Метод объективной оценки мимики у пациентов с болезнью Паркинсона.
METHOD FOR OBJECTIVE EVALUATION OF FACIAL EXPRESSIONS IN PATIENTS WITH PARKINSON'S DISEASE

Метод предназначен для анализа кинематических параметров движений мимической мускулатуры лица у пациентов с болезнью Паркинсона с целью выявления гипомимии. Вследствие того, что гипомимия является одним из проявлений гипокинезии, ее оценка является важным аспектом в клинической практике невролога-паркинсонолога. Метод объективной оценки мимики лица может быть использован с диагностической целью при установлении диагноза болезни Паркинсона, а также анализа эффективности проводимой терапии, реабилитационных мероприятий.
Самым распространенным методом оценки мимики у пациентов с болезнью Паркинсона является унифицированная шкала оценки болезни Паркинсона международного общества расстройств движений (MDS UPDRS) часть 3, пункт 3.2. выразительность лица. При проведении клинического осмотра, врач наблюдает за мимикой лица, находящейся в расслабленном состоянии, в течение 10 секунд.  Выражение лица пациента оценивается от 0 до 4 баллов, где 0 баллов означает отсутствие нарушений движений мимической мускулатуры, а 4 балла характеризуется выраженной степенью гипомимии [Bucka P.O., Wilsonb R.E., Seebergerc L.C., Connera J.B., Castelli-Haley J. Examination of the UPDRS Bradykinesia Subscale: Equivalence, Reliability and Validity. Journal of Parkinson’s Disease. (2011):1;253–258. DOI 10.3233/JPD-2011-11035].
Недостатками данного метода является его субъективность, отсутствие возможности оценивать амплитуду и скорость движений мышц лица, что не позволяет объективно оценивать проявления гипомимии.
Одним из возможных методов оценки мимики является компьютерная цифровая визуализация с оценкой количественных динамических показателей. Также оценивается временной показатель, в течение которого достигается максимальная выразительность лица в проявлении таких эмоций, как счастье, грусть, страх, гнев, отвращение, удивление. Во время исследования обследуемым на верхнюю часть лобной области фиксируется лента с закрепленными на ней 2-мя светоизлучающими диодами, таким способом происходило распознавание лица.  Обследуемым предлагается изображать на своем лице эмоции, указанные выше, настолько ярко и выразительно, насколько это возможно. Захват и оцифровка данных проводится с использованием видеоплеера Sony, персонального компьютера с видеокартой Iscan-PCI и программного обеспечения EYEVIEW (Imaging Technology). Выражение лица анализируется путем автоматического вычисления программой изменения интенсивности пикселей с каждым последующим кадром. Происходит последовательное сравнение кадров изображений при выполнении каждой из эмоций пациентом. В распознавании лица участвует 20 опорных точек, которые были выбраны эмпирическим путем. [Bowers D., Miller K., Bosch W., Gokcay D., Pedraza O., Springer U., Okun M. Faces of emotion in Parkinsons disease: Micro-expressivity and bradykinesia during voluntary facial expressions. Journal of the International Neuropsychological Society. 2006;12(6):765–773. DOI 10.10170S135561770606111X].
Данный метод относится к экспериментальным и имеет малую доказательную базу. Данная программа не предоставляет возможность получать амплитудные и скоростные показатели более точными единицами измерения.
Ближайшим аналогом объективной оценки мимики лица, является метод с применением 3D оптоэлектронной системы (SMART motion, and SMART Analyzer BTS Engineering, Milan, Italy). Это оборудование имеет широкую область применения проведения видеоанализа движений в неврологии, нейрореабилитации, травматологии, ортопедии и спортивной медицине. Частно, для оценки мимики лица использовались три инфракрасные камеры, которые фиксируют смещение отражающих маркеров, представляющих из себя клеящийся светоотражающий материал 5 мм в диаметре, являющихся источниками света в видимой или невидимой (инфракрасной) части спектра света, закрепленных на лице испытуемого. Два маркера размещались в уголках рта, два на середине нижнего века, два в медиальных углах бровей.  В результате анализировались пиковая скорость и амплитуда движений бровей, век и рта. Пациентам в процессе исследования предлагалось имитировать эмоции, представленные на изображениях, которые выводились на экран компьютера в течение 5 секунд. Движения нижней части лица изучали, прося пациентов показать зубы "как можно быстрее и шире". Таким образом, пиковая скорость измерялась в мм/сек., а амплитуда движений в мм. [Marsili L., Agostino R., Bologna M., Belvisi D., Palma A., Fabbrini G., Berardelli A. Bradykinesia of posed smiling and voluntary movement of the lower face in Parkinson’s disease. Parkinsonism and Related Disorders.2014;20(4):370-375. DOI 10.1016/j.parkreldis.2014.01.013].
