СТАБИЛОАНАЛИЗАТОР КОМПЬЮТЕРНЫЙ КСК-4 - ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

С.С.Слива, И.В.Кондратьев, Д.В.Кривец, Г.А.Переяслов, А.Ф.Кононов

ЗАО Особое конструкторское бюро "Ритм",
Россия, 347900, г.Таганрог, ул.Петровская, 99, тел. (86344) 2-32-55.
E-mail: perejaslov@ritm.infotecstt.ru, sliva_ko@pbox.ttn.ru.

Ростовский государственный университет, НИИ нейрокибернетики им. А.Б.Когана,
Россия, 344090, г.Ростов-на-Дону, пр.Стачки, 194/1, тел. (8632) 28-00-88.
E-mail: krivets@krinc.rnd.runnet.ru

Работа выполнена при поддержке РФФИ (Грант 99-01-00076)

Стабилоанализатор компьютерный КСК-4 представляет собой комплекс технических и программно-методических средств на основе компьютерной стабилографии, которым обеспечивается возможность регистрации, обработки и анализа траектории перемещения центра давления (ЦД), оказываемого человеком на плоскость опоры в процессе поддержания им вертикальной позы. Траектория перемещения ЦД представляется на экране монитора ПЭВМ в виде стабилограмм, т.е. во времени в сагиттальном и фронтальном направлениях, и в двумерном пространстве в виде статокинезиграммы.

Удержание человеком равновесия является динамическим феноменом, требующим непрерывного движения тела, которое является результатом взаимодействия вестибулярного и зрительного анализаторов, суставно-мышечной проприорецепции, центральной и периферической нервной системы.

К достоинствам компьютерной стабилографии можно отнести:

комфортность обследования, которое проводится на специальной стабилоплатформе в одежде и обуви в положении стоя или сидя, то есть в комфортных условиях, не требующих специальной подготовки пациента или крепления на нем датчиков;

малое время обследования, которое складывается из времени съема информации (обычно в пределах 20-60 секунд) и времени просмотра полученных данных и анализа результатов обработки, которое при массовых обследованиях не превышает 1-2 минуты;

информативность исследования, которая позволяет оценивать как общее состояние человека, так и состояние целого ряда физиологических систем, участвующих в процессе поддержания вертикальной позы;

высокую чувствительность к воздействию на человека, что позволяет объективизировать его реакцию на физические и психические воздействия, на прием лекарственных средств и даже запахи;

многофункциональность, которая позволяет использовать стабилографию как диагностическое средство широкого спектра заболеваний и предзаболеваний, как средство контроля и объективизации воздействий на человека, а также как средство реабилитации нарушений статокинетической функции человека, тренировки его координации.

За 10 лет развития отечественной компьютерной стабилографии только 3-м организациям удалось довести разработки до уровня серийного освоения медицинской техники, это:

ЗАО "ВНИИМП-ВИТА" (г.Москва);
научно-медицинская фирма "МБН" (г.Москва);
ЗАО ОКБ "Ритм" (г.Таганрог).

В таблице приведены в сопоставимых показателях основные технические характеристики компьютерных стабилографов этих организаций.

Фирма (город), модель (год)	Коор-динаты ЦД, мм	Разреш. способ- ность, мм	Точн. оценки кoорд., %	Масса пациента, кг	Разр. АЦП, бит	Потр. мощ- ность, ВА	Кол. датчи- ков	Габ. размеры, мм	Масса, кг
ЗАО "ВНИИМП-ВИТА" (г.Москва) Стабилотест-К (1996)	+ 50	0,15; - ;0,01	+ 2	до 150	10-12	5	4	400х370х50	3
НМФ "MБН" (г.Москва) Биомеханика(1996) Биомеханика(1998) Стабилометрический комплекс(1999)	+ 150 + 150 + 125	0,2 0,2 0,2		20-120 20-120 10-120	11 11 11		12 4 3	600х400х120 500х400х50 400х400х50	80 15 8
ЗАО ОКБ “Ритм” (г.Таганрог) КСК-123-3(1997) КСК-4.2(1999) К-4.3(1999)	+ 160 + 150 + 200	0,1;-;0,006 ~ 0,006 ~ 0,006	+ 5 + 2 + 1,5	30-150 20-150 20-150	12 16 16	5 20 20	4 4 4	400х350х80 400х350х70 480х480х70	7 6 8

По техническим показателям стабилоанализаторы компьютерные КСК-4 имеют ряд преимуществ перед разработками других организаций, прежде всего, по динамическому диапазону и разрешающей способности.

