Система и способ реабилитации (восстановления) обоняния и вкуса, а также коррекции эмоциональных и когнитивных расстройств с применением интерфейса мозг-компьютер
SYSTEM AND METHOD FOR REHABILITATION (RESTORATION) OF THE SENSE OF SMELL AND TASTE, AS WELL AS CORRECTION OF EMOTIONAL AND COGNITIVE DISORDERS USING THE BRAIN-COMPUTER INTERFACE

Область применения
[0001] Изобретение относится к области медицинской и социальной реабилитации и может использоваться в качестве системы и способа реабилитации при утрате или снижении обоняния (например, аносмии) и вкуса (например, агевзии) при различных нарушениях работы и заболеваниях центральной нервной системы, в том числе вследствие заболевания COVID-19.
Уровень техники
[0002] Из уровня техники известны "Система и метод измерения восприятия запахов и создания базы данных запахов" (пат. US 10775356B2) относящиеся к области анализа и идентификации запахов. Электронный сенсорный блок используется для приема пробы одоранта и генерации электронной подписи, характеризующей полученный в ней образец, через направляющий блок, который направляет первую часть пробы в электронный пробоотборный блок, а вторую часть пробы - к выходу. Блок управления используется для приема данных, указывающих на подпись, сгенерированную блоком считывания, и данных от пользователя (ов), указывающих на ольфакторные дескрипторы, характеризующие образец, которому анализировали пользователи, что позволяет создавать запись данных, включающую первые и вторые данные, соответствующие к тому же образцу. База данных включает данные, каждая запись которых связана с конкретным образцом одоранта, которые можно использовать для характеристики / формулирования / создания желаемого аромата на основе сравнения электронной подписи, созданной для аромата, и записей данных, подписи которых соответствуют наилучшему критерию соответствия.
[0003] Недостатком данной системы и метода является то, что они не могут быть эффективно использованы для реабилитации пациентов с утраченным обонянием и вкусом.
[0004] Известен «Способ лечения обонятельной дисфункции у больных острым риносинуситом" (пат. RU 2638688) в котором для восстановления обоняния дополнительно проводят многоканальную электростимуляцию на области жевательных мышц, мышц крыльев носа, круговой мышцы рта и трапеции с двух сторон.
[0005] Недостатком данного способа является его недостаточная эффективность при реабилитации утраченного обоняния и вкуса, т.к. в нем не регистрируется и не учитывается электрическая активность мозга, и электрическая стимуляция проводится вне связи с активацией коры головного мозга с помощью интерфейса мозг-компьютер и виртуальной реальности.
[0006] Также известен "Способ воздействия на организм" (пат RU 2502528) в котором для восстановления обоняния дополнительно воздействуют электрическим током через электрод, помещенный в носовой ход.
[0007] Недостатком данного способа также является его недостаточная эффективность при реабилитации утраченного обоняния и вкуса, т.к. в нем не регистрируется и не учитывается электрическая активность мозга, и электрическая стимуляция проводится вне связи с активацией коры головного мозга с помощью интерфейса мозг-компьютер и виртуальной реальности.
[0008] Известна "Система для управления эффектом на сиденья в помещении для кинопоказа" (пат. RU 2512774)
[0009] Изобретение относится к системе для управления эффектом на сиденье в помещении для кинопоказа и, в частности, к системе для управления эффектом на сиденье в помещении для кинопоказа для пользователя на сиденье заднего ряда, предназначенной для легкого и безопасного управления эффектом, обеспечиваемым для пользователя самим пользователем, даже когда сиденье находится в режиме перемещения во время показа кинофильма, посредством управления эффектом, синхронизированным с кинофильмом, путем ретрансляции данных управления эффектом, введенных пользователем на сиденье заднего ряда, с использованием устройства управления эффектом сиденья переднего ряда в помещении для кинопоказа, что обеспечивает эффект (например, брызги воды, порыв воздуха или аромат), синхронизированный с кинофильмом, для пользователя на сиденье заднего ряда.
[0010] Недостаток такого устройства заключается в невозможности его эффективного применения при реабилитации пациентов с утраченным обонянием в связи с тем, что не учитываются намерения пациента и не проводится анализ активности мозга.
[0011] Известно "Устройство для генерации аэрозоля" (пат. RU 2463077). Изобретение относится к медицинской, пищевой и парфюмерной промышленности, а именно к техническим средствам для создания аэрозоля, и может быть использовано при ингаляционной терапии.
[0012] Недостатки такой системы заключаются в отсутствии возможности связать генерацию аэрозоля с выполнением реабилитационного упражнения и с активностью головного мозга пациента.
[0013] Известен ольфактометр (пат RU 2333 19) относящийся к области медицинской техники и содержащий емкость с пахучим веществом и трубку, имеющую наконечник, приспособленный для вдыхания через нос. Ольфактометр снабжен нагнетательным вентилятором, расположенным в патрубке, в котором также расположен поворотный шибер со шкалой и указателем. Применение данного устройства позволит повышенной точностью определять остроту обоняния.
[0014] Недостатки устройства заключаются в том, что не измеряется реакция мозга на запах в момент, когда он еще не ощущается пациентом. Кроме того, невозможно связать подачу запахового стимула с выполнением реабилитационного упражнения и с активностью головного мозга пациента.
[0015] Известны "Устройство представления трехмерной запаховой сцены и способ представления сцены стереоскопического запаха" (пат. WO 2019184452 A1) Изобретение относится к области технологии представления стереоскопического запаха и, в частности, к устройству для представления сцены стереоскопического запаха и способу представления сцены стереоскопического запаха с использованием устройства воспроизведения сцены стереоскопического запаха. Указанный результат достигается тем, что устройство позволяет раздельно вводить ароматы в каждую ноздрю, достигая тем самым объемного восприятия запаха.
