КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЛАЗЕРНО-ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОДВИЖЕНИЙ РУК
COMPUTER-AIDED LASER OPTICAL METHOD OF ARM MICRO MOTION STUDY

Изобретение относится к медицине, а именно к неврологии, травматологии и ортопедии, клинической физиологии, спортивной медицине и реабилитологии, и может быть использовано для исследования динамики течения заболевания и (или) восстановительного периода у больных травматологического, неврологического, ревматологического профилей; при проведении психофизиологических и биомеханических исследований в аспекте изучения произвольной двигательной активности человека.
Близким решением является способ, описанный Серебряковой Н.Г., Ефимовым А.П (RU 2112169 C1, МПК А61В 5/103), в основе которого лежит измерение тремора каждой конечности в области спектра 7,5-13,5 Гц, осуществление его амплитудно-частотного анализа, для каждой конечности обсчитывание интегралов А1 в области спектра 7,5-10,5 Гц и А2 области спектра 10,5-13,5 Гц. Полученные данные используют по предложенной математической формуле для вычисления коэффициента К, по величине которого оценивают хорошую, нормальную или плохую физическую подготовленность.
Недостатками данного способа являются невозможность изучения тремора в иных, отличных от указанных, спектрах, отсутствие возможности изучения сложных целенаправленных движений, в аспекте изучения особенностей статической нагрузки, у пациентов с локальным поражением отдельных мышц плеча, предплечья или кисти; получение лишь частотных характеристик тремора, без учета количественно-пространственных значений, имеющих немаловажное значение для экспериментальной и клинической медицины. Применение метода по описанной авторами схеме относительно малоинформативно. Вышеперечисленные причины приводят к низкой эффективности метода у пациентов первичного звена здравоохранения.
Задачей изобретения является разработка высокоинформативного способа для исследования микродвижений рук, тремора и устойчивости к статической нагрузке конечностей, применимого в ряде клинических дисциплин для использования в рамках исследования динамики течения заболевания и (или) восстановительного периода и для проведения исследований в аспекте изучения произвольной двигательной активности у испытуемых.
Поставленная задача достигается тем, что во время исследования проводят с помощью специализированного программного обеспечения (ПО «Клото», номер госрегистрации 2008610184, зарегистрирован 09.01.2008, авторы и патентооблатели Михайлов Илья Владимирович, Ткаченко Павел Владимирович) и электронного устройства запись данных о перемещении луча с фиксированного на заинтересованной структуре генератора видимых параллельно-узконаправленных лучей определенного спектра (по типу «лазерной указки») с целью получения данных о скорости перемещения луча и координат его перемещения в двухмерном пространстве для повышения информативности и эффективности исследования микродвижений рук, тремора и устойчивости к статической нагрузке конечностей.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 изображены визуализируемые при помощи программы ПО «Клото» показатели двигательной активности - врабатываемости, оптимума и утомления; на Фиг.2 изображен общий вид испытуемого при проведении исследования; на Фиг.3 изображены результаты, полученные при помощи ПО «Клото» по испытуемому К., левая рука; на Фиг.4 изображены результаты, полученные при помощи ПО «Клото» по испытуемому К., правая рука.
Способ осуществляется следующим образом. Генератор инфракрасных лучей фиксируется на интересующем участке тела при помощи резиновой ленты. Испытуемый располагается таким образом, чтобы длина луча до электронного устройства составляла не менее 0,1 метра, однако при проведении серии исследований у одного и того же пациента необходимо, чтобы расстояние было одинаковым с точностью до 0,01 метра. Исследуемым дается следующая инструкция: «Фиксируйте видимый луч максимально неподвижно на приемном устройстве до команды «Стоп»». После фиксации инфракрасного луча на электронном устройстве запускается программа (ПО «Клото»), позволяющая фиксировать перемещение данного луча в 2D пространстве.
