Способ восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека
METHOD FOR MOTION ACTIVITY RECOVERY OF UPPER AND LOWER HUMAN LIMBS

Способ восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека относится к реабилитационной технике, а именно к управлению реабилитационными механотренажерами, и может быть использован для активации предназначенных для сгибания и разгибания конечностей приводов механотренажера путем формирования управляющих команд на основе биологической обратной связи (далее - БОС).
Реабилитация на основе БОС является нефармакологическим способом, с использованием специальной аппаратуры для регистрации, усиления и демонстрации пациенту физиологической информации. БОС обеспечивают путем подачи звуковых или зрительных сигналов продолжительную текущую информацию о физиологических реакциях и параметрах, например: ЧСС, мышечном напряжении, положении конечности в пространстве, биоэлектрической активности головного мозга и тому подобное по «петле обратной связи», которая участвует в регуляции многих функций человеческого организма, начиная от изменения скорости протекания самых элементарных биохимических реакций до крайне сложных видов деятельности человека. Наличие на определенном уровне информации о результате того или иного события необходимо для того, чтобы изменить его любым, но неслучайным образом.
Известен способ восстановления мышечной и двигательной активности больных с поражениями центральной нервной системы по патенту RU 2179009 от 06.02.1998, опубликовано: 10.02.2002 МПК А61Н 1/00 (2000.01) А61Н 23/00 (2000.01) «Способ и устройство для реабилитации нервной, мышечной и двигательной координации больных с нарушениями центральной нервной системы», при котором осуществляют воздействие на напряженные мышцы вибрацией, вызывающей сокращение и растяжение мышечных волокон выбранной группы мышц в направлении их естественного растяжения и сокращения, при этом определяют начальное положение выбранной конечности, в котором пациент может развить максимальное мышечное усилие в статическом состоянии, выбирают направление приложения вибрации, противоположное тому, в котором пациент может осуществить максимальное противодействие приложенному воздействию, прикладывают вибрацию к суставам или костям конечности, на которую оказывают воздействие, и при непрерывном контакте вибратора с выбранным местом воздействия смещают конечность в выбранном направлении, при этом смещение конечности осуществляют принудительно.
При данном способе смещение конечности осуществляют принудительно, без регистрации изменения электрической активности соответствующей мышцы или группы мышц, биоэлектрических потенциалов, возникающих в мышцах скелета при возбуждении нервных волокон, то есть электромиографического сигнала (далее ЭМГ-сигнал).
Известен «Способ реабилитационного лечения обездвиженного больного» по патенту RU 2435560 от 11.01.2010, опубликовано: 10.12.2011, МПК А61Н 1/00 (2006.01), заключающийся в том, что возбуждают клетки нервной ткани путем импульсного адекватного, в физиологических параметрах, воздействия на афферентные и эфферентные волокна за счет пассивного растяжения и сжатия мышечной ткани, сгибания и разгибания конечностей и туловища в суставах путем многократно повторяемого циклического движения, по крайней мере, спины, туловища, верхних и нижних конечностей, а также всего тела, с помощью функциональной реанимационно-реабилитационной кровати с подвижными секциями спины, туловища, нижних и верхних конечностей, а также всего тела, механизмами их регулирования и блоком управления кровати, выполненной с возможностью подъема на заданный угол выбранного сегмента кровати, сохранения положения сегмента на заданное время и возращения его в исходное положение за заданный интервал времени; последовательность изменения положений сегментов тела человека, значение углов и скорости подъема, экспозицию времени между изменениями положения сегментов тела человека устанавливают в зависимости от имеющейся патологии у пациента и варьируют в ходе проведения реабилитационных мероприятий в зависимости от клинических проявлений течения заболевания, а воздействие проводят круглосуточно до восстановления функций внутренних органов и систем, восстановления самостоятельной двигательной активности.
При данном способе параметры и последовательность моделирования пассивных движений больного устанавливают в зависимости от имеющейся патологии у пациента и варьируют в ходе проведения реабилитационных мероприятий в зависимости от клинических проявлений течения заболевания, без регистрации изменения электрической активности соответствующей мышцы или группы мышц, биоэлектрических потенциалов, возникающих в мышцах скелета при возбуждении нервных волокон, то есть ЭМГ-сигнала.
Известно использование электромиографического сигнала для реабилитации по патенту RU 2152769 от 10.11.1999 опубликовано: 20.07.2000, МПК А61Н 1/00 (2000.01) «Способ лечения плоскостопия», при котором при проведении сеансов тренировки глубоких мышц голени за счет сгибания стопы с разгибанием колена перед каждым сеансом регистрируют электромиографическую активность внутренней головки икроножной мышцы при сгибании стопы с максимальным усилием и устанавливают заранее пороги, равные верхний - 75%, а нижний - 50% от максимума амплитуды огибающей электромиографической активности, затем во время сеанса продолжают регистрацию электромиографической активности внутренней головки икроножной мышцы и проводят изометрическую тренировку глубоких мышц голени с помощью биологической обратной связи с графикой компьютерной игры, причем игру останавливают при выходе огибающей электромиографической активности за верхний или нижний пороги.