[0016] Недостаток такого устройства заключается в невозможности его эффективного применения при реабилитации пациентов с утраченным обонянием в связи с тем, что не учитываются намерения пациента и не проводится анализ активности мозга.
Раскрытие терминов
[0017] Компьютер - устройство или система, способная выполнять заданную, четко определенную, изменяемую последовательность операций, а также любое устройство или группа взаимосвязанных или смежных устройств, одно или более из которых, действуя в соответствии с программой, осуществляет автоматизированную обработку данных. В рамках приведенного ниже описания, компьютер может быть представлен в виде и быть расположен в персональном компьютере (является наиболее предпочтительным вариантом), в мобильном устройстве (телефон, смартфон и т.п.), кроме того возможен вариант расположения удаленно, например, на сервере, на устройстве локальной сети или в облаке, также возможен вариант расположения на микрокомпьютере или нескольких микрокомпьютерах, встроенном в один или несколько из элементов системы.
[0018] Команды на основе интерпретации зарегистрированных сигналов активности мозга - это команды, которые получены на основе обработанных компьютером сигналов активности мозга для передачи их на исполнительное устройство, например ольфакторный дисплей, для совершения воздействия на тренируемую функцию; а также команды, передаваемые на устройство отображения для демонстрации реабилитируемому пациенту хода или степени выполнения задания.
[0019] Тренируемая функция - чувство, связанное с восприятием обонятельными и/или вкусовыми нервными окончаниями химического состава веществ и передачей этой информации в центральную нервную систему.
[0020] База данных - систематизированная совокупность информации, необходимой для работы системы, и включающая в том числе набор эталонных сигналов (характерных паттернов) мозговой активности, возникающих в ходе выполнения ментального задания, в том числе в ответ на команды и стимулы поступающие в ходе выполнения задания. База данных наполняется эталонными сигналами (паттернами) на основе результатов обучения классификаторов.
[0021] Классификатор - программный алгоритм, который после обучения выявляет паттерны активности мозга возникающие при выполнении задания.
[0022] Нейропластичность - процесс в мозге, восстанавливающий нейронные связи взамен утраченных или нарушенных в результате заболевания.
[0023] Ольфакторный дисплей - устройство для подачи пациенту обонятельного стимула путем быстрого выброса небольшой порции ароматного вещества и доставки его в область обонятельных и вкусовых нервных окончаний пациента.
[0024] Регистрация активности мозга - процесс считывания и регистрации сигналов, возникающих в головном мозге в результате электрохимической активности нейронов. Во время мышления, либо испытывания разнообразных эмоций и чувств, происходит взаимодействие нейронов между собой через специальные отростки называемые аксонами. Данного рода взаимодействие имеет электрохимическую природу. Когда взаимодействуют большие группы нейронов (сотни тысяч) единовременно, то в результате электрохимической активности генерируется электрическое поле достаточной мощности для того, чтобы быть зарегистрированным с внешней стороны головы.
Краткое описание изобретения
[0025] Задачей заявленного изобретения является реабилитация (восстановление) у пациентов чувства обоняния и/или вкуса, утраченных или сниженных вследствие различных расстройств и заболеваний, в том числе центральной нервной системы, в том числе вследствие перенесенного заболевания COVID-19.
[0026] Технический результат изобретения заключается в увеличении эффективности реабилитации чувств обоняния и вкуса за счет использования системы и способа восстановления и методов описанных для данного изобретения, которые стимулируют восстановление обоняния и вкусовых ощущений за счет формирования нейронной биологической обратной связи между обонятельными, визуальными, звуковыми, тактильными стимулами и ощущениями пациента, а также за счет изменения уровня активности мозга, связанной с распознаванием запахов.
[0027] Система реабилитации данного изобретения включает:
- устройство или устройства визуального, звукового и тактильного отображения и воздействия (далее в тексте документа везде используется общий термин "устройство отображения"),
- устройство регистрации активности мозга,
- устройство для обонятельного воздействия на тренируемую функцию (ольфакторный дисплей),
- компьютер, базу данных, а также программное обеспечение для распознавания и выделения зарегистрированного сигнала мозговой активности и интерпретации выделенного зарегистрированного сигнала с использованием базы данных, при этом компьютер с программным обеспечением выполнен с возможностью передавать команды, сформированные на основе интерпретации зарегистрированных сигналов мозговой активности, на ольфакторный дисплей и/или на устройство визуального отображения по принципу приема-передачи.
[0028] Возможно выполнение системы реабилитации, в которой в качестве устройства отображения используется устройство виртуальной реальности.
[0029] Возможно выполнение системы реабилитации, в которой устройство отображения совмещено с ольфакторным дисплеем.
[0030] Возможно выполнение системы реабилитации, в которой в качестве устройства регистрации сигналов мозговой активности используется электроэнцефалограф.
[0031] Возможно выполнение системы реабилитации, в которой в качестве устройства регистрации сигналов мозговой активности используется устройство функциональной ближней инфракрасной спектроскопии.
[0032] Возможно выполнение системы реабилитации, в которой в качестве устройства регистрации сигналов мозговой активности используется устройство магнитно-резонансной томографии.
[0033] Возможно выполнение системы реабилитации, в которой в качестве устройства регистрации сигналов мозговой активности используется устройство регистрации магнитных полей, возникающих вследствие электрической активности мозга.
[0034] Возможно выполнение системы реабилитации, в которой для регистрации активности мозга применяются совместно по крайней мере два различных устройства регистрации.
