Способ реабилитации пациентов с нарушением двигательной функции с использованием автоматизированной информационной системы для реализации аудиовизуальной биологической обратной связи
METHOD OF REHABILITATION OF PATIENTS WITH IMPAIRED MOTOR FUNCTION USING AN AUTOMATED INFORMATION SYSTEM FOR THE IMPLEMENTATION OF AUDIOVISUAL BIOFEEDBACK

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для реабилитации и коррекции с использованием биологической обратной связи (БОС) больных с ограниченной двигательной функцией вследствие поражения центральной нервной системы (детский церебральный паралич, инсульты, травмы и т.п.).
Известен способ воспроизведения содержания музыки, который позволяет автоматически выбирать и воспроизводить музыку в соответствии с темпом движения пользователя, на которого надето устройство воспроизведения (патент RU 2380771).
Недостатком данного способа является то, что звуковое воспроизведение музыки меняется только в зависимости от темпа движений и не зависит от самого содержания и/или качества движения.
Известен способ воспроизведения содержания музыки (патент RU 2398291), позволяющий улучшить характеристику развлечения или подъема духа при воспроизведении содержания музыки благодаря обеспечению возможности влияния движений пользователя на воспроизведение содержания музыки.
Недостатком данного способа является то, что содержание музыки синхронизируется с движениями независимо от корректности движений с медицинской точки зрения и способ носит исключительно развлекательный характер.
Известен способ реабилитации и коррекции психофизиологического состояния с использованием многофункциональной биологической обратной связи больных с функциональными заболеваниями сердечно-сосудистой системы, нервной системы, хроническими заболеваниями органов дыхания, заболеваниями мочеполовой системы (патент RU 2289311), заключающийся в воздействии звуковыми колебаниями на тело человека при тренинге с использованием многофункциональной биологический обратной связи и дополнительным сенсорным контролем над физиологическими процессами в механической тональности.
Однако указанный способ не предусматривает возможность осуществлять больным с нарушенной двигательной функцией двигательные упражнения с музыкальным сопровождением, формируемым собственным движением больного с использованием автоматизированной информационной системы.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ реабилитации пациентов с нарушением двигательной функции с использованием автоматизированной информационной системы для реализации аудиовизуальной биологической обратной связи (ALMA S. MERIANS et al. Virtual Reality to Maximize Function for Hand and Arm Rehabilitation: Exploration of Neural Mechanisms. Stud Health Technol Inform. 2009; 145: 109-125).
Однако указанный способ не применим для малолетних детей, тем более с нарушениями интеллекта, а считывание биопотенциалов контролирует работу только определенных мышц, а не сложное движение. При этом для управления биологической обратной связью не используются компьютеры.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является повышение качества реабилитации больных с нарушением двигательной функции за счет использования аудиовизуальной биологической обратной связи при выполнении двигательных упражнений с музыкальным сопровождением, формируемым собственным движением пациента, реализуемой посредством автоматизированной информационной системы.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе реабилитации пациентов с нарушением двигательной функции с использованием автоматизированной информационной системы для реализации аудиовизуальной биологической обратной связи, согласно изобретению проводят тестирование для выявления реакции пациента на музыкальные фрагменты различной тональности, ритмичности; создают видеоизображение образцовых движений, к выполнению которых должен стремиться пациент, и на основе которых создают трехмерную компьютерную модель образцовых движений с последующей демонстрацией пациенту перед началом выполнения им движений и в ходе выполнения, при этом фиксируют параметры движения контролируемых точек тела пациента при помощи системы регистрации и создают трехмерную компьютерную модель движений пациента, сравнивая ее с трехмерной компьютерной моделью образцовых движений, сопровождая совпадение или несовпадение движений музыкальными фрагментами, предварительно подобранными с учетом выявленной реакции пациента на музыкальные фрагменты.
Способ биологической обратной связи (БОС) - это передача человеку дополнительной, не предусмотренной природой информации о состоянии его органов и систем в доступной и наглядной форме. На основе этой информации человек способен включать механизмы саморегуляции и целенаправленно использовать огромные функциональные возможности организма с целью поддержания своих функций в норме (тем самым сохраняя и укрепляя свое здоровье) и коррекции деятельности нарушенных функций при патологии.
Биологическая обратная связь заключается в непрерывном мониторинге в режиме реального времени определенных физиологических показателей и сознательном управлении ими с помощью мультимедийных, игровых и других приемов в заданной области значений. При помощи обратной биологической связи можно усилить или ослабить определенный физиологический показатель. В заявляемом способе между движениями пациента и музыкальным сопровождением формируется обратная биологическая связь.
