ИГРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИИ ДЕТЕЙ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ДВИГАТЕЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

Полезная модель относится к области игровых тренажеров, а также к области медицины и может использоваться для восстановления двигательных функций детей с неврологическими нарушениями.
Известны различные реабилитационные и тренировочные устройства, выполненные на основе механических тренажеров, которые могут дополнительно содержать электронные блоки управления и связанные с ними размещаемые на теле пациента датчики (например, SU 1802718 A3, 1993; RU 107940 U1, 2011; RU 2240851 C1, 2004; US 20060270528 A1, 2006; EP 0187457 A2, 1986). Однако они, как правило, сложны и громоздки, а эффективность развития физических способностей пользователей или реабилитации пациентов недостаточно высока. В особенности это относится к детям, для которых такие устройства мало приспособлены и не учитывают психологию ребенка.
Известно игровое реабилитационное устройство, содержащее горизонтальную платформу, снабженную узлом, реагирующим на отклонение платформы от горизонтали, и элементом, создающим неустойчивое положение платформы, а также связанную с этими узлом и элементом игровую приставку (RU 2008102407 А, 2009). Наличие игровой приставки позволяет использовать эффект игровой мотивированности реабилитационных упражнений, что особенно важно для пациентов - детей. Однако для коррекции многих патологических состояний детей такое устройство недостаточно эффективно, поскольку требует наличия двигательных реакций, которые дети с ограниченными двигательными возможностями могут и не воспроизвести.
Известна также игровая приставка для тренажера, содержащая игровой манипулятор, соединенный с датчиками движения и с блоком обработки и выдачи информации (RU 98336 U1, 2010). Такое устройство дополняет механический тренажер и повышает стимулирование пользователя к тренировкам. Однако оно также неэфективно для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями по той же причине.
Из известных устройств наиболее близким к предложенному является игровое устройство для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, содержащее логический блок согласования и соединенные с ним игровой объект и выполненное в виде по меньшей мере одного входного датчика устройство ввода, размещенное с возможностью получения соответствующего входного сигнала от ребенка (RU 2061508 С1, 1996). В этом устройстве логический блок согласования выполнен в виде соединенного с соответствующим входным датчиком блока усиления, блока выпрямления и фильтрации, компаратора и согласующего устройства, при этом к инвертирующему входу компаратора подключен потенциометр, задающий напряжение, соответствующее величине порога биоэлектрической активности. Игровой объект выполнен в виде компьютера, к которому подключен манипулятор. При возникновении превышающего установленный порог входного сигнала (например, в виде электромиограммы), поступающий на вход компьютера логический сигнал запускает игровой режим и ребенок (пациент) может управлять компьютерной игрой посредством манипулятора. Если биоэлектрический сигнал меньше пороговой величины, то компьютерная игра останавливается и управление ею становится невозможным. Для запуска компьютерной игры ребенку необходимо произвести действие, направленное на изменение биоэлектрической активности, например, напрячь определенную мышцу. Это позволяет проводить функциональную коррекцию расстройств функций у детей с врожденной и приобретенной патологией опорно-двигательного аппарата, коррекцию осанки и др. Игровой принцип при этом обеспечивает мотивированность ребенка процедурой и позволяет преодолевать определенные нагрузки, неизбежно связанные с коррекцией патологического состояния.
Однако функциональные возможности такого устройства и эффективность реабилитации ограничены, что связано с отсутствием возможности варьирования параметрами двигательной задачи, а также ограниченностью характера критерия остановки игры, который заключается в снижении биоэлектрической активности ниже установленного порога и не связан непосредственно с состоянием двигательного аппарата. Такое устройство не позволяет, например, исправлять паттерн ходьбы. Использование такого устройства возможно преимущественно в условиях клиники или реабилитационного центра, в домашних же условиях оно затруднено.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание игрового устройства для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в расширении функциональных возможностей такого игрового устройства и повышении с его помощью эффективности реабилитационного процесса.
