RU2076632C1

RU2076632C1 - Device for estimation of functional condition of central nervous system

Info

Publication number: RU2076632C1
Authority: RU
Inventors: С.П. Романов
Original assignee: Институт физиологии им.И.П.Павлова РАН
Priority date: 1992-04-14
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 1997-04-10

Abstract

FIELD: medicine and medical equipment, can be used for diagnostic of disturbances of locomotor system functions. SUBSTANCE: device has a stabilograph, sensory stimulus unit, unit for estimation of deviations of the center of gravity relative to the X-and Y-coordinate axes in the plane of support, and a calculator. The device is intended to defect and analyze the distribution of human support reactions during support of normal vertical stand, during execution of labour motions or in pathologic processes and at diseases of the locomotor system, including disturbances of the nervous system. The novelty is in the fact that the device, in addition to detection is in the fact that the device, in addition to detection of deviations of the projections of the center of gravity on the supporting surface, makes it possible to detect the values of supporting reactions due to provision of additional differential amplifiers between the sensitive elements and deviation amplifiers, and to detent the total value of supporting reaction. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для исследования системы поддержания равновесия человека методом стабилографии, и может использоваться в диагностических целях при выявлении нарушений опорно-двигательных функций и для анализа опорных реакций в процессе выполнения спортивных и трудовых движений с целью профотбора или обучения для оптимизации их. The invention relates to medical equipment, and in particular to devices for studying the system of maintaining human balance by stabilization method, and can be used for diagnostic purposes in detecting disorders of the musculoskeletal functions and for analyzing support reactions in the process of performing sports and labor movements for the purpose of professional selection or training for optimizing them.

Изучение опорных реакций имеет большое значение в нейрологической практике, например при анализе вертикальной стойки человека, а также служит индикатором распределения нагрузок на мышцы опорно-двигательного аппарата при выполнении движений. The study of supporting reactions is of great importance in neurological practice, for example, when analyzing a person’s vertical stance, and also serves as an indicator of the distribution of loads on the muscles of the musculoskeletal system when performing movements.

Известны стабилографы, содержащие источники питания, тензометрические мосты, усилители и регистраторы, которые предназначены для изучения колебаний проекции центра тяжести стоящего человека на горизонтальную плоскость, а также механические конструкции стабилографов для определения устойчивости человека, которые имеют регулируемые по жесткости опоры верхних панелей для изменения чувствительности регистрируемых опорных сигналов. Кроме того, известны содержащие стабилографы устройства для исследования функции равновесия и биомеханики движений человека и статических функций человека, а также устройства для оценки функционального состояния центральной нервной системы, в которых используются блоки сенсорных раздражителей и вычислители. Known stabilographs containing power supplies, strain gauge bridges, amplifiers and recorders, which are designed to study the fluctuations of the projection of the center of gravity of a standing person on a horizontal plane, as well as mechanical designs of stabilographs to determine human stability, which have adjustable stiffness supports of the upper panels to change the sensitivity of the recorded reference signals. In addition, devices containing stabilographs for studying the function of equilibrium and biomechanics of human movements and static functions of a person, as well as devices for assessing the functional state of the central nervous system, in which blocks of sensory stimuli and calculators are used, are known.

Ограниченные возможности устройств по анализу опорных реакций связаны с тем, что в них используются двухкоординатные стабилографы, регистрирующие только колебания проекции центра тяжести человека на горизонтальную опору по осям Х и У, и принимаются различные меры для исключения влияния массы тела на показания регистрирующих приборов. Во многих устройствах платформы, на которые встает испытуемый, изготовлены подвижными со сложной кинематикой передачи усилия, что нарушает нормальную функцию поддержания вертикальной стойки у человека и затрудняет ее изучение, особенно в случае патологии. The limited capabilities of devices for the analysis of support reactions are associated with the fact that they use two-coordinate stabilographs that record only fluctuations in the projection of the center of gravity of a person on a horizontal support along the X and Y axes, and various measures are taken to exclude the influence of body weight on the readings of recording instruments. In many devices, the platforms onto which the test subject stands are made movable with complex kinematics of the transfer of force, which violates the normal function of maintaining a vertical stance in a person and complicates its study, especially in the case of pathology.