[0035] Возможно выполнение системы реабилитации, в которой в качестве основного или дополнительного способа выбора объекта при выполнении задания применяется устройство отслеживания положения глаз (eye tracker), которое может быть отдельным или встроенным в устройство отображения.
[0036] Возможно выполнение системы реабилитации, которая дополнительно содержит электростимулятор для стимуляции нервов и нервных окончаний, отвечающих за распознавание запаха и вкуса.
[0037] Возможно выполнение системы реабилитации, которая дополнительно содержит систему или датчики для регистрации дыхательной активности пациента.
[0038] Технический результат достигается способом реабилитации с использованием системы реабилитации, включающим:
[0039] представление устройством отображения пациенту задания в виде объекта или набора объектов, в том числе взаимодействующих между собой, имеющего (-их) смысловую связь с определенным запахом или запахами, в том числе отображение возможно в виде изображения отдельно или в сопровождении звукового и/или тактильного сигнала,
[0040] представление ольфакторным дисплеем обонятельного стимула,
[0041] регистрацию сигналов активности мозга устройством регистрации,
[0042] передачу зарегистрированных сигналов активности мозга в компьютер с программным обеспечением, связанный с базой данных,
[0043] выделение необходимых для интерпретации сигналов активности мозга компьютером с программным обеспечением,
[0044] интерпретацию выделенных сигналов путем сопоставления с базой данных, с целью выявления ожидаемой реакции на выданный визуальный, звуковой, тактильный, обонятельный или иной сенсорный стимул,
[0045] передачу команды, сформированной на основе интерпретации зарегистрированных сигналов активности мозга, ольфакторному дисплею для обонятельного воздействия на тренируемую функцию и устройству отображения для отображения хода и степени выполнения задания,
[0046] обонятельного воздействия со стороны ольфакторного дисплея на тренируемую функцию пациента в соответствии с распознанными сигналами активности мозга и получаемыми командами,
[0047] передачу сигнала устройству отображения,
[0048] представление на устройстве отображения выполняемого задания.
[0049] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором на этапе выделения и распознавания зарегистрированных сигналов активности мозга выделяют сигнал зрительного, звукового или тактильного вызванного потенциала.
[0050] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором на этапе выделения и распознавания зарегистрированных сигналов активности мозга выделяют сигналы обонятельной зоны коры головного мозга.
[0051] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором на этапе выделения и распознавания зарегистрированных сигналов активности мозга выделяют совместно сигналы вызванного потенциала и сигналы обонятельной зоны коры головного мозга.
[0052] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором для выбора объекта при выполнении задания дополнительно к сигналам активности мозга или отдельно регистрируется движение глаз.
[0053] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором дополнительно к сигналам активности мозга регистрируют дыхательную активность.
[0054] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором воздействие на тренируемую функцию производят в соответствии с зарегистрированной дыхательной активностью.
[0055] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором воздействие на тренируемую функцию сопровождается дополнительно электростимуляцией нервов и нервных окончаний, отвечающих за распознавание запаха и вкуса.
[0056] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором выбор типа сигнала мозга, на основании анализа которого подается команда, осуществляется автоматически.
[0057] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором данные интерпретации активности мозга, полученные в ходе выполнения задания, в том числе данные полученные во время воздействия на реабилитируемую функцию, записывают в базу данных.
[0058] Возможно достижение заявленного результата способом реабилитации с использованием системы реабилитации, в котором устройство отображения в режиме моментальной обратной связи на основании зарегистрированных сигналов мозговой активности отображает степень выполнения поставленного задания.
[0059] Возможно достижение заявленного результата способом нейрореабилитации, в котором предоставление задания, регистрация сигналов и выполнение задания разделены на несколько этапов, при этом на каждом этапе выполнения задания биоэлектрическая, зрительная и дыхательная активность может фиксироваться различными устройствами, и каждый этап отображается на устройстве отображения самостоятельно.
Описание иллюстраций
[0060] На фигуре 1 изображена блок-схема взаимодействия основных компонентов системы реабилитации.
[0061] На фигуре 2 изображен общий вид системы реабилитации.
[0062] На фигуре 3 изображена блок-схема последовательности действий при реализации способа нейрореабилитации (в базовом варианте).
[0063] На фигуре 4 изображена блок-схема последовательности действий при реализации способа нейрореабилитации, в котором объединены варианты реализации способа нейрореабилитации.
[0064] Позиция 1 - устройство отображения;
[0065] Позиция 2 - устройство регистрации мозговой активности;
[0066] Позиция 3 - компьютер;
[0067] Позиция 4 - ольфакторный дисплей;
[0068] Позиция 5 - электростимулятор;
[0069] Позиция 6 - датчик дыхания;
[0070] Позиция 7 - представление задания устройством отображения;
[0071] Позиция 8 - регистрация сигналов активности мозга устройством регистрации;
[0072] Позиция 9 - передача сигналов активности мозга в компьютер с программным обеспечением и базой данных;
[0073] Позиция 10 - выделение и распознавание зарегистрированных сигналов активности мозга компьютером и их интерпретация путем сопоставления с базой данных;
[0074] Позиция 11 - передача команды, на основе интерпретации зарегистрированных сигналов мозговой активности, ольфакторному дисплею для воздействия на тренируемую функцию;
[0075] Позиция 12 - воздействие ольфакторного дисплея на тренируемую функцию и визуальное воздействие в соответствии с распознанными сигналами мозговой активности;
[0076] Позиция 13 - передача цифрового сигнала на устройство отображения;
[0077] Позиция 14 - выделение сигнала вызванного потенциала;
[0078] Позиция 15 - выделение сигнала обонятельной зоны коры головного мозга;
[0079] Позиция 16 - регистрация дыхательной активности;
[0080] Позиция 17 - электростимуляция нервов и нервных окончаний, отвечающих за распознавание запаха и вкуса;
[0081] Позиция 18 - система реабилитации в целом.
