодействия устройства с внешней средой. Отклонение экспериментальных данных от значений, полученных в ходе математического моделирования, связано с погрешностью измерений и составляет в среднем 8–10 %.
Выводы
Таким образом, нами разработан опытный образец механотерапевтического устройства и исследованы заданные режимы движения трехзвенного механизма с активными тазобедренным, коленным и голеностопным суставами, работа которого осуществляется в сопряжении с основными принципами движения нижней конечности человека. Полученные результаты экспериментов подтверждают правильность предложенной математической модели, моделирующей динамику системы «реабилитационное устройство – нога человека», что может быть использовано для проведения численных экспериментов по отработке различных программ реабилитации в кинезиологии и физиотерапии.
Рецензенты:
Савин Л.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Мехатроника и международный инжиниринг», ФГБОУ ВПО «Государственный университет ГНПК», г. Орел;
Пановко Г.Я., д.т.н., профессор, зав. лабораторией, ФГБУН «Институт машиноведения им. А.А. Благонравова» Российской академии наук, г. Москва.
Работа поступила в редакцию 28.12.2014.