Известны силовые платформы фирмы Kistler, которые обеспечивают измерение сил реакций опоры, необходимое для эффективного анализа походки, бега, тянущих и толкающих усилий, прыжков и т.д. В этих платформах используются чувствительные к давлению и чувствительные на сдвиг пьезоэлектрические элементы, регистрирующие вертикальную и горизонтальные составляющие силы, действующей на платформу. По электрическим сигналам с этих элементов в вычислительной машине восстанавливается действие суммарной силы во времени в трехмерном пространстве. Использование таких платформ (не считая трудности и дороговизну изготовления чувствительных к направлению приложения силы кварцевых элементов со значительной площадью опоры) не позволяет непосредственно наблюдать регистрируемые опорные реакции и колебания проекции общего центра тяжести, которые могли бы анализироваться и быть преобразованы в сенсорный образ для испытуемого, стабилизация или регуляция которого позволили бы более точно следить за изменением его функционального состояния. Kistler power platforms are known which provide the measurement of support reaction forces necessary for the effective analysis of gait, running, pulling and pushing forces, jumps, etc. These platforms use pressure sensitive and shear sensitive piezoelectric elements that record the vertical and horizontal components of the force acting on the platform. Using electrical signals from these elements in a computer, the action of the total force in time in three-dimensional space is restored. The use of such platforms (apart from the difficulties and high cost of manufacturing quartz elements that are sensitive to the direction of application of force with a significant support area) does not allow directly observing recorded support reactions and oscillations of the projection of the common center of gravity, which could be analyzed and converted into a sensory image for the subject, stabilization or whose regulation would allow more accurate monitoring of changes in its functional state.

За прототип принято устройство для оценки функционального состояния ЦНС, содержащее двухкоординатный стабилограф, вычислитель, блок сенсорных раздражителей и регистратор, по своему функциональному назначению и по наличию основных блоков наиболее совпадающее с заявляемым устройством. Однако устройство использует всего два сигнала с выхода двухкоординатного стабилографа (отклонения по координатам Х и У), что ограничивает оценку состояния двигательной системы и сенсорных систем управления поддержанием равновесия, в частности вестибулярной и зрительной. Кроме того, устройство содержит блоки перестраиваемых и задаваемых коэффициентов, не позволяющие или затрудняющие сравнение результатов тестирования не только разных испытуемых, но одного и того же испытуемого в разные дни. Работая только с сигналами отклонения центра тяжести, устройство не позволяет регистрировать абсолютные значения опорных реакций и, следовательно, не позволяет оценивать нагрузку на опорно-двигательный аппарат. The prototype is a device for assessing the functional state of the central nervous system, containing a two-coordinate stabilograph, a calculator, a block of sensory stimuli and a recorder, which, by its functional purpose and by the presence of the main blocks, is most consistent with the claimed device. However, the device uses only two signals from the output of the two-coordinate stabilograph (deviations along the X and Y coordinates), which limits the assessment of the state of the motor system and sensory control systems to maintain equilibrium, in particular the vestibular and visual. In addition, the device contains blocks of tunable and preset coefficients that do not allow or make it difficult to compare the test results not only of different subjects, but of the same subject on different days. Working only with signals of deviation of the center of gravity, the device does not allow to register the absolute values of the support reactions and, therefore, does not allow to estimate the load on the musculoskeletal system.

