УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ВИРТУАЛЬНЫМИ ТЕКСТУРАМИ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЧРЕЗКОЖНОЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ

Полезная модель относится к восстановительной медицине, в частности травматологии, невропатологии, реабилитации, и может быть использована для восстановительного лечения больных с различными заболеваниями, вызывающими нарушение тактильной чувствительности, проприоцепции, моторной функции.
Предшествующий уровень техники.
Сенсорная функция верхней конечности (ВК) играет ключевую роль во взаимодействии человека с окружающей средой. Сенсорные нарушения ВК являются распространенным явлением, и примерно у 40% людей после инсульта остаются в хронической фазе [1], что негативно влияет на способность контролировать силу захвата [2], манипулировать и распознавать объекты в руке без поддержки зрения [3] и спонтанное использование руки в повседневной деятельности [4, 5]. Также описано, что люди с сенсорными нарушениями ВК после инсульта испытывают трудности во многих видах повседневной деятельности, таких как уход за собой при принятии душа, одевании и завязывании шнурков, в бытовой деятельности при приготовлении пищи, захвате предметов и использовании столовых приборов, а также во время различных видов досуга [6]. Одним из методов тренировки, который может улучшить сенсорную функцию ВК, является сенсорное повторное обучение [7, 8]. Обучение основано на активном исследовании различных материалов и предметов с помощью конечности с нарушенной чувствительностью, при этом внимание уделяется сенсорным стимулам (т.е. сенсорной дискриминации, распознаванию тактильных объектов и проприоцепции). Кроме того, используются такие принципы обучения, как повторяющаяся и интенсивная практика, постепенное развитие, прерывистая обратная связь и калибровка с помощью зрения или непораженной руки. Однако, поскольку сенсорная и моторная системы в центральной и периферической нервной системе постоянно взаимодействуют во время движений [9, 10], может быть важно сочетать сенсорные и моторные тренировки (тренировки, специфичные для конкретной задачи) при реабилитации ВК после инсульта [11]. Ранее был разработан протокол тренировки под названием "Сенсорное повторное обучение верхней конечности" после инсульта, в котором сочетались сенсорное повторное обучение и тренировка, специфическая для конкретной задачи, для ВК [12, 13]. В рандомизированном контролируемом исследовании (РКИ) 27 участников были рандомизированы либо на сенсорное повторное обучение в сочетании с тренировками для решения конкретных задач (n=15), либо только на тренировки для решения конкретных задач (n=12, контрольная группа) в течение 5 недель. Группа сенсорного обучения улучшила сенсорную функцию руки (с точки зрения порогов осязания) и выполнение повседневной деятельности рук значительно больше, чем контрольная группа [14].
Недостатком описанного метода является необходимость использовать для первой части тренировки большого количества разнообразных текстур, невозможность легко адаптировать задание под конкретного пациента и отсутствие автоматизированной системы анализа результатов терапии и отслеживания динамики пациента.
Патентными аналогами заявленного устройства являются
1) Игровое устройство для развития образно-пространственного мышления на основе использования тактильных ощущений наряду со зрительным восприятием (см. RU 2775477 C1, опубл. 01.07.2022);
2) Устройство для электростимуляции иммобилизированной конечности (см. RU 124574 U1, опубл. 10.02.2013)
3) Устройство и способ, относящиеся к устройству электростимуляции (см. RU 2671870 C2, опубл. 07.11.2018.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении эффективности и удобства и безопасности устройство для генерации и взаимодействия с виртуальными текстурами на основе программируемой чрезкожной электростимуляции, которые обеспечивается применением единого безопасного корпуса с расположением всех функциональных деталей в едином корпусе.
Результатом, обеспечиваемым данным устройством, является повышение эффективности реабилитации пациентов, направленной на улучшение сенсорной и моторной функции и сенсомоторной интеграции, а также повышение вовлеченности пациентов в терапевтическую процедуру за счет предъявления разнообразных, в том числе и игровых сценариев, и возможности адаптивной настройки сценариев под конкретного пациента.
Заявленный технический результат достигается за счет создания устройства для генерации и взаимодействия с виртуальными текстурами на основе программируемой чрезкожной электростимуляции, содержащего сенсорную панель для тактильного обследования, экран для предъявления обратной связи и информации о результатах тренировки, электростимулятор для проведения функциональной электростимуляции с присоединенными электродами для миоэлектростимуляции. Функциональные детали устройства жестко закреплены на пластиковом корпусе, на лицевой стороне которого расположены кнопка включения, ручка настройки интенсивности электростимуляции, кнопки выбора программы тренировки, кнопки выбора правильного ответа, экран для отображения выбранной программы тренировки и параметров электростимуляции.
