RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 213505 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 381581 (51) Int.Cl. A61B 5/11 (2006.01) G01L 5/00 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 23.01.2007 (54) Sposób pomiaru siły nacisku kończyn człowieka i urządzenie do pomiaru siły nacisku kończyn człowieka (43) Zgłoszenie ogłoszono: 04.08.2008 BUP 16/08 (73) Uprawniony z patentu: AKADEMIA WYCHOWANIA FIZYCZNEGO, Wrocław, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.03.2013 WUP 03/13 (72) Twórca(y) wynalazku: MAREK ZATOŃ, Wrocław, PL RYSZARD BŁACHA, Wrocław, PL PL 213505 B1
2 PL 213 505 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru siły nacisku kończyn człowieka umożliwiający powtarzanie zadanych wartości i kontrolowanie siły nacisku. Znane i stosowane są urządzenia przeznaczone do ćwiczeń rehabilitacyjnych, które tak jak to opisano w japońskim zgłoszeniu patentowym nr JP2003284703, są wyposażone w czujniki. Znany z opisu wzoru użytkowego PL nr 57869 przyrząd do pomiaru zakresu ruchu kręgosłupa oraz siły mięśni tułowia ma podstawę i dwie pionowe kolumny, na których zbudowany jest stabilizator miednicy badanego człowieka, bazujący na tylnej poduszce i ruchomej przedniej poduszce, dociskanej i blokowanej za pomocą poziomych wsporników i zacisków. Elementami pomiarowymi zakresu ruchu kręgosłupa są pionowy pręt, poziomy pręt i nastawny przymiar. Do pomiaru siły mięśni służy pionowa tuleja otaczająca trzpień, którego dolny koniec połączony jest obrotowo z dwuramienną ramą, mającą dwa poziome przęsła, do których przymocowane są oporowe płyty, pod łopatki badanego pacjenta. Pomiędzy ramą a trzpieniem, za pomocą pośrednich elementów, przyłączony jest zespół czujników tensometrycznych. Znane z polskiego opisu patentowego PL nr 156197 urządzenie do ćwiczeń rehabilitacyjnych i pomiaru momentu siły w stawie kolanowym charakteryzuje się tym, że jest wyposażone w stojak, do którego nóg przednich przymocowane są wsporniki, w których osadzono wysięgniki poziome, na końcach których zamontowano wysięgniki pionowe. Z wysięgnikami pionowymi połączone są tarcze stałe sprzężone z dźwigniami wewnętrznymi, które z kolei połączone są na stałe z tarczami wyposażonymi w trzpień. Dźwignie wewnętrzne są zaopatrzone w tuleje przesuwne z wałkiem oporowym. Między tarczami stałymi a tarczami z trzpieniem umieszczone są obrotowo dźwignie zewnętrzne, które poprzez przetworniki momentu siły połączone są z dźwigniami wewnętrznymi. Na dźwigniach zewnętrznych osadzone są suwliwie ciężarki. Znane z innego polskiego opisu patentowego nr PL 156198 urządzenie do ćwiczeń rehabilitacyjnych i pomiaru momentu siły stawu łokciowego charakteryzuje się tym, że do oparcia siedziska zamontowane są dwie prowadnice, z których jedna jest połączona suwliwie z podpórką, a do drugiej zamontowany jest suwliwie momentomierz. Momentomierz sprzęga dwie dźwignie, z których jedna zaopatrzona jest w wałek, a do drugiej zamocowane są suwliwie ciężarki. Znane jest też z polskiego opisu patentowego nr PL 159031 urządzenie, którego momentomierz stanowi wałek z naklejonymi tensometrami o końcówkach połączonych ze złączem, do którego podłączona jest aparatura pomiarowa. Z jeszcze innego polskiego opisu patentowego nr PL 163675 znana jest głowica do pomiaru momentów sił oraz kątów stawowych kończyn człowieka, wyposażona w ruchomą dźwignię z zatrzaskiem dwupozycyjnym, połączonym na stałe z elementem sprężystym przetwornika tensometrycznego, w której umieszczone są styki kontaktronu oraz przymocowany zbierak ograniczony kołkami. Istota sposobu pomiaru siły nacisku, według wynalazku, polega na tym, że po posadzeniu badanej osoby na