Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Systém pro měření rozložení statických a dynamických tlaků pro biomechanické aplikace

číslo 11/2002

Systém pro měření rozložení statických a dynamických tlaků pro biomechanické aplikace

Článek je věnován systému pro měření rozložení statických a dynamických tlaků, který byl vyvinut k analýze chůze člověka, rozložení tlaků na plosce chodidla, sedu a k indikaci stavu velkých kloubů. Systém tvoří snímač, který obsahuje 7 500 čidel, umístěných rovnoměrně na ploše 300 × 400 mm, je řízen počítačem a umožňuje analyzovat až 60 snímků za 200 ms (300 snímků za sekundu). Jako převodník síly na elektrický signál je použit vodivý elastomer. Na jeho vývoji se podíleli pracovníci Ústavu přístrojové a řídicí techniky a Ústavu mechaniky Strojní fakulty ČVUT v Praze, katedry anatomie Fakulty tělesné výchovy a sportu Univerzity Karlovy v Praze a Rehabilitační kliniky Fakultní nemocnice Královské Vinohrady.

Obr. 1.

1. Úvod
Měření rozložení tlaků na styku lidského těla s okolím patří k důležitým neinvazivním diagnostickým metodám, používaným nejen v medicíně. Využití popsaného snímače se předpokládá zejména v oblasti lékařské ortopedie a biomechaniky pro studium rozložení tlaku na ploskách chodidel a jeho dynamických změn během kroku. Popisovaný maticový snímač tlaku umožňuje stanovit rozložení tlaku na snímací ploše a v případě časově proměnného tlaku na snímací plochu i jeho časový průběh na ploše i na jednotlivých čidlech. Celý měřicí systém je zobrazen na obr. 1.

2. Konstrukce snímače
Základní konstrukční uspořádání snímače znázorňuje obr. 2.

Jádrem snímače je fólie vodivého elastomeru, který mění svůj odpor s působícím tlakem. Použita byla fólie tloušťky 0,5 mm z materiálu CS 57-7 RSC firmy Yokohama Rubber Co. [1]. Elektrody jsou tvořeny pozlacenou měděnou fólií na polymerním nosiči Cuflex. Snímač je před poškozením chráněn krycí fólií, správný přenos tlaků je zajištěn smykovou vrstvou. Vliv nerovnosti podložky na snímač je vyloučen vloženou duralovou deskou, která je obložena poddajnými antistatickými fóliemi.

Tab. 1. Základní parametry maticového snímače dynamického tlaku
Aktivní plocha snímače 300 × 400 mm
Počet čidel 7 500
Rozlišovací schopnost 4 × 4 mm
Rozměr jednoho čidla 3 × 3 mm
Měřicí rozsah tlaků 0 až 414 kPa
Dovolené přetížení (trvalé) 1,4 MPa
Rázové přetížení 10 MPa
Snímkovací frekvence 300 Hz
Řádková frekvence 25 kHz
Vzorkovací frekvence 2,5 MHz
Digitální výstup 8 bitů (256 úrovní)

Nejdůležitější parametry realizovaného vzorku snímače jsou uvedeny v tab. 1.

3. Snímací multiplex a řídicí obvody snímače
Snímací multiplex obsluhující snímač je řešen s ohledem na požadavek sledování časových průběhů dynamického tlaku chodidla, pro který je třeba odečítat až 60 vzorků z každého čidla během doby přibližně 200 ms, dané trváním kontaktu chodidla s podložkou při chůzi. V souladu s těmito požadavky byly zvoleny i základní parametry multiplexu. Blokové schéma multiplexu a jeho řídicích obvodů je na obr. 3.

Budicími elektrodami je snímač připojen na řádkové spínače, kterými je elektroda zvoleného řádku připojena k napětí, ostatní elektrody jsou uzemněny. Proud snímacích elektrod všech sloupců je veden na sériové zatěžovací rezistory s odporem Rs = 47 W a úbytky na nich jsou přes spínače sloupcového multiplexu postupně přiváděny na analogový výstup snímače. Multiplex je konstruován jako periferní zařízení běžného PC a uložen pod snímačem ve společném boxu.

Obr. 2.

Komunikaci s PC a generování řídicích signálů multiplexů zabezpečuje samostatná řídicí jednotka. Ta spolu s ultrarychlým osmibitovým A/D převodníkem zpracovávajícím signál ze snímače tvoří speciální jednotku rozhraní a je propojena přes paralelní port s PC. Její součástí je HDD a rychlá paměť RAM pro zaznamenání naměřených údajů. Data jsou v průběhu měření nebo po jeho ukončení přenesena do PC k dalšímu zpracování.