Подробное описание
[0082] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
[0083] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.
[0084] Система реабилитации 18 (изображена на фиг. 1 в виде блок-схемы взаимодействия элементов системы; на фиг. 2 изображены компоненты системы) включает устройство отображения 1, в качестве которого, как правило, используется устройство виртуальной реальности, которое может быть представлено в виде очков виртуальной реальности, а также шлема виртуальной реальности. При этом, устройство виртуальной реальности может быть оснащено средствами воспроизведения аудиосигнала и тактильного воздействия, что позволяет в большей степени вовлечь пациента в воображаемый процесс. Использование устройства отображения 1 в системе нейрореабилитации позволяет на сенсорном уровне с максимальной достоверностью предоставить пациенту задание, объект или объекты, связанные с обонятельным или вкусовым ощущением, а также отобразить выполнение задания и уровень выполнения. Таким образом, пациент вовлекается в воображаемый процесс, заставляющий мозг «поверить» в реальность прямой связи между виртуальными объектами и запахами, что способствует повышению эффективности восстановления обонятельной и вкусовой функции. Система реабилитации 18 (фиг. 1) также включает устройство регистрации активности мозга 2, которое регистрирует и передает в компьютер 3 сигналы активности мозга, образуя при этом интерфейс мозг-компьютер, задачей которого является регистрация, обработка, выделение и интерпретация активности мозга с целью определить выбор пациентом объекта в ходе выполнения задания, реакцию обонятельной коры на запаховый стимул или другие паттерны связанные с ментальной активностью. В качестве устройства регистрации мозговой активности 2 может использоваться электроэнцефалограф (фиг. 2) или аналогичное устройство, регистрирующее электрическую и биоэлектрическую активности мозга с поверхности кожи головы. Также может использоваться устройство ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS - near-infrared spectroscopy, спектроскопия в ближней инфракрасной области, или БИК-спектроскопия), измеряющее мозговую активность через гемодинамические реакции; кроме того может использоваться устройство магнитно-резонансной томографии (МРТ) регистрирующее сигналы ядерного магнитного резонанса, а также устройства, считывающие и регистрирующие магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга (МЭГ или аналогичное). Наиболее предпочтительными на практике вариантами использования в качестве устройства регистрации мозговой активности 2 являются электроэнцефалограф и устройство ближней инфракрасной спектроскопии. Кроме того, перечисленные устройства могут быть использованы в различных комбинациях, но наиболее предпочтительным вариантом комбинации устройств регистрации мозговой активности 2 является совместное использование электроэнцефалографа и устройства ближней инфракрасной спектроскопии. Совместное использование электроэнцефалографа и устройства ближней инфракрасной спектроскопии позволяет повысить точность считывания и регистрации сигналов мозговой активности, более качественно распознать намерение пациента и, следовательно, положительно влияет на повышение эффективности реабилитации. Комбинация этих технологий может быть реализована в едином компактном устройстве.
[0085] Система реабилитации 18 (фиг. 1) может также включать устройство для отслеживания движения глаз (eye tracker), которое может использоваться для выбора объекта в ходе выполнения задания - как отдельно, так и совместно с анализом активности мозга. Такое устройство может быть отдельным или встроенным в устройство отображения.
[0086] Система реабилитации 18 (фиг. 1) также включает ольфакторный дисплей 4, который служит для обонятельного стимулирования тренируемой функции. При этом возможны различные варианты реализации ольфакторного дисплея 4.
[0087] Система реабилитации 18 (фиг. 1) также включает компьютер 3, на котором расположено программное обеспечение для распознавания и выделения зарегистрированного сигнала и его интерпретации с использованием базы данных, которая может быть расположена как на компьютере 3, так и на отдельном устройстве, а также на сервере или в облачном хранилище. В системе реабилитации 18 (фиг. 1) компьютер 3 передает команды, сформированные на основе интерпретации зарегистрированных сигналов мозговой и\или дыхательной активности, на ольфакторный дисплей 4 и/или на устройство визуального отображения 1 по принципу приема-передачи. Компьютер 3 с программным обеспечением на нем (фиг. 1) в совокупности с устройством регистрации активности мозга 2 образуют интерфейс мозг-компьютер. Сигналы активности мозга поступают с устройства регистрации 2 в компьютер 3, после чего при помощи установленного на нем программного обеспечения в них распознаются и выявляются паттерны, позволяющие определить объект, который пациент выбирает при выполнении задания, определить реакцию обонятельной зоны коры головного мозга на запаховый стимул и т.п. При этом, компьютер 3 с программным обеспечением интерпретирует сигналы мозговой активности с использованием программных классификаторов, сравнивающих поступающие сигналы с находящимися в базе данных эталонными паттернами мозговой активности. Интерпретация сигналов мозговой активности с помощью программных классификаторов происходит с использованием различных математических аппаратов, в том числе технологии искусственных нейронных сетей, путем выявления характерных особенностей (паттернов) активности головного мозга, например, связанных с внешней стимуляцией или когнитивной активностью, и далее поиска сходных паттернов в распознанном, выделенном, интерпретируемом сигнале мозговой активности. При этом классификаторы адаптивно перенастраиваются, то есть «обучаются», как автоматически, так и вручную, подстраиваясь под конкретные задачи и конкретного пациента. Возможен автоматический и ручной подбор классификаторов, что позволяет повысить точность их работы и снизить время обучения классификатора. Компьютер 3, на котором расположены программные классификаторы, позволяет выделить и распознать как паттерны ольфакторных реакций, так и паттерны зрительных, звуковых, тактильных вызванных потенциалов (электрической волны бессознательно возникающей в коре головного мозга как реакция на «значимый» зрительный или звуковой стимул - например, на изменение яркости - «подсветку» объекта на устройстве визуального отображения 1, на котором пациент сконцентрировал свое внимание или на ожидаемый звук). За счет «бессознательного» возникновения и характерных особенностей паттерна вызванного потенциала, позволяющих с высокой точностью выявлять его в сигналах активности мозга, такая парадигма требует умеренного ментального напряжения от пациента и может быть применена при пониженном когнитивном уровне, синдроме утомляемости и т.п., характерных для неврологических расстройств и последствий заболевания COVID-19. При этом возможно выделение, распознавание и дальнейшая работа как по отдельности сигналов обонятельной коры и сигналов вызванных потенциалов, так и совместное выделение, распознавание и дальнейшая работа с этими двумя типа сигналов. Таким образом, применение компьютера 3, на котором может быть расположена база данных, а также программного обеспечения для распознавания и выделения зарегистрированного сигнала и интерпретации выделенного зарегистрированного сигнала с использованием базы данных способствует повышению эффективности реабилитации.
