Устройство для восстановления и развития функций кистей рук
DEVICE FOR HANDS FUNCTIONS RECOVERY AND DEVELOPMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к областям медицины и развивающей педагогики и может найти применение при восстановлении и лечении больных с патологией центральной нервной системы, двигательными нарушениями верхних конечностей, психолого-педагогической реабилитации и коррекции, а также при проведении развивающих занятий.
Предшествующий уровень техники
Одним из наиболее тяжелых последствий поражения нервной системы является нарушение функции рук, играющее важнейшую роль в ограничении жизнедеятельности пациентов. Восстановление движений в руках у больных после травм и заболеваний нервной системы до сих пор остается актуальной проблемой, требующей решения на новом теоретическом и технологическом уровнях.
Существенно повышает эффективность восстанавливающих мероприятий применении методик биологической обратной связи (БОС). Под БОС понимают комплекс процедур, в ходе которых человеку посредством контура внешней обратной связи подают информацию о состоянии тех или иных его физиологических функций с целью обучения «сознательному» управлению этими функциями. Биоуправление с обратной связью позволяет пациенту добиваться контроля (самоконтроля) над параметрами произвольных движений, вызывать и закреплять их сдвиги в требуемом направлении. В частности, возвращение больному информации о характеристиках его движений улучшает возможности его контроля над ними. Наиболее эффективно применение БОС для восстановления двигательных функций у больных с нарушениями чувствительности. Дополнительное использование зрения для отслеживания параметров своих движений у этих больных позволяет компенсировать недостаток поступления информации по проводникам поверхностной и глубокой чувствительности. Применение БОС может существенно улучшить произвольный контроль над движениями также и у больных с апраксиями, у которых возможность произвольных целенаправленных действий нарушается вследствие поражения коркового уровня мозга.
На рынке современной медицинской техники широко представлены устройства с биологической обратной связью для лечения и реабилитации верхних конечностей. Как, например, «HandTutor» (www.meditouch.co.il), «Hand of Норе» (http://www.rehab - robotics.com), Gloreha (www.gloreha.com), «Amadeo» (http://turomotion.com/). Данные устройства ориентированы только на медицинскую область применения, у них высокое соотношение величины стоимость - функционал. Кроме того, они представляют игровой формат зрительной биологической обратной связи в виде компьютерной игры, а длительное пребывание пользователя за компьютерной игрой вызывает и развивает зависимость - игроманию, что отрицательно сказывается на его психическом состоянии. У этих устройств отсутствуют системы определения объективных факторов (метеоусловия) существенно влияющих на процессы реабилитации и лечения и, следовательно, не позволяют вносить корректировку в эти процессы в зависимости от данных факторов.
Известна игрушка-тренажер по развитию моторики пальцев рук, защищенная патентом РФ на полезную модель №.97267, МПК A61H 1/02, A63B 23/16, опубл. 10.09.2010 г. Игрушка содержит оболочку из листового материала и наполнитель, расположенный в ней. Оболочка выполнена из листового материала типа полиэтилена, разделена на герметичные секции, имеющие размер, меньше размера подушечки пальцев рук. Секции распределены по оболочке в соответствующем порядке и возвышаются с одной или обеих сторон оболочки. В качестве наполнителя применен воздух, которым заполнена каждая секция, при этом каждая секция выполнена с возможностью быть разрушенной путем нажатия на нее пальцами одной руки, по крайней мере, ребенка. Недостатком игрушки-тренажера является отсутствие биологической обратной связи. Следовательно, заинтересованность и результативность занятий с данным тренажером низкая.
Известно устройство для развития моторики пальцев рук, защищенное патентом РФ №.2290909, МПК A61H 1/00, A63B 23/16, опубл. 10.01.2007 г.