Это достигается тем, что в игровом устройстве для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, содержащем логический блок согласования и соединенные с ним игровой объект и выполненное в виде по меньшей мере одного входного датчика устройство ввода, размещенное с возможностью получения соответствующего входного сигнала от ребенка, логический блок согласования выполнен в виде снабженного клавиатурой управляющего микроконтроллера с энергонезависимой памятью, выполненного с возможностью обеспечения биологической обратной связи ребенка с игровым объектом, при этом управляющий микроконтроллер содержит программный блок изменения и индикации режимов и параметров обработки, соответствующие выходы которого соединены со входами последовательно включенных программного блока опроса входных сигналов, программного блока обработки входных сигналов и принятия решения и программного блока управления игровым объектом. Игровой объект может быть выполнен в виде компьютера, который может быть настроен на игровой режим или режим видеоплеера, а также в виде аудиоплеера. В качестве входных датчиков могут быть использованы датчики положения, датчики контакта, датчики электрической активности или силоизмерительные датчики.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 показана структурная блок-схема предложенного игрового устройства, на фиг.2 - структурная блок-схема управляющего микроконтроллера.
Игровое устройство для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями содержит логический блок согласования, выполненный в виде управляющего микроконтроллера 1 с энергонезависимой памятью (субблок 2) и снабжен клавиатурой 3. Управляющий микроконтроллер 1 содержит программный блок 4 индикации режимов и параметров обработки. Соответствующие выходы этого блока соединены со входами последовательно включенных программного блока 5 опроса входных сигналов, программного блока 6 обработки входных сигналов и принятия решений и программного блока 7 управления игровым объектом 8. Входящий в состав игрового устройства игровой объект 8 может быть выполнен в виде соединенного с управляющим микроконтроллером 1 компьютера 9, который может быть настроен на игровой режим и соответственно включать компьютерную игру (субблок 10) или настроен на режим видеоплеера 11 (может использоваться и соединенный с компьютером 9 отдельный видеоплеер 11). Игровой объект 8 может быть выполнен в виде соединенного с управляющим микроконтроллером 1 аудиоплеера 12. Связь управляющего микроконтроллера 1 с компьютером 9 может быть выполнена беспроводной. Игровое устройство содержит также устройство 13 ввода, выполненное в виде по меньшей мере одного входного датчика. В качестве таких датчиков могут быть использованы датчики 14 положения (угловые датчики), например, на основе потенциометров, датчики 15 контакта, например, в виде отдельных кнопок пленочной клавиатуры, датчики 16 электрической активности, например, на основе усилителя биопотенциалов и накожных электродов для регистрации электромиограмм, и силоизмерительные датчики 17, преимущественно на основе тензорезисторов. Управляющий микроконтроллер 1 с энергонезависимой памятью, клавиатура 3 и отдельные элементы устройства ввода 13, например, усилитель биопотенциалов и тензоусилители могут быть конструктивно объединены в одном корпусе и выполнены в виде отдельного прибора, снабженного автономным источником питания и соответствующими разъемами и индикаторными элементами.
Работа игрового устройства основана на реализации принципа биологической обратной связи (biofeedback) /БОС/ для упражнения двигательных навыков у детей с неврологическими нарушениями (ДЦП, постэнцефалит, постинсульт и т.д.). При этом учтены особенности мотивации ребенка, который более готов к участию в игре, нежели к физическому тренингу. Это позволяет обеспечить эффективную реабилитацию за счет активной эмоциональной и физической вовлеченности ребенка в реабилитационный процесс. Игровое устройство, включающее прибор с управляющим микроконтроллером 1, соответствующие датчики и компьютер 9 за счет простоты в обращении и системы непосредственного контроля движений ребенка позволяет ребенку самостоятельно эффективно корректировать собственные движения, что расширяет функциональные возможности устройства и повышает эффективность реабилитационного процесса, позволяя, например, применять игровое устройство в домашних и любых благоприятных для ребенка условиях для реабилитации широкого класса двигательных нарушений. Это позволяет использовать игровое устройство ежедневно и ввести практику наработки новых движений в повседневную жизнь ребенка, что особенно важно с точки зрения двигательной реабилитации.