[0088] Следует отметить, что компьютер 3, на котором расположено программное обеспечение может располагаться в персональном компьютере - наиболее предпочтительный вариант, также компьютер 3 может быть расположен в мобильном устройстве, например смартфоне, кроме того возможен вариант расположения компьютера 3 удаленно, например на сервере, на устройстве локальной сети или в облаке, также возможен вариант расположения компьютера 3 на микрокомпьютере или нескольких микрокомпьютерах, встроенном в один или несколько из элементов системы по п. 1, например в устройство визуального отображения 1 или в ольфакторный дисплей 4 и т.п.
[0089] Возможно выполнение системы реабилитации 18 (фиг. 1), которая дополнительно содержит электростимулятор 5 (на фиг. 2 показаны кабели электродов стимулятора) для стимуляции обонятельных и вкусовых нервов и нервных окончаний заключающейся в одновременном с представлением запаха 4 специфическим электрическим воздействием через кожу или на определенные зоны слизистой оболочки носовой и/или ротовойполости с целью вызвать ощущение "искусственного запаха" или стимулировать чувствительность окончаний и тем самым усилить биологическую обратную связь и стимулировать собственную ольфакторную активность нервной системы. Кроме того, при использовании электростимуляции нормализуется работа слизистой оболочки и других органов носоглотки. Таким образом, дополнительное использование электростимулятора 5 в системе реабилитации повышает ее эффективность.
[0090] Возможно выполнение системы реабилитации 18 (фиг. 1), которая дополнительно содержит датчик или датчики дыхания 6 для регистрации дыхательной активности пациента. Таким образом, могут быть зарегистрировано фаза и время дыхательной активности. Показания датчиков могут служить дополнительным условием для начала запаховой стимуляции в оптимальный момент, например в фазе вдоха, и соответственно повысить эффективность стимуляции и синхронизировать анализ электрической активности коры и дыхательной активности. Таким образом, использование датчиков дыхания 6 в системе реабилитации повышает эффективность реабилитации.
[0091] Для понимания работы и функционирования системы реабилитации 18 изображенной на фигуре 1, ниже приведен пример реализации ее работы и функционирования элементов. Пример рассматривает только одну из возможных парадигм применения системы, дан с целью обеспечить возможность понимания специалистом в данной области техники принципов взаимодействия элементов системы и принципов работы и функционирования системы 18 в целом и должен рассматриваться как иллюстративный, а не ограничивающий объем изобретения:
[0092] При восстановление обонятельной и вкусовой функции пациенту при помощи устройства отображения 1 (например, устройства виртуальной реальности), выдаются задания, связанные с распознаванием запахов. В ходе выполнения задания пациент например (но не только), должен:
- вариант "а": выбрать с помощью ментальной активности объект с характерным запахом, после чего ему подается соответствующий запах, и далее измеряется и демонстрируется активность обонятельной зоны коры в ответ на этот запах;
- вариант "б": соответствует варианту "а", но подаваться пациенту может как "правильный", так и "неправильный" запах, и пациент должен определить выбранный ли запах ему подан, либо выбрать с помощью ментального усилия объект соответствующий этому запаху;
- вариант "в": пациенту подается обонятельный стимул, который он должен распознать и после этого выбрать с помощью ментального усилия объект, соответствующий этому запаху;
- вариант "г": пациент выбирает целевой запах, после чего ему подается серия обонятельных стимулов во время которой он должен правильно определить момент подачи целевого запаха, при этом критерием правильного распознавания запаха являются не только действия пациента (он может назвать запах или выбрать соответствующий объект с помощью ментального усилия), но и наличие соответствующей реакции в его ЭЭГ.
[0093] В ответ на правильное выполнение заданий пациенту могут демонстрироваться не только объекты, но и действия, связанные с определенным запахом. Например, запаху кофе может соответствовать "отхлебывание" кофе из виртуальной чашки, запаху яблока -срывание яблока и так далее.
[0094] Возникающая в результате оказываемого на основе анализа нейрофизиологических сигналов комплексного мультисенсорного и когнитивного воздействия на организм пациента биологическая обратная связь стимулирует нейропластичность и таким образом положительно влияет на эффективность реабилитации тренируемой функции.
