uprinmatusИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроениеProceedings of the Southwest State University. Series: IT Management, Computer Science, Computer Engineering. Medical Equipment Engineering2223-1536Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1536-2023-13-4-70-83uprinmatus-128Research ArticleМЕХАТРОНИКА, РОБОТОТЕХНИКАMECHATRONICS, ROBOTICSСистема сбора и оценки нагрузочной информации о биоэлектрических сигналах мышечного аппарата стопы человека с ДЦПA System for Collecting and Evaluating Load Information about Bioelectric Signals of the Muscular Apparatus of the Foot of a Person with Cerebral Palsyhttps://orcid.org/0000-0002-2020-0814ЯцунС. М.YatsunS. M.

Яцун Светлана Михайловна, доктор медицинских наук, профессор, завкафедрой медико-биологических дисциплин, оздоровительной и адаптивной физической культуры

ул. Радищева, д. 33, г. Курск 305000

Researcher ID: 423663

Svetlana M. Yatsun, Dr. of Sci. (Medical), Professor, Head of the Department of Biomedical Disciplines, Health and Adaptive Physical Culture

33 Radishcheva Str., Kursk 305000

Researcher ID: 123546

mbd155@mail.ruРукавицынА. Н.RukavitsynA. N.

Рукавицын Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры механики, мехатроники и робототехники

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Researcher ID: 423663

Alexander N. Rukavitsyn, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor of the Department of Mechanics, Mechatronics and Robotics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

Researcher ID: 423663

alruk75@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0597-8505ПолитовЕ. Н.PolitovE. N.

Политов Евгений Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры механики, мехатроники и робототехники

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Researcher ID: 176177

Evgeny N. Politov, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor of the Department of Mechanics, Mechatronics and Robotics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

Researcher ID: 176177

politovyevgeny@rambler.ruКурский государственный университетРоссияKursk State UniversityRussian FederationЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation2023240120241347083Copyright © Яцун С.М., Рукавицын А.Н., Политов Е.Н., 20242024Яцун С.М., Рукавицын А.Н., Политов Е.Н.Yatsun S.M., Rukavitsyn A.N., Politov E.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://uprinmatus.elpub.ru/jour/article/view/128

Целью исследования работы является разработка системы биомеханического исследования объемов движения в стопе и голеностопном суставе для диагностики больных ДЦП при оценке качества реабилитационных мероприятий. Исследован процесс создания компьютерной системы диагностики больных с нарушениями двигательных функций нижних конечностей, которая оснащается специальными биоизмерительными устройствами, обеспеченными специализированными алгоритмами обработки полученной информации, обусловливается необходимостью научных исследований, направленных на разработку методов и средств комплексной оценки результатов физической реабилитации с использованием биомедицинских показателей.

Методы

Методы. Использованы методы кинематического анализа движений в голеностопном суставе, осуществлены динамический и статический анализы сил опорных реакций стопы нижних конечностей.

Результаты

Результаты. Разработана система регистрация движений на основе электронного гониометра, реализованного на основе резистивного потенциометра B10K. Определение абсолютных углов поворота звеньев диагностической системы осуществлено при помощи датчика ускорения MMA7361, который содержит установленные на одной пластине кремния три микромашинных конденсатора. В процессе исследований изменение емкостей микромашинных конденсаторов позволяет обеспечивать фиксацию регистрируемой величины на каждом из направлений. Проходящие через низкочастотные фильтры и каскады температурной компенсации сигналы поступают на соответствующие выходы X, Y и Z. Получаемые ангулограммы позволяют оценить походку исследуемого пациента по двум классам ‒ в норме и при наличии патологии.

Заключение

Заключение. Разработана система формирования и оценки биоэлектрических сигналов, получаемых с применением мышечного аппарата стопы пациентов с ДЦП, собранная на платформе платы управления Arduino UNO и персонального компьютера общего назначения. Разработанная система позволяет проводить регистрацию биоэлектрических сигналов с последующей их обработкой с помощью персонального компьютера и принятием диагностических решений.

The purpose of the research is to develop a system of biomechanical investigation of the volume of movement in the foot and ankle joint for the diagnosis of patients with cerebral palsy in assessing the quality of rehabilitation measures. The process of creating a computer diagnostic system for patients with impaired motor functions of the lower extremities, which is equipped with special bio-measuring devices provided with specialized algorithms for processing the information obtained, is investigated due to the need for scientific research aimed at developing methods and tools for a comprehensive assessment of the results of physical rehabilitation using biomedical indicators.