Устройство для развития моторики пальцев рук включает пружинный механизм, расположенный в корпусе. Пружинный механизм состоит из набора пластинчатых пружин, выполненных с возможностью их замены и перемещения по пазам, выполненным в корпусе. Пластинчатые пружины имеют выступающие из корпуса части. Свободные концы пластинчатых пружин соединены с элементами управления куклой-марионеткой. Недостатком известного устройства является невозможность накопления, обработки и хранения информации на электронном носителе о динамике развития моторики пальцев рук. Следовательно оно не позволяет анализировать и прогнозировать результаты реабилитационных занятий, кроме того у него отсутствует система определения параметров окружающей среды, влияющих на процессы лечения, восстановления и развития функций кистей рук, следовательно не позволяет вносить корректировки в эти процессы в зависимости от данных факторов.
Известен роботизированный реабилитационный комплекс ReoGo (производитель: Motorika, Израиль) для функциональной терапии верхних конечностей с расширенной обратной связью. Этот комплекс предназначенный для развития и усиления локомоторной и хватательной функций (info@mednt.ru).
Обучение на роботизированной платформе ReoGo основано на многократных повторениях функционально направленных движений пациентов и ответной реакции на них. Внутренняя обратная связь осуществляется через сенсорные проводящие пути, а внешняя обратная связь - через зрительный образ, контроль (наведение на цель), тренировку. Упражнения направлены на восстановление способности руки дотягиваться до предметов и совершать движения, свойственные здоровой руке.
Недостатком комплекса является ограниченная область применения - медицина, узкие функциональные возможности - только развитие и усиление локомоторных и хватательных функций.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является устройство для реабилитации, защищенное патентом РФ №2282430, МПК A61H 1/00, A63B 24/00, опубл. 27.06.2008 г.
Устройство включает ручной пружинный тренажер, тензодатчики, персональный компьютер для сбора, обработки и хранения информации и куклу-марионетку. Кукла-марионетка соединена с тренажером. Тренажер и тензодатчики находятся под кистью пациента.
Недостатком известного устройства является его ограниченная область применения - медицина, недостаточная эффективность из-за отсутствия возможности определения динамики изменения суставных углов кистей рук, как важного показателя при проведении лечебных и реабилитационных занятий по восстановлению и развитию функций кистей рук. Также это устройство не позволяет определять динамику разгибательных движений кистей рук.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка нового более эффективного устройства для восстановления и развития функций кистей рук с БОС.
Технический результат при решении данной задачи заключается в расширении области применения устройства - развивающая педагогика, повышении его функциональных возможностей в области медицины за счет определения динамики развития суставных углов и разгибательных движений кистей рук, повышение качества жизни пользователей.
Указанный результат достигается тем, что устройство для восстановления и развития функций кистей рук, содержащее ручной тренажер, объект управления, взаимодействующий с ручным тренажером, тензодатчики, блок сбора и предварительной обработки информации, персональный компьютер для сбора, обработки и хранения информации, устройства зрительной и слуховой связи, дополнительно содержит регулируемое средство для размещения пользователя, на котором закреплен с возможностью регулирования положения в горизонтальной плоскости, по меньшей мере, с одной стороны, ручной тренажер, снабженный фиксаторами руки.
В качестве объекта управления устройство может содержать марионетку.
Регулируемое средство для размещения пользователя может дополнительно содержать экраны для предоставления визуальной информации.
Ручной тренажер на свободных концах пластинчатых пружин со стороны пальцев может дополнительно содержать сменные элементы с различной степенью шероховатости и плотности для стимуляции тактильных рецепторов.
В качестве тензодатчиков устройство может содержать двухпозиционные тензодатчики.
В качестве объекта управления устройство может дополнительно содержать набор конструкторов марионеток.
Устройство может дополнительно содержать систему для бесконтактного жестового управления персональным компьютером в трехмерном пространстве.
Устройство может дополнительно содержать элементы для предварительной разработки моторики пальцев рук.
Перечень фигур чертежей
Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании, приводимом со ссылками на фигуру чертежей.
На фиг. 1 изображено заявляемое устройство для восстановления и развития функций кистей рук.
На фиг. 2 изображен ручной тренажер
На фиг. 3 изображен набор конструктора марионеток разного цветового исполнения.