[0095] Приведенное выше описание касается и опирается в основном на фиг. 1, на которой показана блок-схема взаимодействия элементов системы реабилитации. Далее для наглядности реализации системы приведено описание фигур 2-4. При этом, приведенные варианты осуществления должны рассматриваться во всех отношениях только как иллюстративные, а не ограничивающие объем изобретения.
[0096] На фиг. 2 изображен вариант набора элементов системы нейрореабилитации в который входят:
[0097] устройство отображения 1, представленное в виде устройства виртуальной реальности, обеспечивает представление 7 задания пациенту и информации о его ходе и степени выполнения, и способствует более четкому и образному представлению пациентом выполняемого задания и соответственно усилению проявления активности мозга и совместной работы нескольких зон коры и подкорковых структур для выполнения задания, тем самым увеличивая эффективность формирования сигналов активности мозга; в различных исполнениях в устройство отображения могут быть встроены устройства для звуковой, тактильной стимуляции, устройство для отслеживания положения глаз и ольфакторный дисплей;
[0098] устройство регистрации активности мозга 2, представленное в виде электроэнцефалографа, способного регистрировать электрическую и биоэлектрическую активности мозга с поверхности кожи головы при помощи датчиков, размещаемых непосредственно на голове пациента;
[0099] компьютер 3, представленный в виде ноутбука, на котором расположено программное обеспечение для распознавания и выделения зарегистрированного сигнала и интерпретации выделенного зарегистрированного сигнала с использованием базы данных. Компьютер 3 передает команды, сформированные на основе интерпретации зарегистрированных сигналов мозговой активности, на ольфакторный дисплей 4 и на устройство визуального отображения 1 по принципу приема-передачи;
[00100] ольфакторный дисплей 4, который служит для обонятельного воздействия на тренируемую функцию (обоняние или вкус), в соответствии с распознанными сигналами активности мозга;
[00101] электростимулятор 5 (на иллюстрации показаны кабели электродов стимулятора), который служит для стимуляции обонятельных и вкусовых нервов и нервных окончаний заключающейся в одновременном с представлением запаха 4 специфическим электрическим воздействием через кожу или на определенные зоны слизистой оболочки носовой и/или ротовой полости;
[00102] датчик дыхания 6, для регистрации дыхательной активности пациента для лучшей синхронизации подачи запаховой стимуляции и анализа электрической активности обонятельной зоны коры.
[00103] За счет использования описанных выше элементов заявленное изобретение «система реабилитации» увеличивает эффективность реабилитации при утрате или снижении обоняния (например аносмии) и вкуса (например агевзии) при различных нарушениях работы и заболеваниях центральной нервной системы, в том числе вследствие заболевания COVID-19, за счет формирования нейронной биологической обратной связи между обонятельными, визуальными, звуковыми стимулами и обонятельными ощущениями пациента, а также за счет изменения уровня активности мозга, связанной с распознаванием запахов.
[00104] Система реабилитации 18 (фиг. 1) позволяет регистрировать, распознавать и выделять сигналы активности мозга, выявляя задуманный пациентом объект, связанный с определенным запахом, а также выделять сигналы обонятельной зоны коры, являющиеся реакций на запах и синхронизируя зрительную и обонятельную, а также звуковую и тактильную стимуляцию. Возникающая в результате биологическая обратная связь стимулирует нейропластичность - процесс в мозге, формирующий обходные нейронные пути взамен утраченных или нарушенных в результате заболевания, при этом повышение эффективности реабилитации происходит в том числе за счет такогокомплексного воздействия на нервную систему. Таким образом, решается задача реабилитации пациентов.
[00105] Способ реабилитации с использованием системы реабилитации (в базовом варианте) характеризуется, по крайней мере, следующими последовательными действиями, а именно (см. фиг. 3):
[00106] 7 - представление задания устройством отображения;
[00107] 8 - регистрация сигналов активности мозга устройством регистрации;
[00108] 9 - передача сигналов активности мозга в компьютер с программным обеспечением, связанным с базой данных;
[00109] 10 - выделение необходимых для интерпретации сигналов активности мозга компьютером с программным обеспечением и их интерпретацию путем сопоставления с базой данных;
[00110] 11 - передачу команды, сформированной на основе интерпретации регистрации сигналов активности мозга, ольфакторному дисплею для начала обонятельной стимуляции;
[00111] 12 - обонятельную стимуляцию в соответствии с распознанными сигналами активности мозга;
[00112] 13 - передачу цифрового управляющего сигнала устройству отображения.
[00113] Реабилитация с использованием системы реабилитации осуществляется по следующему способу:
[00114] Пациенту в сенсорной (визуальной, звуковой, тактильной) форме с помощью устройства отображения (и, при необходимости, с помощью ольфакторного дисплея - в обонятельной форме) даются задания, связанные с распознаванием запахов. Представление задания может происходить в среде виртуальной реальности с использованием устройства виртуальной реальности. Устройство отображения может быть оснащено средствами воспроизведения аудиосигнала и тактильного воздействия, что позволяет в большей степени вовлечь пациента в воображаемый процесс с помощью дополнительной сенсорной стимуляции. При этом может быть реализована и сенсорная обратная связь для отображения качества выполнения задания - например с помощью звуковых сигналов разной громкости и тональности; или в случае выполнения поставленного задания с высоким качеством может звучать благозвучная мелодия. Визуальное представление задания 7 в среде виртуальной реальности способствует более активным проявлениям кортикальной активности мозга при выполнении задания, тем самым положительно влияя на эффективность реабилитации.