При осуществлении заявляемого способа используют программно-аппаратный комплекс, в состав которого входят персональный компьютер, устройство получения трехмерных видеоизображений, устройства воспроизведения звука и видеомонитор (телевизор или видеопроектор, соединенный с компьютером). При необходимости комплекс может быть дополнен движущейся дорожкой с системой поддержки или подвеса пациента. В качестве видеомонитора могут использоваться очки (шлем) дополненной или виртуальной реальности. Это расширяет свободу движения пациента, которая не будет ограничена расположением видеомонитора.
В автоматизированной информационной системе для получения трехмерных моделей движений пациента могут быть использованы следующие устройства:
- система регистрации, включающая цифровые видеокамеры и локаторы пространства (оптического диапазона или ультразвуковых), определенным образом расположенные относительно пациента, движения которого регистрируются;
- система электронных цифровых датчиков (проводных или беспроводных), расположенных непосредственно на теле движущегося пациента;
- комбинация первых двух систем.
Расположение аппаратной части комплекса и пациента зависит от типа используемой системы регистрации движения пациента. Пациент располагается (стоит сам или поддерживается с помощью системы поддержки) преимущественно лицом к видеомонитору. Если используется система видеокамер и локаторов пространства, то приборы располагаются перед пациентом со стороны видеомонитора и фиксируют контролируемые точки пациента.
В случае использования системы электронных цифровых (проводных или беспроводных) датчиков движения, они размещаются непосредственно на контролируемых точках тела пациента. Существенным является расположение пациента лицом к видеомонитору.
Компьютер и звуковая система располагаются произвольно, чтобы не мешать движению пациента.
Информация от указанных систем поступает на компьютер, который обрабатывает поступающую информацию о движениях пациента, строит трехмерную компьютерную модель движений, фиксирующую траекторию движений определенных контролируемых точек тела пациента.
Распознавание движений пациента с помощью контролируемых точек тела движения человека основано на скелетной модели тела, по которой определяются контролируемые узловые точки. В качестве таких точек выбираются суставные сочленения и другие точки тела, необходимые для распознавания движений человека. При необходимости на скелетной модели могут быть определены дополнительные точки, положение которых может быть вычислено, исходя из их расположения относительно первичных узловых точек скелетной модели.
Таким образом, датчики для регистрации движений пациента располагаются на соответствующих точках его скелетной модели.
Пример осуществления заявляемого способа
Проводят тестирование (мягко, для детей в игровой форме) для определения психоэмоционального состояния пациента с целью выявления его музыкальных предпочтений, а также для выявления реакции пациента на музыкальные фрагменты различной тональности, ритмичности (информация о музыке, которая нравится или не нравится пациенту, добавляется в библиотеку профиля пациента).
Предварительно разрабатывают цикл упражнений, включающий движения, подобранных с учетом особенностей заболевания и состояния пациента. Цикл упражнений для пациентов с ограниченной двигательной функцией подбирается лечащим врачом в индивидуальном порядке, зависит от тяжести состояния пациента и особенностей его заболевания. В него могут входить упражнения для расслабления, для улучшения динамики, для стимуляции действий и т.д.
Создают видеоизображение образцовых движений, к выполнению которых должен стремиться пациент. На основе видеоизображения создают трехмерную компьютерную модель образцовых движений. Для каждого упражнения существует свой образец движений, которые считаются эталонными.
Видеоизображение демонстрируют движения пациенту перед выполнением упражнения и в ходе его выполнения. Пациент повторяет движения, стремясь к достижению полного совпадения с образцовыми движениями. Движения пациента фиксируют при помощи системы регистрации и создают трехмерную компьютерную модель движений пациента.
Система регистрации движения пациента фиксирует параметры движения контролируемых точек тела пациента. После чего создают трехмерную компьютерную модель движений контролируемых точек тела пациента и сравнивают их с параметрами движения соответствующих точек образцовых движений выполняемого упражнения. В процессе определения совокупности параметров движения точек тела пациента и сравнения с совокупностью параметров движения соответствующих точек образцовых движений производится необходимая математическая обработка (усреднение, минимизация ошибок распознавания, применение методов фильтрации, быстрого преобразования Фурье и т.д.).
