RU2537783C2

RU2537783C2 - Device for measurement of kinetic and force parameters of hand

Info

Publication number: RU2537783C2
Application number: RU2013112727/14A
Authority: RU
Inventors: Леонид Борисович Маслов; Зуби Халед Фархад Ахмед Аль; Федор Борисович Огурцов; Сергей Владиленович Вихрев; Дмитрий Николаевич Климин; Ольга Владимировна Карпова; Дмитрий Николаевич Герасимов; Вадим Иванович Шапин
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2015-01-10
Also published as: RU2013112727A

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: invention relates to medical equipment. Device for measurement of kinetic and force parameters of hand includes support element (8) in the form of two semicylindrical cross-beams and force sensor. Cross-beam diameter can be changed by installation and removal of replaceable trims in the form of hollow wooden semi-cylinders. Force sensor (14) is made in the form of elastic element with resistance strain gauges combined in two bridge schemes linked to measurement system. Device includes base (1) with attached elbow fixation unit and measurement unit. Measurement unit includes vertical frame (5) mounted on joints and rotating around vertical axis, with joint connection to horizontal frame (6) rotating around longitudinal axis, with counterweights (13) and axle (9) bearing work frame (7) of hand grip with support element, rotating around horizontal axis. Each frame is equipped with rotation angle sensor (10-12). Measurement system includes control unit.

EFFECT: extended functional capabilities and enhanced accuracy of dynamometric measurement.

2 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для диагностики, и может быть использовано для функционального исследования в травматологии, ортопедии, хирургии, неврологии, спортивной медицине, в процессе реабилитации, для профотбора, исследований в физиологии труда, спорта, экспертиз трудоспособности, для оценки мышечной усталости, мышечной памяти, уровня мышечного тренда и нагружения подвижности суставов.The invention relates to medicine, namely to devices for diagnostics, and can be used for functional research in traumatology, orthopedics, surgery, neurology, sports medicine, in the process of rehabilitation, for professional selection, research in the physiology of work, sports, examinations of disability, for assessment muscle fatigue, muscle memory, muscle trend levels and loading of joint mobility.

Известны различные устройства типа механодинамометров и тензодинамометров для измерения мышечной силы кисти («Устройство для измерения силы и выносливости мышц», Авторское свидетельство СССР №1426540, МПК А61В 5/22, 1988 г., «Реверсивный динамометр», Авторское свидетельство СССР №1222244, МПК А61В 5/10, 1986 г., «Ручной динамометр»; Авторское свидетельство СССР №1715363, МПК А61В 5/22, 1992 г., «Устройство для измерения мышечной силы», Авторское свидетельство СССР №1688846, МПК А61В 5/22, 1991 г., «Динамометр кистевой тензометрический» Патент на изобретение РФ №2118508 МПК А61В 5/22, 1998 г., «Динамометр для измерения силы схвата» Букин И.В., Якобсон Я.С. «Приборы для измерения силы схвата и мометна ротации кисти» Протезирование и протезостроение, - Сб. трудов. Вып. 3. М., 1977, с. 94-96).Various devices are known, such as mechanodynamometers and tensodynamometers for measuring the muscular strength of the hand (“Device for measuring strength and endurance of muscles”, USSR Author's Certificate No. 1426540, IPC АВВ 5/22, 1988, “Reverse Dynamometer”, USSR Author's Certificate No. 1222244, IPC А61В 5/10, 1986, "Manual dynamometer"; USSR copyright certificate No. 1715363, IPC АВВ 5/22, 1992, "Device for measuring muscle strength", USSR copyright certificate No. 1688846, IPC А61В 5/22 , 1991, "Hand strain gauge dynamometer" Patent for the invention of the Russian Federation No. 2118508 IPC A61 In 5/22, 1998, “Dynamometer for measuring grip force” Bukin IV, Yakobson YS “Instruments for measuring grip force and rotation of the brush” Prosthetics and prosthetics, Collected Works. Issue 3 M., 1977, pp. 94-96).

Однако их применение в медицинской практике ограничивается регистрацией только максимального сигнала либо с одновременной регистрацией силы захвата во времени.However, their use in medical practice is limited to recording only the maximum signal or simultaneously recording the capture force over time.