Время исследования - 60-600 секунд, частота съема данных - 0,25-0,5 с, единица измерения перемещения - пиксел, диаметр инфракрасного луча на приемном устройстве - 10 мм.
После получения первоначальных цифровых данных программой ПО «Клото» проводится вычисление коэффициентов, дающих количественно-качественную характеристику микродвижений. Этими конечными коэффициентами являются: общее ранговое место (ОРМ), позволяющее оценить частотно-амплитудные характеристики микродвижений за весь период исследования суммарно; спектрально-временной коэффициент (СВК), позволяющий оценить длительность и характер основных показателей двигательной активности - врабатываемости, оптимума и утомления; коэффициент характера перемещения (КХП), характеризующий аттрактор, возникающий в результате микродвижений, и позволяющий оценить приоритетное направление движения и его тип в 2D пространстве.
Основой метода является положение, согласно которому значение «0», регистрируемое ПО «Клото», является отсутствием инфракрасного луча на электронном устройстве. Это положение становится очевидным, так как для того чтобы при нахождении луча на электронном устройстве регистрировалось значение «0», необходимо, чтобы частота микродвижений заинтересованного участка тела составляла менее 0,00002 Гц (при длине луча 1500 мм), вероятность чего в биологической системе стремится к нулю.
Общий алгоритм расчета общего рангового места (ОРМ) представлен в таблице 1.
Таблица 1
Пошаговый алгоритм определения ОРМ и используемые в работе программы
№ п/п
Шаг алгоритма выполнения
Использованная программа для ЭВМ
1
Получение первичных данных о перемещении
ПО «Клото»
2
Подсчет статистической средней по каждому испытуемому
MS Excel
3
Подсчет кол-ва знаков «0», без учета знака «0» в первой строке
MS Excel
4
Подсчет общего кол-ва ячеек (временных интервалов съема данных), без учета первой строки
MS Excel
5
Определение процентного содержания знаков «0»
MS Excel
6
Определение класса точности по прилагаемой шкале
-
7
Определение общего рангового места по прилагаемойтаблице
-
В результате синхронной компьютерной обработки видеозаписи, проведенной в отдельной серии исследований в группе из 240 человек, состоящих из равного количества испытуемых мужского и женского пола, нами получены данные, позволившие составить шкалу для определения класса точности и дифференцировать высоко- и низкоамплитудные движения.
В таблице 2 приведена шкала для оценки класса точности после получения цифровых данных программой ПО «Клото».
Таблица 2
Шкала определения класса точности
Количество знаков «0», %
Описательная характеристика
Класс точности
0-14
Отсутствие знаков «0»
1
15-29
Единичные знаки «0»
2
30-44
Частые знаки «0»
3
45-59
Равное кол-во знаков «0»
4
60-74
Множество знаков «0»
5
75-89
Подавляющее кол-во знаков «0»
6
90-100
Только «0»
7
Однако было выявлено, что количество знаков «0», которые мы характеризовали как «промах», т.е. отсутствие попадания инфракрасного луча на электронное устройство, находится в сложной связи с числовым значением скорости. Нами выделено 2 ранга - высокие (первый амплитудный ранг) и низкие (второй амплитудный ранг) числовые показатели, отдельно дифференцируемые по полу и руке. Определение амплитудного ранга целенаведения и целеудержания по средним значениям в зависимости от расстояния приведено в таблице 3.
Таким образом, была создана система, включающая в себя, с одной стороны, класс точности, т.е. процентное соотношение количества знаков «0», или «промахов», и различный уровень числовых значений (высокий или низкий), формирующих амплитудный ранг; варианты взаимоотношений данной системы формируют общее ранговое место (ОРМ). Алгоритм расчета общего рангового места, визуальная характеристика целенаведения и целеудержания приведена в таблице 4.