[00115] Далее, пациент в ходе выполнения задания, в зависимости от варианта упражнения (см. примеры в [00092]) фокусируется на ассоциированном с запахом объекте и\или пытается распознать запах поступающий от ольфакторного дисплея 4, тем самым выполняя заданную ментальную активность, которую устройство регистрации активности мозга 2 регистрирует и передает в компьютер 3;
[00116] возможна регистрация и последующая передача в компьютер 3 сигналов активности мозга с использованием в качестве устройства регистрации мозговой активности 2 электроэнцефалографа;
[00117] возможна регистрация и последующая передача в компьютер 3 сигналов активности мозга с использованием в качестве устройства регистрации мозговой активности 2 устройства ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS - near-infrared spectroscopy, - спектроскопия в ближней инфракрасной области или БИК-спектроскопия) измеряющей гемодинамические реакции, связанные с нейроактивностью;
[00118] кроме того, возможна регистрация и последующая передача в компьютер 3 информации о мозговой активности в виде информации об уровне индуцированного ядерного магнитного резонанса в клетках мозга зарегистрированного устройством магнитно-резонансной томографии (МРТ);
[00119] также возможна регистрация и последующая передача в компьютер 3 информации о мозговой активности путем регистрации уровня магнитных полей, возникающих вследствие электрической активности мозга, устройством магнитной энцефалографии (МЭГ) или подобным ему;
[00120] для выбора объекта при выполнении задания возможно также использование устройства для отслеживания положения глаз (eye tracker) - отдельно, или совместно с анализом сигналов активности мозга;
[00121] В предлагаемом способе наиболее предпочтительным вариантом является регистрация 8 и последующая передача 9 в компьютер 3 сигналов электрической и биоэлектрической активности мозга с применением электроэнцефалографа в качестве устройства регистрации 2. Еще одним из предпочтительных вариантов является регистрация 8 и последующая передача 9 в компьютер 3 сигналов активности мозга с использованием устройства ближней инфракрасной спектроскопии. Третьим предпочтительным вариантом является использование устройства для отслеживания активности глаз (eye tracker), в том числе для пациентов с пониженным когнитивным уровнем.
[00122] При этом возможны различные комбинации приведенных выше вариантов регистрации биоэлектрических сигналов и активности мозга; наиболее предпочтительной комбинацией является совместное использование регистрации 8 и последующей передачи 9 в компьютер 3 сигналов электрической и биоэлектрической активности мозга с применением электроэнцефалографа в качестве устройства регистрации мозговой активности 2, совместно с регистрацией 8 и последующей передачей 9 в компьютер 3 сигналов NIRS. Комбинация вариантов позволяет повысить точность регистрации сигналов активности мозга, и таким образом более качественно их интерпретировать и увеличить эффективность реабилитации.
[00123] Далее происходит выделение и распознавание зарегистрированных сигналов активности мозга и активности глаз и их интерпретация 10 компьютером 3 путем сопоставления с базой данных для выявления паттернов активности, позволяющих определить выбранный объект или обнаружить реакцию на заданный запах. Зарегистрированные сигналы поступают с устройства регистрации активности мозга 2 в компьютер 3, и при помощи установленного на нем программного обеспечения (которое также может располагаться на сервере, на стороннем устройстве или в облачном хранилище, а вычисления производиться путем распределенного вычисления несколькими устройствами, расположенными удаленно, например на сервере, на стороннем устройстве или в облачном хранилище), сигналы распознаются, и интерпретируются: в них выявляются паттерны активности головного мозга, позволяющие программному обеспечению определить выбранную цель или запах. При этом, компьютер 3 с программным обеспечением интерпретирует сигналы активности мозга с использованием программных классификаторов и базы данных, содержащей эталонные сигналы мозговой активности. Интерпретация сигналов мозговой активности с помощью программных классификаторов происходит в том числе на основе технологий искусственных нейронных сетей, использующих различные математические аппараты для выявления характерных особенностей (паттернов) активности головного мозга, связанных с внешней стимуляцией или когнитивной активностью и далее поиска таких паттернов в интерпретируемом сигнале. При этом, результаты интерпретации мозговой активности записывают в базу данных для ее расширения. Кроме того, классификаторы адаптивно перенастраиваются, то есть «обучаются», подстраиваясь под конкретные задачи и конкретного пациента. Возможен автоматический и ручной подбор оптимальных классификаторов и их параметров, что позволяет повысить точность и скорость их работы и снизить время обучения классификатора. Компьютер 3, на котором может быть расположено программное обеспечение для распознавания и выделения зарегистрированного сигнала и интерпретации выделенного зарегистрированного сигнала с использованием базы данных, позволяет выделить и распознать 10 сигналы вызванного потенциала 14 и сигналы обонятельной зоны коры головного мозга 15. Сигнал вызванного потенциала - это электрическая волна, бессознательно возникающая в коре головного мозга как реакция на «значимый стимул» - например, на визуальное выделение (изменение яркости - «подсветку») объекта на котором пациент сконцентрировал свое внимание или ожидаемое тактильное воздействие. За счет «бессознательной» природы возникновения и характерных особенностей паттернов вызванного потенциала, позволяющих с высокой точностью выявлять их в сигналах активности мозга, использование парадигмы выделения вызванных потенциалов требует меньшего ментального напряжения от пациента, чем при других парадигмах использования интерфейсов мозг-компьютер и может быть применено при пониженном когнитивном уровне, снижении способности с концентрации и других подобных проявлениях, характерных для ряда неврологических расстройств и для последствий заболевания COVID-19. При этом возможно выделение, распознавание и дальнейшая обработка сигналов обонятельной зоны коры и сигнала вызванного потенциала как по отдельности, так и совместно. Таким образом, выделение и распознавание (зарегистрированных) сигналов мозговой активности и интерпретация 10 компьютером 3 путем сопоставления с базой данных способствует повышению эффективности реабилитации.