Микроконтроллер 1 является ядром игрового устройства. Для его настройки - выбора режимов работы и параметров алгоритма управления используется клавиатура 3. Для хранения его настроек используется его энергонезависимая память (субблок 2). При функционировании игрового устройства входящий в состав управляющего микроконтроллера 1 программный блок 4 изменения и индикации режимов и параметров обработки опрашивает состояние элементов управления прибора (состояние клавиатуры 3), изменяет необходимым образом режимы и параметры обработки, обеспечивает отображение (на передней панели прибора) значения выбранных параметров и записывает эти значения в энергонезависимую память управляющего микроконтроллера 1. Программный блок 5 опроса входных сигналов вводит показания тех датчиков устройства 13 ввода, которые используются в выбранном режиме работы. Программный блок 6 обработки входных сигналов и принятия решений сравнивает временную последовательность входных сигналов с шаблоном, заданным при выборе режима и параметров обработки. Если входной сигнал соответствует заданному шаблону, то через программный блок управления 7 подается сигнал на игровой объект 8, разрешающий компьютерную игру, просмотр или прослушивание. В противном случае игровой объект 8 блокируется. Программные блоки 4, 5, 6, 7 могут быть реализованы программными средствами с соответствующими алгоритмами.
Игровое устройство может использоваться для выработки активных движений в любых суставах ребенка, а также для исправления паттерна ходьбы. Так, в случае функционирования игрового устройства для обучения ребенка, страдающего неврологическим нарушением (для которого свойственна ходьба на цыпочках), наступать на пятки при ходьбе используются два датчика 15 контакта с опорой, смонтированные в обуви пациента под пяткой, и два датчика 14 положения (коленного угла) для правой и левой ноги. Входные сигналы анализируются на протяжении интервала заданной длительности (преимущественно от 1 до 7 сек). В результате анализа на игровой объект 8 подается разрешающий или запрещающий сигнал, затем анализируется следующий интервал и т.д. до конца процедуры. При этом разрешающий сигнал формируется, если в течение последнего временного интервала были выполнены следующие условия: был зарегистрирован контакт левой пятки с опорой, был зарегистрирован контакт правой пятки с опорой, объем движения левого колена (разница между наименьшим и наибольшим значениями угла) превысил заданную величину, объем движения правого колена превысил заданную величину. Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, то в конце анализируемого временного интервала будет сформирован запрещающий выходной сигнал и автоматически включается режим паузы для игрового объекта 8. Таким образом, ребенок может управлять компьютерной игрой, смотреть фильм или слушать фонограмму только в том случае, если он идет с частотой шагов не меньше заданной, сгибая колени на угол не меньше заданного и при этом наступает на пятки. Возможны различные режимы воспитания опоры на пятки детей, страдающих неврологическими нарушениями с использованием датчиков контакта 15. Например: 1) Воспитывается опора на пятки при ходьбе, когда ребенок идет по беговой дорожке и управляет работой видеоплеера 11 нажатием пяточных кнопок этих датчиков, при этом картинка на видеоплеере 11 через заданное время останавливается и не продолжится, пока ребенок не наступит на любую пятку или поочередно сначала на одну, затем на другую. 2) Воспитывается опора на пятки в положении стоя с использованием компьютерной игры и двух дополнительных кнопочных манипуляторов клавиатуры 3, при этом пяточные кнопки управляют движением игрового элемента (например, автомобиля) вперед, а кнопочные манипуляторы - влево, вправо. Для того, чтобы игровой элемент двигался вперед, ребенку необходимо стоять с опорой на пятки и одновременно он управляет руками движениями игрового элемента влево-вправо, что позволяет отвлечь ребенка от привычки держаться руками за окружающие объекты для дополнительной опоры. 3) Воспитывается опора на пятки во время ходьбы в режиме свободной прогулки (без беговой дорожки) с использованием аудиоплеера 12, при этом игровое устройство в том случае, если нет сигнала от пяточных кнопок, т.е. ребенок идет на мысках, снижает громкость звучания в наушниках до еле различимой и восстанавливает громкость при поступлении соответствующего сигнала о правильной постановке ноги.