Недостатком является высокая стоимость оборудования, сложность проведения диагностического метода и необходимость специальной длительной подготовки персонала, осуществляющего диагностику.
Задача предлагаемого метода заключается в объективной оценке мимики у пациентов с болезнью Паркинсона с целью выявления снижения амплитудных и скоростных показателей, что отражает наличие гипомимии у пациентов. Так как данный синдром является характерным проявлением болезни Паркинсона, это позволит улучшить диагностику данного заболевания, а также позволит проводить оценку эффективности терапии препаратами L-ДОФА и реабилитационных мероприятий.
Поставленная задача осуществляется за счет анализа кинематических показателей движений лицевой мускулатуры, которые показывают амплитуду и скорость движений бровей, рта, частоту морганий.
Данный метод основан на оценке движений лицевой мускулатуры с помощью проведения компьютерного видеоанализа мимики с использованием программно-аппаратного комплекса, состоящего из программного обеспечения (ПО), созданного в среде программирования Visual studio 2015 с использованием системы управления базами данных PostgreSQL и видеокамеры с разрешением 1280х720.
Оценка движений лицевой мускулатуры осуществляется бесконтактным способом путем записи видеоматериалов на веб-камеру. Программное обеспечение обнаруживает координаты 68 ключевых точек лица, используя открытую библиотеку компьютерного зрения Dlib языка программирования Python.  Пациенту предлагается выполнить 6 диагностических тестов, при выполнении которых оценивается движение бровей, век, рта.
Программное обеспечение анализирует движение бровей, век и рта в 6-ти диагностических тестах и выдает отчет в формате таблицы Exсеl. В данной таблице указаны амплитуды движений бровей и рта по оси X и оси У в мм, и частота (количество/10 секунд) подъема бровей, хмурений, морганий, улыбок. После чего происходит сравнение со всеми референсными значениеями, по которым определяется наличие или отсутствие гипомимии.
Если показатель меньше всех референсных значений, значит гипомимия есть, если больше значит ее нет.
Метод объективной оценки мимики осуществляется следующим образом: пациента размещают сидя на стуле на расстоянии 64 см от веб-камеры на уровне глаз (фиг.1).
В ходе проведения видеоанализа движений мимической мускулатуры пациенту предлагается выполнить 6 диагностических тестов.
1 тест - «улыбка». Пациенту предлагается улыбаться с максимальной амплитудой и скоростью, оскаливая зубы, в течение 10 секунд. В данном тесте оценивается движение рта по оси Х, оси У в мм, количество улыбок за 10 секунд.
2
2 тест – «буква О». Пациенту предлагается нарисовать сомкнутыми губами, вытянутыми вперед букву «О» охватив максимальную при этом площадь в течение 10 секунд. В данном тесте оценивается площадь нарисованной буквы «О» в мм.
3 тест – «моргание». Пациенту предлагается моргать с максимальной скоростью в течение 10 секунд. В данном тесте оценивается количество морганий в течение 10 секунд.
4 тест – «подъем бровей». Пациенту предлагается с максимальной амплитудой и скоростью свести брови вместе, а затем поднять брови вверх, разводя их в стороны. В данном тесте оценивается движение бровей по оси Х и оси У в мм, а также количество подъемов бровей вверх за 10 секунд.
5 тест – «хмурить брови».  Пациенту предлагается с максимальной скоростью и амплитудой сводить и разводить брови. В данном тесте оценивается движение бровей по оси Х и оси У в мм, а также количество нахмуриваний за 10 секунд.
