Концепция построения компьютерных стабилоанализаторов "Стабилан - 01"

В ЗАО "ОКБ "РИТМ" компьютерная стабилография развивается с 1990 года как самостоятельное научно-техническое направление. Отсчет ведется с создания первых четырех опытных образцов компьютерных стабилографов, названных тогда СТ-01 и отнесенных впоследствии к первому поколению. В 2001 году успешно завершена сертификация компьютерных стабилоанализаторов с биологической обратной связью "Стабилан-01", отнесенных разработчиками к четвертому поколению. К концептуально значимым показателям стабилоанализаторов Стабилан-01, прежде всего, следует отнести реализацию возможности статических стабилографических исследований (т.е. когда стабилоплатформа неподвижна), а также регистрацию с последующей обработкой траектории центра давления (ЦД), оказываемого испытуемым на опорную поверхность стабилоплатформы, в двух координатах: фронтальном (X)- и сагиттальном (Y)- направлениях. По этому пути пошли разработчики и двух других предприятий, дошедших до выпуска стабилографических комплексов. Отказ от измерения моментов силы, возникающих в силовоспринимающей поверхности стабилоплатформы, можно оправдать тем, что их оценка не позволяет однозначно перейти к измерению координат центра масс человека. Это достаточно убедительно показано в результатах исследований, проведенных группой ученых Института Машиноведения РАН под руководством  Потемкина Б.А.

В разработках стабилоплатформ, проводимых в ЗАО "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 , на что обращали внимание большинство испытуемых. В стабилографах же четвертого поколения КСК-4 и "Стабилан-01" удалось снизить этот показатель на порядок, но и в этом случае находятся иногда испытуемые, которые ощущают вертикальные смещения. Снижение указанного показателя, достигнутое разработчиками ЗАО "ОКБ "РИТМ", 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 (ЦД), и ее координаты. Существует несколько методов преобразования силы в электрический сигнал: контактный, реостатный, тензометрический, емкостной, пьезоэлектрический, электромагнитный, механотронный, струйный, оптоэлектронный и др. В общей сложности таких методов насчитывается порядка двадцати. В ЗАО "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 в ЗАО "ОКБ "РИТМ" были опробованы тензометрические чувствительные элементы, выполненные в нескольких вариантах:

В стабилоанализаторах последнего поколения "Стабилан-01" в итоге используются двухконсольные изгибные датчики параллелограммного типа оригинальной конструкции, предложенной старшим научным сотрудником НИИ нейрокибернетики имени А.Б. Когана Ростовского Государственного Университета Кривцом Д.В. 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 кроме того 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 "Стабилан-01" высокая избыточность в динамическом диапазоне позволяет с достаточно высоким разрешением (до 7-9 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 открывает широкие возможности 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 Стабилан-01 каналы для съема периметрического дыхания, кистевой и становой силы. Повышенный интерес в последнее время проявляют пользователи компьютерных стабилоанализаторов типа "Стабилан-01" 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 для встраивания дополнительных каналов. По данным, которыми мы располагаем на текущий момент, такой подход реализован только разработчиками ЗАО "ОКБ "РИТМ". Это позволяет существенно расширить возможности эффективного использования компьютерной стабилографии в различных областях.

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 ЗАО "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 .

На примере десятилетнего развития компьютерной стабилографии в ЗАО "ОКБ "РИТМ" можно констатировать, что по техническому уровню в отечественной стабилографии ликвидирован разрыв с ведущими зарубежными фирмами, а по уровню программно-методического обеспечения в таких направлениях, как оценка психофизиологического состояния человека и предрейсовый контроль водителей транспортных средств, есть все основания считать, что наметилось явное опережение.