СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕСТЕТИЧЕСКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
KINAESTHETIC SENSITIVITY ANALYSIS METHOD AND SYSTEM THEREFOR

Изобретение относится к области нейрофизиологии, а именно к электрофизиологии, и используется для исследования кинестетической чувствительности у человека.
Важнейшей составной частью нейрофизиологии и неврологии является изучение структурно-функциональной организации анализаторных систем мозга. При этом особое значение имеет исследование кинестетического анализатора, наиболее ответственного за восприятие организма как единого целого, осознание его собственного «Я».
В научной литературе имеется достаточно много работ, посвященных изучению механизмов кинестетической чувствительности методами нейровизуализации. В частности, с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) было показано, что проекции кинестетической чувствительности имеются в полях 3а и 2 по Бродману (Bodegerd A., Geyer S., Herath P., Grefkes С., Zilles К., Roland P.E. Somatosensory areas engaged during discrimination of steady pressure, spring strength, and kinesthesia. Human Brain Mapping. - 2003. - Vol.20. - P.103-11). В другом исследовании с использованием фМРТ была показана важная роль нижней и верхней теменной долей в «кинестетическом представлении» движения пальца; полученные данные могут иметь большое значение в процессе обучения движениям при нейрореабилитации [Guillot A., Collet С., Nguyen V.A., Malouin F., Richards С., Doyon J. Brain activity during visual versus kinesthetic imagery: an fMRI study // Hum. Brain Mapp. - 2009. - Vol.30, N7. - P.2157-2172]. Таким образом, приведенные выше данные указывают на широкое представительство кинестетической афферентации в корковых структурах головного мозга. Кроме того, целый ряд исследований указывает на огромную роль кратковременной кинестетической памяти в организации движений. М. Ляфон с соавт. указывает на важную роль, которую играет кинестетическая память в процессах навигации. (Lafon M., Vidal M., Berthoz A. Selective influence of prior allocentric knowledge on the kinesthetic learning of a path // Exp.Brain Res. - 2009 - Vol.194, N4. - P.541-552). Также показана большая роль кинестетической обратной связи в организации контроля локомоции (Deutschlander A., Stephan Т., Hufner К., Wagner J., Wiesmann M., Strupp M., Brandt Т., Jahn K. Imagined locomotion in the blind: an fMRI study // Neuroimage. - 2009. - Vol.45, N.1. - P.122-128).
Таким образом, на основании приведенных выше данных можно сделать вывод о том, что кинестетическая система играет огромную роль в организации двигательной активности у человека.
На сегодняшний день известен способ исследования кинестетической чувствительности у человека и устройство для его осуществления, характеризующиеся созданием синхронизированного потока афферентных импульсов от периферических проприорецепторов верхней конечности (SU №1579501 от 23.07.1990), выбранные по совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Сущность известного способа заключается в том, что с помощью механического устройства осуществляется дозированное кинестетическое раздражение периферических проприорецепторов верхней конечности человека. Это позволяет создать синхронизированный афферентный поток импульсов от периферических проприорецепторов, возникающий в ответ на кинестетическое раздражение верхней конечности, распространяющийся по нервам в кортикопетальном направлении и вызывающий такое изменение биоэлектрической активности мозга (кинестетический вызванный потенциал (КВП)), которое может быть легко выделено из фоновой электроэнцефалограммы (ЭЭГ) методом усреднения нескольких ее реализации на ЭЦВМ. При этом для точной оценки временных параметров, получаемых в результате этого усреднения биоэлектрического сигнала (КВП), возникающего в ответ на раздражение афферентной кинестетической системы, осуществляют также фиксацию начала и окончания движения конечности.
Недостатком известного способа исследования кинестетической чувствительности является то, что ее исследование осуществляется на основании анализа реакции мозга на кинестетическое раздражение одного типа путем движения лучезапястного сустава верхней конечности (кисти) в одном направлении и с одинаковой скоростью. В результате однообразной стимуляции проприорецепторов верхней конечности (сгибание кисти в лучезапястном суставе) при усреднении вызванных ответов происходит габитуация и достоверность результатов исследования снижается. Указанный недостаток способа обусловлен возможностями технического устройства для его реализации.