krześle pomiarowym reguluje się wysokość siedziska i położenie oparcia, a następnie przeprowadza się badanie próbne, dla którego ustala się wzorzec nacisku i liczbę nacisków kończyną górną i/lub dolną, przy czym dobiera się czas pomiędzy kolejnymi naciskami, a wartości siły kolejnych nacisków w czujnikach siły, korzystnie tensometrach, zamienia się na sygnał elektryczny, który wzmacnia się i przetwarza, zaś wyniki badania próbnego badana osoba obserwuje na ekranie kontrolnym. Następnie wykonuje się badanie zasadnicze, w którym badana osoba dla ustalonego wcześniej wzorca nacisku wykonuje określoną liczbę nacisków kończyną, przy czym czas pomiędzy kolejnymi naciskami odpowiada wcześniej dobranym czasom w badaniu próbnym. Wartości siły kolejnych nacisków w czujnikach siły zamienia się na sygnał elektryczny, który wzmacnia się, przetwarza i rejestruje, z tym że wyniki badania zasadniczego są niewidoczne dla badanej osoby. Podczas badania próbnego i badania zasadniczego bada się co najmniej jedną kończynę, korzystnie bada się jednocześnie co najmniej dwie kończyny. Korzystnym jest, gdy badanie kończyny górnej przeprowadza się dla osoby, która siedzi wyprostowana na siedzisku i w zależności od rodzaju badań ze zgiętą lub wyprostowaną kończyną górną w stawie łokciowym oraz ze zgiętym lub wyprostowanym stawem nadgarstkowo-śródręcznym, oraz jednocześnie naciska dłonią na uchwyt dźwigni platformy do badań kończyn górnych, podczas badania tej kończyny druga kończyna górna jest również badana albo spoczywa swobodnie oparta na udzie kończyny dolnej po tej samej stronie korpusu badanej osoby. Dłonią naciska się na uchwyt dźwigni platformy do badań kończyn górnych z siłą nacisku skierowaną kolejno w dół, przód, tył oraz w bok na prawo i na lewo.
PL 213 505 B1 3 Korzystnym jest również to, że badanie kończyny dolnej przeprowadza się dla osoby, która siedzi wyprostowana na siedzisku i w zależności od rodzaju badań, ze zgiętą lub wyprostowaną kończyną dolną w stawie kolanowym, której śródstopie opiera się o pedał platformy do badań kończyn dolnych. Istota urządzenia do pomiaru siły nacisku, według wynalazku polega na tym, że ma co najmniej trzy platformy do badań kończyn, wyposażone w czujniki siły, z których dwie stanowią platformy do badań kończyn górnych i są połączone na sztywno z krzesłem pomiarowym o regulowanym oparciu i siedzisku, natomiast co najmniej jedna platforma do badania kończyn dolnych jest zamontowana w podstawie, w której na ramie osadzone jest przesuwnie krzesło pomiarowe. Korzystnie, platformy do badań kończyn górnych wykonane są w postaci kolumn połączonych z krzesłem pomiarowym, które w obudowie mają osadzoną dźwignię u dołu opartą o poziomą podpórkę, a od góry wyposażoną w uchwyt. Na bocznych ściankach dźwigni są umieszczone symetrycznie cztery czujniki siły połączone z układem pomiarowym, do którego jest podłączony również piąty czujnik siły umieszczony pod poziomą podpórką. Ponadto korzystnie pozioma podpórka ma wgłębienie dopasowane kształtem do metalowej kulki stabilizującej, na stałe połączonej z dolną ścianką dźwigni. Platforma do badań kończyn dolnych ma kształt podnóżka, który w obudowie ma osadzony pedał prostopadły do płaskiej podpórki usytuowanej ukośnie względem podstawy i wyposażonej w dwa czujniki siły połączone z układem pomiarowym i umieszczone symetrycznie po obu jej stronach, przy czym pedał stanowi pręt z wieńczącą go płytką. Korzystnym jest, że na ukośnej ściance podpórki, wyposażonej w pedał, umieszczony jest element stabilizujący stopę. Ponadto korzystnie jest również, że płaska podpórka usytuowana ukośnie względem podstawy ma wgłębienie dopasowane kształtem do metalowej