Производят анализ корректности движения пациента и в соответствии с его результатами музыкальное сопровождение демонстрирует пациенту относительную корректность или некорректность выполнения упражнения. При относительной корректности выполнения упражнений воспроизводится поощряющее музыкальное сопровождение, а при относительной некорректности воспроизводится подбадривающее музыкальное сопровождение, при этом музыкальное сопровождение формируется собственным движением пациента с учетом выявленной реакции пациента на музыкальные фрагменты. Анализ корректности соответствия движений пациента образцовым движениям, к выполнению которых должен стремиться пациент, производится автоматически программным обеспечением автоматизированной информационной системой программно-аппаратного комплекса.
При сравнении параметров движения пациента с параметрами образцового движения определяют не только степень соответствия параметров данного выполнения упражнения, но и отслеживают динамику развития корректности движения как по каждому упражнению, так и по всему циклу в целом.
Темп движения задается музыкальным сопровождением, которое выбирается из библиотеки персонального профиля пациента. Библиотека профиля формируется до начала занятий. Под наблюдением специалистов (для детей в игровой форме) по реакции пациента определяется относительная степень восприятия разного вида звукового фона: резко неприятный - неприятный при длительном восприятии - нейтральный - приятный короткое время - приятный длительное время - возбуждающий восторженную реакцию.
Под музыкальным сопровождением понимается любые сочетания музыкальных фрагментов и звуковых сигналов. Звуковое сопровождение может представлять собой отрывки из музыкальных произведений, пение, человеческую речь, отрывки из развлекательных передач, звуки живой и неживой природы, звуки, созданные компьютерным синтезированием и компьютерной обработкой звуков естественного происхождения, разнообразные шумы природного происхождения и так далее.
Звуковое сопровождение, задающее темп выполнения упражнений, должно соответствовать типу восприятия - приятный при длительном прослушивании.
Для создания позитивного настроения используют разнообразные игровые сценарии с музыкальным сопровождением. Пациент сам выбирает комплексное аудиовизуальное сопровождение, которое должно иметь только позитивное содержание.
В предлагаемой заявке «поощряющая музыка» - набор звуковых комбинаций, вызывающий у пациента дополнительные положительные эмоции, которые пациент получает в награду за правильное выполнение упражнений. Дополнительно звуковые эффекты могут сопровождаться визуальным эффектами на мониторе (фейерверки и т.д.), также вызывающие положительные эмоции у пациента.
А «подбадривающая музыка» - звуковой фон занятия, создающий позитивный настрой и необходимый ритм, стимулирующий повторение неполучающегося движения.
Музыкальное сопровождение формируется собственным движением пациента. Движения пациента сравниваются с созданным образцовым движением и при соответствии движений пациента образцовому движению воспроизводится поощряющее музыкальное сопровождение, а при несовпадении движений - подбадривающее музыкальное сопровождение. Таким образом, музыкальное сопровождение формируется собственным движением пациента.
В зависимости от степени соответствия движения пациента образцовому движению на звуковой фон, задающий темп движения, могут накладываться разнообразные звуки, которые, с одной стороны, отражают степень соответствия движения пациента образцовому движению (с учетом индивидуальных особенностей восприятия пациента), а с другой стороны, мотивируют его на продолжение занятий и совершенствование движения. Таким образом, реализуется биологическая обратная связь.
Параметры траекторий движения контролируемых точек тела пациента, соответствующие образцовому движению всех упражнений, должны храниться (либо в абсолютных, либо в относительных единицах, для масштабирования) в базе данных программы, управляющей системой реабилитации для отслеживания динамики состояния пациента.
Для отслеживания динамики развития корректности движения ведут электронный журнал занятий. В журнале фиксируют все измеряемые и вычисляемые параметры по каждому занятию. Кроме этого, в журнале могут сохраняться видеофрагменты занятий.
Дополнительно, при наличии технической возможности (быстрого канала доступа к сети Интернет), можно включить режим прямого доступа врача, курирующего реабилитацию, к журналу занятий и наблюдению занятий в реальном времени.
Двигательные упражнения относятся к упражнениям для активизации мозга. Под влиянием двигательных упражнений, осуществляемых под благоприятное музыкальное сопровождение, соответствующее психоэмоциональному состоянию пациента, в организме происходят положительные структурные изменения. Сила, равновесие, координация, подвижность, пластичность нервных процессов осуществляется на более качественном уровне. Применение заявляемого способа актуально для реабилитации пациентов с ограниченной двигательной функцией вследствие поражения центральной нервной системы (детский церебральный паралич, инсульты, травмы и т.п.) благодаря использованию автоматизированной информационной системы с реализацией аудиовизуальной биологической обратной связи для реабилитации пациентов с нарушением двигательной функции с использованием.