Вместе с тем известны различные типы устройств для динамометрии и динамографии мышц нижних конечностей с изменением угловых кинематических параметров. Так, «Устройство для динамометрии мышц сгибателей и разгибателей голени» (Патент на полезную модель РФ №74059, МПК А61В 5/11, 2008 г.) содержит шарнир, упоры и кресло, положение спинки которого изменяется и фиксируется под различными углами, длина сиденья кресла изменяется и фиксируется, мягкие валики располагаются под областью мыщелков бедра, срединно расположенный шарнир пошагово блокируется по дуге в 180°, а длина задних опор изменяется и фиксируется.However, various types of devices for dynamometry and dynamography of the muscles of the lower extremities with a change in angular kinematic parameters are known. So, “Device for dynamometry of the flexor and extensor muscles of the lower leg” (Utility Model Patent of the Russian Federation No. 74059, IPC АВВ 5/11, 2008) contains a hinge, stops and a chair, the position of the back of which changes and is fixed at different angles, the seat length the chair changes and fixes, the soft cushions are located under the condyles of the thigh, the mid-positioned hinge is stepwise blocked along an arc of 180 °, and the length of the back supports is changed and fixed.

Основными недостатками устройства является дискретность угловой позы и динамографии.The main disadvantages of the device is the discreteness of the angular position and dynamography.

Известно «Устройство для динамографии мышц сгибателей и разгибателей стопы» (Патент на изобретение РФ №2134063, МПК А61В 5/22, 1999 г.), содержащее раму на неподвижном основании, опорную площадку для стопы и динамометр. На неподвижном основании расположены планки для прижатия бедра, перемещающиеся по двум направляющим штангам. На основании также расположена опорная площадка для стопы, соединенная с рамой при помощи поворотного механизма, ось вращения которого совпадает с осью вращения голеностопного сустава при регулировке винтами, а динамометр закреплен на вращающейся рамке.It is known "Device for dynamography of the muscles of the flexors and extensors of the foot" (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2134063, IPC AB 5/22, 1999), containing a frame on a fixed base, a support platform for the foot and a dynamometer. On a fixed base there are slats for pressing the hips, moving along two guide rods. On the base there is also a support platform for the foot, connected to the frame using a rotary mechanism, the axis of rotation of which coincides with the axis of rotation of the ankle joint when adjusted with screws, and the dynamometer is mounted on a rotating frame.

Недостатками указанного устройства являются отсутствие достоверной информации об угле наклона площадки и отсутствие возможности непрерывного измерения и регистрирования зависимости мышечной силы сгибателей и разгибателей стопы от угла поворота наклонной площадки, измерение усилия только относительно горизонтальной оси вращения голеностопного сустава.The disadvantages of this device are the lack of reliable information about the angle of inclination of the site and the lack of continuous measurement and recording of the dependence of the muscle strength of the flexors and extensors of the foot on the angle of rotation of the inclined platform, the measurement of effort only relative to the horizontal axis of rotation of the ankle joint.

Известно «Устройство для измерения силовых параметров кисти» (Патент на полезную модель РФ №31945, МПК А61В 5/22, 2003 г.), принятое за прототип, включающее опорный элемент, выполненный в виде двух полуцилиндрических траверс, диаметр которых может изменяться путем наложения и снятия сменных накладок, выполняемых в виде полых деревянных полуцилиндров, и упругий элемент с тензорезисторами, объединенными в две мостовые схемы, связанные с измерительной системой.The known "Device for measuring the power parameters of the brush" (Patent for a utility model of the Russian Federation No. 31945, IPC AB 5/22, 2003), adopted as a prototype, including a support element made in the form of two semi-cylindrical traverses, the diameter of which can be changed by applying and removing removable linings, made in the form of hollow wooden half-cylinders, and an elastic element with strain gauges combined in two bridge circuits associated with the measuring system.

