УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИИ

Полезная модель относится к медицине, в частности к области реабилитации, и может быть применена в процедурах восстановления мелкой моторики руки и связанных с ней нейропсихологических особенностей человека и улучшения элементарных моторных навыков пациентов в лечебных, профилактических учреждениях, а также вне стационара, в том числе в домашних условиях, для тренировки и восстановления движений в межфаланговых, пястно-фаланговых, лучезапястных, лучелоктевых суставах.
Подвижность суставов кистей и рук снижается или утрачивается вследствие травм, при поражении центральной или периферической нервной системы, параличе и т.п. Лечение и реабилитация для восстановления мелкой моторики и движений рук происходит за счет многократного постоянного повторения движений. При этом важно, что двигательные зоны мозга человека восстанавливаются за счет визуального анализа действий. Системы реабилитации традиционно направлены на решение следующих задач: отслеживания движений, в том числе мелких; имитации реальных, бытовых движений и навыков: удержание предмета, поворот, закручивание/откручивание крышек и т.п.; определения изменения состояния пациента.
В настоящее время эти задачи успешнее решаются при отображении действий человека на экране монитора компьютера.
Отображение жестов и движений рук также известно в робототехнике, в технологиях виртуальной реальности, при переводе языка жестов в речь или текст. В этих целях разработаны устройства, способные отслеживать положение, ориентацию и движения рук и пальцев и отображать их на экране монитора (см. патенты US №8,140,339 опубл. 20.03.2012 г. и №7,565,295 опубл. 21.07.2009 г.). Устройства содержат датчики-акселерометры, отслеживают движения сгибания и разгибания пальцев и кисти и вращение в лучелоктевых суставах руки. При этом данные устройства определяют жесты из набора заранее определенных отдельных положений рук и кистей, не учитывают мелкой моторики и не предназначены для реабилитации.
Также сложилось большое число методов и устройств для отображения на экране монитора компьютера виртуальной руки и ее движений, соответствующих движениям руки человека, например, известная по патенту США 6,452,584 опубл. 17.09.2002 г. система управления компьютерной анимацией в режиме реального времени. Система включает перчатку с датчиками для определения движения руки. Датчики содержат резистивный материал, так что любой изгиб датчика приводит к отклонению значений сопротивления. Также ряд методов отображает изменения положения виртуальных объектов в соответствии с жестами, положением и движением руки оператора (см. патент США 7,205,979 опубл. 17.04.2007 г.), сами виртуальные объекты могут быть изображениями устройств ввода компьютера, таких как джойстик, мышь, кисточка, перо, клавиатура или другие устройства.
В задачах медицинской реабилитации важно повторение целенаправленных упражнений с мгновенной обратной связью. Мгновенной обратной связью может являться визуальный контроль отображаемых на экране монитора жестов, либо изменений положений объектов игры в зависимости от движений человека. Мотивацией для многократного повторения определенных действий является заинтересованность в процессе компьютерных игр.
Известны устройства для реабилитации (см. патенты США 5,562,707, опубл. 08.10.1996 г. и 8,165,685, опубл. 24.04.2012 г.) в которых с помощью перчатки с закрепленными на ней датчиками производят электростимуляцию кисти. Данные устройства не предполагают активных действий пациента и предназначены для восстановления минимальных двигательных функций верхней конечности.
Известно устройство для реабилитации (см. патент США 9,326,909, опубл. 03.05.2016 г.) содержащее микродвигатели, создающие вибрационные ощущения на конечности пациента в зависимости от выбранной компьютерной программы. Известно устройство для реабилитации (см. патент США 9,375,382, опубл. 28.06.2016 г.) содержащее ортез в виде перчатки, на котором фиксируют гибкие тяги и приводы для их перемещения для обеспечения последовательности и/или комбинации движений руки, и включающее программное обеспечение для отображения имитации движений на мониторе компьютера. Эти устройства предназначены для выполнения пассивных движений рук пациента для развития начальных двигательных навыков при их полной утрате. Недостатком указанных устройств является отсутствие визуализации движений пациента и мотивации для самостоятельного повторения пациентом движений рукой.
