Способ повышения эффективности восстановления двигательных функций человека с использованием метода визуального контроля движений в тренажере на основе технологий виртуальной реальности Российский патент 2021 года по МПК A61H1/00 A61H3/00 A63F13/428 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано при проведении реабилитационных мероприятий у пациентов двигательными нарушениями.

Развитие технологий виртуальной реальности (BP) находит применение в различных областях, в том числе в медицине [1, 2]. Для людей с повышенными потребностями - BP является дополнительным инструментом в комплексной программе реабилитации. Такие комплексы в направлениях реабилитации с поражением ЦНС, помогают значительно повысить эффективность работы врачей и результаты самих пациентов [3]. Предпочтительными методами являются неинвазивные, за счет универсальности и минимального риска побочных и аллергических реакций.

Тренировки в BP отражаются на эффекте нейропластичности мозга, интенсифицируя его за счет включения в процесс таких феноменов, как биологическая обратная связь (БОС) и идеомоторный акт. Существует множество способов реабилитации на основе БОС [4-12]. Некоторые являются комплексными программами, включающими различные методы - механическое выполнение упражнений ЛФК, нейростимуляция, занятия в исключительно BP и с экзоскелетом. Комплексные меры являются самыми эффективными, а также и самыми затратными: в кадровой, экономической и мотивационной сферах. Зачастую требуется внешний контроль медицинского персонала, т.е. самостоятельные занятия маловероятны. При отсутствии двигательной активности в программах реабилитации часто используется цикл движения по ранее записанному шаблону без возможности осознанного контроля со стороны пользователя, что говорит об отсутствии создания прочной нейронной связи между человеком и его виртуальным образом. Например, программы с применением экзоскелета механически выполняют пассивное движение конечности человека, тем самым воздействуя на нервную систему пользователя.

В случае наличия двигательной активности различной силы у пользователя, связь между человеком и его виртуальным образом формируется посредством внешнего «надзирателя» (трекинг) за функциональной активностью тела человека и последующим отображением результата в интерфейсе пользователя [13]. Таким образом, контур БОС замыкается, однако оценка движений происходит в рамках полного цикла сценария, тем самым нарушается принцип неразрывности контроля движения. При этом, если у пациента нет подвижности в конечностях (руках и/или ногах), он уже не может использовать подобные программы.

Также существуют способы для реабилитологов, которые помимо прочего требуют дополнительного обучения медицинского персонала в работе с ними [14-16].

Известен способ диагностики и развития уровня когнитивно-моторных способностей человека, который включает в себя и принципы БОС, и работу в дополненной реальности [17]. Пациенту представляется образ виртуальной стены с заданным количеством отверстий заданного размера и конфигурации. Исходя из программы упражнений, пациенту требуется манипулировать руками и виртуальными предметами/стеной. Для визуального контроля над действием своих рук испытуемому предъявляется изображение стены заданной прозрачности, которая выбирается в зависимости от функционального состояния и/или подготовленности испытуемого. Программно-аппаратный комплекс регистрирует правильность действий пациента, и формирует банк данных правильно выполненных движений и ошибок. Данный способ является эффективным инструментом, однако рассчитан исключительно для верхних конечностей (рук) и работу в дополненной (не виртуальной) реальности.

Известен способ с использованием БОС и BP для реабилитации больных в острой стадии инсульта [18], для восстановления базовых произвольных движений туловища, головы и шеи. БОС осуществляется при помощи наблюдений и самого пациента, и реабилитолога. Данный способ рассчитан исключительно для реабилитации в острой стадии инсульта: восстановить двигательные и/или чувствительные функции конечностей не представляется возможным.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по достигаемому результату является способ реабилитации двигательных нарушений, включающий принцип БОС, BP, и ЛФК с использованием виртуальной сенсорной стимуляции [19]. Занятия ЛФК происходят в BP: пациент выполняет упражнения с помощью виртуального аватара. Данный способ рассчитан на восстановление двигательной активности посредством усиления БОС при погружении в BP от первого и/или третьего лица. Способ подразумевает под собой целенаправленное двигательное обучение, работу с функциональной активностью верхних и нижних конечностей. При этом не указано, насколько прочная создается ассоциация с виртуальным аватаром у пациента. Также необходимо отметить невозможность применения программы при слабой или отсутствующей двигательной активности у пациента.