Недостатком указанного устройства является то, что оно не позволяет проводить измерения усилия захвата в зависимости от угла поворота кисти относительно трех ортогональных осей вращения. Отсутствие кинематических данных в виде зависимостей усилия захвата от углов поворота не позволяет в полной мере оценить функциональное состояние мышц.The disadvantage of this device is that it does not allow to measure the gripping force depending on the angle of rotation of the brush relative to the three orthogonal axes of rotation. The lack of kinematic data in the form of dependences of the gripping force on the rotation angles does not allow us to fully assess the functional state of the muscles.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей динамометрических измерений и повышение их точности.The technical result of the invention is to expand the functionality of dynamometric measurements and increase their accuracy.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения кинематических и силовых параметров кисти, включающее опорный элемент, выполненный в виде двух полуцилиндрических траверс, диаметр которых может изменяться путем наложения и снятия сменных накладок, выполняемых в виде полых деревянных полуцилиндров, и содержащий датчик силы, выполненный в виде упругого элемента с тензорезисторами, объединенными в две мостовые схемы, связанные с измерительной системой, содержит основание с закрепленными узлом фиксации локтевого сустава и узлом измерения, включающим вертикальную раму, установленную шарнирно с возможностью вращения относительно вертикальной оси, шарнирно соединенную с горизонтальной рамой, установленной с возможностью вращения относительно продольной оси, снабженной противовесами и осью для крепления рабочей рамы кистевого захвата с опорным элементом, установленной с возможностью вращения относительно горизонтальной оси, при этом каждая рама снабжена датчиком угла поворота, а измерительная система содержит блок управления.The technical result is achieved by the fact that the device for measuring the kinematic and power parameters of the brush, including a support element made in the form of two semi-cylindrical traverses, the diameter of which can be changed by applying and removing interchangeable pads made in the form of hollow wooden half-cylinders, and containing a force sensor made in the form of an elastic element with strain gauges combined in two bridge circuits associated with the measuring system, contains a base with a fixed unit for fixing the elbow joint VA and a measurement unit including a vertical frame mounted pivotally with respect to the vertical axis, pivotally connected to a horizontal frame mounted for rotation relative to the longitudinal axis, equipped with counterweights and an axis for attaching the working frame of the wrist grip with a supporting element mounted for rotation relative to the horizontal axis, with each frame is equipped with a rotation angle sensor, and the measuring system contains a control unit.

На фиг. 1 приведено устройство для измерения кинематических и силовых параметров кисти, на фиг. 2 приведена структурная схема измерительной системы.In FIG. 1 shows a device for measuring the kinematic and power parameters of a brush; FIG. 2 shows a structural diagram of a measuring system.

Устройство для измерения кинематических и силовых параметров кисти содержит основание 1, на котором установлен узел фиксации локтевого сустава, состоящий из регулируемой по высоте стойки 2 и опорной площадки 3 с закрепленным на ней ложементом 4, и измерительный узел, позволяющий осуществлять вращательное движение кисти последовательно относительно трех координатных осей: x, y и z. Измерительный узел включает вертикальную раму 5, установленную на основании с возможностью вращения, горизонтальную раму 6, шарнирно соединенную с вертикальной рамой 5, в которой установлена ось 9 с рабочей рамой кистевого захвата 7. На рабочей раме кистевого захвата 7 установлен опорный элемент 8, который выполнен в виде двух полуцилиндрических траверс, диаметр которых может изменяться путем наложения и снятия сменных накладок, выполненных в виде полых деревянных полуцилиндров, и содержит встроенный датчик силы 14 на базе тензометрического моста. Горизонтальная рама 6 снабжена регулируемыми грузами противовесами 13, которые предназначены для компенсации веса горизонтальной рамы 6 и рабочей рамы кистевого захвата 7 с опорным элементом 8. Положение опорного элемента 8 вдоль продольной оси может регулироваться и фиксироваться посредством крепления оси 9. В каждой раме установлены датчики угла поворота кисти резистивного типа: в вертикальной раме 5 установлен датчик угла поворота относительно вертикальной оси z 10, в горизонтальной раме 6 установлен датчик угла поворота относительно горизонтальной оси y 11, и в рабочей раме кистевого захвата 7 установлен датчик угла поворота относительно продольной оси x 12.A device for measuring the kinematic and power parameters of the brush contains a base 1 on which an elbow joint fixation unit is installed, consisting of a height-adjustable strut 2 and a support pad 3 with a lodgement 4 fixed to it, and a measuring unit that allows for the rotation of the brush in series with respect to three coordinate axes: x, y and z. The measuring unit includes a vertical frame 5 mounted on the base for rotation, a horizontal frame 6, pivotally connected to a vertical frame 5, in which the axis 9 is mounted with the working frame of the wrist 7. On the working frame of the wrist 7 is mounted supporting element 8, which is made in the form of two semi-cylindrical traverses, the diameter of which can be changed by applying and removing removable overlays made in the form of hollow wooden half-cylinders, and contains a built-in force sensor 14 based on strain gauge bridge. The horizontal frame 6 is equipped with adjustable weights counterweights 13, which are designed to compensate for the weight of the horizontal frame 6 and the working frame of the hand grip 7 with the supporting element 8. The position of the supporting element 8 along the longitudinal axis can be adjusted and fixed by fixing the axis 9. Angle sensors are installed in each frame rotation of the brush of a resistive type: in the vertical frame 5, a sensor of the angle of rotation relative to the vertical axis z 10 is installed, in the horizontal frame 6, a sensor of the angle of rotation relative to izontalnoy y axis 11, and in the working frame carpal grip 7 is mounted relative to the rotation angle sensor 12, the longitudinal axis x.