Methods of kinematic analysis of movements in the ankle joint were used, dynamic and static analyses of the forces of the supporting reactions of the foot of the lower extremities were carried out.

Results

Results. A motion detection system based on an electronic goniometer implemented on the basis of a B10K resistive potentiometer has been developed. The determination of the absolute rotation angles of the links of the diagnostic system was carried out using the MMA7361 acceleration sensor, which contains three micromachine capacitors mounted on one silicon plate. In the course of research, changing the capacitances of micromachine capacitors makes it possible to fix the recorded value in each direction. Signals passing through low-frequency filters and temperature compensation cascades are sent to the corresponding outputs X, Y and Z. The obtained angulograms allow us to evaluate the gait of the studied patient in two classes ‒ normal and in the presence of pathology.

Conclusion

Conclusion. A system for the formation and evaluation of bioelectric signals obtained using the muscular apparatus of the foot of patients with cerebral palsy, assembled on the platform of the Arduino UNO control board and a generalpurpose personal computer, has been developed. The developed system makes it possible to register bioelectric signals with their subsequent processing using a personal computer and making diagnostic decisions.

биоэлектрический сигналцифровая обработка сигналадиагностическая системамикроконтроллеракселерометртензометрияпринципиальная схемаопорная реакцияbioelectric signaldigital signal processingdiagnostic systemmicrocontrolleraccelerometerstrain gaugecircuit diagramreference reactionИсследование выполнено в рамках реализации Федеральной программы трансформации вузов «Приоритет – 2030»The study was carried out as part of the implementation of the federal program for the Transformation of universities "Priority – 2030"ReferencesМедицинские аспекты применения радиолокационных методов обработки сигналов при реализации электрокардиографии сверхвысокого разрешения / К. В. Зайченко, А. А. Кордюкова, Е. П. Логачев, М. Н. Лучкова // Медицинская техника. 2021. Т. 1, № 325. С. 21‒24.Zaichenko K. V., Kordyukova A. A., Logachev E. P., Luchkova M. N. Medicinskie aspekty primeneniya radiolokacionnyh metodov obrabotki signalov pri realizacii elektrokardiografii sverhvysokogo razresheniya [Medical aspects of the application of radar signal processing methods in the implementation of ultra-high resolution electrocardiography]. Medicinskaya tekhnika = Medical Equipment, 2021, vol. 1, no. 325, pp. 21‒24.Эффекты аудиовизуальной стимуляции, автоматически управляемой биопотенциалами мозга и сердца человека / А. И. Федотчев, С. Б. Парин, С. А. Полевая, А. А. Земляная // Физиология человека. 2019. Т. 45, № 5. С. 75‒79.Fedotchev A. I., Parin S. B., Polevaya S. A., Zemlyanaya A. A. Effekty audiovizual'noj stimulyacii, avtomaticheski upravlyaemoj biopotencialami mozga i serdca cheloveka [Effects of audio-visual stimulation automatically controlled by biopotentials of the human brain and heart]. Fiziologiya cheloveka = Human Physiology, 2019, vol. 45, no. 5, pp. 75‒79.Орехова Д. Д., Каримова Е. Д. Ритмическая активность мозга при восприятии медиаконтента и созерцании природы // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2021. Т. 6, № 2. С. 239‒244.Orekhova D. D., Karimova E. D. Ritmicheskaya aktivnost' mozga pri vospriyatii mediakontenta i sozercanii prirody [Rhythmic activity of the brain in the perception of media content and contemplation of nature]. Aktual'nye voprosy biologicheskoj fiziki i himii = Topical Issues of Biological Physics and Chemistry, 2021, vol. 6, no. 2. pp. 239‒244.Изменения биоэлектрической активности мозга при ишемии / Г. В. Придворов, К. Ю. Калитин, А. А. Спасов, О. Ю. Муха // Лекарственный вестник. 2022. Т. 23, № 2 (86). С. 7‒16.Pridvorov G. V., Kalitin K. Yu., Spasov A. A., Mukha O. Yu. Izmeneniya bioelektricheskoj aktivnosti mozga pri ishemii [Changes in bioelectric activity of the brain in ischemia]. Lekarstvennyj vestnik = Medicinal Bulletin, 2022, vol. 23, no. 2 (86), pp. 7‒16.