Известно устройство для реабилитации (см. патент США 8,565,487, опубл. 22.10.2013 г.) содержащее датчики, блок управления и блок определения и визуализации на экране монитора компьютера изменения положения датчиков. Недостатком устройства является сложность в использовании за счет применения оптических датчиков, которые генерируют сигналы в зависимости от информации, полученной от ориентиров, освещаемых оптических источником, движения которых соотносятся с движениями руки, и недостаточная точность определения ориентации и положения датчиков.
Ближайшим аналогом разработанного устройства является устройство для реабилитации с использования видеоигр (см. заявку на патент США 20090098519, опубл. 16.04.2009 г.). Ближайший аналог содержит датчики, выполненные с возможностью фиксации их на теле человека, блок отслеживания, блок управления, вход которого связан по сигналу с блоком отслеживания, а выход выполнен с возможностью подключения к компьютеру, блок визуализации.
Однако в ближайшем аналоге для отслеживания изменения положения датчиков в пространстве используют дополнительное устройство (контроллер-джойстик) либо используют оптические датчики и специальные камеры, что усложняет устройство и делает его более громоздким. Сложность конструкции требует участия медицинского персонала и присутствия пациента в медицинском учреждении, вызывает трудности при самостоятельных тренировках пациента.
Таким образом, задачей, на решение которой направлена разработанная полезная модель, является обеспечение тренировки расширенного спектра естественных движений пациента, повышение мотивации пациента при реабилитации и снижение врачебной нагрузки при применении разработанного устройства.
Технической проблемой, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является создание устройства для реабилитации, обеспечивающего визуализацию расширенного спектра естественных движений руки пациента в реальном времени.
Сущность разработанного устройства для реабилитации заключается в том, что оно так же, как ближайший аналог, содержит n датчиков (n натуральное), выполненных с возможностью фиксации на верхней конечности человека, блок отслеживания, блок управления, вход которого связан по сигналу с блоком отслеживания, а выход выполнен с возможностью подключения к компьютеру, блок визуализации.
Новым в разработанном устройстве для реабилитации является то, что датчики выполнены с возможностью размещения и фиксации, соответственно, на дистальных фалангах пальцев, на средней части кисти, на предплечье, каждый датчик является датчиком ориентации и содержит акселерометр, магнитометр и гироскоп, при этом блок отслеживания выполнен с возможностью регистрации и передачи данных о положении и ориентации в пространстве каждого из датчиков, а блок визуализации выполнен с возможностью отображения на экране монитора компьютера положения и ориентации в пространстве каждого из датчиков.
В частном случае блок отслеживания включает микроконтроллер.
В другом частном случае датчики и блок отслеживания размещены на основании, выполненном в виде имеющей очертания кисти руки накладки с карманами для пальцев, соединенной с манжетой, которая снабжена средствами крепления на предплечье.
В другом частном случае датчики размещены в отсеках, выполненных на каждой из частей накладки, соответствующих пальцам кисти руки, и средней части накладки, а манжета выполнена с возможностью фиксации по меньшей мере одного датчика.
В конкретной реализации блок управления размещен на основании.
В частном случае блок отслеживания, размещенный на основании, включает микроконтроллер.
В другой конкретной реализации блок управления закреплен на манжете.
В другой конкретной реализации один датчик и блок управления размещены в едином корпусе на манжете.
Выполнение разработанного устройства с возможностью размещения датчиков как на кисти, так и на предплечье позволяет визуализировать на экране монитора изменение положения и ориентации датчиков в пространстве, соответствующие естественным сложным движениям руки пациента движениям. Использование датчиков ориентации, содержащих акселерометр, магнитометр и гироскоп, позволяет в реальном времени обрабатывать и визуализировать данные о движении руки пациента, а также повысить точность определения ориентации и положения датчиков и, соответственно, частей руки пациента в пространстве, что особенно важно для развития мелкой моторики. Использование акселерометра, магнитометра и гироскопа в одном датчике обеспечивает уменьшение габаритов и массивности устройства, что позволяет применять устройство для реабилитации вне медицинских учреждений, размещение датчиков на основании и/или совмещение микроконтроллера с блоком отслеживания усиливает указанный результат. Размещение блока управления на основании снижает зависимость от конкретной конфигурации компьютера при проведении реабилитационных процедур.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства по п. 1 формулы полезной модели.