Таким образом, устройство позволяет при фиксированном локтевом суставе совершать вращательное движение кисти последовательно относительно всех трех координатных осей.Thus, the device allows for a fixed elbow joint to rotate the brush in series with respect to all three coordinate axes.

На фиг. 2 приведена структурная схема измерительной системы, содержащая датчик силы 14, датчики угла поворота: датчик угла поворота относительно вертикальной оси x 12, датчик угла поворота относительно горизонтальной оси y 11 и датчик угла поворота относительно продольной оси z 10, измерительную систему 15, содержащую блок управления 16, аналого-цифровые преобразователи 17, 18, 19, 20, интерфейсный блок 21 и блок индикации 22. Измерительная система 15 включает в себя аналого-цифровые преобразователи 17, 18, 19, 20, подключенные к датчикам угла поворота и датчику силы: вход аналого-цифрового преобразователя 17 соединен с датчиком силы 14, вход аналого-цифрового преобразователя 18 соединен с датчиком угла поворота относительно вертикальной оси x 12, вход аналого-цифрового преобразователя 19 соединен с датчиком угла поворота относительно горизонтальной оси y 11, вход аналого-цифрового преобразователя 20 соединен с датчиком угла поворота относительно продольной оси z 10. Входы запуска аналого-цифровых преобразователей 17, 18, 19, 20 подключены к выходу блока управления 16. Выходы аналого-цифровых преобразователей 17, 18, 19, 20 подключены к интерфейсному блоку 21, который соединен с блоком индикации 22.In FIG. 2 is a structural diagram of a measuring system comprising a force sensor 14, rotation angle sensors: a rotation angle sensor about a vertical axis x 12, a rotation angle sensor about a horizontal axis y 11 and a rotation angle sensor about a longitudinal axis z 10, a measuring system 15, comprising a control unit 16, analog-to-digital converters 17, 18, 19, 20, an interface unit 21 and an indication unit 22. The measuring system 15 includes analog-to-digital converters 17, 18, 19, 20 connected to angle sensors and a force sensor: the stroke of the analog-to-digital converter 17 is connected to the force sensor 14, the input of the analog-to-digital converter 18 is connected to the angle sensor relative to the vertical axis x 12, the input of the analog-to-digital converter 19 is connected to the angle sensor relative to the horizontal axis y 11, the input is analog-digital the converter 20 is connected to a rotation angle sensor relative to the longitudinal axis z 10. The input inputs of the analog-to-digital converters 17, 18, 19, 20 are connected to the output of the control unit 16. The outputs of the analog-to-digital converters 17, 18, 19, 20 are connected to the interface unit 21, which is connected to the display unit 22.