В частном случае выполнения пластиковый корпус выполнен из медицинской пластмассы.
В частном случае выполнения в корпусе устройства выполнены выемки для размещения кабеля и электродов.
В частном случае выполнения в корпусе выемки снабжены фиксаторами для кабеля и электродов.
В частном случае выполнения электроды соединены с закрепляющей лентой для крепления на пальце пациента.
В частном случае выполнения соединительный кабель выполнен трехжильным витым.
В частном случае выполнения устройство позволяет предъявлять виртуальные текстуры, регистрировать перемещения пальца и посылает команду на стимуляцию в соответствии с параметрами текстуры и траекторией движения пальца по планшету.
В частном случае выполнения автоматически анализирует точность выполнения заданий и адаптивно регулирует интенсивность стимуляции и сложность выполняемых заданий для повышения заинтересованности пациента.
В частном случае выполнения позволяет реализовать бесконечный набор сценариев посредством модификации управляющего кода.
В частном случае выполнения содержит картридж, в котором закодированы сценарии сессии реабилитации, содержащие, в том числе, информацию об индивидуальной траектории реабилитации пациента.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых
фиг. 1 - схема предлагаемого технического решения;
фиг. 2 - внешний вид устройства;
фиг 3. - пример виртуальных текстур, кодируемых на поверхности планшета (пересечение пальцем, каждой из невидимых линий виртуальной текстуры порождает единичный импульс электрической стимуляции);
фиг. 4 - два типа предъявляемых виртуальных текстур (сверху). Запись стимулирующего сигнала при обследовании менее (а) и более (б) плотной текстуры, произведенная с помощью осциллографа (снизу);
фиг. 5 - показатели точности и других параметров выполнения задания пациентом.
Устройство включает в себя сенсорную панель для тактильного обследования (1), экран для предъявления обратной связи и информации о результатах тренировки (2), электростимулятор для проведения функциональной электростимуляции с присоединенными электродами для миоэлектростимуляции (3). Функциональные детали устройства заключены в пластиковый корпус, на лицевой стороне которого расположены кнопка включения (4), ручка настройки интенсивности электростимуляции (5), кнопки выбора программы тренировки (6), кнопки выбора правильного ответа (7), экран для отображения выбранной программы тренировки и параметров электростимуляции (8) и сплот для картриджа (9).
Схема предлагаемого технического решения
a - планшет с сенсорным экраном, на котором предъявляются виртуальные текстуры, кнопки для выбора ответа, обратная связь. При обследовании пациентом текстур планшет посылает сигнал на программируемое устройство для функциональной электростимуляции (b), которое производит электростимуляцию посредством электродов, закрепленных на пальце (c).
Устройство работает следующим образом.
На палец пациента надевают миографические электроды. Конкретное место крепления электродов подбирают индивидуально в соответствии с рекомендациями лечащего врача, как правило, на уровне первой и второй фаланги указательного пальца. При помощи пользовательского интерфейса подбирают силу электрической стимуляции, на 1 мА превышающую порог чувствительности. Параметры стимуляции должны быть подобраны таким образом, чтобы пациент ясно распознавал импульсы, но не испытывал неприятных или болевых ощущений. Пациенту объясняют суть задания, заключающегося в том, чтобы одним пальцем обследовать две обозначенные области экрана, на которых расположены закодированные виртуальные текстуры. Пациент не может их видеть, но каждой из текстур соответствует определенный тип электростимуляции, которую он чувствует, когда проводит пальцем по участку экрана. Пересечение пальцем каждой из линий виртуальной невидимой пациенту текстуры порождает единичный импульс электрической стимуляции. Задачей пациента является выбрать из двух текстур ту, которая соответствует заданному условию. Например, текстуру с более частой сеткой линий. Чтобы дать ответ, пациент должен нажать на кнопку на экране, расположенную под текстурой. После этого на экране предъявляется обратная связь о правильности решения.
Установленное на планшете ПО реализует следующие функции:
Запускает работу функционального электростимулятора MOTIONSTIM 8.
Генерирует пары бинарных матриц, кодирующих модельные текстуры различной плотности.