6 тест – «чтение». Пациенту предлагается с выражением прочитать текст «Озеро Байкал» временной промежуток на выполнение задания не ограничен. В данном тесте оценивается движение бровей, рта по оси Х и оси У во время чтения.
В момент выполнения диагностических тестов программное обеспечение обнаруживает координаты 68 ключевых точек лица, в двумерной системе координат, используя открытую библиотеку компьютерного зрения языка программирования Python (фиг 2.) Амплитудные характеристики движений бровей, век, рта определяются по следующим лицевым ориентирам:
Движение рта по оси Х определяется по точкам: 49,61, 55, 65. По оси У: 51, 53, 59 и 57 точки. В тесте буква «О» - средние значения координат У и Х точек с 61 по 68. Вычисляется по формуле площади Гаусса для неправильных замкнутых многоугольников. Движение бровей по оси Х определяется по точкам: 20 и 25, а по оси У: 20, 21, 24, 25 точек.
Далее ПО переводит полученные значения из пикселей в мм. Эти данные выводятся после обработки в таблице Exсеl. Полученные данные сравниваются со всеми референсными значениями, таким образом определяют наличие гипомимии.
Чувствительность и специфичность метода представлена в таблице 1.
Оценка диагностической ценности с определением чувствительности и специфичности, выявление референсных значений производилась с использованием программного пакета IBM SPSS Statistics 23, при проведении метод статистического ROC-анализа.
Таблица 1. Диагностическая ценность метода.
Диагностический тест
Признак
Чувствительность
Специфичность
Референсные значения
AUC
ДИ 95%
р
Улыбка
Х рта
81,3%
76,7%
>30,32
0,890
[0,811;0,968]
<0,001
У рта
84,4%
53,3%
>19,91
0,789
[0,675;0,903]
<0,001
Частота (раз/10 сек.)
84,4%
76,7%
>9
0,873
[0,781;0,965]
<0,001
Буква «О»
S
87,1%
87,1%
>215
0,940
[0,884;0,996]
<0,001
Моргание
Частота (кол/10 сек)
90,3%
64,5%
>42
0,846
[0,752;0,940]
<0,001
Подъем бровей
Х бровей
80,6%
71%
>12,73
0,841
[0,741;0,941]
<0,001
У бровей
80,6%
71%
>21,32
0,823
[0,716;0,929]
<0,001
Частота (кол/10 сек)
90,3%
90,3%
>7
0,935
[0,863;1]
<0,001
Хмурить брови
Х бровей
80,6%
61,3%
>13,82
0,790
[0,674;0,905]
<0,001
У бровей
80,6%
61,3%
>13,83
0,817
[0,712;0,923]
<0,001
Частота (кол/10 сек)
80,6%
96,8%
>6
0,934
[0,865;1]
<0,001
Чтение
Х рта
80,6%
67,7%
>8,99
0,760
[0,638;0,882]
<0,001
Y рта
77,4%
61,3%
>15,15
0,706
[0,576;0,835]
0,005
Х бровей
54,8%
48,4
>2,24
0,597
[0,454;0,740]
0,188
Y бровей
80,6%
71%
>1,33
0,783
[0,663;0,902]
<0,001
В результате применения данного метода, у пациентов с болезнью Паркинсона определялось снижение амплитудных и скоростных показателей движения мимической мускулатуры, а именно: движения бровей, век, рта, что свидетельствует о гипомимии.
Апробация метода
Исследование проводилось на кафедре нервных болезней с курсом ПО Красноярского государственного медицинского университета имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого. Методом объективной оценки мимики были проанализированы кинематические параметры движений мимической мускулатуры у клинически здоровой пациентки и пациентки с болезнью Паркинсона, также оценена мимика на исходе и пике дозы действия препарата леводопы.
Клинический пример №1.
При проведении видеоанализа движений мимической мускулатуры лица у клинически здоровой женщины в возрасте 72 лет и пациентки с болезнью Паркинсона 71 года 2,0 ст. по Хен и Яру на исходе действия препарата Леводопы были выявлены различия, которые представлены в таблице 2.
Таблица 2. Кинематические показатели мимики у пациентки с болезнью Паркинсона и клинически здоровой пациентки.
