РОЗДІЛ 2
АПАРАТНО-ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ ТА МЕТОДИ
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ БІОМЕХАНІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Для розв`язання модельної задачі обчислення силового навантаження в системі "кукса - гільза" в якості вхідних параметрів про геометрію гільзи, просторове положення протеза під час спокою і ходи людини та сили реакції опори застосовано експериментальні дані. В розділі 2 представлено новий інструментальний засіб вимірювання параметрів схеми побудови протеза, за допомогою якого, в стані спокою, контролюють просторове положення протеза. Також, розглянуто апаратно-програмний комплекс для отримання інформації про геометричне положення протеза під час ходи, за допомогою методів подографії, гоніометрії та вимірювання опорних реакцій. До складу апаратно-програмного комплексу, який існує на базі УкрНДІ протезування, включено розроблений поліцентричний гоніометр і пристрій вимірювання тиску в будь-якій точці гільзи. Це поширює вимірювальні можливості комплексу в плані аналізу силового навантаження в системі "кукса - гільза". В поєднанні з традиційними способами вимірювання загальних геометричних параметрів гільзи протеза вказані вище інструментальні засоби забезпечують повний збір вихідних даних для розв`язання модельної задачі обчислення сил в системі "кукса - гільза" і оцінки динамічного стану кукси людини в протезі гомілки або стегна.
2.1. Оцінка схеми побудови протезів гомілки та стегна в статиці
Геометричне положення протеза має великий вплив на розподіл силового навантаження в системі "кукса - гільза", тому в практиці протезування велику увагу приділяють схемі побудови протеза. Застосування інструментальних засобів об'єктивного контролю схеми побудови протеза суттєво підвищує якість протезування. Прикладом такого засобу є розроблений пристрій для оцінки схеми побудови протеза (далі базометр) [65].
Структурно-функціональну схему базометру представлено на рис. 2.1. Базометр включає каркас 1, на якому встановлені дві вимірювальні платформи 2, 3,
Рис. 2.1. Структурно-функціональна схема базометру
варіатор 4 лазерної площини, що включає лазерний проектор, блок 5 зв'язку з комп'ютером 6, блок 7 управління та індикації, зарядний блок 8, блок 9 програмного забезпечення. Вимірювальні платформи 2, 3 виконані у вигляді площадок, на яких встановлено по чотири датчики 10, 11, 12, 13 силових сигналів, в якості яких використані тензодатчики, які з'єднані зі входами аналогових підсилювачів 14, підключених до контролерів 15 вимірювальних платформ. Живлення тензоплатформи здійснюється від акумуляторних батарей. Виходи контролерів 15 вимірювальних платформ 2, 3 через шину зв'язку з'єднані зі входами варіатора 4 лазерної площини, який включає контролер 16 лазерної площини, підключений паралельно до блока 17 ключів, виходи якого з'єднані з електроприводом 18, та до блоку 19 узгодження, виходи якого з'єднані зі входами випромінювача 20 лазерного проектора, а входи контролера 16 варіатора лазерної площини з'єднані з виходами координатора 21 системи. Контролери 15 платформ 2,3 та контролери 16 варіатора 4 лазерної площини через блок 5 зв'язку з'єднані з комп'ютером 6. Блок 7 управління та індикації підключений до комп'ютера 6 через блок 5 зв'язку. Передача інформації між блоками здійснюється за стандартним алгоритмом RS 232.
Базометр використовують наступним чином. Спочатку виконується запуск програмного забезпечення. Після закінчення початкового позиціонування вказівника лазерного проектора в базу даних комп'ютера 6 заносять характеристики пацієнта: вік, зріст, вага, довжина і висота ступні та ін. Після цього базометр готовий до роботи.
Пацієнта встановлюють на вимірювальні платформи 2, 3 в заданому тестовому положенні, рис. 2.2. При цьому вісь ступні, яка проходить через середину п'ятки і між 1-м і 5-м пальцями, повинна співпадати з I, II або III лінією, в залежності від ширини поставу нижніх кінцівок. Носок кожної ступні встановлюється до поперечної пунктирної лінії. Вектори зусилля (Р1 ... Р4), які прикладені до тензодатчиків 10, 11, 12, 13, перетворюються в пропорційну напругу, яка поступає на входи підсилювачів 14, з виходу яких підсилені сигнали поступають в контролери 15 вимірювальних платформ 2, 3, в яких вони перетворюються в цифрову форму, а потім фільтруються від перешкод і передаються в стандартному алгоритмі RS 232 в блок 7 управління, в блок 5 зв'язку і контролер 16 варіатора 4 лазерної площини. Контролери 15 вимірювальних платформ управляють роботою підсилювачів 14 за допомогою зворотного зв'язку, встановлюючи "0" (вихідне положення) перед кожним виміром, тобто коли навантаження на вимірювальних платформах 2, 3 менше 0,5 кг.
Варіатор 4 лазерної площини отримує управляючу інформацію по послідовному порту в стандарті RS 232 від блока 7 управління. Отримавши
Рис. 2.2. Положення людини на вимірювальних платформах базометру
завдання на переміщення випромінювача 20 лазерного проектора, контролер 16 варіатора 4 формує послідовність імпульсів і передає їх в блок 17 ключів, який підсилює цю послідовність і передає їх на шаговий електропривід 18, який, в свою чергу, переміщує випромінювач 20 лазерного проектора. Перед кожним виміром контролер 16 здійснює прив'язку координати випромінювача 20 до базового положення. Для цього випромінювач 20 переміщується по осі до тих пір, поки координатор 21 системи не сформує сигнал про місцеположення випромінювача. Після цього, одержавши значення координати, контролер 16 лазерної площини формує необхідну послідовність імпульсів для того, щоб шаговий електропривід 18 перемістив випромінювач 20 в задане місце. За допомогою блоку 7 управління та індикації лазерний промінь випромінювача 20 проектують безпосередньо на протез. Проекція базуючої лінії дозволяє оцінити положення стопи і осі колінного вузла в порівнянні з існуючими нормами побудови протезів нижніх кінцівок.
Величини векторів реакції опори обчислюються за формулою:
,