Подробное описание изобретения
Устройство для восстановления и развития функций кистей рук содержит ручной тренажер 1 с фиксаторами руки 2, объект управления 3, устройства зрительной 4 и слуховой 5 связи с ручным тренажером, блок 6 сбора и предварительной обработки информации, датчики параметров окружающей среды 7, персональный компьютер 8 для сбора, обработки и хранения информации, регулируемое средство 9 для размещения пользователя 10 с выступающими подлокотниками 11 для размещения под правую или (и) левую руки с возможностью регулирования положения в горизонтальной плоскости и фиксации ручной тренажер с объектом управления, экраны 12 для предоставления визуальной информации, систему 13 для бесконтактного жестового управления персональным компьютером 13, элементы 14 для предварительной разработки моторики пальцев рук. Ручной тренажер 1, в свою очередь, содержит двухпозиционные тензодатчики 15, пластинчатые пружины 16, фиксаторы 17 пальцев рук, сменные элементы 18 для стимуляции тактильных рецепторов.
Предлагаемое устройство для восстановления и развития функций кистей рук используют следующим образом.
Регулируемое средство 9 для размещения пользователя, так же как и регулирование положения в горизонтальной плоскости и фиксация ручного тренажера позволяет настраивать устройство для комфортного и удобного расположения конкретного пользователя 10, это очень важно при проведении лечебных и развивающих занятий. Наличие экранов 12 позволяет закреплять или рисовать на них разными способами в зависимости от материала экрана, (металлический экран - магниты, деревянный экран - кнопки) фоновые изображения для повышения привлекательности, заинтересованности и содержательности при проведении лечебных и развивающих занятий, следовательно, их результативности. Повышается мотивация пользователя к занятиям и их эффективность. Использование в устройстве объекта управления 3, взаимодействующего с ручным тренажером 1, позволяет реализовать кинематическую модель для развития моторики пальцев рук с управляемыми параметрами БОС - зрительной и слуховой. Применение в качестве объекта управления 3 марионетки объединяет два метода - двигательное (механическое) восстановление и развитие моторики рук и арттерапевтический метод психотерапии-игра с марионеткой. В данном случае марионетку можно рассматривать как проективный объект переноса и выражения эмоций. В заявленном устройстве марионетка используется в виде одного из управляемых параметров БОС. Пользователю предоставляется звуковой и тактильный управляемый сигнал через двухпозиционные тензодатчики 15 и зрительный управляемый сигнал - движение марионетки, отражаемое в устройстве зрительной связи 4, в качестве которого может быть использовано зеркало, видеокамера с монитором, видеопроектор с экраном. Марионетка выступает в качестве внешнего управляемого объекта, позволяющего вынести во вне движения пользователя, а следовательно, сделать их более контролируемыми со стороны сознания, что дает возможность более эффективно использовать принципы БОС.
Наличие наборов конструкторов марионеток с различной цветовой раскраской позволяет пользователю самостоятельно выбирать и собирать марионетку, согласно его возраста и психологического состояния. Цветовая гамма и образ марионетки дает возможность специалисту (психологу) на основании ранее разработанных тестов, например, тест Люшера, определять психологическое состояние пользователя, как важного фактора влияющего на процессы восстановления и развития функций кистей рук, и если это необходимо проводить его коррекцию от негативного состояния до позитивного.
Во время сбора марионетки пользователь развивает моторику пальцев рук, тренирует тактильные рецепторы, расположенные на подушечках пальцев, тем самым развивает кору головного мозга, куда поступают сигналы от тактильных рецепторов. Параллельно восстанавливая и (или) развивая моторику пальцев рук, восстанавливается и (или) развивается речь пользователя, так как речевые центры (центры Браве) и моторные центры в головном мозге человека тесно взаимодействуют.
Образ марионетки и ее цветовая гамма заносятся с помощью программного обеспечения в персональный компьютер 8 на протяжении всего курса лечебных и (или) развивающих занятий. Это дает возможность определять динамику изменения психологического состояния пользователя и при необходимости проводить его корректировку с помощью специальных методик.