№
Диагностический тест
Учетные признаки
Пациентка с БП71 год
Клинически здоровая женщина72 года
Референсные значения
1.
«Улыбка»
Х рта (мм)
11,93
41,46
>30,32
У рта (мм)
6,51
31,35
>19,91
Частота (раз/10 сек.)
8
13
>9
2.
Буква «О»
S (мм<sup>2)</sup>
193
408
>215
3.
Моргание
Частота (раз/10 сек.)
32
43
>42
4.
Подъем бровей
Х бровей (мм)
10,27
20,70
>12,73
У бровей (мм)
18,70
28,16
>21,32
Частота (раз/10 сек.)
6
9
>7
5.
«Хмурить брови»
Х бровей (мм)
13,70
16,40
>13,82
У бровей (мм)
8,33
13,90
>13,83
Частота (раз/10 сек.)
6
9
>6
6.
Чтение текста
Х рта (мм)
8,13
22,22
>8,99
У рта (мм)
15,08
21,93
>15,15
Х бровей (мм)
2,3
2,45
>2,24
У бровей (мм)
1,21
2,43
>1,33
По референсным значениям видно, что все показатели у пациентки с болезнью Паркинсона ниже нормы, что подтверждает наличие гипомимии, как проявления заболевания, что отсутствует у клинически здоровой женщины.
Клинический пример 2.
При помощи данного метода диагностики оценивался эффект дофаминергической терапии у пациентки с БП со стадией по Хен и Яру 2,0. В таблице 3 представлены результаты движения мимической мускулатуры на исходе и пике дозы действия препарата L-ДОФА.
Таблица 3. Анализ мимики на исходе и пике действия препаратов L-ДОФА.
№
Диагностический тест
Учетные признаки
Пациентка с БПисход дозы
Пациентка с БПпик дозы
Референсныезначения
1.
«Улыбка»
Х рта (мм)
11,93
28,77
>30,32
У рта (мм)
6,51
9,90
>19,91
Частота (раз/10 сек.)
8
10
>9
2.
Буква «О»
S (мм<sup>2)</sup>
193
481
>215
3.
Моргание
Частота (раз/10 сек.)
32
37
>42
4.
Подъем бровей
Х бровей (мм)
10,27
14,70
>12,73
У бровей (мм)
18,70
18,77
>21,32
Частота (раз/10 сек.)
6
12
>7
5.
«Хмурить брови»
Х бровей (мм)
13,70
22,28
>13,82
У бровей (мм)
8,33
18,56
>13,83
Частота (раз/10 сек.)
6
10
>6
6.
Чтение текста
Х рта (мм)
8,13
11,73
>8,99
У рта (мм)
15,08
22,41
>15,15
Х бровей (мм)
2,30
2,68
>2,24
У бровей (мм)
1,21
1,24
>1,33
По результатам видеоанализа движений мимической мускулатуры улучшились следующие кинематические показатели: амплитуда движений рта по оси Х и оси У, частота улыбок, площадь нарисованной буквы «О», частота морганий, движение бровей по оси Х и оси У, частота подъема бровей. В тесте чтение наблюдалось увеличение амплитуды движений рта, бровей по оси Х и У.  Применение данного метода объективной оценки мимики пациентов с болезнью Паркинсона позволяет анализировать влияние препаратов L-ДОФА на гипомимию. Из данного клинического примера видно, что препарат L-ДОФА имеет свою эффективность и уменьшает проявление гипомимии, такие показатели как частота улыбок, площадь рисования буквы «О», амплитуда подъема бровей по оси Х, частота подъема бровей, амплитуда при нахмуривании бровей по оси Х и У, частота нахмуриваний, а также амплитудные показатели движений рта по оси Х и У, бровей по оси Х стали, как у клинически здоровых лиц, при сравнении с референсными значениями.
Техническим результатом способа является объективная диагностика наличия гипомимии, что может свидетельствовать о наличии болезни Паркинсона у пациента, а также в оценке эффективности проводимого лечения у пациентов с ранее диагностированной болезнью Паркинсона. Способ является эффективным, простым и доступным в применении, комфортным для пациента, исключает необходимость специальной подготовки персонала.