В.В. Алексеев1, П.Г. Королев2, А.В. Царева3, А.Д. Кузьмина4, П.Г. Журбило5

1–5 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (Санкт-Петербург, Россия)
1 vvalekseyev@mail.ru, 2 pgkorolev@gmail.com

Постановка проблемы. Рассматривается оценка результативности лечения на стадии реабилитации после травм опорно-двигательного аппарата. Многие компании, специализирующиеся на реализации медицинской техники и тренажеров, выпускают изделия, предназначенные для оценки техники ходьбы, при этом основным вопросом остается надежность и достоверность получаемых результатов. В системах видеорегистрации движений эта проблема частично устранена, но для носимых портативных систем данная проблема актуальна, поэтому разработка новых персонализированных систем оценки степени восстановления навыка ходьбы с условием повышения надежности и достоверности к результатам измерений является важным направлением особенно в области медицинской и спортивной реабилитации.

Цель. Подтвердить возможность выявления аномалий походки на стадии реабилитации с помощью статистической обработки временных интервалов, соответствующих фазам шага (опоры, подъема стопы, переноса), а также длительности двойного шага.

Результаты. Проведен анализ современных технических средств, применяемых для измерения параметров, характеризующих технику ходьбы: систем видеорегистрации движений; систем, основанных на измерении давления стопы на опорную поверхность при ходьбе; систем, использующих инерциальные датчики. В статье описана структура измерительной системы, включающей в себя микромеханические акселерометры, позволяющие измерять линейные ускорения до 6g. С учетом ограничений, накладываемых размерами помещения, результаты, полученные с помощью данной системы, представляют собой массивы мгновенных значений линейных ускорений по двум конечностям по трем осям. Частота дискретизации составляет 1 кГц, количество уровней квантования по каждой оси – 10 тыс., при этом удается записать ускорения при выполнении семи шагов. Получены результаты измерений от акселерометрических преобразователей, расположенных в районе пяток (на каблуках обуви) у условно здорового человека (до травмы) и в процессе лечения через различные интервалы времени после снятия фиксирующей повязки и металлоконструкции, стягивающей большую и малую берцовую кости, при движении по горизонтальной поверхности, по лестнице вверх и по лестнице вниз.

Практическая значимость. Результаты, характеризующие движения нижних конечностей, показали, что малые выборки линейных ускорений могут быть использованы для анализа результативности реабилитации. Портативные информационно-измерительные системы, использующие микромеханичекие датчики, пригодны для применения в качестве персонализированных средств оценки степени восстановления двигательных навыков. Обнаружение выбросов в малых выборках позволяет сделать вывод о нестабильности фазовой структуры походки и незавершенности восстановления после травмы.

Алексеев В.В., Королев П.Г., Царева А.В., Кузьмина А.Д., Журбило П.Г. Анализ результатов измерений информативных параметров цифрового двойника для оценки результативности реабилитации после травм опорно-двигательного аппарата // Биомедицинская радиоэлектроника. 2024. T. 27. № 3. С. 62–71. DOI: https://doi.org/10.18127/ j15604136-202403-06

1. Sun B. et al. Human gait modeling and gait analysis based on Kinect // 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. 2014. P. 3173–3178.
2. Jung P.G. et al. A mobile motion capture system based on inertial sensors and smart shoes // Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 2014. Т. 136. №. 1.
3. Alekseev V.V., Korolyov P.G., Olar V.O., Tsareva A.V. Systems Design for Movement Kinematics Research. Efficiency Criteria. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus) // 2017 IEEE Conference of Russian 1-3 Feb. 2017. P. 251–253.
4. Areshko, E.O., Zabolotskaya, N.K., Korolev, P.G. Movement kinematics research systems. Architectural solutions // 2017 XX IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM’2017). P. 593–595.
5. Alekseev V.V. et al. Movement kinematics research systems. Analysis of linear accelerations signals // 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). IEEE, 2018. P. 857–860.
6. Алексеев В.В., Иванова Н.Е., Соколова Ф.М., Королев П.Г. Измерительная система для контроля параметров кинематического портрета человека. Ч. 1. Система контроля // Приборы. 2019. № 9. C. 16–24.
7. Алексеев В.В., Иванова Н.Е., Соколова Ф.М., Королев П.Г., Царева А.В. Измерительная система для контроля параметров кинематического портрета человека. Ч. 2. Система вывода // Приборы. 2019. № 9. C. 24–32.
8. Королев П.Г. и др. Оценка дефектов железнодорожного полотна. Исследование критерия // Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям. СПб.: ГЭТУ «ЛЭТИ». 2018. Т. 1. С. 85–88.
9. Королев П.Г. Организация работы средств измерений с метрологическим самоконтролем // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2019. №. 4 (30). С. 51–57.
10. Korolev P.G. et al. Movement Kinematics Research Systems. The Measuring Experiment Organization // 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). IEEE, 2019. P. 553–555.
11. Царёва А.В., Алексеев В.В., Иванова Н.Е., Королёв П.Г., Соколова Ф.М. Исследование кинематики движений пациентов нейрохирургического профиля на стационарном этапе // Нижний Новгород: СТМ. 2019. Т. 11. № 3. C. 81–88.
12. Царёва А.В., Курочкин А.Ю., Алексеев В.В. Информационно-измерительная система для исследования кинематики движений человека. Беспроводная передача данных // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2019. Т. 7. № 3.