kulki stabilizującej, na stałe połączonej z dolną ścianką pedału. Korzystnym jest, gdy układ pomiarowy ma co najmniej dwanaście czujników siły połączonych poprzez wzmacniacz i przetwornik analogowo-cyfrowy z układem rejestrująco-pomiarowym, korzystnie z komputerem z monitorem. Sposób według wynalazku stwarza możliwość badania wrażliwości czuciowej związanej z rozróżnianiem siły i równomierności nacisków. Może być również stosowany do pomiaru precyzji ruchów kończyn dolnych i górnych. Urządzenie przeznaczone jest do pomiaru powtarzalności siły nacisku stopą kończyny dolnej oraz dłonią kończyn górnej prawej i lewej oraz wykorzystywane jest w procesie doskonalenia zdolności różnicowania kinestetycznego. Urządzenie umożliwia obróbkę uzyskiwanych wyników i ich zapisywanie w bazach badawczych w programach komputerowych, przeznaczonych między innymi do sporządzania raportów z badań. Czucie ruchu ma istotne znaczenie w sporcie wyczynowym i dlatego ważne jest stworzenie metod jego mierzenia. Spośród wszystkich receptorów dostarczających informacji o czuciu kinestetycznym, największe znaczenie mają receptory mięśniowe. Każdy mięsień w swojej strukturze przestrzennej posiada miejsca zawierające wrzecionka mięśniowe, które dostarczają informacji o rozciąganiu, skurczu oraz napięciach występujących w włóknach mięśniowych. Przedmioty wynalazków są objaśnione w przykładzie realizacji i odtworzone na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie do pomiaru siły nacisku kończyn człowieka w ujęciu schematycznym, fig. 2 - platformę do badań kończyn górnych, fig. 3 - platformę do badań kończyn dolnych, a fig. 4 - schemat blokowy układu pomiarowego. P r z y k ł a d 1 Sposób pomiaru siły nacisku kończyn człowieka polega na tym, że badaną osobę sadza się na krześle pomiarowym i reguluje wysokość siedziska SK i położenie oparcia OP, stosownie do jej wzrostu. Następnie przeprowadza się badanie próbne, dla którego ustala się wzorzec nacisku odpowiadający 10 kg oraz pięć nacisków kończyną górną i pięć nacisków kończyną dolną. Czas pomiędzy kolejnymi naciskami wynosi 5 sekund. Wartości siły kolejnych nacisków w czujnikach siły CS zamienia się na sygnał elektryczny, który wzmacnia się we wzmacniaczu WZ i przetwarza w przetworniku analogowo-cyfrowym AC. Wyniki badania próbnego badana osoba obserwuje na bieżąco na ekranie układu rejestrująco-pomiarowego RP, w postaci komputera z monitorem. Po czym wykonuje się badanie zasadnicze, w którym badana osoba dla ustalonego wcześniej wzorca nacisku wynoszącego 10 kg, wykonuje po dziesięć nacisków prawą kończyną górną i po dziesięć nacisków lewą kończyną górną, i po dziesięć nacisków lewą i prawą kończyną dolną. Czas pomiędzy kolejnymi naciskami odpowiada wcześniej dobranym czasom w badaniu próbnym i wynosi około 5 sekund. Wartości siły kolejnych nacisków w czujnikach siły (CS) zamienia się na sygnał elektryczny, który wzmacnia się we wzmacniaczu WZ, przetwarza w przetworniku analogowo-cyfrowym AC i rejestruje w układzie rejestrująco-
4 PL 213 505 B1 -pomiarowym RP. Wyniki badania zasadniczego są niewidoczne dla badanej osoby. Badanie kończyny górnej przeprowadza się dla osoby, która siedzi wyprostowana na siedzisku SK, ze zgiętą kończyną górną w stawie łokciowym oraz z wyprostowanym stawem nadgarstkowo-śródręcznym, przy czym badana osoba naciska dłonią na uchwyt UC dźwigni DZ platformy do badań kończyn górnych PG, podczas badania tej kończyny druga kończyna górna spoczywa swobodnie oparta na udzie kończyny dolnej po tej samej stronie korpusu badanej osoby. Podczas badania kończyny górnej naciska się na uchwyt UC dźwigni DZ platformy do badań kończyn górnych PG z siłą nacisku skierowaną