На фиг. 2 приведена конкретная реализация устройства для реабилитации по пп. 3, 4, 5, 6, 7, 8 формулы полезной модели.
Устройство по фиг. 1 содержит датчики 1, предназначенные для размещения на дистальных фалангах пальцев руки пациента, датчик 2, предназначенный для размещения в средней части кисти, и датчик 3, предназначенный для размещения на предплечье. Сигналы с датчиков 1 и 2 поступают на блок 4 отслеживания изменения положения и ориентации датчиков 1, 2 в пространстве. Выход блока 4 по сигналу связан со входом микроконтроллера 5. Входы блока 6 управления связаны по сигналу с микроконтроллером 5 и датчиком 3, а выход подключен к компьютеру 7. Блок визуализации 8 отображает на экране монитора компьютера 7 изменения виртуальных объектов в зависимости от изменения положения и ориентации датчиков 1, 2, 3.
Устройство по фиг. 2 содержит основание 10 устройства для реабилитации, накладку 11, соединенную с манжетой 12. Части 13 накладки соответствуют пальцам кисти руки, на концах частей 13 выполнены отсеки 14, в которых размещены датчики 1. Карманы для пальцев выполнены с обратной стороны от отсеков 14 и на чертеже не показаны. Датчик 2 размещен в средней части накладки 11 в отсеке 15, датчик 3 размещен на манжете 12 основания 10. Блок 4 совмещен с микроконтроллером 5 и размещен в отсеке 15. Блок управления 6 совмещен с датчиком 3 и связан с компьютером 7 через канал связи 16.
Каждый из датчиков 1,2,3 представляет собой микрочип с интегрированными 3-осевым акселерометром, 3-осевым магнитометром и 3-осевым гироскопом, и могут быть выполнены, например, на основе микросхем LSM9DS0, LSM9DS1 фирмы STMicroelectronics (http://www.st.com/content/st_com/en/products/mems-and-sensors/inemo-inertial-modules.html?querycriteria=productId=SC1448). либо ICM-20948, MPU-9250, MPU-9150 фирмы TDK InvenSense (https://www.invensense.com/products/motion-tracking/9-axis). При этом данные с каждого из датчиков 1, 2, 3 в совокупности однозначно задают вектор, соответствующий ориентации датчика в пространстве. Датчики 1 размещают на дистальных фалангах пальцев рук. Датчик 2 размещают в средней части кисти, а датчик 3 размещают на предплечье. При использовании основания 10 датчики 1, 2 размещают в отсеках 14 и 15 соответственно, датчик 3 - на манжете 12.
Калибровку производят при изготовлении устройства, при этом осуществляют настройку датчиков для минимизации систематической ошибки, возникающей за счет погрешности датчиков.
Блок 4 обеспечивает отслеживание изменения положения датчиков в пространстве и осуществляет передачу команд для настройки и установки параметров датчиков 1, 2, 3, а также получение данных с датчиков 1, 2, 3 для последующей обработки. Выполнен программно, например, на языке программирования С++. Блок 4 размещают в отсеке 15.
Обмен данными между датчиками 1, 2, 3 и блоком 4, может производиться по беспроводным или проводным каналам, поддерживающим интерфейсы подобных датчиков, например: SPI, 1-Wire, uart, USB 2.0 или их комбинаций, но не ограничиваясь ими. Беспроводным каналом может быть, например, радиоканал, Wi-Fi, Bluetooth, BLE, LoRa, ZigBee и другие. Проводные каналы могут быть
осуществлены, например, на основе кабеля VCOM VU6945, изготовитель VCOM international Со либо кабель управления USB моделей USB2.0v, USB2.0v-3.2 производитель I-TAKI (http://www.1-cable.ru/models/10905-1001.html#avail).