В 2000 году образцы стабилоанализатора компьютерного КСК-4 прошли заводские, приемочные технические и медицинские испытания, а также решены вопросы сертификации как изделий медицинской техники.

К концептуально значимым показателям стабилоанализаторов КСК-4 следует отнести обеспечение возможности статических стабилографических исследований, при которых на неподвижной стабилоплатформе обеспечивается оценка колебаний центра давления в 2-х ортогональных направлениях: сагиттальном (Y) и фронтальном (X). Измерение моментов силы, возникающих в силовоспринимающей поверхности стабилоплатформы, по которым может быть оценено положение центра массы испытуемого, в данной разработке не предусмотрено, как и в остальных отечественных разработках, а также в подавляющем большинстве зарубежных аналогов. Дело в том, что для человека связь моментов силы, возникающих в стабилоплатформе, и положением его центра массы существует, но она нелинейна, что затрудняет анализ получаемых сигналов и сильно усложняет расчеты. Это убедительно показали исследования, проведенные под руководством Б.А.Потемкина в Институте машиноведения РАН (г.Москва) еще в 1996 году.

В разработках стабилоплатформ, проводимых в ОКБ "Ритм", было обращено внимание на подвижность опорной поверхности стабилоплатформы в вертикальном направлении в процессе обследования человека. Этот показатель обычно нигде не оговаривается, зависит от специфики используемых датчиков и конструкции стабилоплатформы. Однако человек оказывается весьма чувствительным к этому показателю. В стабилографах типа КСК-2 (т.е. второго поколения) подвижность опорной поверхности стабилоплатформы достигала значения 2 мм (реально – 1 мм), на что обращали внимание большинство испытуемых. В разработках других отечественных организаций этот показатель достигает значения 5 мм и более, но не оговаривается. В стабилографах же 4-го поколения КСК-4 удалось снизить этот показатель в сравнении с предыдущими разработками этого ряда на порядок, т.е. до уровня 0,1 мм, что позволяет сохранить естественность поведения человека при стабилографическом обследовании и исключает внешние возмущающие воздействия со стороны измерительного устройства.

Принципиальным при проектировании стабилоплатформы, как чувствительной части компьютерного стабилоанализатора, является выбор метода преобразования силы в электрический сигнал для оценки реакций опор, по которым вычисляются их равнодействующая, называемая обычно центром давления, и ее координаты. Существует несколько методов преобразования силы в электрический сигнал: контактный, реостатный, тензометрический, емкостной, пьезоэлектрический, электромагнитный, механотронный, струйный, оптоэлектронный и др. В ОКБ "Ритм" использован тензометрический метод.

Не менее важным и ответственным является выбор конструкции упругого элемента для реализации тензорезистивного датчика силы. За десять лет развития стабилографов типа КСК в ОКБ "Ритм" были опробованы тензометрические чувствительные элементы, выполненные в нескольких вариантах:

в виде полого цилиндра с усеченными боковыми поверхностями по авторскому свидетельству Сафронова О.И.;
в виде тонкостенных трубок в серийных датчиках Краснодарского завода тензорезистивных приборов типа ЛХ-143 и ЛХ-144;
в виде разрезанных колец оригинальной конструкции.

В стабилоанализаторах типа КСК-4 в итоге используются двухконсольные изгибные датчики параллелограммного типа оригинальной конструкции, предложенной старшим научным сотрудником НИИ нейрокибернетики им.А.Б.Когана Ростовского государственного университета Д.В.Кривцом. В сочетании с последними достижениями в области интегральной микросхемотехники, ориентированными на съем и преобразование сигналов с тензорезистивных мостовых схем, удалось достичь уникального динамического диапазона - более 65000 дискрет на диапазон измерения координат центра давления, как в сагиттальном, так и во фронтальном направлениях. Это позволило довести разрешающую способность в оценке координат до значения менее 0,01 мм по всему полю измерения (400x400 мм) и отказаться от выбора масштаба преобразования входных сигналов. Такое техническое решение существенно упростило методики проведения стабилографических исследований без риска потери информации или необходимости повторных исследований.