Техническим устройством, реализующим описанный известный способ, является кинестетический механостимулятор, содержащий станину с закрепленным на ней неподвижным ложементом, подвижный ложемент, связанный с неподвижным ложементом шарниром и со станиной силовой пружиной. На станине также закреплены датчики управления, один - в виде подпружиненного фиксатора, подвижно установленного в корпусе, а другой - в виде упора с демпфером и кронштейном. Кинестетический стимулятор включает также формирователи импульсов, электрически соединенные с нормально закрытыми контактами, первые из которых закреплены на фиксаторе и подвижном ложементе, а вторые - на кронштейне.
Недостатком устройства является то, что в процессе стимуляции величина ускорения и возможные направления относительного движения в суставе регулироваться не могут и определяются соответственно жесткостью пружины и кинематической схемой устройства. Кроме того, механический стимулятор по предлагаемой схеме не позволяет обеспечить больших ускорений при движении, так как при этом возникает опасность удара подвижного ложемента о корпус прибора. Недостатком является и то, что процесс обследования может оказаться длительным, так как для осуществления стимуляционного движения каждый раз необходимо вручную взвести пружину, что требует затраты определенного времени.
Технический результат изобретения заключается в повышении достоверности результатов исследования кинестетической чувствительности у человека за счет различного характера движений (сгибание, разгибание) в лучезапястном суставе и в связи с увеличением их количества. Кроме того, сокращается время перехода от одного движения к другому и выделение КВП мозга за счет возможностей системы исследования кинестетической чувствительности осуществлять данные процессы в автоматическом режиме.
2
Технический результат достигается тем, что исследование кинестетической чувствительности у человека осуществляют путем создания дозированного синхронизированного потока импульсов от периферических проприорецепторов с помощью кинестетического раздражения верхней конечности в виде пассивного движения кисти в лучезапястном суставе, распространяющегося по нервам в кортикопетальном направлении, вызывая изменение биоэлектрической активности мозга - кинестетический вызванный потенциал, который выделяют из фоновой ЭЭГ методом усреднения нескольких ее реализации, при этом пассивное движение кистью осуществляют циклом движений, имеющих направления в виде ее сгибания и разгибания в лучезапястном суставе, с углом поворота кисти в 50 градусов и максимальным ускорением 350 рад/с, при этом каждое новое движение отличается от предыдущего по направлению движения, а выделение кинестетических вызванных потенциалов мозга осуществляют автоматически с помощью управляемого электропривода, включающего вентильный электродвигатель, датчик угла, электронный блок и усреднитель вызванных потенциалов.
Для исследования кинестетической чувствительности у человека создана система, состоящая из стимулятора, содержащего корпус и подвижный ложемент, выполненный с возможностью поворота относительно горизонтальной оси корпуса, при этом она дополнительно содержит электронный блок, пульт управления, датчик угла и усреднитель вызванных потенциалов, причем внутри стимулятора неподвижно установлен вентильный электродвигатель, статор которого жестко связан с корпусом, а ротор - с подвижным ложементом, внутри электродвигателя также закреплен датчик угла, фиксирующий угол поворота ложемента относительно корпуса, силовые входы и выходы электронного блока электрически связаны с вентильным электродвигателем, датчиком угла, пультом управления и усреднителем вызванных потенциалов, причем силовой выход электронного блока управления связан с электродвигателем и реализует работу двигателя в автоматическом режиме для получения КВП, а его информационный выход связан с усреднителем вызванных потенциалов для их выделения из фоновой ЭЭГ, один вход электронного блока управления связан с датчиком угла, обеспечивающим определение начала и окончания каждого движения, а второй с пультом управления, позволяющим задавать направление движения.
Сущность заявляемого решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид стимулятора для исследования кинестетической чувствительности, содержащего корпус, вентильный электродвигатель и подвижный ложемент, на фиг.2 представлена кинематическая схема системы для исследования кинестетической чувствительности, а на фиг.3 ее функциональная схема.