Таким образом, целью изобретения является увеличение точности экспресс-диагностики функционального состояния организма благодаря отражению наиболее полной картины распределения нагрузок в опорно-двигательном аппарате человека, необходимой для оценки возможных нарушений работы систем поддержания равновесия и выявления компенсаторных возможностей организма при действии возмущений как на двигательный аппарат, так и на сенсорные органы, участвующие в регуляции вертикальной стойки и обеспечивающие сохранение равновесия. Thus, the aim of the invention is to increase the accuracy of rapid diagnostics of the functional state of the body due to the reflection of the most complete picture of the load distribution in the musculoskeletal system of a person, necessary to assess possible disturbances in the functioning of equilibrium systems and to identify the compensatory capabilities of the body under the influence of disturbances as a motor apparatus, as well as on sensory organs involved in the regulation of the upright and ensuring balance.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для оценки функционального состояния центральной нервной системы, содержащее двухкоординатный стабилограф, блок сенсорных раздражителей и вычислитель, введены сумматор, дополнительные дифференциальные усилители регистрации опорных реакций, инверторы, последовательно соединенные преобразователи аналогового напряжения в частоту следования импульсов и блоки счета и цифровой индикации, схема управления регистрацией и многоканальный аналого-цифровой преобразователь для ввода информации в вычислитель для временного, амплитудного и частотного анализа введенных сигналов. This goal is achieved by the fact that in the device for assessing the functional state of the central nervous system, containing a two-coordinate stabilograph, a block of sensory stimuli and a calculator, an adder, additional differential amplifiers for recording support reactions, inverters, series-connected analog voltage to pulse frequency converters and counting units are introduced and digital indication, registration control circuit and multichannel analog-to-digital converter for inputting information Missions to the computer for the time, amplitude and frequency analysis of the input signals.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для оценки функционального состояния центральной нервной системы, где 1 электрическая схема стабилографа, 2 мостовые схемы из тензорезисторов, 3 дополнительные дифференциальные усилители опорных реакций, 4 дифференциальные усилители отклонений, 5 сумматор, 6 аналого-цифровой преобразователь, 7 блок сенсорных сигналов, 8 преобразователи аналогового напряжения в частоту следования импульсов, 9 инверторы, 10 счетчики с цифровой индикацией, 11 - схема управления регистрацией, 12 компьютер, 13 входы для ввода физиологических параметров; на фиг. 2 осциллограммы анализируемых сигналов опорных реакций и отклонений, введенных в память компьютера для статистической обработки и частотного анализа. Figure 1 shows a structural diagram of a device for assessing the functional state of the central nervous system, where 1 is a stabilizer circuitry, 2 bridge circuits from strain gauges, 3 additional differential amplifiers of support reactions, 4 differential deviation amplifiers, 5 adder, 6 analog-to-digital converter, 7 block of sensor signals, 8 converters of analog voltage to pulse repetition rate, 9 inverters, 10 counters with digital indication, 11 - registration control circuit, 12 computer, 13 inputs To enter physiological parameters; in FIG. 2 oscillograms of the analyzed signals of the support reactions and deviations entered into the computer memory for statistical processing and frequency analysis.

Устройство (фиг. 1) состоит из стабилографа 1, тензорезисторы на каждом из опорных элементов которого соединены в мостовые схемы 2, первые диагонали которых подключены к источникам питания, а вторые диагонали к входам дифференциальных усилителей 3 для регистрации опорных реакций, выход первого из которых подключен к первым инвертирующим входам основных дифференциальных усилителей 4 для регистрации отклонений колебаний центра тяжести, выход второго подключен к второму инвертирующему входу первого дифференциального усилителя 4 и к первому неинвертирующему входу второго дифференциального усилителя 4, выход третьего подключен к первому неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя 4 и к второму неинвертирующему входу второго усилителя 4, а выход четвертого усилителя 3 подключен к второму неинвертирующему входу первого усилителя 4 и к второму инвертирующему входу второго усилителя 4. Выходы всех дополнительных дифференциальных усилителей 3 подключены к входам сумматора 5 и к входам аналого-цифрового преобразователя 6, к входам которого присоединены также выход сумматора 5 и выходы дифференциальных усилителей 4, соединенные также с входами блока формирования сенсорных раздражителей 7. Кроме того, выход каждого дифференциального усилителя 4 подключен к входам пары преобразователей 8 аналогового напряжения в частоту следования импульсов одного непосредственно, а другого через инвертор 9, к выходам которых подключены блоки 10 счета и цифровой индикации, дополнительные входы которых подключены к выходу схемы управления регистрацией 11, которая является программируемым таймером. Выход многоканального аналого-цифрового преобразователя 6 соединен с компьютером 12, в который также могут быть введены по входу 13 аналого-цифрового преобразования 6 физиологические параметры, характеризующие состояние испытуемого. The device (Fig. 1) consists of a stabilograph 1, the strain gages on each of the supporting elements of which are connected to bridge circuits 2, the first diagonals of which are connected to power sources, and the second diagonals to the inputs of differential amplifiers 3 for recording support reactions, the output of the first of which is connected to the first inverting inputs of the main differential amplifiers 4 for recording deviations of the oscillations of the center of gravity, the output of the second is connected to the second inverting input of the first differential amplifier 4 and to the first non-inverting input of the second differential amplifier 4, the output of the third is connected to the first non-inverting input of the first differential amplifier 4 and to the second non-inverting input of the second amplifier 4, and the output of the fourth amplifier 3 is connected to the second non-inverting input of the first amplifier 4 and to the second inverting input of the second amplifier 4. Outputs all additional differential amplifiers 3 are connected to the inputs of the adder 5 and to the inputs of the analog-to-digital Converter 6, to the inputs of which are also connected the adder 5 and the outputs of the differential amplifiers 4, also connected to the inputs of the block forming sensory stimuli 7. In addition, the output of each differential amplifier 4 is connected to the inputs of a pair of converters 8 of the analog voltage to the pulse repetition rate of one directly and the other through an inverter 9, to the outputs of which the counting and digital indication blocks 10 are connected, the additional inputs of which are connected to the output of the registration control circuit 11, which is a programmable timer. The output of the multi-channel analog-to-digital converter 6 is connected to a computer 12, into which physiological parameters characterizing the state of the test person can also be entered at the input 13 of the analog-to-digital conversion 6.