В основу заявленного способа положен метод визуального контроля движений, задача которого заключается в способствовании созданию новой нейронной карты в головном мозге, отвечающей за механику движения; организацию новых нейронных связей; улучшение психического, эмоционального и мотивационного состояния. Основа способа лежит в феномене идеомоторного акта и замкнутом контуре БОС через ассоциирование реального движения человека и виртуального, что является отличительной особенностью, поскольку предлагает пользователю возможность осознанно управлять движениями конечностей в виртуальной среде, посредством интуитивно-понятного метода визуального контроля. Даже при полной парализации нижних и верхних конечностей, пациент может заниматься, задействую мышцы шеи (достаточно функциональной активности только в шейном отделе). Сроки реабилитации и проведения тренировок в виртуальной реальности не ограничены.

Принцип способа основывается на том, что сопровождение движения взглядом - это одна из основ двигательного акта человека. Способ повышения эффективности восстановления двигательных функций человека с использованием метода визуального контроля движений в тренажере на основе технологий виртуальной реальности осуществляется следующим образом: пациент находится в комфортном положении сидя или лежа. Производится установка на голову пациента очков виртуальной реальности. В программе, курсор имеет физическое значение направления взгляда. При первом запуске программы в личном кабинете устанавливаются персональные настройки: заполняется анкета по качеству и количеству имеющихся моторных нарушений, функциональности и чувствительности пораженных участков, на основе чего выстраивается индивидуальный план занятий.

Также изначально пациенту предлагается приветственное информативное видео, для ознакомления с функционалом программы. Видео подробно объясняет, каким образом будет осуществляться процесс занятий. После загрузки программы, пациент видит виртуальную комнату от лица своего цифрового аватара. В обучающем видео рассказано как легко обнаружить курсор - желтую точку, наведя взгляд на контрастирующую по цвету поверхность стола. Также в видео курсор намеренно увеличен, чтобы пациенту было проще его найти. При выполнении упражнений курсор становится менее заметным, чтобы приблизить опыт к реальному. Далее, в зависимости от индивидуального плана занятий и выбранного сценария окружения, в виртуальной реальности запускается режим тренировок. Пациенту предлагается выполнение набора упражнений в виртуальной реальности, с помощью визуального контроля движений. Для того, чтобы выбрать упражнение пациенту необходимо навести взглядом курсор на браслеты на левой или правой руке аватара или маркер на его виртуальном теле, и дождаться, когда вокруг курсора образуется желтый круг - это будет говорить о том, что выбор сделан и можно приступать к упражнению. При наведении на браслеты появятся надписи слева или справа от аватара, что означают упражнения для верхних конечностей - для левой и правой руки соответственно (например, сжимание - разжимание кулака; камень-ножницы-бумага; чередование пальцев; волна; локоть). Маркеры - располагаются на нижних конечностях и предлагают упражнения, заключающиеся в определенном действии: отведение и сведение бедра (движения головой влево и вправо), сгибание и разгибание колена, (движения головой вверх и вниз), круговые движения голеностопа и кисти (движения головой по кругу по часовой стрелке или против), а также пальцев ног (движения головой вверх и вниз). Упражнения для нижних конечностей включают работу с 4 основными суставами конечностей: бедро, колено, голеностоп и стопа; для верхних конечностей - также 4 основных блока: плечо, локоть, запястье и пальцы. В каждом блоке представлены несколько типов упражнений, например для рук - «камень, ножницы, бумага», «кулак», «волна» и др.

Длительность тренировки и выполнения каждого упражнения устанавливается системой или предлагается на выбор самому пациенту, в зависимости от персональных особенностей.

В начале каждой тренировки появляется счетчик повторений, он производит обратный отсчет в случае следования рекомендациям системы и счет от нуля в случае выбора пользователем самостоятельной программы тренировок.

Пример упражнений для коленного сустава: необходимо навести курсор на маркер возле правого или левого колена и дождаться заполнения желтого круга. Движениями головы вверх и вниз, перемещая курсор пациент приводит ногу аватара в движение. По завершению выполнения одного упражнения, пациент может перейти приступить к выполнению следующего.

Пользователь активирует двигательную кору головного мозга за счет ассоциации себя с цифровым аватаром. Посредством передвижений курсора по «поверхности» цифровой конечности, пользователь может поднять, согнуть или разогнуть цифровую конечность в соответствии с программой тренировки. При этом система замыкает контур БОС на уровне ассоциации движения, укреплении ассоциации пациента с цифровым аватаром. Благодаря чему и активизируются области мозга, отвечающие за двигательную активность, начинают строиться новые пути для формирования и прохождения сигнала в пораженные мышцы [20, 21].

