Способ для преодоления гиперактивности у детей и устройство для его осуществления
METHOD FOR OVERCOMING HYPERACTIVITY IN CHILDREN AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к области медицины, конкретно к неврологии, и касается способа повышения эффективности лечения детей с синдромом дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ) за счёт выработки новой устойчивой формы двигательного поведения с использованием условно-рефлекторного метода (оперантного обусловливания). Предлагаемый способ реализуется с использованием аппаратных средств.
Уровень техники
Гиперактивность описывается как неорганизованная, нерегулируемая и чрезмерная двигательная активность (МКБ 10 - Международная классификация болезней 10-го пересмотра. ВОЗ, Женева, 1995). Гиперактивность является или самостоятельным симптомом, или проявляться в комплексе с синдромом дефицита внимания у детей. Нейрофизиологическим механизмом, провоцирующим гиперактивность, является дефицит тормозных влияний, преимущественно дофаминэргической природы в медиальных и прецентральных отделах префронтальной коры (Shaw P, Lerch J, Greenstein D, et al. Longitudinal Mapping of Cortical Thickness and Clinical Outcome in Children and Adolescents With Attention-Deficit/ Hyperactivity Disorder. Arch General Psychiatry. 2006; 63:540-9).  Именно эти структуры мозга обеспечивают контроль внимания и организацию поведения.
Существуют два основных способа преодоления патогенетических механизмов гиперактивности: фармакологический и нейрокоррекционный. Среди фармакологических препаратов с доказанной эффективностью выделяют Страттеру (амотоксилин гидрохлорид), Риталин (метилфенидат) и препараты амфетаминовой группы (Аддералл и др.). Однако эти и другие препараты обладают побочными эффектами, и их действие не пролонгировано, то есть ограничивается только временем действия препарата, которое составляет несколько часов. К нейрокоррекционным способам преодоления гиперактивности относят методы психологической коррекции, методы физического воздействия на мозг (электро- и магнитостимуляция) и методы биологической обратной связи (neurofeedback). Последние не связаны с прямым физическим воздействием на мозг и направлены на оптимизацию биоэлектрических процессов в мозге ребёнка: усиление выраженности альфа-ритма и снижение выраженности колебаний бета и тэта диапазонов (Федоренко Е.В. Применение метода с биологической обратной связью у детей младших классов с синдромом дефицита внимания и гиперактивностью // Успехи современного естествознания. – 2013. – № 8. – с. 30-32). Эти аппаратные методы требуют длительного курса терапии, их эффективность в долгосрочной перспективе сравнима с фармакологическим воздействием (Kropotov J.D., Grin-Yatsenko V.A., Ponomarev V.A., Chutko L.S.,Yakovenko E.A., Nikishina I. ERPs correlates of EEG relative Beta training in ADHD children // Int. J. Psychophysiology. 2005. № 55.P. 23-34). Преимуществом нейрокоррекционных методов является отсутствие побочных эффектов, а также длительное проявление эффекта после прекращения курса терапии. В целом, эффективность существующих методов, направленных на преодоление детской гиперактивности, остаётся недостаточно высокой, что стимулирует развитие новых способов коррекции этого состояния. Например, в патентной заявке Республики Корея № 1020140095763 видеоряд с игровым контентом использован для проведения тестов у детей с синдромом дефицита внимания и гиперактивности. В способе коррекции синдрома дефицита внимания и гиперактивности по патенту РФ № 2395313 коррекцию проводят путем импульсного цветового воздействия с меняющейся частотой. Известны способ и система для диагностики и лечения синдрома дефицита внимания с гиперактивностью (заявка PCT/IL2003/000173), предусматривающие воздействие на пациента множества постепенно усложняющихся визуальных компьютерных стимулов, на которые он должен физически реагировать, и при этом пациент оперативно информируется слуховыми и визуальными сообщениями (обратная связь) относительно скорости и точности своих реакций. Сообщения обратной связи обращены к сознанию пациента и носят стимулирующий характер, формируя у него стремление к улучшению своих реакций, приближая их к возрастной норме. Описанный в заявке метод лечения реализуется исключительно в сознательной сфере восприятия.