kolejno w dół, przód, tył oraz w bok na prawo i na lewo, po 10 razy dla każdego kierunku. Po czym tak samo bada się drugą kończynę górną a zbadana kończyna spoczywa swobodnie oparta na udzie kończyny dolnej po tej samej stronie korpusu badanej osoby. Badanie kończyny dolnej przeprowadza się dla osoby, która siedzi wyprostowana na siedzisku SK, ma zgiętą kończynę dolną w stawie kolanowym, której śródstopie opiera się o pedał PE platformy do badań kończyn dolnych PD. P r z y k ł a d 2 Sposób pomiaru siły nacisku kończyn człowieka przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że badanie kończyny górnej przeprowadza się dla osoby z wyprostowaną kończyną górną w stawie łokciowym oraz z wyprostowanym stawem nadgarstkowo-śródręcznym, oraz badanie kończyny dolnej z kończyną dolną zgiętą w stawie kolanowym w stawie kolanowym, pod kątem prostym, przy czym bada się jednocześnie obie kończyny górne i obie kończyny dolne. P r z y k ł a d 3 Urządzenie do pomiaru siły nacisku kończyn człowieka ma cztery platformy PG, PD do badań kończyn wyposażone w czujniki siły CS stanowiące tensometry, z których dwie stanowią platformy do badań kończyn górnych PG i są połączone na sztywno z krzesłem pomiarowym o regulowanym oparciu OP i siedzisku SK, natomiast dwie pozostałe stanowią platformy do badania kończyn dolnych PD i są zamontowane bezpośrednio w podstawie PO, w której osadzone jest przesuwnie krzesło pomiarowe na ramie RA. Platformy do badań kończyn górnych PG wykonane są w postaci kolumn połączonych z krzesłem pomiarowym, które w obudowie OB mają osadzoną dźwignię DZ z dołu opartą o poziomą podpórkę PZ, a u góry dźwignia jest wyposażona w uchwyt UC. Na bocznych ściankach dźwigni DZ są umieszczone symetrycznie cztery czujniki siły CS połączone z układem pomiarowym, do którego jest podłączony również piąty czujnik siły CS, umieszczony pod poziomą podpórką PZ. Ponadto pozioma podpórka PZ ma wgłębienie dopasowane kształtem do metalowej kulki KL stabilizującej na stałe połączonej z dolną ścianką dźwigni DZ. Platforma do badań kończyn dolnych PD jest wykonana jako jeden podnóżek PN, w którym osadzone są dwa pedały PE prostopadłe do płaskich podpórek PA. Płaskie podpórki PA usytuowane są ukośnie względem podstawy PO i każda wyposażona jest w dwa czujniki siły CS połączone z układem pomiarowym i umieszczone symetrycznie po obu jej stronach. Pedał PE stanowi pręt PR z wieńczącą go płaską płytką PL. Ponadto na ukośnej ściance podpórki PN, wyposażonej w pedał PL, umieszczony jest element stabilizujący stopę ES, a płaska podpórka PA usytuowana ukośnie względem podstawy ma wgłębienie dopasowane kształtem do metalowej kulki KL stabilizującej, na stałe połączonej z dołem pręta PR pedału. Zastosowany w urządzeniu układ pomiarowy ma czternaście czujników siły CS połączonych poprzez wzmacniacz WZ i przetwornik analogowo-cyfrowy AC z układem rejestrująco-pomiarowym RP, korzystnie komputerem z monitorem. P r z y k ł a d 4 Urządzenie do pomiaru siły nacisku kończyn człowieka, wykonane jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że ma jedną platformę do badań kończyn dolnych PD o kształcie podnóżka PN, wyposażoną w dwa pedały PL. Urządzenie umożliwia zapis wybranej siły nacisku dowolną kończyną, wykonano na nim przykładowe pomiary. W tym celu przeprowadzono kończyną górną prawą naciski w przód, stosując wzorzec siły 10 kg. Uzyskano wyniki, które zostały uwidocznione w poniższej tabeli, która przedstawia wyniki 10 pomiarów w dwudziestoosobowej grupie badawczej. Wyznaczono następnie średnią arytmetyczną i odchylenie standardowe, które obrazuje zdolność powtarzania wzorca siły nacisku, dla 10 kg, dla każdej z badanych osób.