Таблица 4
Алгоритм расчета общего рангового места (ОРМ)
Визуальная характеристика
Амплитудный ранг
Класс точности
ОРМ
Отсутствие «промахов», низкая амплитуда движений
1
1
1
Отсутствие «промахов», высокая амплитуда движений
2
1
2
Единичные «промахи», низкая амплитуда движений
1
2
3
Единичные «промахи», высокая амплитуда движений
2
2
4
Частые «промахи», высокая амплитуда движений
1
3
5
Частые «промахи», низкая амплитуда движений
2
3
6
Равное кол-во числовых показаний и «промахов», высокая амплитуда движений
1
4
7
Равное кол-во числовых показаний и «промахов», низкая амплитуда движений
2
4
8
Множественные «промахи», высокая амплитуда движений
1
5
9
Множественные «промахи», низкая амплитуда движений
2
5
10
Подавляющее кол-во «промахов»
1-2
6
11
Только «промахи»
1-2
7
12
Таким образом, чем выше общее ранговое место, тем меньше амплитуда и частота микродвижений.
Однако при анализе видеозаписи выявлено, что равное значение ОРМ формировалось при различной траектории движения инфракрасного луча в 2D пространстве. Поэтому дальнейший анализ был проведен с построением 3D графика эксперимента. Ось X обозначала перемещение по вертикали, ось Y - перемещение по горизонтали, ось Z - время эксперимента. Таким образом, рассчитывается коэффициент характера перемещения (КХП). Описание КХП приведено в таблице 5, в которой при описании движения в 2D пространстве правый верхний квадрант, образуемый при пересечении вертикальной оси (X) и горизонтальной оси (Y), обозначается как (+А), левый нижний квадрант как (-А), левый верхний квадрант как (+В), правый нижний квадрант как (-В). Значение (2х) характеризует высокоамплитудный тип движения по указанной оси.
Описанный выше коэффициент (КХП) может характеризовать аттрактор за весь период исследования, а также с учетом длительности и характера основных показателей двигательной активности - врабатываемости, оптимума и утомления.
Период врабатываемости (В) (Фиг.1) начинается с момента начала эксперимента и продолжается до наступления периода оптимума. На графике «изменение координаты указателя», автоматически оформляемом ПО «Клото», этот период характеризуется высокими числовыми значениями, и соответственно, высокой амплитудой; возможно наличие значений «0». Впоследствии, в ходе эксперимента у данного испытуемого, эта характеристика не выявляется.
Период первого оптимума (O1) (Фиг.1) наступает вслед за периодом врабатываемости и продолжается до периода утомления. На графике «изменение координаты указателя», автоматически оформляемом ПО «Клото», этот период характеризуется низкими числовыми значениями, и соответственно, низкой амплитудой.
Период первого утомления (У1) (Фиг.1) наступает вслед за периодом первого оптимума и продолжается до периода второго оптимума. На графике «изменение координаты указателя», автоматически оформляемом ПО «Клото», этот период характеризуется высокими числовыми значениями, и соответственно, высокой амплитудой.
Период второго оптимума (O2) (Фиг.1) наступает вслед за периодом первого утомления и продолжается до периода второго утомления. На графике «изменение координаты указателя», автоматически оформляемом ПО «Клото», этот период характеризуется низким числовыми значениями, и соответственно, низкой амплитудой.
Период второго утомления (У2) (Фиг.1) наступает вслед за периодом второго оптимума. Длительность его при проведении исследования в течение 60 секунд однозначно определить невозможно ввиду индивидуальных особенностей испытуемых. На графике «изменение координаты указателя», автоматически оформляемом ПО «Клото», этот период характеризуется высокими числовыми значениями, и соответственно, высокой амплитудой и (или) множественными значениями «0».
Для анализа указанных характеристик был предложен спектрально-временной коэффициент (СВТ).