Известен  способ коррекции двигательных и ментальных функций у детей с синдромом дефицита внимания с гиперактивностью (патент RU 2457783, наиболее близкий аналог), состоящий в установке пациента на стабилоплатформу, с помощью которой осуществляется регистрация перемещений тела при выполнении ребёнком произвольных движений, определяемых игровой ситуацией. Таким образом способ коррекции в цитированном патенте направлен на включение всё большего объёма двигательной активности в сферу сознания, через сознательно контролируемые зрительно-моторные координации. Способ имеет ограниченную эффективность, поскольку воздействие направлено на связанную с сознанием сферу двигательного поведения пациента, тогда как основная проблема детей с гиперактивностью - это избыточные не контролируемые сознанием, спонтанные, не целеустремлённые движения, которые требуют минимизации. При этом сознательные целеустремлённые движения у детей с гиперактивностью не являются предметом, требующим коррекции, т.к. вполне точны и скоординированы. Кроме того, использованный в способе по патенту RU 2457783 метод регистрации движений ребёнка с помощью стабилоплатформы определяет перемещение частей тела только в сагитально-горизонтальной плоскости, и не отображает движения вдоль вертикальной оси. Поэтому, стабилоплатформа не позволяет регистрировать ряд типичных спонтанных движений у детей с гиперактивностью, а именно вращение головы вдоль оси позвоночника и вращение кистей рук вдоль оси предплечья, если они опущены вдоль тела вниз. При этих движениях не происходит сколько-нибудь существенного смещения проекции центра масс, и стабилоплатформа не регистрирует такого рода движения. В контексте заявленного в цитируемом патенте способа указанные свойства стабилоплатформы не имеют большого значения. Однако применительно к заявляемому решению, описанный в цитированном патенте метод анализа движений ребёнка, не может быть использован, поскольку последний исключает из анализа существенную часть спонтанных движений из-за конструктивных особенностей стабилоплатформы, что недопустимо.
Заявляемое изобретение направлено на решение проблемы минимизации спонтанных гиперактивных движений ребенка, не связанных сознанием или целью движений. Минимизация именно этих движений способна преодолеть патогенетический механизм заболевания.
Раскрытие сущности изобретения
Для решения этой проблемы заявляемый способ преодоления гиперактивности у детей характеризуется тем, что демонстрируют видеоряд, который эмоционально положительно воспринимается ребёнком, измеряют величину перемещений тела ребенка суммарно по трём пространственным осям, сравнивают текущую величину перемещений тела с заранее установленным порогом и прекращают демонстрацию видеоряда в периоды превышения величиной перемещения тела установленного порога.
Осуществление предлагаемого способа обеспечивает достижение технического результата - снижение спонтанных гиперактивных движений ребенка.
При этом, измерение величины перемещений тела ребенка по трем пространственным осям является более точным, по сравнению с измерением перемещения центра давления стоп ребенка, как в изобретении РФ № 2457783,  и позволяет производить полную оценку движений ребёнка в пространстве. Выполнение измерений перемещений тела человека по трём пространственным осям, например, с использованием трехосевого акселерометра, известно и описано, например, в патентах РФ № 2593983 и № 2546407.
Применение демонстрации видеоряда, такого как фильм или компьютерная игра, и его прекращение в качестве положительного и отрицательного подкрепления, как безусловных стимулов поощрения и "наказания", сравнительно давно используется в клинической практике, в частности, для восстановления остроты зрения при амблиопии (авторское свидетельство СССР № 1688867, патент US 6033073), для тренировки мышц носоглотки с целью избавления от храпа (патент US 8460159). Также известно использование запуска и остановки компьютерной игры в качестве стимулов для коррекции физиологических функций, например, по патентам РФ № 2061508 и № 2457783.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и обеспечиваемым изобретением техническим результатом проявляется в том, что реализация воздействия в соответствии с предлагаемым способом приводит появлению новой формы двигательного поведения вследствие выработки устойчивого рефлекторного механизма, что внешне проявляется в минимизации спонтанных гиперактивных движений.
В частном случае, величину порога устанавливают индивидуальной и равной 20% от измеренных в течение одной минуты величин перемещений тела.