Но данный способ не позволяет применять его у пациентов со спастическими парезами и плегиями. Кроме того, применение предлагаемого способа не позволяет устанавливать пороги электромиографической активности мышц от 0% до 100% амплитуды огибающей электромиографической активности, в том числе и непосредственно в ходе выполнения упражнения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому, которое было выбрано в качестве прототипа, является способ содействия двигательной активности, по патенту RU 2364385 «Носимое вспомогательное устройство, содействующее двигательной активности, и управляющая программа» от 22.11.2005 Конвенционный приоритет: 26.01.2005 JP 2005-018295, публикации заявки: 10.03.2009, опубликовано 20.08.2009, МПК А61Н 3/00 (2006.01), при котором регистрирует биологический сигнал (миоэлектричество на поверхности), которым сопровождается мышечное усилие, созданное в соответствии с сигналом из мозга, и управляют источником приведения в движение электродвигателя на основании зарегистрированного биологического сигнала. Способ позволяет осуществлять управление источником приведения в движение конечностей пациента, закрепленных в механотренажере, на основании уравнения движения, в которое произведена подстановка определенных таким образом параметров.
Но при данном способе регистрируют относительное усилие, зависящее от соотношения между силами, с одной стороны, созданной источником приведения в движение, с другой стороны мышечным усилием, созданным пользователем, носящим вспомогательное устройство, при этом сравнивают зарегистрированные данные о миоэлектричестве (электромиограмму, ЭМГ (EMG)) и значение мышечного усилия (F), полученное путем оценки, с заранее заданным устанавливаемым значением усиления (Gs) из блока хранения данных, без сравнения электромиограмм ненапряженной мышцы и напряженной мышцы, что приводит к низкой корреляции между задуманным движением, и выработанным сигналом, направляемым к источнику приведения в движение вспомогательного устройства.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности реабилитации при заболеваниях, приводящих к двигательному дефициту верхней и нижней конечностей человека.
Задача решена за счет способа восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека, путем закрепления конечности в механотренажере, измерения электромиографического сигнала на поверхности конечности при ненапряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей и при напряженной мышце или группе мышц для сгибания/разгибания конечностей, усиления и преобразования аналогового сигнала в цифровой, и формирования для механотренажера управляющих команд начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента, при этом, до формирования управляющих команд для механотренажера в зарегистрированных электромиографических сигналах отфильтровывают фильтром Баттерворта 4-го порядка шумы, при этом удаляют полосу частот от 48 Гц до 52 Гц, удаляют полосы частот ниже 35 Гц и выше 45 Гц, выделяют необходимую для анализа полосу частот и показатель фонового электромиографического сигнала для ненапряженной мышцы, вычисляют мощность фонового фильтрованного электромиографического сигнала PWRr зарегистрированного в течение времени Тr=~ 10 сек для каждой ненапряженной мышцы по формуле:
PWRr=(Amp(1)^2+ … +Amp(n)^2) / n,
где PWRr - значение мощности фонового ЭМГ – сигнала;
n - количество значений амплитуд (семплов) в сигнале, n=Tr * SR,
где SR - частота дискретизации ЭМГ - сигнала сенсорного управления
Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n; затем фиксируют полученное значение PWRr показателя фонового ЭМГ-сигнала для определенной ненапряженной мышцы; вычисляют мощность ЭМГ-сигнала, зарегистрированного в течение времени Tt=~ 1 сек, каждой напряженной мышцы по формуле:
PWRt=(Amp(1)^2+...+Amp(n)^2) / n,
где PWRt - значение мощности ЭМГ–сигнала;
n - количество значений амплитуд (семплов) в ЭМГ - сигнале, n=Tt * SR, где SR - частота дискретизации ЭМГ-сигнала сенсорного управления Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n затем фиксируют полученное значение PWRt мощности ЭМГ - сигнала для определенной напряженной мышцы; по результатам соотношения текущей мощности сигнала к фоновой мощности:
PWRt / PWRr для данного отрезка времени Tt,
где PWRr - значение мощности фонового ЭМГ-сигнала;
PWRt мощности ЭМГ-сигнала для определенной напряженной мышцы и формируют для механотренажера управляющие команды начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента с учетом соотношения текущей мощности электромиографического сигнала к фоновой мощности электромиографического сигнала (PWRt / PWRr) для данного отрезка времени Tt и определенной мышцы.
Дополнительная обработка зарегистрированных ЭМГ-сигналов для формировании управляющих команд, до подачи на механотренажер, при котором вычисляют и фиксируют уровень максимальной мощности ЭМГ-сигнала и мощность фонового фильтрованного полезного ЭМГ-сигнала для ненапряженной или напряженной мышц, позволяет по результатам соотношения, для заданного отрезка времени, текущей мощности сигнала к фоновой мощности, формировать управляющую команду с высокой степенью корреляции между задуманным движением, и выработанной командой начала, остановки или изменения скорости движения, направляемой к источнику приведения в движение, задаваемого механотренажеру, с размещенной в нем конечностью пациента, приводящая к возникновению устойчивой и релевантной биологической обратной связи, способствующей возникновению новых нейронных связей в обход пораженных участков и, таким образом, ускоренной реабилитации, что повышает эффективность реабилитации при заболеваниях, приводящих к двигательному дефициту верхней и нижней конечностей человека.