4. Možnosti měřicího systému
Systém lze zcela ovládat z připojeného PC. Má tři základní režimy:

  • Průběžné zobrazení. Zobrazuje aktuální rozložení tlaku na snímači v reálném čase. Rychlost zobrazování lze nastavit v rozmezí od deseti snímků za sekundu do jednoho snímku za deset sekund. Tento režim je určen hlavně pro nastavení parametrů s okamžitou vizuální kontrolou pro pozdější, již přesné měření nebo pro pořízení jednorázových snímků.

  • Dlouhodobé měření s malou záznamovou rychlostí. Měřené vlastnosti nejsou přímo zobrazovány, ale jsou v podobě dat ukládány na interní pevný disk (HDD) v systému pro pozdější přenos do PC. Rychlost záznamu se pohybuje od 50 do 100 snímků za sekundu. Velikost disku je volitelná. Na 1GB disk lze uložit více než hodinový záznam. V systému je standardně disk 3 GB pro až čtyři hodiny záznamu. Režim je určen pro zaznamenávání pomalých dlouhodobých dějů.

  • Krátkodobé měření s velkou záznamovou rychlostí. Naměřené hodnoty nejsou přímo zobrazovány, ale jako data ukládány do interní paměti (RAM) v systému a později přeneseny do PC. Rychlost záznamu lze nastavit v rozsahu od 50 do 300 snímků za sekundu; jeho délka se pohybuje od 1,6 do 10 s – podle rychlosti záznamu. Slouží pro zaznamenávání rychlých jednorázových dějů.

Obr. 3.

Při každém měření lze samostatně nastavit několik parametrů:

  • rychlost měření,

  • zesílení signálu ze snímače v rozmezí od 0,5 do 5 (vhodné pro využití celého rozsahu zobrazení, popř. omezení při překročení mezí),

  • posuv nuly vstupního signálu (tím lze např. zamezit pronikání rušení nebo šumu do naměřených údajů nebo naopak posunout práh snímání do oblasti rušení nebo šumu pro zachycení i nepatrné zátěže),

  • typ spouštění záznamu (okamžité z PC, externí nebo při aktivaci snímače, např. došlapem).

Obslužný software umožňuje naměřené údaje nejen zobrazovat a ukládat, ale i zpracovávat: zobrazit jakýkoliv snímek z naměřeného průběhu, přičemž požadovaný snímek lze vyhledat buď podle času jeho pořízení, nebo podle čísla snímku, dále otáčet snímky podle os X a Y a zvětšovat je, přehrávat záznam zvolenou rychlostí oběma směry, zobrazit těžiště (centrum tlaku) ve snímku, vytvořit ve snímku lokální regiony a v těch určit vlastní těžiště nebo vytvořit vodorovné a svislé řezy (ke každému je možné otevřít vlastní dialog, v němž lze při přehrávání záznamu sledovat průběhy ve vybraných řezech). Pro zobrazení lze vytvořit vlastní stupnici (paletu) barev. To je možné použít např. při požadavku zvýraznit některé úrovně tlaku pomocí výrazné barvy. Software se také využívá pro přímý výpočet minim, maxim, průměru a histogramu ve zvoleném snímku nebo regionu.

Obr. 4. Obr. 5.

5. Výsledky měření
Uvedený systém umožňuje přímo kvalitativně vyhodnocovat rozložení tlaku na podložku v podobě polotónového dvojrozměrného obrazu (obr. 4, obr. 5). Řídicí okno zobrazuje různé možnosti zpracování získaných obrazů (zde otisku ruky). Na základě obdržených hodnot lze diagnostikovat měřený objekt. Na našem pracovišti je snímač používán k měření v oblasti biomechaniky, a proto bude následující řada ukázek z tohoto oboru.

Obr. 6. Obr. 7. Obr. 8.

Obr. 6 a obr. 7 ukazují typické rozložení tlaků u mužského a ženského chodidla. Na obrázku obr. 8 je vidět ukázku plochých nohou (speciálně levé). Obr. 9 ukazuje zobrazení vypočteného těžiště. Poloha těžiště potvrzuje, že tento stojící člověk stojí nakřivo s lehkým přetížením pravé nohy. V dynamickém módu lze zaznamenat pohyb těžiště a tím vyhodnotit stabilitu stoje.