В другом частном случае, измерение величины перемещений тела производят с использованием устройства на основе трехосевого акселерометра и выполненного с возможностью закрепления на теле ребенка.
В другом частном случае, для измерения величины перемещений тела используют содержащий датчик перемещений смартфон или планшет, который находится в руках ребёнка.
В другом частном случае, в качестве видеоряда используют фильм, демонстрацию слайдов или компьютерную игру.
В другом частном случае, сеансы по преодолению гиперактивности проводят длительностью от 15 до 30 минут ежедневно, общим числом не менее 15.
Устройство для реализации способа преодоления гиперактивности у детей содержит устройство отображения видеоряда и устройство для измерения величины перемещения тела ребенка, включающее датчик, определяющий величину перемещений тела ребенка суммарно по трём пространственным осям,  вычислительное устройство, соединенное с выходом датчика и средство для передачи данных об измерениях в устройство отображения видеоряда.
В качестве датчика, определяющего величину перемещений тела, может применяться трехосевой акселерометр, который формирует непрерывные по времени сигналы, характеризующие перемещение тела по трём пространственным осям.
Вычислительное устройство может представлять собой микроконтроллер, с возможностью получения сигналов от устройства для измерения величины перемещения тела, преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, фильтрации сигнала для выделения характерных для общей двигательной активности ребенка частот, суммирования сигналов по трём отдельным пространственным осям, интегрирования сигнала с постоянной времени 1 сек., вычисления порога гиперактивности и постоянного сравнения сигнала от устройства для измерения величины перемещения тела с порогом гиперактивности.
В частном случае, в качестве средства для передачи данных об измерениях используют средства, работающие по сетевым протоколам Bluetooth, WiFi, ZigBee или с использованием портов USB, COM-порт или RJ-45 для обмена информацией.
В качестве устройства отображения видеоряда может быть использован компьютер, смартфон, планшет или телевизионная приставка, характеризующиеся возможностью установки программного приложения, позволяющего выбирать видеоряд, принимать данные из устройства для измерения величины перемещения тела, прерывать и возобновлять демонстрацию видеоряда, производить оценку эффективности сеанса по преодолению гиперактивности и сохранять результат.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - график, иллюстрирующий пример общей двигательной активности здорового ребёнка
Фиг. 2 - график, иллюстрирующий пример общей двигательной активности ребёнка с диагнозом "гиперактивность"
Фиг. 3 - гистограмма распределения величин общей двигательной активности
Фиг. 4 - структурная схема заявляемого устройства для преодоления гиперактивности
Фиг. 5 - схема установки компактного корпуса на голове пациента
Фиг. 6 - графическая схема управления демонстрацией видеоряда
Фиг. 7 - график изменения общей двигательной активности пациента согласно Примера 1
Фиг. 8 - график изменения общей двигательной активности пациента согласно Примера 2
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ базируется на превращении ранее индифферентных форм двигательного поведения в актуальные, то есть в те формы поведения, которые имеют связь с мотивационно-эмоциональной сферой, и, следовательно, могут стать предметом коррекции методом оперантного обусловливания (частный случай условно-рефлекторного метода). Актуализация достигается путём выделения определённых форм двигательной активности по заданным критериям из общей двигательной активности, и ассоциации их с положительными и отрицательными мотивационными стимулами.
Применительно к детской гиперактивности под термином двигательное поведение подразумевается общая двигательная активность ребенка в состоянии активного спокойного бодрствования, примером которого является просмотр фильма, слайд-шоу или игра на экране монитора (телевизора, компьютера, смартфона или другого аналогичного устройства). Положительным мотивационным стимулом является возможность просмотра интересного для ребёнка фильма, слайд-шоу или возможность осуществления игры. В противоположность этому, отрицательным мотивационным стимулом является прекращение демонстрации интересного для ребёнка фильма, слайд-шоу или прекращение возможности управления игрой. Общая двигательная активность (ОДА) здорового ребёнка в состоянии активного спокойного бодрствования характеризуется резким доминированием состояний с минимальной энергией движений.