Тактильные ощущения являются одним из первейших ощущений живых организмов. У человека сигналы от тактильных рецепторов, расположенных на подушечках пальцев рук поступают непосредственно в кору головного мозга. Стимулируя тактильные рецепторы стимулируют, восстанавливают и (или) развивают кору головного мозга. Наличие на свободных концах пластинчатых пружин 16 ручного тренажера 1, соединенных с элементами управления марионеткой со стороны пальцев сменных элементов 18 для стимуляции тактильных рецепторов различной степени шероховатости и плотности так же расширяют функциональные возможности устройства, повышают его эффективность при проведении лечебных и (или) развивающих занятий.
Ручной пружинный тренажер по прототипу, исходя из конструкционных возможностей, используемой элементной электронной базы и соответствующего программного обеспечения позволяют в режиме реального времени контролировать, анализировать и хранить информацию о динамике сгибательных движений кистей рук. Для полноценного восстановления и развития функций кистей рук необходима информация по динамике разгибательных движений. Наличие в предлагаемом ручном тренажере 1 двухпозиционных тензодатчиков 15 позволяет контролировать как сгибательные, так и разгибательные движения кистей рук. Учет этой информации так же необходим для корректировки восстановительных и развивающих занятий. Это свойство существенно расширяет функциональные возможности устройства.
Одними из важнейших параметров, характеризующих функциональное состояние кистей рук, являются суставные углы между различными их частями. Наличие и использование в устройстве системы 13 для бесконтактного жестового управления персональным компьютером в трехмерном пространстве позволяет с помощью специального программного обеспечения определять эти суставные углы в ходе лечебных и (или) развивающих занятий и таким образом определять динамику изменения объема движений кистей рук. Данные по суставным углам также заносятся в персональный компьютер, что дает возможность определять в режиме реального времени их изменения как в процессе самих занятий, так и на протяжении всего курса занятий и при необходимости проводить корректировку лечебных и (или) развивающих процедур. Кроме того, система 13 бесконтактного жестового управления позволяет оперативно вводить информацию в персональный компьютер о функциональном состоянии кистей рук пользователя.
В настоящее время разработано несколько технологий для бесконтактного жестового управления компьютером в трехмерном пространстве. Так принцип работы системы CtestIC Microchip Techne Lody (www. Microchip.com/ CtestIC) заключается в анализе изменений характеристик электрического поля, вызываемых движением рук, технология, предложенная компанией Elli Ptic Labs основана на использовании ультразвука и массива чувствительных микрофонов для определения положения и движений рук возле экрана компьютера. Технология компании Leap Motion использует инфракрасные датчики, которые следят за движениями рук пользователя с беспрецедентной точностью (0,01 мм) и воспроизводят их на экран монитора. Использование системы бесконтактного жестового управления в трехмерном пространстве расширяет функциональные возможности устройства, причем эта система может использоваться как в составе самого устройства, так и отдельно от него для решения других задач.
Для повышения эффективности и результативности занятий на предлагаемом устройстве необходимо предварительно «размять» и «разогреть» пальцы рук. Для этих целей, как правило, используют в комплексе теплую воду, теплый песок и специальные упражнения. Так же для этих целей возможно использование элементов 14 для предварительной разработки моторики пальцев рук. В качестве этих элементов применяются пружинные кольца разной геометрии и разного цветового раскраса. Кольца изготавливаются из материала разной степени упругости. Их надо собрать в цепочки или разобрать цепочки на составляющие по заданному алгоритму. Кроме того, в качестве этих элементов можно использовать различные кистевые эспандеры, прищепки разного размера и разной степени упругости или иные конструкции
Элементы 14 для предварительной разработки моторики пальцев рук могут применяться как в составе самого заявляемого устройства, так и отдельно от него.
Необходимо отметить - взаимодействие между отдельными элементами устройства осуществляется или по кабелям или с помощью беспроводной связью либо их комбинацией.
Устройство позволяет проводить как индивидуальные занятия по восстановлению и развитию функций кистей рук, так и групповые.
Кроме того, при разработке соответствующих методик, устройство позволяет проводить диагностику (в том числе и раннюю) различных заболеваний, связанных с нарушениями функций кистей рук, диагностику состояния нервно-мышечного аппарата кистей рук, анализ и прогноз восстановления и развития функций рук.