Пример выполнения игрового устройства. Игровое устройство содержит снабженный клавиатурой 2 управляющий микроконтроллер 1 марки MSP430F5529 фирмы Texas Instruments, размещенный в корпусе типа G909 фирмы Gainta размерами 105×75×23 мм. В этом же корпусе размещен источник питания в виде батареи типа «Крона» или аккумулятора. Такой прибор на основе управляющего микроконтроллера 1 назван «Play Walk». Его связь с компьютером 9 осуществляется по шине USB, при этом прибор выступает для компьютера 9 в качестве «стандартной клавиатуры». В приборе имеются входы со стороны пациента - кнопки для управления игрой руками, входы для подключения датчиков 15 контакта для включения/блокировки игры (например, пятками), аналоговые входы для подключения правого и левого датчиков 14 положения (например, коленного угла). На корпусе прибора размещены четыре кнопки, позволяющие модифицировать параметры - состав анализируемых входных сигналов и вариант алгоритма обработки сигнала (четыре варианта), генерируемый управляющим микроконтроллером 1 символ для управления игрой (выбор из пяти символов), величину временной задержки на выключение игры, пороговое значение изменения коленного угла (достаточное для продолжения игры). Для индикации выбранных параметров, а также уровня заряда источника питания использован 7-сегментный индикатор и пять отдельных светодиодов. Для возможности работы с аудиоплеером имеются два разъема - для подключения наушников и соединения с выходом аудиоплеера. Игровое устройство с таким прибором и компьютером 9 (с операционной системой Windows 7) прошло практическую апробацию на более 10 пациентах, подтверждающую указанный технический результат при реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями.
Пример использования игрового устройства. Ребенок Т. 5 лет с диагнозом спастическая диллегия с умеренно выраженной спастичностью. Начиная с одного года жизни проходил направленное на восстановление двигательных функций лечение в различных реабилитационных центрах. Однако преодолеть привычный стереотип хождения на мысках (т.е. опоры при ходьбе только на передние отделы стоп) не удалось. Для воспитания правильного стереотипа ходьбы с опорой на полную стопу использовано игровое устройство. Занятия проводились в течение пяти недель. Тренировки совпали по времени с поездкой в другую страну и успешно проводились в самых различных условиях - туристической прогулки, в отеле, в спортивном центре и т.д. Это делалось намеренно с целью переноса навыка ходьбы в разнообразные социальные условия. Использовалось три режима функционирования игрового устройства: 1) Упражнения активных движений в голеностопном суставе - на активное тыльное сгибание стопы в положении сидя в режиме БОС-управления компьютерной игрой 3-4 раза в неделю по 90-120 минут. 2) Упражнения на выработку стереотипа опоры на полную стопу (на пятку) при ходьбе в режиме БОС-управления просмотром мульипликационного фильма на портативном компьютере 1 при ходьбе на беговой дорожке 2-3 раза в неделю по 60-90 минут с учетом пауз для отдыха. 3) Упражнение на выработку стереотипа опоры на полную стопу в режиме БОС-управления работой mp3 аудиоплеера 12 в условиях прогулки с поддержкой за одну руку (парк, городская улица, отель, торговый центри др.) 5-6 раз в неделю в течение 45-60 минут. В результате упражнений была достигнута биомеханическая коррекция ходьбы в части опоры на стопу. При этом значительно увеличилось количество активных дорсальных сгибаний стопы (при игре на компьютере 9 в течение 1,5 часа ребенок выполнял правильные движения в течение всего времени игры с периодичностью 20-30 движений в минуту попеременно каждой ногой). Увеличилась пройденная с опорой на полную стопу дистанция, например, в режиме прогулки с аудиоплеером 12 со 150 до 800 метров.
Игровое устройство для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, выполненное в соответствии с полезной моделью, обладает более широкими функциональными возможностями по сравнению с известными аналогичными устройствами. Оно обеспечивает реализацию повышенной мотивированности ребенка процедурой и эффективности коррекции функций у таких детей. Игровое устройство может эффективно использоваться для выработки (воспитания) активных движений в голеностопных, коленных, тазобедренных, лучезапястных, локтевых и плечевых суставах, а также для формирования правильного паттерна ходьбы.