На Фиг. 1 приведён пример 25-ти минутной записи ОДА здорового ребёнка 8 лет при просмотре им самостоятельно выбранного мультипликационного фильма. Регистрация ОДА производилась трехосевым акселерометрическим датчиком (модель LIS3DHTR фирмы STMicroelectronics), закреплённым над ухом на голове ребёнка, с суммированием ускорений по трём осям и интегрированием сигнала с постоянной времени 1 сек. Как видно, более 80% времени регистрации, ОДА близка к "0". Это типичный пример ОДА здоровых детей в состоянии активного спокойного бодрствования. На Фиг. 2 приведён пример ребёнка 8,5 лет с диагнозом "гиперактивность" при аналогичных условиях регистрации ОДА. Очевидно, что доминирующим состоянием является ОДА с существенно более высокой энергией движений, лишь изредка прерываемая периодами относительного покоя.
Эти примеры приведены с целью пояснения процедуры выбора критерия для идентификации проявлений гиперактивности в ОДА ребёнка. В частности, в качестве критерия нарастания двигательной активности рассматривается любое увеличение сигнала датчика, установленного на теле пациента. При этом, чтобы дифференцировать и исключить из анализа механические колебания тела, связанные с естественными процессами в организме в состоянии покоя (дыхание, сердцебиения, небольшие движения конечностей и головы, связанные с рефлекторным поддержанием равновесия), вводится пороговая величина - порог гиперактивности, превышение которой рассматривается как движение с высокой энергией, характерное для гиперактивности. Численное значение порога гиперактивности индивидуально, и вычисляется после каждой 1 мин. регистрации. Величина порога равна величине сигнала датчика, составляющего 20% от всех измеренных величин сигнала датчика в течение одной предыдущей минуты. Фиг. 3 поясняет правило вычисления порога гиперактивности. Вертикальная штриховая линия делит гистограмму на две части таким образом, чтобы площадь гистограммы слева составляла 20% от общей её площади. Проекция вертикальной линии на ось абсцисс указывает на численное значение порога гиперактивности для конкретного пациента (в приведённом примере порог гиперактивности равен 1,5 ус. ед.). На Фиг. 2 порог гиперактивности указан как горизонтальная штриховая линия, любое его  превышение идентифицируется как проявление гиперактивности. Итак, в качестве критерия отнесения отдельных компонент ОДА к проявлениям гиперактивности является нарастание величины сигнала датчика, превышающая по величине индивидуальный порог гиперактивности.
Устройство (Фиг. 4) для реализации предлагаемого способа преодоления гиперактивности у детей содержит смартфон (104) в качестве устройства отображения видеоряда и подачи пациенту мотивационных стимулов, а также трехосевой акселерометрический датчик (101), измеряющий величину перемещений тела и соединенный с микроконтроллером (102). В микроконтроллере (102) полученный от датчика (101) аналоговый сигнал при помощи АЦП преобразуется в цифровую форму, фильтруется для выделения характерных для общей двигательной активности ребенка частот (от 0,2 до 10 Гц), сигналы по трём отдельным пространственным осям суммируются и интегрируются с постоянной времени 1 сек. Интегрированный сигнал постоянно сравнивается с заранее вычисленным и установленным порогом гиперактивности (ПГ). Передача данных об измерениях в смартфон (104) выполнено средствами (103) Bluetooth. Программное приложение (105), устанавливаемое в смартфон (104), управляет мотивационными стимулами в зависимости от данных об измерениях текущего состояния ОДА пациента. Программное приложение (105) выполняет следующие функции:
- позволяет выбрать источник мотивационной стимуляции (фильм, слайд-шоу или игру) для демонстрации видеоряда пациенту;
- принимает данные из устройства для измерения величины перемещения тела по каналу связи Bluetooth;
- осуществляет модуляцию яркости экрана (включение и гашение) в устройстве отображения информации при получении соответствующей информации;
- завершает сеанс при достижении заранее установленной его длительности;
- производит оценку эффективности проведённого сеанса по разработанному алгоритму и запоминает её величину.
Конструктивно электронные части датчика (101), микроконтроллера (102) и элементы питания объединены в компактном корпусе (201), который устанавливается на голове пациента и фиксируется с помощью эластичной ленты (202), изменяемой длинны (Фиг. 5).
