Информационная модель человека в системе реабилитации позвоночника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Информационная модель человека в системе реабилитации позвоночника

Статья посвящена разработке информационной модели человека, позволяющей осуществлять оценку и контроль допустимой степени изгиба позвоночника, а также прогнозирование нарушений в зависимости от степени отклонения позвонков в процессе реабилитации. Разработана и описана информационная модель человека, включающая в себя взаимосвязанную информацию об изменениях параметров скелетно-мышечной системы в пространстве под действием внешних нагрузок. В состав разработанной модели входят: модель мышечной биомеханики, модель костной биомеханики, модель распространения нервных импульсов, учет центра масс, а также приложенной нагрузки. Особенностью данной модели является учет динамики состояний опорно-двигательной системы человека.

Оптимизация процесса реабилитации позвоночника является одной из ключевых задач, решаемых специалистами в области травматологии, ортопедии и неврологии[1-3]. В настоящее время наибольшее внимание уделяется развитию средств измерений (точности, разрешающей способности и др.), в то время как подходы и методы обработки информации, её интерпретации осуществляется на базе существующих методик, правил и рекомендаций, основанных на статистической медицинской базе, разработанной несколько десятилетий назад. Однако современная технологическая база и применение искусственного интеллекта дают возможность ускорить темпы развития процесса оптимизации реабилитационных процедур, позволяя не только диагностировать нарушения с высокой точностью, но и прогнозировать процесс развития диагностируемого нарушения.

В основе предположения о возможности автоматизированного составления прогнозных оценок лежат законы классической механики: при известной биомеханической модели (размерах элементов скелета, учете индивидуальных особенностей строения скелета) а также известной нагрузке (масса, сила, угол приложения) можно рассчитать действующие напряжения [4]. Варьируя параметры нагрузки и сравнивая действующие напряжения с травмирующими возможно прогнозировать динамику развития нарушения в зонах с локализацией повышенных механических напряжений.

Основной проблемой построения систем реабилитации позвоночника является низкая проработанность информационных моделей и прогнозных моделей динамики скелетно-мышечной и нервной систем человека [5]. С одной стороны это обусловлено тем, что необходимо постоянное совершенствование методов расчета действующих напряжений с целью оптимизации расчетных схем (например, учета физической нелинейности тканей, учета биомеханических особенностей мышечной и нервной тканей, а также их локализации в зонах воздействия повышенного напряжения). С другой стороны, необходимо постоянное пополнение базы данных разрушающих напряжений, которые могут быть получены в основном экспериментальным путем, как при патологоанатомических исследованиях, так и при испытаниях живых тканей в зависимости от пола, возраста, типа заболевания и пр.

В связи с этим, целью работы является разработка информационной модели человека, позволяющей осуществлять оценку и контроль допустимой степени изгиба позвоночника, а также прогнозирование нарушений в зависимости от степени отклонения позвонков в процессе реабилитации.

Пространственная информационная модель человека в системе реабилитации позвоночника

В реабилитации позвоночника важным аспектом является учет параметров опорно-двигательной системы в целом. Известны случаи, когда травмы конечностей (ушибы, переломы, растяжения), вызывая боль, миофиксацию и приводя в тонус ту или иную группу мышц, влияли на выработку у человека компенсационных поз, а также не характерной манеры походки [6]. Такая конфигурация хоть и позволяла компенсировать болевой фактор за счет снижения подвижности травмированных участков опорно-двигательного аппарата, но приводила к изменению осанки, перераспределению нагрузки на позвоночные диски и, как следствие, развитию патологий. В результате, в информационной модели человека для системы реабилитации позвоночника важно учитывать:

- модель мышечной биомеханики,

- модель костной биомеханики,

- модель распространения нервных импульсов,

- нормальную нагрузку, действующую на ось позвоночника (масса тела, внешнее утяжеление),

- тангенциальную нагрузку (угол приложения нагрузки),

- поза (конфигурация элементов скелетной системы),

- расположение центра тяжести.

Следовательно, информационная модель человека в системе реабилитации позвоночника представляет собой комплексную модель биомеханики опорно-двигательной системы. Учет комплексной биомеханики обусловлен тесной взаимосвязью скелетных, мышечных и нервных систем: функциональные отклонения в одной из систем оказывают влияние на функциональные отклонения в других. При моделировании движений человека, его опорно-двигательный аппарат (ОДА) рассматривается как система, управляемая сигналами головного мозга, передающимися по нервам к скелетным мышцам. При этом, для диагностики биомеханики ОДА другие системы организма, такие как дыхательная, кровеносная и пищеварительная, можно рассматривать как инертные нагрузки. Опираясь на вышеизложенные положения, информационная модель человека в системе реабилитации будет содержать набор функций элементов опорно-двигательной системы:

,

где - модель мышечной биомеханики, - модель костной биомеханики, - центр тяжести, определяемый на основании [7], -модель распространения нервных импульсов, - внешние напряжения i-участка, приложенные во времени и пространстве.