Преобразователь 8 аналогового напряжения в частоту следования импульсов выполнен по оригинальной схеме управляемого генератора импульсов, обеспечивающей высокую чувствительность к сигналам малой амплитуды и широкий диапазон изменения частоты следования импульсов. The converter 8 of the analog voltage to the pulse repetition rate is made according to the original scheme of a controlled pulse generator, which provides high sensitivity to small amplitude signals and a wide range of pulse repetition rate changes.

Для связи с ПЭВМ 12 использованы в качестве аналого-цифрового преобразователя 6 стандартное устройство СЭТ-1 для многоканального ввода аналоговых сигналов и разработанная в ЛИАП на кафедре АСУ в отделе АИС программа ANDEХ для визуализации и первичной обработки введенных в ЭВМ сигналов. Все усилители выполнены на базе операционных усилителей интегральных микросхем, а схемы счета и цифровой индикации выполнены на элементах двоичной логики счетчики и регистры. For communication with a personal computer 12, the standard SET-1 device for multichannel input of analog signals and the ANDEX program developed at LIAP at the ACS department in the AIS department for visualization and primary processing of signals entered into the computer were used as analog-to-digital converter 6. All amplifiers are based on operational amplifiers of integrated circuits, and counting and digital indication circuits are based on binary logic elements counters and registers.

На фиг.2 представлен фрагмент осциллограммы опорных реакций (обозначены в соответствии с обозначениями усилителей на фиг.1) 3-1, 3-2, 3-3 и 3-4, суммарной опорной реакции 5, равной весу испытуемого в спокойном состоянии поддержания вертикальной стойки, и отклонений проекции центра тяжести в плоскости опоры 4-У и 4-Х во время спокойного состояния за 20 с. Figure 2 presents a fragment of the oscillogram of the support reactions (indicated in accordance with the designation of the amplifiers in figure 1) 3-1, 3-2, 3-3 and 3-4, the total support reaction 5, equal to the weight of the subject in a calm state of maintaining vertical stance, and deviations of the projection of the center of gravity in the plane of the support 4-U and 4-X during a calm state for 20 s.