Следует отметить, что применение трехосевого акселерометрического датчика для измерения величины перемещений тела не является обязательным. Это возможно сделать с использованием других типов датчиков, работа которых основана на гироскопическом эффекте, измерении ёмкости, индукции, фотопотока (ультрафиолетового, видимого или инфракрасного диапазонов), ультразвука, электромагнитного поля или эффекта Холла. Также является возможным использование видеоданных, как предусмотрено в заявке PCT/US2010/056805, если обеспечить обработку этих видеоданных в реальном масштабе времени.
Изобретение может быть осуществлено следующим образом.
Основой предлагаемого способа является установление прямой временной связи между проявлением гиперактивности в спонтанной ОДА ребёнка и возможностью просмотра на экране смартфона (104) видеоряда (фильма, слайд-шоу или возможностью осуществления игры), который эмоционально положительно воспринимается ребёнком и является мотивационным стимулом. На голове ребенка закрепляют компактный корпус (201), содержащий трехосевой акселерометрический датчик (101), измеряющий величину перемещений тела ребенка суммарно по трём пространственным осям, измерения датчика (101) передают в микроконтроллер (102), в котором в реальном времени текущая величина перемещений тела сравнивается с заранее установленным порогом,  равным 20% от измеренных в течение предыдущей минуты величин перемещений тела. Результаты сравнения средствами (103) Bluetooth передаются в смартфон (104). Демонстрация видеоряда продолжается только при отсутствии признаков гиперактивности в ОДА, которые выявляются по этим результатам сравнения. Алгоритм управления яркостью экрана иллюстрируется на Фиг. 6. Сверху показан график изменения ОДА во времени (прямоугольные столбики). При величине ОДА ниже порога гиперактивности (ПГ) (штриховая горизонтальная линия) экран смартфона остается включенным, что позволяет пациенту наблюдать видеоряд (часть I - левая часть рисунка). При превышении ОДА величины ПГ экран смартфона гаснет, лишая пациента удовольствия смотреть фильм или управлять игрой (часть II - средняя часть рисунка). Возобновление видеоряда возможно только при возвращении величины ОДА к значениям, меньшим ПГ (часть III - правая часть рисунка). Сеанс с демонстрацией фильма (слайдов) или игры длится не менее 15 минут.  Это связано с необходимостью достижения минимально необходимого количества сочетаний компонентов ОДА, относимой к проявлениям гиперактивности, с отрицательными мотивационными стимулами, число которых должно составлять не менее 100 за один сеанс. При этом сеанс не должен длиться более 30 минут, так как к этому времени начинают проявляться признаки утомления, способные спровоцировать фрустрацию у ребёнка и его отказ от дальнейшей работы. Общее количество сеансов, которое необходимо для преодоления гиперактивности, составляет не менее 15, и определяется суммой необходимых повторов для формирования мозгом нового устойчивого навыка подавления избыточной двигательной активности ребёнка. Интервалы между сеансами не должны превышать 2 суток, поскольку такое время является критичным для сохранения навыка, приобретённого в предыдущем сеансе.
При использовании предлагаемого способа, если придерживаться терминов, принятых в методологии условного рефлекса (или, точнее, оперантного обусловливания), гиперактивные движения ребёнка являются условным стимулом. Это свойство приобретает часть движений из континуума ОДА после их искусственной селекции по заданному критерию и прямой синхронной ассоциации с безусловным стимулом, в качестве которого выступает мотивационно окрашенное событие: прекращение демонстрации фильма или остановка игры. Вне процедуры любые компоненты ОДА ребёнка являются индифферентными, непосредственно не связанными с мотивационными стимулами, и лишь отражают баланс активационных и тормозных процессов в структурах мозга, связанных с движениями. В ходе процедуры, при ассоциации безусловных стимулов ("наказание") с условными (с движениями с высокой энергией) возникают условия, при которых начинает формироваться условный рефлекс. Применительно к конкретной ситуации действие рефлекторного механизма будет направлено к минимизации гиперактивных движений, ассоциированных с "наказанием". Вероятно, формирование такого механизма связано с селективным подавлением (торможением) определённых внутренних состояний мозга, представленных функциональными динамическими межнейронными объединениями, "продуцирующими" на выходе гиперактивные движения. Одновременно с этим за счёт ассоциации с "поощряющими" стимулами, будут поддерживаться, сохранятся и постепенно станут доминировать те внутренние состояния мозга, которые формируют относительно нормальные, негиперактивные движения. Современный уровень знаний в этой области нейрофизиологии слишком фрагментарен и недостаточен для более точного описания процессов, которые лежат в основе достигаемого результата.