Рассмотрим подробнее модели компонентов, входящих в состав информационной модели человека (1) .

Модель мышечной биомеханики построена с учетом соотношений Больцмана-Вольтерра [8], описывающих взаимосвязь между изменением длины мышц и параметров тяговой силы:

где у - напряжение, е - деформация, R -функция релаксации, аналог модуля упругости, t - момент наблюдения, е(ф) - история процесса деформирования.

Далее, с учетом особенностей биологических объектов, в формулу (2) необходимо ввести соотношение, характеризующее параметр усталости (уменьшение тяговой силы с увеличением количества циклов):

где - мгновенная жесткость, измеряемая в Н/м; - текущая длина мышцы; - время, отсчитываемое от начала первого цикла движения; - безразмерная функция релаксации, которая может быть принята либо в аналитической форме [8], либо представлена сплайном [9]. Такая модель мышечного движения была подробно описана в работе [10] .

В модели костной биомеханики угол в пространстве в момент времени t, образуемый группой мышц, входящих в модель под влиянием группы нейронов описывается набором векторных функций:

где , , , - координаты в пространстве края А, центра О и края B кинематической пары, образующей угол , , , - вектора, описывающие координаты кинематических пар от самой нижней (соприкасающейся с горизонтальной или вертикальной поверхностью в зависимости от положения тела в пространстве) до ближайшей кинематической пары, способной изменить пространственное положение угла .

Модель распространения нервных импульсов для группы нейронов в момент времени t в пространстве описывается функцией сигналов с частотой fm, подаваемых на мышцы для сгибания, сигналов с частотой fS, подаваемых на мышцы для разгибания, параметрами мышц и действующими силами :

,

реабилитация информационный позвоночник

При этом, действующие силы направлены на сохранение равновесного состояния подчиняются условию статического равновесия скелетно-мышечной системы :

где - мышечные силы, - усилия в связках, - сбалансированные силы движения, - суставные реакции, N - число рассматриваемых мышц; N1 - число рассматриваемых связок.

Механические напряжения , возникающие в тканях, являются совокупностью всех напряжений, воспринимаемых биологическими тканями [11]:

где - напряжения в костной ткани, - напряжения в мышечной ткани, - напряжения в нервной ткани.

Заключение

реабилитация информационный позвоночник

Разработанная информационная модель человека включает в себя взаимосвязанную информацию об изменениях параметров скелетно-мышечной системы в пространстве под действием внешних нагрузок. Данная модель позволит классифицировать текущую фазу процесса реабилитации, на качественном уровне оценивать эволюцию функционального состояния опорно-двигательной системы человека, осуществлять оценку и контроль допустимой степени изгиба позвоночника, а также прогнозирование нарушений в зависимости от степени отклонения позвонков в процессе реабилитации.

Особенностью данной модели является учет динамики состояний опорно-двигательной системы человека. Это позволяет определять наступление проблемных ситуаций, оценивать последствия от лечебных мероприятий.

Возможные варианты синтеза системы реабилитации позвоночника человека на основе разработанной информационной модели, а также развитие концепции многопараметрической индивидуальной диагностики (составления многопараметрических иднивидуальных моделей пациентов) позволят оптимизировать реабилитационный процесс.

Список литературы

1.Сохиб Б. Физическая реабилитации при остеохондрозе поясничного отдела позвоночника, осложненным нестабильностью сегментов и протрузиями межпозвонковых дисков // ППМБПФВС. 2013. №11.

2.Рысбаев К. С. Комбинированный способ поэтапной реабилитации больных после удаления грыжи диска поясничного отдела позвоночника // Universum: медицина и фармакология. 2015. №9 (20).

3.Гулбани Р. Ш., Добренькая А. Е. Реабилитация шейно-грудного отдела позвоночника больных остеохондрозом // ППМБПФВС. 2007. №6.

4.Сотский, Н.Б. Биомеханика: учебник для студентов специальности «Спорт.-пед. деятельность» учреждений, обеспечивающих получение высшего образования / Н.Б. Сотский; Бел. гос.ун-т физ. Культуры. - Мн.: БГУФК, 2005. - 192 с.

5.Компьютерный практикум по биомеханике / В.Ю. Екимов, Т.О. Крисевич. - Мн., 2012. - 80 с

6.Рамих Э. А. Краткий очерк анатомо-функциональных особенностей позвоночника // Хирургия позвоночника. 2007. №2.

7.Сучилин Н. Г., Шевчук Ю. В. Ориентация главных центральных осей инерции тела человека при произвольном изменении позы в безопорном положении // Вестник ТГПУ. 2013. №8 (136).

Размещено на Allbest.ru