Расчет СВТ проводится по следующей формуле:
1
2
СВТ=O-O
1
2
Где О - длительность оптимума-1 (в секундах); О -длительность оптимума-2 (в секундах). Положительный коэффициент характеризует развитие утомляемости, отрицательный коэффициент характеризует врабатываемость. Числовое значение коэффициента дает представление о степени представленных процессов. Таким образом, коэффициент (-2) позволяет предположить наличие значительно выраженной врабатываемости как характеристики микродвижения, а коэффициент (+2) позволяет сделать заключение о высокой утомляемости у данного испытуемого. Значение коэффициента, равного (0) или стремящегося к нему, является показателем оптимальной работы как периферического нервно-мышечного аппарата, так и нервных центров, координирующих реализацию микродвижений рук.
Отрицательный коэффициент (врабатываемость) в большей степени характеризует физиологические явления реализуемой двигательной активности, а не психофизиологические, как период врабатываемости (В). Следовательно, эти критерии не тождественны.
Таким образом, указанные коэффициенты (ОРМ, КХП и СВК), лежащие в основе предлагаемого метода, позволяют произвести полный анализ микродвижений и не требуют значительных затрат времени и наличия дорогостоящего оборудования.
Пример конкретного применения
Исследование проведено на 120 студентах обоего пола (60 мужчинах и 60 женщинах), давших добровольное информированное согласие на проведение эксперимента и не имеющих на момент проведения исследования и в анамнезе патологии со стороны центральной и периферической нервной системы, нервно-мышечного аппарата и зрения, ревматологических и эндокринных заболеваний.
Для приближения к практической базе и сокращения времени наступления физиологических процессов, сопровождающих двигательную активность, генератор инфракрасных лучей фиксировался по типу «лазерного прицела» к макету пистолета системы Макарова (ПМ) весом 730 г.
Испытуемый располагался таким образом, чтобы длина луча до электронного устройства составляла 1500 мм. Давалась следующая инструкция: «Фиксируйте лазерный луч по возможности неподвижно на приемном устройстве до команды «Стоп»».
Электронное устройство крепилось к стене в соответствии с ростом испытуемого.
Испытуемыми с фиксированным в руке макетом пистолета принималась стойка, приближенная к таковой для ведения стендовой пулевой стрельбы: рука полностью выпрямлена в локтевом суставе, перпендикулярна к туловищу в области плечевого сустава (угол отклонения от туловища составляет 90°), туловище перпендикулярно приемному устройству (при исследовании правой руки расположение структур на одной воображаемой прямой следующее: электронное устройство, макет пистолета Макарова (ПМ), правое предплечье, правое плечо, голова, левое плечо; при исследовании левой руки: электронное устройство, макет пистолета Макарова (ПМ), левое предплечье, левое плечо, голова, правое плечо). Ноги расставлены на ширину плеч, неисследуемая конечность плотно прижата к туловищу. Кисть расположена таким образом, чтобы последовательно, сверху вниз, расположение структур было следующее: мушка, ствол, рукоятка. Генератор инфракрасного излучения фиксировался на верхнествольной части таким образом, чтобы генерируемый им луч был параллелен ходу дульного канала макета пистолета Макарова (ПМ). Общий вид испытуемого при проведении исследования представлен на Фиг.2.
В начале эксперимента испытуемыми фиксировался инфракрасный луч на приемном устройстве. После этого запускалось ПО «Клото». Время исследования составляло 60 секунд, частота съема данных составляла 0,250 секунд. Исследование проводилось в следующей последовательности: правая рука, левая рука. После исследования одной конечности следующее исследование проводилось с интервалом 10 минут для исключения явлений утомления со стороны нервно-мышечного аппарата, центров ЦНС, участвующих в реализации двигательной программы и зрения.
После этого проводился расчет коэффициентов ОРМ, КХП и СВТ как отдельно для каждого испытуемого, так и средних значений для правой и левой руки как у мужчин, так и у женщин.
Среднестатистические результаты в указанных группах приведены в таблице 6.