Микроконтроллер 5 осуществляет первоначальную обработку данных с Блока 4, предварительный расчет ориентации датчиков 1 и 2, для чего может быть применен такой микроконтроллер, как, например, STM32L151, STM32L152, STM32F103, фирмы STMicroelectronics. (http://www.st.com/en/microcontrollers.html). nRF51822 компании Nordic Semiconductor или другой подобный. При использовании микроконтроллера 5 его целесообразно совмещать с блоком 4, выполняя на плате блока 4. В частном случае операции микроконтроллера 5 по предварительному расчету ориентации датчиков 1 и 2 выполняются в блоке 6.
Блок 6 управления осуществляет получение данных с блока 4 или при наличии с микроконтроллера 5, их обработку, преобразование данных и передачу в компьютер 7. Блок 6 выполнен программно на основе указанных микроконтроллеров, осуществляет управление информационными потоками, обеспечивает обмен данными между датчиками 1, 2, 3 и блоками 6, 8, индикацию ошибок. Блок 6 размещают на манжете 12. Целесообразно датчик 3 и блок 6 при размещении на манжете выполнять в едином корпусе. На основе данных, поступающих с блока 4 или микроконтроллера 5, осуществляет расчет ориентации датчиков. Расчет ориентации выполняется на основе алгоритмов расчета кватернионов по формулам, известным, например, из книг и статей: Джон Х. Конвей, Дерек А. Смит. О кватернионах и октавах: об их геометрии, арифметике и симметриях. - М.: МЦНМО, 2009. - 184 с.; Hazewinkel. Michiel. ed. (2001) [1994], "Quaternion". Encyclopedia of Mathematics. Springer Science+Business Media В.V. / Kluwer Academic Publishers, ISBN 978-1-55608-010-4: В.И. Арнольд, Геометрия комплексных чисел, кватернионов и спинов, - М.: МЦНМО, 2002, - 40 с.
Обмен данными между блоком 6 и компьютером 7 может производиться по беспроводным или проводным каналам. Беспроводным каналом может быть, например, радиоканал, Wi-Fi, Bluetooth, аналогично другим беспроводным устройствам связи (ввода) с компьютером. Проводной канал может быть, например, сформирован через интерфейс USB, при этом возможно применение кабеля VCOMVU6945, изготовитель VCOM international Co либо кабель управления USB моделей USB2.0v, USB2.0v-3.2 производитель I-TAKI (http://www.1-cable.ru/models/10905-1001.html#avail).
Компьютер 7 может быть любым персональным или мобильным компьютером, в том числе планшетным, что удобно для осуществления процедур реабилитации вне лечебного учреждения. В качестве компьютера могут быть применены игровые приставки и консоли, а также мобильные телефоны, смартфоны, коммуникаторы и другие устройства. В частном случае монитором компьютера, на котором выполняется отображение положения и ориентации в пространстве датчиков, является дисплей очков виртуальной реальности.
Блок 8 выполнен программно, на языке программирования высокого уровня, например таких как С++, JAVA, соответствующая программа для ЭВМ обеспечивает выполнение последовательности операций: выбор режима визуализации в соответствии с выбранной игрой, отображение виртуальных объектов в зависимости от движений руки пациента. Используют два режима, один предусматривает визуализацию в форме движений виртуальной руки, второй - в форме движений игровых объектов.
В первом режиме по данным с блока 6 на экране монитора компьютера 7 моделируется виртуальная рука, при этом целесообразно фиксировать датчики 1 на дистальных фалангах пальцев руки пациента так, что датчики, отражающие движения конкретного пальца виртуальной руки, закреплены на соответствующем пальце руки пациента. Положение локтя виртуальной руки задается в программе, положение и ориентация дистальных фаланг пальцев, кисти и предплечья определяют на основе данных с датчиков 1, 2, 3, положение и ориентация средних и проксимальных фаланг пальца определяется путем интерполяции данных с датчиков 1 и 2. При этом движения виртуальной руки соответствуют движениям руки пациента.