Способ восстановления двигательной активности верхней и нижней конечностей человека осуществляют следующим образом.
В процессе реабилитации путем закрепления конечности в механотренажере и формирования для механотренажера управляющих команд начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента при выполнении сгибания/разгибания/ приведения/отведения конечности с использованием механотренажера, при напряжении пациентом мышц конечностей в соответствии с сигналом из мозга, и в состоянии покоя, регистрируют изменение электрической активности соответствующей мышцы или группы мышц, биоэлектрические потенциалы, возникающие в мышцах человека, при возбуждении нервных волокон, то есть ЭМГ-сигнал.
Таким образом, у пациента, который пытается, например, согнуть руку в локтевом суставе, возникнет определенное изменение электрической активности в области бицепса, а соответственно и миоэлектричества на поверхности, которым сопровождается мышечное усилие, созданное соответствующей мышцей или группой мышц для сгибания/разгибания конечностей, в соответствии с сигналом из мозга, который регистрируют.
Зарегистрированную электрическую активность в области бицепса управляющей программой анализируют, для этого аналоговый электрический сигнал усиливают дифференциальным усилителем, преобразуют в цифровой вид и формируют управляющие команды, начала, остановки или изменения скорости движения механотренажера, задаваемого для определенной мышцы или группы мышц, размещенной в механотренажере конечности.
Для повышения степени корреляции между задуманным движением и выработанным сигналом, направляемым к источнику приведения в движение механотренажера, до подачи на механотренажер, при формировании управляющих команд, начала, остановки или изменения скорости движения, задаваемого размещенной в механотренажере конечности пациента, зарегистрированный ЭМГ-сигнал дополнительно обрабатывают управляющей программой следующим образом.
Отфильтровывают шумы фильтром Баттерворта 4-го порядка, удаляя полосу частот от 48 Гц до 52 Гц.
Выделяют необходимую для анализа полосу частот, удаляя полосы частоты ниже 35 Гц и выше 45 Гц и получают показатель фонового ЭМГ-сигнала для данной ненапряженной мышцы;.
Вычисляют мощность фонового фильтрованного ЭМГ-сигнала PWRr, зарегистрированного в течение времени Tr=~ 10 сек, для каждой ненапряженной мышцы по формуле:
PWRr=(Amp(1)^2+ … +Amp(n)^2) / n,
где PWRr - значение мощности фонового ЭМГ-сигнала
n - количество значений амплитуд (семплов) в сигнале, n=Tr * SR,
где SR - частота дискретизации ЭМГ-сигнала сенсорного управления;
Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n.
Затем фиксируют полученное значение PWRr показателя фонового ЭМГ-сигнала для определенной ненапряженной мышцы.
Вычисляют мощность ЭМГ - сигнала, зарегистрированного в течение времени Tt=~ 1 сек, каждой напряженной мышцы по формуле:
PWRt=(Amp(1)^2+ … +Amp(n)^2) / n,
где PWRt - значение мощности ЭМГ – сигнала;
n - количество значений амплитуд (семплов) в ЭМГ-сигнале, n=Tt * SR,
где SR - частота дискретизации с ЭМГ - сигнала сенсорного управления;
Amp(i) - значение амплитуды сигнала в точке i, где i=1…n.
Затем фиксируют полученное значение PWRt мощности ЭМГ-сигнала для определенной напряженной мышцы.
По результатам соотношения текущей мощности сигнала к фоновой мощности PWRt / PWRr для данного отрезка времени Tt, формируют управляющие команды начала, остановки или изменения скорости движения, задаваемого размещенной в механотренажере конечности пациента.
Вычисляется отношение текущей активной мощности сигнала к фоновой мощности DIFF:
DIFF=PWRt / PWRr,
где PWRt - значение мощности ЭМГ-сигнала для определенной напряженной мышцы;
PWRr - значение мощности фонового ЭМГ-сигнала для каждой ненапряженной мышцы.
Сравнивают значения DIFF и DIFFtrigger (пороговое значение, ранее установленное в настройках ПО сенсорного управления).
Если значение DIFF превышает значение DIFFtrigger, управляющий сигнал поступает в ПО для начала движения соответствующего привода, в соответствии с выполняемым упражнением.
Механотренажер получает команду на совершение, например, сгибательного движения в проекции локтевого сустава и, соответственно, рука пациента согнется.
Если значение DIFF не превышает значение DIFFtrigger, сравнение значений DIFF и DIFFtrigger продолжает в течение следующего отрезка времени Tt.
Техническим результатом является повышение степени корреляции между задуманным движением, и сформированной для механотренажера управляющей команды начала, остановки или изменения скорости движения конечности пациента с учетом соотношения текущей мощности электромиографического сигнала к фоновой мощности электромиографического сигнала (PWRt / PWRr) для данного отрезка времени Tt и определенной мышцы.