Таблица 6
Средние значения с ошибкой (М±м) коэффициентов ОРМ, КХП, СВТ правой и левой рук у испытуемых мужского и женского пола
Параметр
Мужчины, правая рука
Мужчины, левая рука
Женщины, правая рука
Женщины, левая рука
ОРМ
3,719±0,991
4,438±1,585
3,653±0,779
4,857±1,242
СВТ
-1,281±4,965
0,625±5,053
-2,245±3,509
1,551±5,766
T
В
18,563±9,370
14,188±6,109
16,633±9,289
18,837±8,217
O1
6,219±2,472
8,813±4,816
6,469±2,283
9,449±4,383
У1
17,813±10,976
15,844±6,605
19,694±10,363
13,204±6,245
O2
7,500±4,399
8,188±4,344
8,714±3,014
7,898±4,012
У2
10,688±8,441
12,281±8,410
8,877±7,928
11,388±7,532
КХП
В
8,438±3,826
8,438±3,826
9,020±3,112
9,020±3,112
O1
5,813±2,348
5,813±2,348
5,714±2,264
5,714±2,264
У1
9,563±3,491
9,563±3,491
9,184±2,949
9,184±2,949
O2
6,281±2,667
6,281±2,667
6,694±2,502
6,694±2,502
У2
10,063±2,723
10,063±2,723
9,837±3,197
9,837±3,197
Примечание: ОРМ - общее ранговое место, КХП - коэффициент характера перемещения, СВТ - спектрально-временной коэффициент, Т - длительность отдельных периодов (сек), В - период врабатываемости, O1/O2- первый/второй период оптимума, У1/У2 - первый/второй период утомления.
Высокие значения среднестатистической ошибки для коэффициента СВТ объясняется ярко выраженной вариативностью этого показателя у каждого отдельного испытуемого.
Рассмотрим пример заключения для отдельных испытуемых; данные, полученные при помощи ПО «Клото» по испытуемому К., представлены на Фиг.3 (левая рука) и Фиг.4 (правая рука).
Таблица 7
Показатели микродвижений обеих рук у испытуемых женского пола
Параметр
Испытуемая А, правая рука
Испытуемая А, левая рука
Испытуемая Б, правая рука
Испытуемая Б, левая рука
ОРМ
3
3
4
5
СВТ
-5
5
5
9
Т
В
10
18
35
22
O1
5
10
10
15
У1
35
25
5
12
O2
10
5
5
6
У2
0
5
5
20
КХП
В
8
8
5
5
O1
9
9
4
4
У1
3
3
9
9
O2
6
6
9
9
У2
9
9
9
9
Примечание: см. табл.6.
Таблица 8
Показатели микродвижений обеих рук у испытуемых мужского пола
Параметр
Испытуемый К, правая рука
Испытуемый К, левая рука
Испытуемый Л, правая рука
Испытуемый Л, левая рука
ОРМ
2
1
4
6
СВТ
-2
5
-5
-4
T
В
30
20
25
10
O1
3
10
5
6
У1
25
10
15
14
O2
5
5
10
10
У2
0
15
5
20
КХП
В
7
7
22
22
O1
3
3
8
8
У1
7
7
23
23
O2
3
3
10
10
У2
9
9
9
9
Примечание: см. табл.6.
Как видно из таблицы 7, для испытуемой А отмечается при относительно высоком значении ОРМ, что характеризует координацию микродвижений как правой, так и левой рук как низкоамплитудную с высоким целеудержанием, что для правой руки характерна высокая врабатываемость (СВТ=-5), а для левой руки высокая утомляемость (СВТ=5). В то же время во время первого утомления движение совершалось по типу овала, движение вверх устойчиво, движение вниз по нисходящей, минуя принимающее устройство, а во время второго утомления движение происходило также по типу овала, но движение вправо было устойчиво, движение влево по кривой, минуя принимающее устройство, т.е. во время первого и второго утомления значительно отличаясь.