2
Система для исследования кинестетической чувствительности представляет собой электромеханический стимулятор, который содержит корпус 1 с закрепленным на нем неподвижным ложементом, подвижный ложемент 2, связанный шарнирно с неподвижным ложементом и выполненный с возможностью поворота относительно горизонтальной оси корпуса 1, вентильный электродвигатель 3, статор которого жестко связан с корпусом 1, а ротор - с подвижным ложементом 2. При этом ротор вентильного электродвигателя 3 может поворачиваться относительно статора на угол не более ±50 градусов, и его угловое перемещение ограничено механическими упорами, расположенными на корпусе 1 и предотвращающими пересгибание или переразгибание в лучезапястном суставе в случае возможного сбоя в работе вентильного электродвигателя 3. Статор вентильного электродвигателя 3 установлен с возможностью поворота ротора относительно статора на угол ±50 градусов, что обеспечивает возможность поворота подвижного ложемента 2 относительно корпуса 1 на этот же угол ±50 градусов. Величина угла поворота подвижного ложемента 2 обусловлена физиологическими данными человека. Вентильный электродвигатель 3 конструктивно выполнен в виде синхронного двигателя с трехфазной обмоткой на статоре и возбуждением от магнитов с высокой удельной энергией, расположенных на роторе. Это позволяет при относительно небольших габаритах двигателя создавать импульсный вращающий момент порядка 1000 Нм и обеспечивать ускорение вращения подвижного ложемента 2 вместе с лучезапястным суставом кисти до 350 рад/с. Кроме того, внутри вентильного электродвигателя неподвижно закреплен датчик угла 4, измеряющий угол поворота подвижного ложемента 2 относительно корпуса 1. Система также содержит электронный блок 5, пульт управления 6 и усреднитель вызванных потенциалов 11. Электронный блок имеет входы 8, 9 и выходы 7, 10, связанные электрически с вентильным электродвигателем 3, пультом управления 6, датчиком угла 4 и усреднителем вызванных потенциалов 11.
Причем силовой выход 7 электронного блока 5 связан с ротором и статором вентильного электродвигателя 3 для управления движением подвижного ложемента 2, а его управляющий вход 8 связан с выходом пульта управления 6 для установки направления движения и времени паузы между повторными движениями подвижного ложемента 2, информационный вход 9 электронного блока 5 связан с выходом датчика угла 4 для измерения угла поворота подвижного ложемента 2 относительно корпуса 1, а его информационный выход 10 связан с усреднителем вызванных потенциалов 11, вход которого соединен с электроэнцефалографом. Силовой выход вентильного электродвигателя 3 электрически соединен с входом датчика угла 4.
Способ исследования кинестетической чувствительности осуществляется следующим образом.
В процессе электроэнцефалографического исследования испытуемого располагают в удобном кресле в звукозаглушенной кабине. КВП регистрируют биполярным способом в обоих полушариях с помощью чашечкообразных хлорсеребряных электродов, приклеиваемых к коже головы коллодием. «Активные» электроды располагают на скальпе на расстоянии 7 см от среднесагиттальной линии и на 2 см кзади от линии, соединяющей вертекс с наружными слуховыми проходами (С3′ и С4′), что соответствует проекционным зонам кисти в задней центральной извилине коры (соматосенсорная область). «Референтные» электроды располагают парасагиттально на 6 см кпереди от «активных». Для усиления и усреднения КВП используют аппаратный комплекс «Нейро-МВП» (Россия). Чувствительность усилителя составляет 20 мкВ/дел при записи, 5 мкВ/дел - при усреднении. Полоса пропускания частотных фильтров составляет 1.5-3000 Гц, эпоха анализа - 250 мс. Сопротивление между заземляющим и регистрирующими электродами составляет менее 5 кОм. Усредняют до 100-200 единичных ответов.
2
Для оценки воспроизводимости вызванных потенциалов у каждого испытуемого усреднение проводят дважды в независимых временных сериях, следующих друг за другом с интервалом 2-3 мин. Оценивают латентные периоды (ЛП) и амплитуды (от средней (базовой) линии) компонент КВП. Механизмы кинестетической чувствительности, не затененные вовлечением в эти процессы других соматосенсорных модальностей, исследуют путем регистрации КВП мозга, возникающих в ответ на пассивные сгибание и разгибание кисти в лучезапястном суставе на угол 50 градусов с угловым ускорением 350 рад/с. с помощью заявленной системы для исследования кинестетической чувствительности. Проводят точно дозированное кинестетическое раздражение периферических проприорецепторов верхних конечностей человека путем принудительного поворота дистальной части верхней конечности (кисти) с фиксацией моментов начала и окончания каждого движения. В отличие от прототипа исследование осуществляют путем организации цикла из нескольких пассивных движений, и каждое новое движение отличается от предыдущего по направлению движения в лучезапястном суставе (вверх или вниз от исходного горизонтального положения).