Пользователь самостоятельно управляет своими движениями, своим цифровым аватаром, причем интуитивно понятным образом: используя движения мышц шеи. Программа не требует физического повторения движения, так как происходит воздействие на нейрофизиологическом уровне: задействуются афферентные пути и свойство нейропластичности мозга. Таким образом, способ интуитивно понятен как для медицинского персонала, так и для пациента, безопасен и прост в применении, открывает возможность проведения дополнительных реабилитационных процедур в домашних условиях, повышает эффективность реабилитационного комплекса при восстановлении после инсульта, спинномозговой травмы, при работе с фантомными болями, ДЦП, и другими нарушениями опорно-двигательного аппарата [22-25]. В том числе, занятия способствуют улучшению психического, эмоционального и функционального состояния, повышению мотивации.

Для начальной апробации были отобраны участники со следующими диагнозами: состояние после нарушения мозгового кровообращения (4 человека), после разрыва АВМ (1 человек), с фантомными болями вследствие ампутации (1 человек), с рассеянным склерозом (1 человек), после черепно-мозговой травмы (1 человек), после спинномозговой травмы (4 человек), с детским церебральным параличом (2 человек), и 1 испытуемый с ДЦП и после спинно-мозговой травмы. Всего 15 испытуемых, из них 6 - женского пола, и 9 мужского пола; средний возраст испытуемых - 34,1 года, минимальный - 18 лет, максимальный - 61 год.

Для первичной и финальной диагностики применялись следующие методики: индекс ходьбы Хаузера, индекс Ривермид, шкала Рэнкина, функциональная оценка по шкале Nutech (более краткий аналог шкалы Фугл-Мейера), шкала тревожности и депрессивного состояния Хадса (HADS).

В процессе проведения тренировок с 15 пациентами было выявлено, что разработанная технология не вызывает побочных явлений в виде головокружения, падений, тошноты и рвоты. Изменения отмечались по шкалам Хадса и Nutech. По шкале Nutech двое испытуемых отметили положительные изменения в моторике пальцев рук, пятеро - в работе бедра, колена и лодыжки, двое - в работе левой стопы, у троих были отмечены положительные изменения в общих сенсорных ощущениях (поверхностных и глубоких), один испытуемый отметил изменение в общей автономности (улучшение по пункту «баланс сидя») и один - в работе локтевого сустава. По шкале Хадса у шестерых участников были выявлены значительные улучшения.

Все пациенты выразили заинтересованность в проводимой методике, также 90% отмечали парестезии, локальное повышение температуры в парализованных конечностях, и субъективное повышение ощущения силы в тех мышцах, на которые были направлены упражнения. По результатам пилотного исследования планируется масштабное клиническое испытание.

К недостаткам способа можно отнести несостоятельность способа в качестве полноценного индивидуального метода реабилитации, учитывая необходимость дополнения комплекса процедур другими методами реабилитации.

Источники информации

1. Massetti, Т., da Silva, Т.D., Crocetta, Т.В., Guarnieri, R., de Freitas, B.L., Bianchi Lopes, P., Watson, S., Tonks, J., & de Mello Monteiro, С.B. (2018). The Clinical Utility of Virtual Reality in Neurorehabilitation: A Systematic Review. Journal of central nervous system disease, 10, 1179573518813541. https://doi.org/10.1177/1179573518813541

2. Ma, M. et al. (2007). Adaptive Virtual Reality Games for Rehabilitation of Motor Disorders. In: Stephanidis C. (eds) Universal Access in Human-Computer Interaction. Ambient Interaction. UAHCI 2007. Lecture Notes in Computer Science, vol 4555. Springer, Berlin, Heidelberg.

3. Sveistrup, H. (2004). Motor rehabilitation using virtual reality. Journal of neuroengineering and rehabilitation, 1(1), 10. https://doi.org/10.1186/1743-0003-l-10

4. Патент RU 2190984 «Способ реабилитации неврологических больных с двигательными нарушениями».

5. Патент RU 2364436 «Способ тренировки и устройство для его осуществления».

6. Патент RU 2432971 «Способ реабилитации больных в острой стадии инсульта с использованием биологической обратной связи и виртуальной реальности».

7. Патент RU 2632510 «Способ лечения патологических двигательных синергий верхних конечностей у больных, перенесших нарушение мозгового кровообращения».

8. Патент RU 2634682 «Портативное устройство для исследования зрительных функций».