Для испытуемой Б значение ОРМ для правой и левой рук отличалось, с соответствующими худшими результатами для левой руки. Для левой руки утомляемость значительно превосходит таковую по сравнению с правой рукой (СВТ левой руки = 9, правой руки = 5). В то же время при первом утомлении, втором оптимуме и втором утомлении движение происходило однотипно - по типу овала, но движение вправо было устойчиво, движение влево по кривой, минуя принимающее устройство.
При рассмотрении результатов, представленных в таблице 8, можно сделать заключение, что у испытуемого Л значение ОРМ для правой и левой рук отличается, с соответствующими худшими результатами для левой руки. Однако врабатываемость правой руки выше, чем левой (СВТ левой руки = -4, правой руки = -5). Интересной особенностью является ярко выраженная разница в реализации двигательной активности при первом и втором утомлении. При первом утомлении выявлен смешанный тип движения, направление движения по типу «+А», а при втором утомлении движение происходило по типу овала, движение вправо было устойчиво, движение влево по кривой, минуя принимающее устройство, т.е. более точно.
Испытуемый К до проведения эксперимента указал на «праворукость», т.е. отметил доминирование левого полушария. Однако полученные результаты выявили более тонкокоординированную работу левой руки (ОРМ справа = 2, слева = 1; СВТ справа = -2, слева = 5; первый оптимум левой руки длительнее, чем правой, и т.д.). При проведении дополнительного исследования по методике Брагиной и Доброхотовой (Брагина Н.Н., Доброхотова Т.А. Функциональные асимметрии человека. - М.: Медицина, 1981. - 288 с.) на предмет моторной асимметрии были получены результаты о преобладающем влиянии правого полушария, т.е. «леворукости», что подтвердило полученные нами результаты и позволило определить либо явление аггравации со стороны испытуемого, либо скрытую «леворукость».
Таким образом, поставленная задача достигнута за счет того, что исследование проводят с помощью специализированного программного обеспечения (ПО «Клото») и электронного устройства, сохраняя и обрабатывая данные о перемещении луча с фиксированного на интересующей структуре генератора видимых параллельно-узконаправленных лучей определенного спектра (по типу «лазерной указки») с целью получения данных о скорости перемещения луча и координат его перемещения в двухмерном пространстве для повышения информативности и эффективности исследования микродвижений рук, тремора и устойчивости к статической нагрузке конечностей.
Применение разработанного способа диагностики микродвижений рук, тремора и устойчивости к статической нагрузке как у здоровых испытуемых, так и у имеющих патологию неврологического, эндокринологического, травматологического и ревматологического профиля позволяет решить ряд задач:
1. Проводить раннюю, в том числе донозологическую, диагностику ряда заболеваний (болезнь Паркинсона, эссенциальный тремор и т.д.).
2. Адекватно оценивать динамику заболевания в период лечения и (или) реабилитации (при гипертиреозе, ревматоидном артрозе, артрите, полиартрите, последствия травм и поражений структур верхнего плечевого пояса, остеохондрозе шейного, грудного, поясничного отдела позвоночника).
3. Дифференцировать доминирующее влияние полушарий в аспекте моторной асимметрии.
4. Метод может быть использован при изучении произвольной и непроизвольной двигательной активности с целью получения фундаментальных данных о роли как периферического нервно-мышечного аппарата, так и нервных центров в реализации двигательной программы.
5. Метод применим в поликлинических условиях и в дневных стационарах, высокоинформативен, может быть реализован лицами, не имеющими специального медицинского образования.
6. Позволяет проводить скрининг-исследования ввиду малого количества времени, требуемого на каждого испытуемого.
7. Может быть использован с целью подготовки бойцов спецподразделений правоохранительных органов и армии, т.к. позволяет имитировать целенаведение и целеудержание и выявлять структуры (например, мышцы-антагонисты и синергисты), дающие при реализации двигательной программы «сбой», что ведет к сокращению количества использований боевого оружия и боеприпасов, сроков подготовки указанных специалистов, повышая в то же время эффективность тренировки.