Во втором режиме для движения игровых объектов используются углы между векторами, определенными по данным от датчиков 1 и 2, соответствующих движениям в межфаланговых, пястно-фаланговых и лучезапястных суставах, или датчиков 2 и 3 соответствующих движениям в лучезапястных, лучелоктевых суставах или данным датчика 3. Для обеспечения обратной связи при визуализации сложных естественных движений руки пациента через соответствующие движения игровых объектов модель взаимодействия этих объектов должна быть физически корректна, то есть в достаточной мере воспроизводить действие законов гравитации, упругого столкновения и т.п., при этом игровое пространство имитирует естественную среду, и движения игровых объектов воспринимаются пациентом как естественные. Для визуализации используют объекты стандартных графических библиотек, таких как Havok Physics, Bullet Physics Library. Для имитации окружающего пространства и его изменения в зависимости от игровой ситуации используют наложение кубических и сферических текстур, например, с использованием стандартных процедур графической карты.
Основание 10 устройства для реабилитации выполняют из гибких материалов, таких как латекс, неопрен, винил, нейлон, эластомеры, тканые и нетканые материалы, настоящая или искусственная кожа и т.д. Основание 10 устройства для реабилитации выполнено в виде накладки 11, имеющей очертания кисти руки, не имеет ладонной части. Для фиксации датчиков 1 и 2 выполнены отсеки на каждом пальце и на средней части накладки соответственно. Датчик 3, совмещенный с блоком 6, размещают на манжете 12, жестко закрепляя, например, с помощью скобок, клея или пришивая. Пальцы пациента размещают в карманах, выполненных с обратной стороны от отсеков 14 для датчиков, манжета 12 крепится на предплечье, например, с помощью эластичных ремешков, кнопок или липучек. К средней части основания могут быть дополнительно присоединены, например, с помощью специальных крепежных проушин или петель, крепления на кисти, такие как застежки, липучки, ремешки и другие, позволяющие выбрать комфортную степень затягивания. Отсеки для датчиков также могут быть дополнительно снабжены эластичным поясками для более уверенного крепления датчиков на пальцах.
Устройство для реабилитации и его основание работает в процедурах реабилитации следующим образом.
Первоначально производят выбор устройства для правой или левой руки, затем подбор устройства подходящего пациенту размера.
Датчики 1 размещают на дистальных фалангах пальцев рук. Некоторые датчики 1 могут быть отключены, в случае, например, отсутствия причины реабилитировать подвижность суставов некоторых пальцев или при отсутствии пальцев. Датчик 2 размещают в средней части кисти, а датчик 3 размещают на предплечье ближе к запястью. При проведении реабилитации вне лечебного учреждения целесообразно для закрепления на руке датчиков 1, 2, 3 применять основание 10, при этом помещают накладку 11 с внешней стороны кисти, закрепляют манжету 12 и накладку 11 с помощью, например, застежек-липучек, пальцы помещают в карманы, фиксируя их поясками, при этом основание выбирают соответствующего размера.
Устройство подключают к порту USB компьютера 7 и запускают установленную программу, с помощью которой отображают на экране монитора компьютера изменения положения виртуальных объектов в соответствии с движениями пальцев, кисти и предплечья пациента. Режим программы устанавливают режим программы на основе заранее установленных характеристик тренируемых движений в зависимости от диагноза, целей тренировок и реабилитации. В зависимости от выбранных игр движения виртуальных объектов на экране монитора компьютера соответствуют движениям частей руки при сгибании, разгибании и вращении в межфаланговых, пястно-фаланговых, лучезапястных, лучелоктевых суставах. В частном случае на экране монитора компьютера отображают виртуальную руку, движения которой соответствуют движениям руки пациента.
В некоторых играх из данного набора игр отображается, как одни виртуальные объекты, в соответствии с положением и ориентацией частей руки пациента, захватывают, удерживают и приводят в движение другие виртуальные объекты. В частном случае предусмотрено, что после сгибания или вращения некоторые суставы кисти сохраняют на некоторое время определенное взаимное положение (например, неподвижны относительно друг друга), что обеспечивает возможность тренировки движений выделенных суставов и развития более естественных движений. Неподвижность в суставах может достигаться при использовании подставки под ладонь с выемками для пальцев без установки дополнительных датчиков в устройстве.
Тренировку проводят по одной или нескольким играм. Возможен режим, в котором при небольшом активном диапазоне частей руки при визуализации движений малым движениям руки пациента соответствуют более сильные движения виртуальных объектов.