Использование современных достижений в интегральной схемотехнике для реализации электронных узлов позволило также исключить подстроечные элементы, автоматизировать процесс подготовки стабилоплатформы к работе, решив программно-аппаратным способом такие задачи, как компенсация начальных механических напряжений, совмещение ЦД испытуемого с началом координат и учет индивидуальных показателей датчиков опорных реакций. Выбор тензометрических датчиков опорных реакций, позволяющих, в отличие от пьезокерамических, измерять постоянную составляющую реакций опор, решил по ходу дела и проблему весоизмерения. Хотя этот показатель у человека меняется медленно, тем не менее, выявление тенденции его изменения в сочетании с некоторыми стабилографическими показателями приобретает особую значимость, например, в прогнозах динамики процесса лечения.

Достигнутая в стабилоанализаторах КСК-4 высокая избыточность в динамическом диапазоне позволяет с достаточно высоким разрешением (до 6-7 двоичных разрядов) оценивать динамику веса испытуемого, что превращает стабилоплатформу в баллистодатчик. Изучение информативной значимости этого дополнительного канала только начинается, но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что в этом канале надежно проявляется механическая работа сердца и процесс дыхания (особенно в положении "сидя на стабилоплатформе"), а спектр баллистограмм в диапазоне до 0,2 Гц достаточно близко совпадает со спектром стабилограмм, что требует специального изучения.

С необходимостью встраивания дополнительных каналов для синхронного съема со стабилограммами некоторых физиологических сигналов пришлось столкнуться еще в 1993 году. Сначала это был канал пульсометрии с использованием фотоплетизмографического пальцевого датчика. В настоящее время для реализации пульсометрии используется съем электрокардиограммы с одного отведения, что повысило точность вариационного анализа. На основе тензометрических датчиков освоены дополнительно встраиваемые в КСК-4 каналы для съема периметрического дыхания, кистевой и становой силы.

Повышенный интерес в последнее время проявляют пользователи компьютерных стабилоанализаторов типа КСК-4 к встраиванию каналов для съема огибающих миограмм. Реализация четырех таких каналов практически всех устраивает. В процессе разработки находятся акселерометрические каналы на основе двух- и трехкоординатных датчиков, а также гониометрические каналы.

При реализации дополнительных каналов съема физиологических сигналов, кроме синхронного съема со стабилограммами, всегда предусматривается возможность визуализации всех исследуемых сигналов и простая организация обработки данных, а также возможность относительно простого подбора необходимых пользователю сочетания дополнительных каналов. Такой подход реализован только разработчиками ОКБ "Ритм". Это позволяет существенно расширить возможности эффективного использования компьютерной стабилографии в следующих областях:

фундаментальных исследованиях в биомеханике и медицине;
предрейсовом контроле водителей транспортных средств;
профотборе и профориентации;
отработке методик овладения требуемыми стереотипами для достижения высших спортивных результатов;
реабилитации нарушений устойчивости человека за счет широкого использования методов биологической обратной связи (БОС) и т.д.

Начиная со второго поколения компьютерных стабилоанализаторов типа КСК, был принят монококовый вариант конструкции стабилоплатформы, позволяющий разместить внутри все электронные узлы комплекса. Кроме выигрыша в эргономичности комплекса, удалось существенно снизить требования к организации съема сигнала с тензорезистивных датчиков (в частности, исключить необходимость их шестипроводного подключения), что принципиально важно в решении задачи расширения динамического диапазона измерений.

Разработчикам ОКБ "Ритм" удалось удержать массу стабилоплатформ всех четырех поколений в пределах 4-8 кг, что обеспечивало их высокую мобильность. В четвертом поколении стабилоанализаторов за счет оригинальных конструкторских решений удалось даже исключить вспомогательную нижнюю силовую плиту, характерную для большинства известных разработок, у которых масса платформы находится обычно в пределах 15-30 кг.