Представляет эти пары текстур испытуемому вместе с парой кнопок ответа.
Следит за пальцем испытуемого на экране компьютера, обновляя положение пальца по крайней мере каждые 5 мс.
Генерирует и передает через USB команды на MOTIONSTIM 8, которые инициируют стимуляцию каждый раз, когда палец, исследующий виртуальную текстуру, появляется над активным пикселем (со значением "1").
Записывает траекторию движения пальца и абсолютные метки времени, соответствующие моментам представления задания и принятия решения (нажатия программных кнопок).
Генерирует визуальную обратную связь с испытуемым в зависимости от его/ее выбора.
ПО состоит из нескольких модулей, перечисленных ниже:
TrackBeep2_Sound_Traj.m - основной скрипт, реализующий парадигму активного прикосновения с периферической стимуляцией
MotionFcn_patients_periph.m - функция обратного вызова фигуры Matlab, которая отслеживает движение, записывает траекторию, посылает команду "Start" на стимулятор MotionStim 8
Fes_parameters.m - программирует последовательность стимулов, которая будет генерироваться MotionStim 8, и посылает соответствующую команду на стимулятор
Combinations_patients.m - генерирует набор индексов текстур для формирования пар, которые будут предъявлены испытуемому
- Textures.m - генерирует бинарные матрицы текстур.
Литература:
1. Kessner, S.S.; Schlemm, E.; Cheng, B.; Bingel, U.; Fiehler, J.; Gerloff, C.; Thomalla, G. Somatosensory deficits after ischemic stroke. Stroke 2019, 50, 1116-1123.
2. Nowak, D.A.; Hermsdorfer, J.; Topka, H. Deficits of predictive grip force control during object manipulation in acute stroke. J. Neurol. 2003, 250, 850-860.
3. Yekutiel, M. Sensory Re-Education of the Hand after Stroke; Whurr Publishers: London, UK, 2000.
4. Sullivan, J.E.; Hedman, L.D. Sensory dysfunction following stroke: Incidence, significance, examination, and intervention. Top. Stroke Rehabil. 2008, 15, 200-217.
5. Carey, L.M.; Matyas, T.A.; Baum, C. Effects of somatosensory impairment on participation after stroke. Am. J. Occup. Ther. 2018, 72, 7203205100p1-7203205100p10.
6. Carlsson, H.; Gard, G.; Brogardh, C. Upper-limb sensory impairments after stroke: Self-reported experiences of daily life and rehabilitation. J. Rehabil. Med. 2018, 50, 45-51.
7. Carey, L.; Macdonell, R.; Matyas, T.A. SENSe: Study of the effectiveness of neurorehabilitation on sensation: A randomized controlled trial. Neurorehabilit. Neural Repair 2011, 25, 304-313.
8. Turville, M.L.; Walker, J.; Blennerhassett, J.M.; Carey, L.M. Experiences of upper limb somatosensory retraining in persons with stroke: An interpretative phenomenological analysis. Front. Neurosci. 2019, 13, 756.
9. Purves, D. Neuroscience, 6th ed.; Oxford University Press: New York, NY, USA, 2019.
10. Kessner, S.S.; Bingel, U.; Thomalla, G. Somatosensory deficits after stroke: A scoping review. Top. Stroke Rehabil. 2016, 23, 136-146.
11. Normann, B.; Fikke, H.K.; ØBerg, G.K. Somatosensory impairments and upper limb function following stroke: Extending the framework guiding neurological physiotherapy. Eur. J. Physiother. 2015, 17, 81-88.
12. Carlsson, H.; Rosen, B.; Pessah-Rasmussen, H.; Bjorkman, A.; Brogardh, C. SENSory re-learning of the UPPer limb after stroke (SENSUPP): Study protocol for a pilot randomized controlled trial. Trials 2018, 19, 229.
13. Carlsson, H.; Rosén, B.; Björkman, A.; Pessah-Rasmussen, H.; Brogardh, C. SENSory re-learning of the UPPer limb (SENSUPP) after stroke: Development and description of a novel intervention using the TIDieR checklist. Trials 2021, 22, 430.
14. Carlsson H, Lindgren I, Rosén B, Björkman A, Pessah-Rasmussen H, Brogardh C. Experiences of SENSory Relearning of the UPPer Limb (SENSUPP) after Stroke and Perceived Effects: A Qualitative Study. Int J Environ Res Public Health. 2022 Mar 18; 19(6): 3636.