О.В. Тихоненкова1, Т.В. Сергеев2, Н.Б. Суворов3

1−3 Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (Санкт-Петербург, Россия)

1krivohizhinaov@gmail.com

Постановка проблемы. Поскольку шейный отдел является одним из важнейших отделов позвоночника человека, то для его исследования возникла необходимость разработки мониторинговой системы для определения положения, движений и наклонов головы человека.

Цель. Разработать аппаратное обеспечение и алгоритм носимого устройства для мониторинга двигательной активности шейного отдела позвоночника человека.

Результаты. Разработана трехточечная модель, учитывающая структурные и двигательные особенности шейного отдела позвоночника. Обоснован выбор опорных точек для установки датчиков. Показаны варианты перемещения этих датчиков при различных положениях головы человека. Описаны статические и динамические показатели, необходимые для оценки движений шейного отдела позвоночника. Предложен аппаратно-программный комплекс для мониторинга положения, движений и наклонов головы человека. Представлены структурная схема и используемые электронные компоненты. Рассмотрены перспективы дальнейшего развития и применения разработанной системы.

Практическая значимость. Разрабатываемая система станет основой для создания медицинского комплекса, обеспечивающего постановку диагнозов, связанных с нарушением морфологической и функциональной взаимосвязи кровообращения и костно-связочного аппарата, а также поддержку принятия решений врачом и возможность ее коррекции средствами биоуправления.

Тихоненкова О.В., Сергеев Т.В., Суворов Н.Б. Разработка аппаратного обеспечения и алгоритмов носимого устройства для мониторинга двигательной активности шейного отдела позвоночника человека // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2024. Т. 22. № 4. С. 23−34. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700814-202404-03

1. Красноярова Н.А., Сабинин С.Л. Биомеханика шейного отдела позвоночника и коррекция ее нарушений: Руководство для врачей. Алматы. 2007.
2. Jeffreys E. Disorders of the Cervical Spine. Elsevier Science. 2013.
3. Shedid D., Benzel E.C. Cervical spondylosis anatomy: pathophysiology and biomechanics // Jan. 2007. Neurosurgery. V. 60. № 1. P. S1-7−S1-13.
4. Синельников Р.Д., Синельников Я.Р., Синельников А.Я. Атлас анатомии человека. Т. 1. Остеология. Артрология. Миология. Новая волна. 2020.
5. Hamaoui A. Influence of Cervical Spine Mobility on the Focal and Postural Components of the Sit-to-Stand Task // Front. Hum. Neurosci. 2017. P. 10.
6. Кармадонов В.Ю. Методы отслеживания положения в виртуальной реальности // Academy. 2019. № 12 (51). С. 19−22.
7. Feng M., Liang L., Sun W., Liu G.W., Yin X., Han T., at al. Measurements of cervical range of motion using an optical motion capture system: Repeatability and validity // Experimental and Therapeutic Medicine. Oct. 2019. V. 18. № 6. P. 4193−4202.
8. Щеколдин А.И., Дема Н.Ю., Шевяков А.Д., Колюбин С.А. Отслеживание и классификация движения головы по данным нашлемного инерциального измерительного модуля // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. № 5. С. 798−804.
9. Duc C., Salvia P., Lubansu A., Feipel V., Aminian K. A wearable inertial system to assess the cervical spine mobility: Comparison with an optoelectronic-based motion capture evaluation // Medical engineering and Physics. 2014. V. 36. P. 49−56.
10. Voinea G., Butnariu S., Morgan G. Measurement and Geometric Modelling of Human Spine Posture for Medical Rehabilitation Purposes Using a Wearable Monitoring System Based on Inertial Sensors // Sensors. 2017. 17(1). 3.
11. Lo Presti D., Carneval A., D’Abbraccio J. at al. A Multi-Parametric Wearable System to Monitor Neck Movements and Respiratory Frequency of Computer Workers // Sensors. 2020. 20(2). 536.
12. Данилова А.С., Тихоненкова О.В., Сергеев Т.В., Чхинджерия А.Б. Обзор оптических и инерциальных систем регистрации взаимного положения и перемещения структур позвоночника человека // Биомедицинская радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 1. С. 20−30.
13. Тихоненкова О.В., Цурков С.А., Сергеев Т.В., Данилова А.С. Система определения положения, движений и наклонов головы человека для ортопедии // XXIV Междунар. науч. конф. «Волновая электроника и инфокоммуникационные системы». СПб. 31 мая – 4 июня 2021. Сб. статей в 3-х частях. 2021. Ч.1. СПб.: ГУАП. С. 300−306.
14. Алексеев В. Новые многофункциональные МЭМС-датчики движения производства STMicroelectronics // Датчики. 2015. № 11. С. 7−14.
15. ATmega328P. 8-bit AVR microcontroller with 32K bytes in-system programmable flash. Datasheet. Atmel Corporation. 2015.
16. FT232R USB UART IC Datasheet Version 2.16. Future Technology Devices International Limited. 2020.
17. Mahony R. Nonlinear Complementary Filters on the Special Orthogonal Group // IEEE Transactions on Automatic Control. Sidney. 2008. С. 1203−1218.
18. Madgwick S. An efficient orientation filter for inertial and inertial magnetic sensor arrays. University of Bristol. 2010. 21 c.
19. Яцына Ю. Сравнительный анализ дискретных фильтров Калмана и Маджвика // Наука и инновации. 2017. Т. 2. № 168. С. 22−24.
20. Сергеенков Д.Д. Экспериментальное сравнение алгоритмов определения ориентации для мультикоптеров // Международный журнал информационных технологий и энергоэффективности. 2019. Т. 4. № 2(12). С. 31−40.
21. Arraigada M., Manfred P. Calculation of displacements of measured accelerations, analysis of two accelerometers and application in road engineering // 6-th Swiss Transport Research Conference. Ascona. 2016. 31 c.
22. Сергеева З.Д. Сравнение алгоритмов фильтрации сигналов акселерометров и гироскопов // 74 Междунар. студенческая научная конф. ГУАП. Ч. 1: Технические науки. СПб.: ГУАП. 2021. С. 250−254 с.
23. Данилова А.C., Горелова Н.А., Сергеева З.Д., Сергеев Т.В., Тихоненкова О.В., Яфаров А.З. Алгоритм обработки и анализа данных о положении, движениях и наклонах головы человека // Датчики и Системы. 2022. № 5. С. 65−72. DOI: 10.25728/datsys.2022.5.13.