Obr. 9.

Poslední dva obrázky, obr. 10 a obr. 11, zobrazují rozložení tlaků mezi židlí a zadnicí v sedu juniora hmotnosti 55 kg a dospělého muže o hmotnosti 85 kg. Na obr. 11 je zřetelně vidět přetížení v oblasti pánve a kostrče.

6. Závěr
Popisovaný systém umožňuje např. stanovit rozložení tlaků na ploskách chodidel a jejich časový průběh, což jsou cenné informace přispívající k neinvazivní diagnostice poruch motoriky, ortopedických vad a mnohých onemocnění. Systém je schopen preventivně upozornit na vznikající poruchu a tím předejít vzniku chorobných stavů. Přispívá také k zabránění patologickým tlakům na lidském těle a tím vzniku proleženin (tzv. inteligentní postel). Ve stabilometriii se používá při měření stability. Ve fyzioterapii najde uplatnění pro rehabilitaci, pro vývoj rehabilitačních pomůcek a protéz, dále při biologické zpětné vazbě (biofeedback). V pružném provedení jej lze použít při měření tlaků v protézách a k jejich optimálnímu přizpůsobení pahýlu končetiny. Významný je přínos k návrhu sedaček pro paraplegiky a k preventivní zpětné vazbě u těchto sedaček, ale také pro návrh anatomických tvarů běžných sedaček a opěradel, zvláště v automobilovém a leteckém průmyslu. Používá se též ve sportovním lékařství a metodologii.

Další aplikace jsou z oblasti techniky: v miniaturní podobě najde uplatnění při měření geofyzikálních procesů ve fyzikálních modelech. Aplikací podobnou humánní stabilometrii je užití pro zjišťování stability a vyvažování robotů – pro určení pevného místa uchopení, určení síly apod. Použít jej lze samozřejmě i v dalších průmyslových aplikacích, kde je třeba znát rozložení tlaků.

Obr. 10. Obr. 11.

Vývoj snímače byl financován z prostředků grantu GA ČR a VZ ČVUT v Praze. Snímač v roce 1998 získal cenu Inovace roku ’98, udělenou Asociací inovačního podnikání České republiky poprvé vysokoškolskému pracovišti.

Literatura:

[1] Technical documentation of the conductive composite elastomer CS 57-7 RSC. Yokohama Rubber Co. Ltd., Japan 1980.

[2] VOLF, J. – HOLÝ, S. – VLČEK, J.: Using of Tactile Transducer for Pressure Distribution Measurement on Sole Sensors and Actuators A62. Physical, Elsevier Sequoia S. A., Lausanne, Switzerland 1997, pp. 556-561.

[3] ŽIVČÁK, J. – ŠIMŠÍK, D. – KNĚŽO, D. a kol.: Electronic Processing of Local Muscle Disposition Sensor Output. The International Journal of Microcircuits & Electronic Packaging. Vol. 20, No. 1. IEPS, ISHM, USA, Virginia 1997, pp.41-45.

[4] VOLF, J. – HOLY, S. – PAPEZOVA, S. a kol.: Tactile Transducer for Pressure Distribution Measurement and its Practical Test-Proceeding. IMEKO XV, Osaka, Japan 1999, pp. 153-157.

[5] VOLF, J. – PAPEŽOVÁ, S. – VLČEK, J. a kol.: Transducer for Pressure Distribution Measurement and its Practical Tests. In.: The 5th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics SCI 2001. Orlando, Florida, USA 2001, p. 575. ISBN 980-07-7555-2.

doc. Ing. Jaromír Volf, DrSc.,
Strojní fakulta ČVUT v Praze,
Ústav přístrojové a řídicí techniky

Spoluřešitelé:
prof. Ing. Stanislav Holý, CSc.,
Strojní fakulta ČVUT v Praze,
Ústav mechaniky,

Ing. Petr Novák,
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze,

MUDr. Jakub Otáhal,
Fakulta tělesné výchovy a sportu UK v Praze,
katedra anatomie a biomechaniky,

doc. Ing. Stanislava Papežová, CSc.,
Strojní fakulta ČVUT v Praze,
Ústav přístrojové a řídicí techniky,

Ing. Josef Vlček, CSc.,
Strojní fakulta ČVUT v Praze,
Ústav přístrojové a řídicí techniky

Inzerce zpět