Устройство для измерения кинематических и силовых параметров кисти работает следующим образом. В процессе одного цикла измерений пациент сжимает опорный элемент 8 с определенным диаметром двух сменных накладок и совершает заданные пространственные формы движения кисти. При этом сигналы с датчиков 10, 11, 12, 14 поступают на аналого-цифровые преобразователи 17, 18, 19, 20: на вход аналого-цифрового преобразователя 17 поступает сигнал с датчика силы 14, на вход аналого-цифрового преобразователя 18 поступает сигнал с датчика угла поворота относительно вертикальной оси x 12, на вход аналого-цифрового преобразователя 19 поступает сигнал с датчика угла поворота относительно горизонтальной оси y 11, на вход аналого-цифрового преобразователя 20 поступает сигнал с датчика угла поворота относительно продольной оси z 10. Блок управления 16, выполненный на базе таймера, периодически синхронно запускает аналого-цифровые преобразователи 17, 18, 19, 20. Результаты измерения с помощью интерфейсного блока 21 преобразуются к формату стандартного интерфейса и поступают на блок индикации 22, выполненный на базе персонального компьютера, и выводится на экран в виде графических зависимостей сила-угол поворота.A device for measuring the kinematic and power parameters of the brush works as follows. In the course of one measurement cycle, the patient compresses the support element 8 with a certain diameter of two interchangeable pads and performs the specified spatial forms of brush movement. The signals from the sensors 10, 11, 12, 14 are fed to analog-to-digital converters 17, 18, 19, 20: the signal from the force sensor 14 is input to the analog-to-digital converter 17, and the signal from the analog-to-digital converter 18 is the rotation angle sensor relative to the vertical axis x 12, the input from the analog-to-digital converter 19 receives a signal from the rotation angle sensor relative to the horizontal axis y 11, the input from the analog-to-digital converter 20 receives a signal from the rotation angle sensor relative to the longitudinal axis z 10. 16, made on the basis of a timer, periodically synchronously starts analog-to-digital converters 17, 18, 19, 20. Measurement results using the interface unit 21 are converted to the standard interface format and fed to the display unit 22, made on the basis of a personal computer, and displayed to the screen in the form of graphical dependences of the force-angle of rotation.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения кинематических и силовых параметров кисти обеспечивает объективную оценку функционального состояния кисти в динамике и позволяет проводить исследования при непрерывно изменяющихся угловых поворотах кисти последовательно относительно трех ортогональных осей вращения, а значит, обеспечивает расширение функциональных возможностей динамометрических измерений и повышение их точности.Thus, the proposed device for measuring the kinematic and power parameters of the brush provides an objective assessment of the functional state of the brush in dynamics and allows you to conduct studies with continuously changing angular rotations of the brush sequentially with respect to the three orthogonal axes of rotation, which means that it enhances the functionality of dynamometric measurements and improves their accuracy .

Claims

Устройство для измерения кинематических и силовых параметров кисти, включающее опорный элемент, выполненный в виде двух полуцилиндрических траверс, диаметр которых может изменяться путем наложения и снятия сменных накладок, выполняемых в виде полых деревянных полуцилиндров, и содержащий датчик силы, выполненный в виде упругого элемента с тензорезисторами, объединенными в две мостовые схемы, связанные с измерительной системой, отличающееся тем, что содержит основание с закрепленными узлом фиксации локтевого сустава и узлом измерения, включающим вертикальную раму, установленную шарнирно с возможность вращения относительно вертикальной оси, шарнирно соединенную с горизонтальной рамой, установленной с возможностью вращения относительно продольной оси, снабженной противовесами и осью для крепления рабочей рамы кистевого захвата с опорным элементом, установленной с возможностью вращения относительно горизонтальной оси, при этом каждая рама снабжена датчиком угла поворота, а измерительная система содержит блок управления. A device for measuring the kinematic and power parameters of the brush, including a support element made in the form of two semi-cylindrical traverses, the diameter of which can be changed by applying and removing removable overlays made in the form of hollow wooden half cylinders, and containing a force sensor made in the form of an elastic element with strain gages combined in two bridge circuits associated with the measuring system, characterized in that it contains a base with a fixed unit for fixing the elbow joint and the site of measurement, including a vertical frame mounted pivotally relative to the vertical axis, pivotally connected to a horizontal frame mounted rotatably relative to the longitudinal axis, equipped with counterweights and an axis for mounting the wrist grip frame with a support element mounted for rotation relative to the horizontal axis, Each frame is equipped with a rotation angle sensor, and the measuring system contains a control unit.