Баталов А. В., Веселов О. В. Регистрация и обработка сигнала биоэлектрической активности мышц для управления приводом бионического протеза // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 12-2. С. 263‒268.Batalov A. V., Veselov O. V. Registraciya i obrabotka signala bioelektricheskoj aktivnosti myshc dlya upravleniya privodom bionicheskogo proteza [Registration and signal processing of bioelectric activity of muscles to control the drive of a bionic prosthesis]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii = Modern High-Tech Technologies, 2020, no. 12-2, pp. 263‒268.Баталов А. В., Веселов О. В. Обработка биоэлектрических сигналов для управления активным экзоскелетом ног // Современные наукоемкие технологии. 2021. № 5. С. 23‒27.Batalov A. V., Veselov O. V. Obrabotka bioelektricheskih signalov dlya upravleniya aktivnym ekzoskeletom nog [Processing of bioelectric signals to control the active exoskeleton of the legs]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii = Modern High-Tech Technologies, 2021, no. 5, pp. 23‒27.Спиркин А. Н., Авдеева Н. В. Выявление патологических состояний по анализу биоэлектрической активности // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2018. Т. 1, № 23. С. 75‒84.Spirkin A. N., Avdeeva N. V. Vyyavlenie patologicheskih sostoyanij po analizu bioelektricheskoj aktivnosti [Identification of pathological conditions by analysis of bioelectric activity]. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol' = Measurement. Monitoring. Management. Control, 2018, vol. 1, no. 23, pp. 75‒84.Журавлёв Д. В., Проводников А. А. Использование шестнадцатиканального комплекса регистрации электроэнцефалограммы для выявления различных изменений электрической активности головного мозга с целью их дальнейшей интерпретации // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2021. Т. 17, № 5. С. 70‒78.Zhuravlev D. V., Provodnikov A. A. Ispol'zovanie shestnadcatikanal'nogo kompleksa registracii elektroencefalogrammy dlya vyyavleniya razlichnyh izmenenij elektricheskoj aktivnosti golovnogo mozga s cel'yu ih dal'nejshej interpretacii [The use of a sixteen-channel electroencephalogram registration complex to identify various changes in the electrical activity of the brain for the purpose of their further interpretation]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Voronezh State Technical University, 2021, vol. 17, no. 5, pp. 70‒78.Васковская Л. Ф., Гордиевич А. В., Камлач П. В. Многоканальный электрокардиограф с фильтрацией электрокардиограмм методами медиан, Савицкого-Голея и Чебышева // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2021. Т. 19, № 6. С. 45‒54.Vaskovskaya L. F., Gordievich A. V., Kamlach P. V. Mnogokanal'nyj elektrokardiograf s fil'traciej elektrokardiogramm metodami median, Savickogo-Goleya i Chebysheva [Multichannel electrocardiograph with electrocardiogram filtration by median, Savitsky-Goley and Chebyshev methods]. Informacionno-izmeritel'nye i upravlyayushchie sistemy = Information-Measuring and Control Systems, 2021, vol. 19, no. 6, pp. 45‒54.Будко Р. Ю., Чернов Н. Н., Будко Н. А. Метод управления устройствами замещения утраченных функций на основе миосиганала и его верификация в реальном масштабе времени // Вестник молодёжной науки России. 2019. № 6. С. 12.Voitenko V. P., Fedorova O. A., Ershov R. D. Elektronnaya sistema registracii i obrabotki bioelektricheskih signalov [Electronic system of registration and processing of bioelectric signals]. Tekhnicheskie nauki i tekhnologii = Technical Sciences and Technologies, 2016, vol. 1, no. 3, pp. 109‒115.Войтенко В. П., Федорова О. А., Ершов Р. Д. Электронная система регистрации и обработки биоэлектрических сигналов // Технические науки и технологии. 2016. Т. 1, № 3. С. 109‒115.Smirnova L. M., Ponomarenko G. N., Suslyaev V. G. Metodologiya i informacionnoizmeritel'naya sistema dlya personificirovannogo sinteza protezov nizhnih konechnostej [Methodology and information-measuring system for personalized synthesis of lower limb prostheses]. Informacionno-upravlyayushchie sistemy = Information-Control Systems, 2021, no. 6, pp. 64‒74. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2021-6-64-74Смирнова Л. М., Пономаренко Г. Н., Сусляев В. Г. Методология и информационно-измерительная система для персонифицированного синтеза протезов нижних конечностей // Информационно-управляющие системы. 2021. № 6. С. 64–74. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2021-6-64-74.Arbieva M. V. Zadachi reinnervacii i obrabotki EMG-signala v razrabotke bioelektricheskogo proteza [Tasks of reinnervation and EMG signal processing in the development of bioelectric prosthesis]. Molodezhnyj nauchnyj vestnik = Youth Scientific Bulletin, 2018, vol. 4, no. 29, pp. 71‒77.Арбиева М. В. Задачи реиннервации и обработки ЭМГ-сигнала в разработке биоэлектрического протеза // Молодежный научный вестник. 2018. Т. 4, № 29. С. 71‒77.Yatsun S. M., Yatsun A. S., Rukavitsyn A. N., Politov E. N. New approaches to rehabilitation of the ankle joint using a mechanotherapeutic apparatus. Biomedical Engineering, 2018, vol. 52, no. 1, pp. 37‒41. 15. Kust S. Yu., Markova M. V., Pisareva A. V. Razrabotka algoritma opredeleniya mestnosti v sisteme upravleniya protezom nizhnej konechnosti [Development of an algorithm for determining the terrain in the control system of a lower limb prosthesis]. Sistemnyj analiz i upravlenie v biomedicinskih sistemah = System Analysis and Management in Biomedical Systems, 2021, vol. 20, no. 2, pp. 99‒105.New approaches to rehabilitation of the ankle joint using a mechanotherapeutic apparatus / S. M. Jatsun, A. S. Jatsun, A. N. Rukavitsyn, E. N. Politov // Biomedical Engineering. 2018. Vol. 52, N 1. P. 37‒41.Korneeva I. P., Kramar K. A., Semenova E. A., Sergeev A. M., Yuldashev Z. M. Apparatno-programmnyj kompleks dlya udalennogo monitoringa i kontrolya sostoyaniya beremennyh zhenshchin [Hardware and software complex for remote monitoring and control of the condition of pregnant women]. Informacionno-upravlyayushchie sistemy = Information and Control Systems, 2021, no. 6, pp. 21‒30. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2021-6-21-30Куст С. Ю., Маркова М. В., Писарева А. В. Разработка алгоритма определения местности в системе управления протезом нижней конечности // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2021. Т. 20, № 2. С. 99‒105.Pimenov V. I., Pimenov I. V. Interpretation of a trained neural network based on genetic algorithms. Information and Control Systems, 2020, no. 6, pp. 12‒20. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2020-6-12-20Аппаратно-программный комплекс для удаленного мониторинга и контроля состояния беременных женщин / И. П. Корнеева, К. А. Крамарь, Е. А. Семенова, А. М. Сергеев, З. М. Юлдашев // Информационно-управляющие системы. 2021. № 6. С. 21–30. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2021-6-21-30.Sulavko A. E., Lozhnikov P. S., Choban A. G., Stadnikov D. G., Nigrey A. A., Inivatov D. P. Evaluation of the EEG identification potential using a statistical approach and convolutional neural networks. Information and Control Systems, 2020, no. 6, pp. 37‒49. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2020-6-37-49Pimenov V. I., Pimenov I. V. Interpretation of a trained neural network based on genetic algorithms // Information and Control Systems. 2020. N 6. Р. 12–20. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2020-6-12-20.Zaichenko K. V., Gurevich B. S. Spektral'naya obrabotka bioelektricheskih signalov [Spectral processing of bioelectric signals]. Medicinskaya tekhnika = Medical Equipment, 2021, vol. 1, no. 325, pp. 12‒14.Evaluation of EEG identification potential using statistical approach and convolutional neural networks / A. E. Sulavko, P. S. Lozhnikov, A. G. Choban, D. G. Stadnikov, A. A. Nigrey, D. P. Inivatov // Information and Control Systems. 2020. N 6. Р. 37–49. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2020-6-37-49.Yatsun S. M., Yatsun A. S., Rukavitsyn A. N. The creation of a biomechatronic orthopedic device for the treatment of flat feet. Biomedical Engineering, 2021, vol. 54, no. 5, pp. 361‒365.Зайченко К. В., Гуревич Б. С. Спектральная обработка биоэлектрических сигналов // Медицинская техника. 2021. Т. 1, № 325. С. 12‒14.Зайченко К. В., Гуревич Б. С. Спектральная обработка биоэлектрических сигналов // Медицинская техника. 2021. Т. 1, № 325. С. 12‒14.Jatsun S. M., Jatsun A. S., Rukavitsyn A. N. Сreation of a biomechatronic orthopedic device for the treatment of flat feet // Biomedical Engineering. 2021. Vol. 54, N 5. Р. 361‒ 365.Jatsun S. M., Jatsun A. S., Rukavitsyn A. N. Сreation of a biomechatronic orthopedic device for the treatment of flat feet // Biomedical Engineering. 2021. Vol. 54, N 5. Р. 361‒ 365.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.