Эффективность применения заявляемого способа и устройства подтверждена статистическими данными изменения ОДА и результатами тестирования функции внимания у пациентов с диагнозом дефицит внимания с гиперактивностью, прошедших курс тренинга по описанному способу с применением описанного устройства. Ниже приведено два типичных примера.
Пример 1. Пациент Ф.Г. 6,5 лет, диагноз: дефицит внимания с преобладанием гиперактивности -  attention-deficit/hyperactivity disorder: predominantly hyperactive/impulsive presentation (код в МКБ-11 - 314.01/F90.1). На Фиг. 7 приведён график, отражающий среднюю (за сеанс) величину ОДА ребёнка (столбики), измеренную в ходе 18-ти двадцатиминутных сеансов тренинга с демонстрацией фильма, выбранного пациентом самостоятельно. Первый столбик - средняя величина ОДА, измеренная за несколько дней до начала тренинга. Вертикальная линия вверху каждого столбика - среднеквадратическое отклонение величин ОДА. Штриховой линией соединены точки, отображающие результаты корректурного теста Шульте (среднее время нахождения объекта среди аналогичных), стандартно используемого для измерения уровня внимания. Тест проводился до начала сеанса тренинга. В течение первых 9 сеансов уровень ОДА хотя и немного снижался относительно первого сеанса, но был стабильно высоким. После 10-го сеанса ОДА стала достоверно ниже (р<0,05), с некоторыми колебаниями. Результат тестирования продемонстрировал улучшение концентрации внимания (достоверное, р<0,05, снижение времени нахождения объекта).
Пример 2. Пациент А.М. 8 лет, Дефицит внимания с гиперактивностью смешанного типа - attention-deficit/hyperactivity disorder: combined presentation (код 314.01/F90.2). Этот пациент прошёл 23 сеанса тренинга по описанному методу с использованием описанного устройства. В качестве мотивационного подкрепления (стимулов поощрения и наказания) использовали компьютерную игру, её включение и выключение. Обозначения на графике Фиг. 8 - те же, что и на Фиг. 7. Первый курс с использованием описанного устройства пациент прошёл в марте - апреле 2017 года. (Фиг. 8А). Заметно отчётливое и стабильное снижение величины ОДА между 6 и 8 сеансами, с последующим сохранением уровня ОДА на сравнительно невысоком уровне. Для пациента А.М. был проведён повторный курс из 12 сеансов тренинга с описанным устройством, спустя 8 месяцев после окончания первого курса тренинга (Фиг. 8Б). Исходная величина ОДА перед началом второго курса тренинга была достоверно ниже, чем перед первым курсом, что свидетельствует о сохранении достигнутого в первом курсе тренинга результате. В ходе второго курса ОДА постепенно снизилась на 28 - 42% относительно величины ОДА перед началом второго курса тренинга. Оценка уровня внимания (тест Шульте) у пациента А.М. продемонстрировала его достоверный (р<0,01) рост в ходе первого курса тренинга. В ходе второго курса был отмечено ещё более высокое качество внимания, но не выходящее за границы достоверности, что характеризует достижение индивидуального стабильного уровня для этого показателя.
Таким образом, использование описанного способа и устройства приводит к достижению результата, а именно, к достоверному снижению гиперактивности у детей. Эффект использования описанного способа и устройства имеет длительное последействие в виде низкого уровня проявлений гиперактивности, наблюдаемое в течение нескольких месяцев. Следствием снижения гиперактивности является улучшение параметров внимания - наиболее важного клинического проявления болезни, влияющего на социальную адаптацию и способность к обучению.