Устройство для восстановления и развития функций кистей рук работает следующим образом.
Пользователь 10 удобно расположившись за регулируемым средством 9 для его размещения помещает руку на ложемент перед системой 13 бесконтактного жестового управления компьютером. Происходит сканирование кисти его руки. Это изображение передается и записывается в персональный компьютер 8. С помощью специального программного обеспечения определяются параметры суставных углов кисти руки. Эти параметры выдаются на дисплей в виде цифр и записываются в память компьютера 8. Далее пользователь выбирает набор пружинных колец, исходя из своего физического и психологического состояния, и по заданному алгоритму собирает из колец цепочки. Перед этим возможно проведение тепловых процедур и подобранных различных упражнений. Таким образом осуществляется предварительная разработка моторики пальцев рук. Данные по кольцам (геометрические параметры, упругость, их количество) записываются в компьютер 8. Затем пользователь выбирает набор марионеток и конструирует марионетку исходя из своего психологического состояния. Данные по марионетке (тип, цветовая гамма) заносятся в компьютер 8 для хранения. Далее марионетку закрепляют на ручном тренажере 1, который фиксируется на выступающем подлокотнике 11. Пользователь 10 начинает управлять марионеткой по определенной ранее разработанной методике. Данные по усилию пальцев поступают в блок 6 сбора и предварительной обработки информации, а потом заносятся в компьютер 8, обрабатываются и выдаются на дисплей в виде графиков или гистограмм. В процессе лечебных и (или) развивающих занятий для стимуляции тактильных рецепторов на концах пластинчатых пружин 16 могут быть закреплены сменные элементы 18 с разной степенью шероховатости. Данные по степени шероховатости сменных элементов 18 также заносятся в компьютер 8. После занятия на ручном тренажере 1 происходит повторное измерение суставных углов элементов кистей руки. Таким образом определяется динамика их изменений и отслеживается результативность занятий на ручном тренажере 1. Информация с двухпозиционных тензодатчиков 15, данные по суставным углам, а также индивидуальная информация о пользователе на протяжении всех лечебных и (или) развивающих занятий заносится в персональный компьютер 8, где она обрабатывается и хранится.
Устройство для восстановления и развития функций кистей рук может быть изготовлено следующим образом.
В примере реализаций заявленного устройства, столешница регулируемого по высоте средства 9 для размещения пользователя изготовлена из дельтадревесины, острые углы столешницы сглажены для исключения возможности травмирования во время занятий, каркас изготовлен из металлического профиля 20×20 мм. Для изменения его высоты опоры изготовлены телескопическими. Экраны 12 изготовлены двухслойными - основа - фанера, толщиной 5 мм, на которой закреплены металлические листы толщиной 0,5 мм. Данная конструкция экранов 12 позволяет на них с помощью магнитов закреплять фоновые изображения. Используемый конструктор - набор марионеток - Буратино 8 цветов. Блок 6 сбора и предварительной обработки данных собран на основе модулей удаленного сбора данных и управления ADAM и ICOS.
Для определения в режиме реального времени динамики изменения суставных углов и оперативного ввода в компьютер 8 информации о функциональном состоянии кистей рук пользователя применяется система 13 бесконтактного жестового управления американской компании Leap Motion. Подключение к компьютеру происходит с помощью USB шнура.
В качестве сменных элементов 18 для стимуляции тактильных рецепторов используется наждачная бумага разной зернистости. В устройстве применяются сверхминиатюрные двухпозиционные тензодатчки Sensotek фирмы Henoywell.
В качестве элементов 14 для предварительной разработки моторики пальцев рук используется набор колец разного диаметра и разного цветового раскраса, изготовленный из пружинной проволоки марки ХГСА разной степени упругости.
Таким образом, предложено новое более эффективное устройство для восстановления и развития функций кистей рук.
Устройство позволяет, по сравнению с прототипом, существенно расширить область его применения, значительно превосходит его по функциональным возможностям, повышает качество жизни пользователей.
Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.