9. Патент RU 2645604 «Способ реабилитации двигательных нарушений».

10. Патент RU 2666517 «Способ реабилитации пациентов с нарушением двигательной функции с использованием автоматизированной информационной системы для реализации аудиовизуальной биологической обратной связи».

11. Патент RU 2714213 «Способ медицинской реабилитации пациентов трудоспособного возраста в раннем и позднем восстановительных периодах ишемического инсульта».

12. Патент RU 2714214 «Способ медицинской реабилитации пациентов трудоспособного возраста в раннем восстановительном периоде ишемического инсульта с сопутствующим обструктивным хроническим нарушением функции дыхательной системы вне обострения».

13. Ertelt, D., Small, S., Solodkin, A., Dettmers, Ch., McNamara, A., Binkofski, F., Buccino, G. (2007). Action observation has a positive impact on rehabilitation of motor deficits after stroke. Neuroimage, 36(2), T164-T173. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2007.03.043

14. Патент RU 2655200 «Способ реабилитации больных в различных стадиях нарушений центральной или периферической нервной системы с использованием виртуальной реальности».

15. Патент RU 2582180 «Аппаратно-программный комплекс для обеспечения физической, профессиональной или когнитивной терапии пациентов с нарушением высших психических функций».

16. Патент RU 2686950 «Системы и способы предоставления неинвазивной нейрореабилитации пациента».

17. Патент RU 2704236 «Способ диагностики и развития уровня когнитивно-моторных способностей человека».

18. Патент RU 2432971 «Способ реабилитации больных в острой стадии инсульта с использованием биологической обратной связи и виртуальной реальности».

19. Патент RU 2645604 «Способ реабилитации двигательных нарушений».

20. Damulin, I.V., Ekusheva, E.V. (2016). A clinical value of neuroplasticity in ischemic stroke. Annaly-nevrologii.ru, 10(1), 57-64.

21. Ding, Y., Kastin, A.J., & Pan, W. (2005). Neural plasticity after spinal cord injury. Current pharmaceutical design, 11(11), 1441-1450. https://doi.org/10.2174/1381612053507855

22. Sheehy, L., Taillon-Hobson, A., Sveistrup, H. et al. (2019). Home-based virtual reality training after discharge from hospital-based stroke rehabilitation: a parallel randomized feasibility trial. Trials 20, 333. https://doi.org/10.1186/s13063-019-3438-9

23. Corbetta, D., Imeri, F., Gatti, R. (2015). Rehabilitation that incorporates virtual reality is more effective than standard rehabilitation for improving walking speed, balance and mobility after stroke: a systematic review. Journal of Physiotherapy, 61(3), 117-124. https://doi.org/10.1016/j.jphys.2015.05.017

24. Crocher, V., Hur, P., & Seo, N.J. (2013). Low-cost virtual rehabilitation games: House of quality to meet patient expectations. International Conference on Virtual Rehabilitation (ICVR), 94-100.

25. Luis, M.A.V.S., Atienza, R.O., & Luis, A.M.S. (2016). Immersive Virtual Reality as a Supplement in the Rehabilitation Program of Post-Stroke Patients. The 10th International Conference on Next Generation Mobile Applications, Security and Technologies (NGMAST), 47-52.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано при проведении реабилитационных мероприятий у пациентов с двигательными нарушениями. При помощи визуального контроля движений в тренажере на основе технологий виртуальной реальности проводят комплексное восстановление двигательных функций человека. Используют очки виртуальной реальности с программным обеспечением, состоящим из виртуальной среды и расположенных в ней элементов управления. Пациент осуществляет упражнения верхними и нижними конечностями при движении головы и шеи. За счет ассоциирования виртуального и реального движений человека происходит интенсификация эффекта нейропластичности головного и спинного мозга. Способ обеспечивает повышение эффективности восстановления двигательных функций человека.

Способ восстановления двигательных функций человека с использованием метода визуального контроля движений в тренажере на основе технологий виртуальной реальности, заключающийся в использовании программного обеспечения для очков виртуальной реальности, состоящего из виртуальной среды и расположенных в ней элементов управления, отличающийся тем, что пациент находится в положении сидя или лежа и выполняет упражнения для верхних и нижних конечностей в виртуальной реальности с помощью визуального контроля движений, а ассоциирование виртуального и реального движений человека происходит за счет движений головы, причем упражнения для нижних конечностей включают работу с бедром, коленом, голеностопом и стопой; для верхних конечностей – с плечом, локтем, запястьем и пальцами.