При этом на усреднитель вызванных потенциалов поступают данные спонтанной ЭЭГ и информация (синхроимпульс о начале движения) для запуска цикла усреднения КВП.
Предлагаемая система реализует указанный способ и работает следующим образом.
В исходном состоянии перед началом стимуляции с помощью электронного блока 5 ротор вентильного электродвигателя 3 устанавливают и удерживают таким образом, чтобы верхняя поверхность подвижного ложемента 2 располагалась параллельно верхней поверхности корпуса 1. На неподвижном ложементе корпуса 1 располагают проксимальное плечо сустава верхней конечности (предплечье) испытуемого, а на подвижном ложементе 2 закрепляют с помощью ремней лучезапястный сустав кисти.
На пульте управления 6 с помощью клавиатуры осуществляют запуск и направление движений подвижного ложемента 2 на угол ±50 градусов, а также количество движений в цикле усреднения спонтанной ЭЭГ. По команде с пульта управления 6, поступающей на вход 8 электронного блока 5, с силового выхода последнего 7 подается напряжение на обмотку статора вентильного электродвигателя 3. В результате возникает электромагнитный момент, стремящийся повернуть ротор электродвигателя, а вместе с ним и подвижный ложемент 2 в заданном направлении и с заданным ускорением. С помощью датчика угла 4 информация о параметрах движения поступает на вход 9 электронного блока 5, где, во-первых, на основе этой информации осуществляется регулирование потока энергии в обмотку статора вентильного электродвигателя 3 так, чтобы обеспечивалось заданное направление подвижного ложемента 2. Во-вторых, с выхода 10 электронного блока 5 информация о перечисленных выше координатах, определяющих параметры движения, включая электроимпульсы начала движения, поступают на усреднитель вызванных потенциалов 11. На тот же усреднитель поступают данные спонтанной электроэнцефалограммы. В усреднителе вызванных потенциалов 11 осуществляется синхронизация начала движения (стимуляции) с соответствующими этому движению отрезками спонтанной ЭЭГ. За счет того что для организации тестовых движений в цикле используется управляемый электропривод, включающий вентильный электродвигатель 3, датчик угла 4, электронный блок 5 и усреднитель вызванных потенциалов 11, реализация выделение КВП мозга идет в автоматическом режиме. Сопоставление и статистическая обработка КВП, соответствующих каждому направлению движения в цикле усреднения спонтанной ЭЭГ, позволяют получить более полную информацию об организации кинестетической чувствительности у человека.
В результате электрофизиологического исследования здоровых испытуемых (ЗИ) уже при визуальном анализе КВП было обнаружено, что они отчетливо регистрируются над проекционными областями соматосенсорной коры как в контра-, так и в ипсилатеральном, относительно стимулируемой конечности, полушариях головного мозга.
Статистический анализ полученных результатов исследования 16 ЗИ показал, что КВП состоят из серии позитивно-негативных колебаний: Р50, N85, Р130, N220 (таблица 1).
Следует отметить, что КВП, зарегистрированные в ипсилатеральном (относительно стороны стимуляции) полушарии, отличались от ответов, записанных в контралатеральном (относительно стороны стимуляции) полушарии, большей длительностью ЛП и меньшей величиной амплитуды компонент КВП. Эти различия носили достоверный характер для ЛП компонента Р50 и для амплитуды компонент Р50 и N85. Важно отметить, что при стимуляции левой и правой руки у здоровых испытуемых достоверных различий амплитудно-временных параметров КВП обнаружено не было (p>0.9).
Таким образом, заявленный способ и система обеспечивает повышение достоверности результатов исследования кинестетической чувствительности у человека за счет получения более полной информации о состоянии соматосенсорной коры обоих полушарий человека, а также позволяет сократить время исследования за счет возможностей системы осуществлять выделение кинестетических вызванных потенциалов мозга в автоматическом режиме.