Устройство работает следующим образом. Когда испытуемый встает на платформу стабилографа 1, опорные элементы под действием нагрузки деформируются, нарушая баланс мостовых схем 2 из тензорезисторов, сигналы с которых усиливаются дифференциальными усилителями 3, напряжения на выходах которых пропорциональны величинам соответствующих опорных реакций. Эти напряжения складываются на сумматоре 5, напряжение на выходе которого пропорционально весу испытуемого или общей реакции давления на опору. Кроме того, напряжения с выходов усилителей 3 подаются по типу мостовой схемы на входы двух дифференциальных усилителей 4, на выходах которых формируются напряжения, пропорциональные, соответственно, разбалансу величины усилия отдельно по координатам Х и У на опорной поверхности, независимо от абсолютного веса испытуемого. Эти семь напряжений четыре, характеризующие вертикальные опорные реакции по углам платформы стабилографа, одно, характеризующее суммарную опорную реакцию, и два, характеризующие только отклонения относительно координат Х и У в горизонтальной плоскости опорной поверхности, поступают на входы многоканального АЦП 6 для их текущей обработки и хранения исходных данных и результатов анализа в памяти ПЭВМ 12. Напряжения с выходов усилителей 4 поступают в блок 7 сенсорных раздражителей (звуковой, световой, тактильный), формирующих сигнал, интенсивность которого может восприниматься соответствующими органами чувств испытуемого. Эти сигналы используются в качестве каналов обратной связи, например, для коррекции позы, если перед испытуемым ставится задача стабилизировать свое положение на опорной поверхности с определенным соотношением опорных реакций. Последовательно соединенные преобразователи 8 аналогового напряжения в частоту следования импульсов и блоки 20 счета и цифровой индикации позволяют непосредственно в ходе эксперимента дать количественную экспресс-оценку асимметричности опорных реакций в процессе поддержания вертикальной стойки за время, устанавливаемое схемой 11 управления регистрацией. Наличие инверторов позволяет отдельно оценивать величину отклонений вверх и вниз и вправо и влево относительно координатных осей Х и У, пересечению которых соответствует центр поверхности верхней панели стабилографа. The device operates as follows. When the test subject stands on the stabilograph platform 1, the supporting elements are deformed under load, disrupting the balance of the bridge circuits 2 of the strain gauges, the signals from which are amplified by differential amplifiers 3, the voltage at the outputs of which are proportional to the values of the corresponding support reactions. These voltages are added to the adder 5, the voltage at the output of which is proportional to the weight of the test person or the total pressure response to the support. In addition, the voltages from the outputs of the amplifiers 3 are supplied by the type of a bridge circuit to the inputs of two differential amplifiers 4, the outputs of which generate voltages proportional, respectively, to the unbalance of the magnitude of the force separately for the X and Y coordinates on the supporting surface, regardless of the absolute weight of the subject. These seven voltages, four characterizing the vertical support reactions at the corners of the stabilograph platform, one characterizing the total support reaction, and two characterizing only deviations relative to the X and Y coordinates in the horizontal plane of the supporting surface, go to the inputs of the multi-channel ADC 6 for their current processing and storage initial data and analysis results in the PC memory 12. Voltages from the outputs of amplifiers 4 enter block 7 of sensory stimuli (sound, light, tactile) that form the signal, intensity vnost which is perceived by the senses of the subject. These signals are used as feedback channels, for example, for posture correction, if the subject is tasked with stabilizing his position on the supporting surface with a certain ratio of supporting reactions. The series-connected converters 8 of the analog voltage to the pulse repetition rate and the counting and digital indication blocks 20 allow directly during the experiment to give a quantitative express estimate of the asymmetry of the support reactions in the process of maintaining the vertical rack for the time set by the registration control circuit 11. The presence of inverters allows you to separately evaluate the deviations up and down and to the right and left relative to the coordinate axes X and Y, the intersection of which corresponds to the center of the surface of the upper panel of the stabilograph.

Учитывая высокую чувствительность сенсорного аппарата человека к возможным перемещениям или смещениям платформы стабилографа, необходимо, чтобы опорные элементы его конструкции обладали достаточной жесткостью. Отличительной особенностью схемы устройства является то, что в стабилографе опорные элементы, расположенные под каждым из углов платформы, на которую встает испытуемый, снабжены тензодатчиками, которые соединены в тензометрические мосты и подключены к отдельным дифференциальным усилителям для измерения деформаций отдельно на каждой опоре. Усиленные сигналы с выходов этих усилителей далее подаются к входам дифференциальных усилителей для формирования сигналов, аналогичных отклонению в двухкоординатных стабилографах. Последовательное подключение этих дифференциальных усилителей по мостовой схеме значительно повышает чувствительность тензометрических мостов, позволяя повысить жесткость опорных элементов до такой степени, чтобы изменения положения платформы вследствие колебаний тела человека не воспринимались его весьма чувствительным сенсорным аппаратом. Given the high sensitivity of the human sensor apparatus to possible movements or displacements of the stabilograph platform, it is necessary that the supporting elements of its structure have sufficient rigidity. A distinctive feature of the device circuit is that in the stabilograph, the support elements located under each of the corners of the platform onto which the test subject stands are equipped with strain gauges that are connected to strain gauge bridges and connected to separate differential amplifiers for measuring deformations separately on each support. The amplified signals from the outputs of these amplifiers are then fed to the inputs of the differential amplifiers to generate signals similar to the deviation in two-axis stabilographs. The series connection of these differential amplifiers in a bridge circuit significantly increases the sensitivity of the strain gauge bridges, making it possible to increase the rigidity of the supporting elements to such an extent that changes in the position of the platform due to vibrations of the human body are not perceived by its highly sensitive sensor apparatus.