Компьютерная стабилография является новым, исключительно перспективным направлением не только в медицине, но и в транспорте, спорте и ряде других областей. Методическое обеспечение стабилоанализатора базируется на двух программах: StabMed и Stab-Test, которые постоянно совершенствуются и развиваются и в последнее время на основе операционной системы Windows со всеми вытекающими ее преимуществами и недостатками.

Программно-методическое обеспечение StabMed позволяет реализовать широкий набор методик для диагностики, стабилографических исследований и реабилитации нарушений опорно-двигательного аппарата.

Набор методик стабилографического анализа позволяет проводить медико-биологические исследования с целью дифференциальной диагностики вестибулярной, мозжечковой и сенситивной атаксий и исследования участия различных сенсорных систем организма в установке тела. Он предоставляет возможность проведения математической обработки статокинезиграммы (СКГ) при выполнении различных функциональных проб:

статического равновесия;
минимизации колебаний тела;
динамического равновесия;
со стимуляцией (оптической, электрической, вибрационной и др.).

По результатам математической обработки в базе данных пациента сохраняются значения нескольких традиционных параметров обработки статокинезиграммы (скорость перемещения ЦД, площадь СКГ, средний радиус отклонения и др.) и 17 параметров ее векторного анализа. Имеется возможность проведения гистограммного и спектрального анализа, вычисления трендов и дополнительной фильтрации сигнала. При повторных исследованиях предусмотрена оценка динамики стабилографических показателей пациента и определение индивидуальной нормы.

Методика оценки запаса устойчивости находит применение в ортопедии и протезировании. Позволяет оценить возможность отклонения тела вперед, назад, вправо и влево. По асимметричности полученной зоны можно судить о скрытом нарушении регуляции позы и преобладании его в каком-либо направлении.

Набор реабилитационных и развивающих тренажеров выполнен в виде компьютерных стабилографических игр с использованием активной зрительной биологической обратной связи (БОС), позволяет существенно сократить сроки восстановления функции равновесия у неврологических (особенно постинсультных), нейрохирургических (после операций на головном и спинном мозге), травматологических, хирургических и терапевтических (после соблюдения длительного постельного режима) больных. Игровая стабилография способствует повышению качества функции равновесия спортсменов, артистов балета, а также восстановлению работоспособности лиц, профессия которых связана с необходимостью длительного сохранения статической позы.

Методика анализа миограмм позволяет при проведении стабилографических проб проводить математическую обработку электромиограмм в четырех отведениях. Результаты миографии представляются синхронно со стабилограммой, что позволяет расширить функциональные возможности в диагностике и реабилитации.

Методика оценки пульса и дыхания построена на основе методов вариационной пульсометрии по Р.М.Баевскому. Производится автокорреляционный и спектральный анализ. Оценивается преобладание тонуса симпатического или парасимпатического отделов вегетативной нервной системы. Выделение дыхательной составляющей из стабилографического сигнала способствует выявлению патологии центральной нервной системы.

Наличие развитой базы данных позволяет вести и систематизировать информацию о пациентах и проводимых исследованиях.

Программно-методическое обеспечение Stab-Test позволяет обеспечить проведение методики оценки качества функции равновесия, которая используется для профотбора и динамического наблюдения за профессиональной подготовкой спортсменов, артистов балета, а также для оценки функционального состояния операторов движущихся устройств, включая предрейсовый контроль на транспорте (железнодорожном, воздушном, морском, автомобильном и др.). Переход в данной методике к анализу векторов скоростей и ускорений позволил существенно продвинуться в интегральной оценке состояния организма человека. Получены обнадеживающие устойчивые результаты при обследовании пилотов сверхмалой авиации и при предрейсовом контроле водителей трамваев.

Есть все основания надеяться, что по своим основным показателям и функциональным возможностям компьютерный стабилоанализатор КСК-4 позволит внести достойный вклад в развитие передовых отечественных медико-технических технологий.

Содержание конференции | Секция1