Медицинская диагностика
Гониометрия человеческого тела является одним из разделов динамической антропометрии. Движение частей тела человека представляют собой сложную, замкнутую динамическую биокинематическую цепь, имеющую параллельнопоследовательные связи.
Метод гониометрии (контроля объема движений) получил своё развитие в трудах ведущих ученых и специалистов в сфере контроля двигательных функций (Н. А. Бернштейн, Р. Гранит, В. С. Гурфинкель, В. С. Фарфель, Л. В. Чхаидзе) [2126]. Он позволяет изолированно изучать отведение, приведение, сгибание, разгибание и ротацию суставов в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскостях. Данный метод построен на реализации двигательных заданий (ДЗ), объектом контроля при которых является суставной (гониометрический) угол. Полученные при помощи гониометров количественные характеристики (амплитуда и объем движений, траектории скорости и ускорения), позволяют видеть полную картину системы движений, выявить закономерные связи и корреляционные зависимости, а так же дифференцировать сложную систему движений на составные части, прибегая к методу системного анализа.
Основные теоретические и методические положения современных исследований в области гониометрического контроля и диагностики опорнодвигательного аппарата подробно описаны в работах ученых Н. К. Полещука, С.Н. Деревцовой, В.А. Гамбурцева, О.Ю. Горбачёва, В.С. Гойденко, Ф.Л. Доленко и других [27 - 29]. Так, например, в статье «Гониометрия суставов конечностей людей различных соматотипов» С.Н. Деревцова [30] описывает экспериментальные исследования объема активных движений в крупных суставах верхних и нижних конечностей у людей различных возрастных групп посредством механического гониометра. Следует отметить, что уровень исследовательских работ ограничивается лишь диагностикой крупных суставов,
в связи с отсутствием специализированного средства контроля, имеющего адаптивную конструкцию.
Данный фактор исключает возможность создания базы высокоточных статистических данных, для выявления отклонений от нормы и предупреждения ряда заболеваний опорно-двигательного аппарата. В связи с этим, существующие в настоящее время справочники, руководства, методические пособия по определению объема движений в суставах содержат приблизительные значения амплитуды движений (с наименьшей мерой измерения равной 1°), что негативно влияет на результативность реабилитационных методик, основанных на приведённых в справочниках значениях.Однако в настоящее время свое широкое применение не утратили медицинские механические гониометры - первые угломеры, разработанные ещё в начале 20 века (рисунок 1).
Рисунок 1 - Механический гониометр
Основные патенты в направлении разработки механических гониометров принадлежат российским ученым: А.В. Егоров, А.В. Егорова, В.Д. Макушин, Л.Л. Саблукова, О.К. Чегуров, В.И. Шевцов [31]. Главным недостатком механических гониометров является субъективность и низкая надежность измерений (влияние человеческого фактора) и отсутствие возможности реализации динамического контроля, дающего возможность отслеживания причин и скорости развития патологических процессов.
В связи с развитием технологий, были разработаны и получили свое развитие электрогониометрические системы, конструкция которых подробно описана в патентах российских ученых [32, 33], а так же гониометрические
диагностические системы фирм-производитлей: ООО «Научно-производственный комплекс «Диагностика», Biodex Medical Systems, BTE Technologies, ООО «Новые технологии в образовании «Естествоиспытатель».
Например, конструктивно измерительная часть систем ООО «Научнопроизводственный комплекс «Диагностика» представляет собой цепь потенциометрических преобразователей, имеющих различные способы крепления к диагностируемому объекту. Такая реализация гониометра решает задачу минимизации конструкции, но, тем не менее, исходя из физического принципа работы подобных систем, можно отметить их высокий порог чувствительности, малые коэффициенты преобразования и наличие погрешностей, характеризуемых технической реализацией потенциометров.
В этом случае математические методы исследования суставных перемещений базируются на рассмотрении объекта диагностики как взаимно перемещающихся отрезков геометрических тел [34 -36]. При этом общий недостаток гониометров заключается в том, что их ось вращения необходимо установить соответственно оси вращения сустава, в котором производится измерение. Точное же определение оси невозможно, особенно в том случае, если в процессе движения она перемещается.В настоящее время в медицинской гониометрии применяются автоматизированные комплексы, способные не только регистрировать угловые параметры, но и моделировать скелетную биомеханику. Одной из современных систем трехмерного моделирования движений человека является инструмент системы Xsens [37], который обладает возможностями визуализации (рис. 3) перемещений опорного скелета человека, т.е. скелета, наиболее точно передающего взаимные перемещения различных частей тела человека. Он разрабатывался в качестве дополнительного инструмента к измерительной системе Xsens на основе костюма с инерциальными датчиками.
Рисунок 2 - Визуализация движений человека в системе Xsens
Основная проблема этой системы состоит в потере информации при преобразовании данных. Система в первую очередь производит измерения скорости и ускорения, с которыми перемещаются датчики на теле человека, по ним оценивается положение (первая потеря данных при интегрировании) проассоциированного с человеком скелета (так называемая палочная виртуальная модель), по модели скелета рассчитывается положение анатомического скелета (вторая потеря информации, т. к. не учитывается неточность взаимного пространственного расположения датчиков на теле, виртуальной и анатомической моделей при использовании людьми с разной комплекцией), по перемещению костного скелета рассчитывается работа мускулов и нагрузки на суставы и кости (третья неточность, так как не используются данные об индивидуальном антропометрическом строении каждого человека, которые можно получить при традиционных методиках измерения биометрии опорно-двигательного аппарата).
В целом, рассматривая работы по базе ЕГИСУ НИОКТР в сфере создания диагностико-реабилитационных систем, применяемых для контроля опорнодвигательного аппарата, следует отметить, что большое внимание уделяется удешевлению методик получения данных об опорно-двигательном аппарате. Это нужно для увеличения числа пациентов, которые могут получить высококвалифицированную помощь («Персонализированные аспекты развития осложнений при патологии опорно-двигательного аппарата» Мироманов А.М., «Разработка методик и устройств неинвазивной оценки биомеханического и функционального состояния опорных и двигательных компонентов скелета
человека на основе метода функциональных биомеханических проб для нового поколения автоматизированных систем функциональной диагностики неотложных состояний при социально-значимых заболеваниях человека» и др.). Такие методики построены на использовании данных гониометрического контроля, полученных при помощи существующих измерительных средств. Однако, оптимизация методической базы без модернизации средств измерений невозможна.
1.2