Возможность регистрации отдельно каждой из опорных реакций позволяет более точно анализировать нагрузки на двигательный аппарат, так как они дифференцируются относительно правой и левой ноги и относительно распределения нагрузки на носки и пятки во время регуляции позы или удержания нормальной для человека стойки. Эти данные важны для профотбора, так как характеризуют активность нервной системы по управлению сокращением мышц и ее затраты на поддержание равновесия, а также помогают выявить причины перенапряжения в отдельных группах мышц, особенно у работающих стоя. Задавая уровень опорных реакций через блок сенсорных коррекций, можем оценить усилия определенных групп мышц по регистрации их ЭМГ-активности и диапазон регулирования их активности, необходимый для удержания равновесия человеком. The possibility of registering separately each of the supporting reactions allows a more accurate analysis of the loads on the motor apparatus, since they differentiate with respect to the right and left legs and relative to the distribution of the load on the socks and heels while adjusting the posture or holding the stance normal for a person. These data are important for professional selection, as they characterize the activity of the nervous system in controlling muscle contraction and its costs for maintaining equilibrium, and also help to identify the causes of overstrain in certain muscle groups, especially in standing workers. By setting the level of support reactions through a block of sensory corrections, we can evaluate the efforts of certain muscle groups to register their EMG activity and the range of regulation of their activity necessary to maintain equilibrium by a person.

Устройство также позволяет исследовать центральные механизмы регуляции поз и движений, используя методы кросс-корреляционного анализа для выявления связи или доказательства ее отсутствия в управлении как отдельными опорными реакциями, так и между ними и сенсорными сигналами, включая ЭМГ-активность и активность нервных элементов различных структур мозга, участвующих в организации двигательных функций. The device also allows you to explore the central mechanisms of regulation of postures and movements, using cross-correlation analysis methods to identify the connection or prove its absence in the management of both individual support reactions and between them and sensory signals, including EMG activity and activity of nerve elements of various brain structures involved in the organization of motor functions.

Claims

A device for assessing the functional state of the central nervous system, containing a stabilograph, the supporting elements of which are equipped with strain gauges in the form of strain gauges, and the outputs are the outputs of differential deviation amplifiers, a block of sensory stimuli, the inputs of which are connected to the outputs of the stabilograph, and a calculator, characterized in that differential amplifiers of the supporting reactions, adder, converters of analog voltage to pulse repetition rate, inverters, counter block, control block registration and a multichannel analog-to-digital converter, the input of which is the input of the device, and the output is connected to the input of the calculator, and the stabilograph strain gauges included in the strain gauge bridge are connected to power sources with one input and others are connected to the inputs of differential amplifiers of reference reactions, the output of the first of which is connected to the first inverting inputs of each of the differential deviation amplifiers, the output of the second is connected to the second inverting input of the first differential of the first deviation amplifier and the first non-inverting input of the second differential deviation amplifier, the output of the third is connected to the first non-inverting input of the first differential deviation amplifier and the second non-inverting input of the second differential deviation amplifier, and the output of the fourth differential amplifier of the reference reactions is connected to the second non-inverting input of the first deviation amplifier and the second inverting the input of the second deviation amplifier, the outputs of all differential amplifiers op reactions are connected to the inputs of the adder and connected to the group of inputs of a multi-channel analog-to-digital converter, the other inputs of which are also connected to the output of the adder and the outputs of the differential deviation amplifiers, each of which is connected to the inputs of two analog voltage converters to the pulse repetition rate of one directly and the other through an inverter, to the outputs of which the first inputs of the counter block are connected, the second inputs of which are connected to the output of the registration control block.