[00124] После выделения и распознавания зарегистрированных сигналов активности мозга и интерпретации 10 компьютером 3 путем сопоставления с базой данных происходит передача команды 11 ольфакторному дисплею для запахового воздействия, и/или устройству визуального отображения для отображения хода и степени выполнения задания. Таким образом, передача команды 11, сформированной на основе интерпретации зарегистрированных сигналов мозговой активности, ольфакторному дисплею и устройству визуального отображения, и последующее их комплексное воздействие на пациента 12 стимулируют восстановление нейронных связей в головном мозге взамен утраченных путем формирования нейронной биологической обратной связи между объектом и запахом. Тем самым, применение в системе ольфакторного дисплея обеспечивает эффективность реабилитации.
[00125] Во время воздействия со стороны ольфакторного дисплея пациент наблюдает в устройстве визуального отображения 1 ход и степень выполнения задания: происходит передача сигнала 12 на устройство визуального отображения 1 и далее визуальное представление 7 на устройстве визуального отображения 1 процесса выполнения задания. Таким образом, пациент вовлекается в воображаемый процесс, который заставляет мозг «поверить» в реальность связи между объектом и запахом, что способствует повышению эффективности реабилитации. Кроме того, устройство визуального отображения 1, в том числе реализованное в виде устройства виртуальной реальности, позволяет визуально отобразить выполнение связанного с объектом двигательного задания (например "отхлебнуть кофе из чашки", "сорвать яблоко" и т.п.). Наблюдение за выполнением задания дополнительно усиливает комплексную стимуляцию сенсорных зон коры облегчающую восстановление нейронных связей, что также повышает эффективность реабилитации.
[00126] Возможна реализация способа нейрореабилитации в которой ольфакторная стимуляция происходит в оптимальной фазе дыхания или вдыхания, определенной с помощью датчика дыхания 16, что дополнительно повышает эффективность реабилитации.
[00127] Возможна реализация способа нейрореабилитации в которой воздействие со стороны ольфакторного дисплея 4 в соответствии с распознанными сигналами мозговой активности сопровождается дополнительно одновременной электростимуляцией 17 нервов и нервных окончаний, отвечающих за обоняние и вкус, с использованием электростимулятора 5, с целью усилить биологическую обратную связь и стимулировать собственную активность ольфакторной системы и формирование соответствующих паттернов нейрональной активности. Кроме того, при использовании электростимуляции нормализуется работа органов носоглотки, и достигается перестройка нейродинамики пациента. Таким образом, использование электростимуляции 17 способствует увеличению эффективности реабилитации.
[00128] Возможна реализация способа реабилитации, в котором на устройстве визуального отображения 1 в режиме моментальной обратной связи на основании зарегистрированных сигналов мозговой активности отображают степень выполнения поставленного задания, то есть при выполнении задания пациенту при помощи устройства визуального отображения 1 предоставляется информация о том, насколько правильно он выполняет задание. Информация предоставляется в виде меняющейся шкалы или индикатора, где при качественном и правильном выполнении задания отображается максимальное значение, а если же задание выполняется неверно или недостаточно близко к заданному значению, то происходит уменьшение значения отображаемого на шкале или индикаторе, кроме того моментальная обратная связь для отображения степени выполнения поставленного задания может производиться при помощи звуковых сигналов, например когда в качестве устройства визуального отображения 1 используется шлем виртуальной реальности с встроенными устройствами для прослушивания аудиосигнала. Такая реализация позволяет пациенту определить и понять, насколько правильно и качественно он выполняет задание, стимулируя его тем самым к проявлению ожидаемой мозговой активности и повышая эффективность реабилитации. Кроме того, когда происходит правильное выполнения задания и пациент видит на шкале или индикаторе высокую оценку качества выполняемого задания, это способствует выработке в организме пациента нейромедиаторов, который способствуют восстановлению нейронных связей в мозге.
[00129] Возможна реализация способа реабилитации, в котором задание, регистрация сигналов и команды на выполнение задания разделены на несколько этапов, при этом каждый этап выполнения задания может фиксироваться различным устройством, при этом каждый этап отображается на устройстве визуального отображения 1 самостоятельно. Таким образом, изобретение делает возможным симулировать выполнение сложных многоэтапных действий, подобных выполняемым пациентом в реальной жизни, и таким образом осуществлять комплексную реабилитацию.
[00130] Кроме того, все перечисленные варианты реализации способа реабилитации могут быть объединены, как все вместе (фиг. 4), так и в различных комбинациях и применяться отдельно друг от друга.
[00131] Таким образом, использование заявленного изобретения «система реабилитации» и заявленного изобретения «способ реабилитации» увеличивает эффективность реабилитации при утрате или снижении обоняния и вкуса (аносмии) при различных нарушениях работы и заболеваниях центральной нервной системы, в том числе вследствие заболевания COVID-19, за счет стимуляции восстановления нарушенных или утраченных функций путем формирования различными способами и их комбинациями нейробиологической обратной связи между запахом и объектом, а также состоянием. Система реабилитации позволяет регистрировать, распознавать и выделять сигналы мозговой активности, выявляя реакцию пациента на объект и его свойства, в первую очередь запах, и погружая в сходную с обычной жизнью атмосферу за счет использования устройства визуального отображения, в том числе устройства виртуальной реальности; при этом возникающая биологическая обратная связь стимулирует нейропластичность - процесс в мозге, формирующий обходные нейронные пути взамен утраченных или нарушенных в результате заболевания. Дополнительное повышение эффективности реабилитации происходит с использованием электрической стимуляции и регистрации параметров дыхания.
[00132] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.