PL 213 505 B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pomiaru siły nacisku kończyn człowieka, znamienny tym, że po posadzeniu badanej osoby na krześle pomiarowym reguluje się wysokość siedziska (SK) i położenie oparcia (OP), a następnie przeprowadza się badanie próbne, dla którego ustala się wzorzec nacisku i liczbę nacisków kończyną górną i/lub dolną, przy czym dobiera się czas pomiędzy kolejnymi naciskami, a wartości siły kolejnych nacisków w czujnikach siły (CS) zamienia się na sygnał elektryczny, który wzmacnia się i przetwarza, zaś wyniki badania próbnego badana osoba obserwuje na ekranie, po czym wykonuje się badanie zasadnicze, w którym badana osoba dla ustalonego wcześniej wzorca nacisku wykonuje określoną liczbę nacisków kończyną, przy czym czas pomiędzy kolejnymi naciskami odpowiada wcześniej dobranym czasom w badaniu próbnym, a wartości siły kolejnych nacisków w czujnikach siły (CS) zamienia się na sygnał elektryczny, który wzmacnia się, przetwarza i rejestruje, z tym że wyniki badania zasadniczego są niewidoczne dla badanej osoby. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas badania próbnego i badania zasadniczego bada się co najmniej jedną kończynę, korzystnie bada się jednocześnie co najmniej dwie kończyny. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że badanie kończyny górnej przeprowadza się dla osoby, która siedzi wyprostowana na siedzisku (SK) i w zależności od rodzaju badań ze zgiętą lub wyprostowaną kończyną górną w stawie łokciowym oraz z wyprostowanym stawem nadgarstkowo- -śródręcznym oraz jednocześnie naciska dłonią na uchwyt (UC) dźwigni (DZ) platformy do badań kończyn górnych (PG), podczas badania tej kończyny druga kończyna górna jest również badana albo spoczywa swobodnie oparta na udzie kończyny dolnej po tej samej stronie korpusu badanej osoby. 4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że dłonią naciska się na uchwyt (UC) dźwigni (DZ) platformy do badań kończyn górnych (PG) z siłą nacisku skierowaną kolejno w dół, przód, tył oraz w bok na prawo i na lewo. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że badanie kończyny dolnej przeprowadza się dla osoby, która siedzi wyprostowana na siedzisku (SK) i w zależności od rodzaju badań ze zgiętą lub wyprostowaną kończyną dolną w stawie kolanowym, której śródstopie opiera się o pedał (PE) platformy do badań kończyn dolnych (PD). 6. Urządzenie do pomiaru siły nacisku kończyn człowieka, znamienne tym, że ma co najmniej trzy platformy (PG, PD) do badań kończyn wyposażone w czujniki siły (CS), z których dwie stanowią platformy do badań kończyn górnych (PG) i są połączone na sztywno z krzesłem pomiarowym o regulowanym oparciu (OP) i siedzisku (SK), natomiast co najmniej jedna platforma do badania kończyn dolnych (PD) jest zamontowana w podstawie (PO), w której na ramie (RA), osadzone jest przesuwnie krzesło pomiarowe.
6 PL 213 505 B1 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że platformy do badań kończyn górnych (PG) wykonane są w postaci kolumn połączonych z krzesłem pomiarowym, które w obudowie (OB) mają osadzoną dźwignię (DZ), u dołu opartą o poziomą podpórkę (PZ), a od góry, wyposażoną w uchwyt (UC), przy czym na bocznych ściankach dźwigni (DZ) są umieszczone symetrycznie cztery czujniki siły (CS), połączone z układem pomiarowym, do którego jest podłączony również piąty czujnik siły (CS) umieszczony pod poziomą podpórką (PZ). 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że czujnikami siły (CS) są tensometry. 9. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że pozioma podpórka (PZ) ma wgłębienie dopasowane kształtem do metalowej kulki (KL) stabilizującej, na stałe połączonej z dolną ścianką dźwigni (DZ). 10. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że platforma do badań kończyn dolnych (PD) ma kształt podnóżka (PN), w którym osadzony jest pedał (PE) prostopadły do płaskiej podpórki (PA) usytuowanej ukośnie względem podstawy (PO) i wyposażonej w dwa czujniki siły (CS), połączone z układem pomiarowym i umieszczone symetrycznie po obu jej stronach, przy czym pedał (PE) stanowi pręt (PR) z wieńczącą go płytką (PL). 11. Urządzenie, według zastrz. 10, znamienne tym, że na ukośnej ściance podpórki (PN), wyposażonej w pedał (PL), umieszczony jest element stabilizujący stopę (ES). 12. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że płaska podpórka (PA) usytuowana ukośnie względem podstawy ma wgłębienie dopasowane kształtem do metalowej kulki (KL) stabilizującej na stałe połączonej z dołem pręta (PR) pedału. 13. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że czujnikami siły (CS) są tensometry. 14. Urządzenie według zastrz. 7 albo 9, znamienne tym, że układ pomiarowy ma co najmniej czternaście czujników siły (CS) połączonych poprzez wzmacniacz (WZ) i przetwornik analogowo- -cyfrowy (AC) z układem rejestrująco-pomiarowym (RP), korzystnie komputerem z monitorem.
PL 213 505 B1 7 Rysunki
8 PL 213 505 B1
PL 213 505 B1 9
10 PL 213 505 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)