Способ формирования фантомной карты кисти у пациентов с ампутацией верхней конечности на основе активации нейропластичности Российский патент 2022 года по МПК A61B5/05 A61B5/291 A61B5/369 A61N1/18 G09B19/00 

Изобретение относится к области медицины, а именно к реабилитации и может использоваться для формирования фантомной карты кисти, представляющей из себя участок кожного покрова культи верхней конечности, прикосновение в которому вызываются тактильные ощущения идентичные при прикосновении к отдельным пальцам при сохранной кисти. А также, сформированная сенсорная фантомная карта кисти может быть использована с бионическим протезом, имеющим в своем составе систему электромеханических устройств, вызывающих тактильные ощущения идентичные ощущениям при прикосновении к отдельным пальцам при сохранной кисти. Заявленное изобретение создано в рамках программы деятельности лидирующего исследовательского центра «Платформенная технология виртуальной и дополненной реальности для оценки и развития человека” ФГБОУ ВО СамГМУ Минздрава России.

Из уровня техники, патент № 2744473 с приоритетом от 20.07.2012 г. известен способ электролечения и обезболивания и устройство для его реализации включающий поиск точек с повышенной проводимостью, отличающийся тем, что поиск проводится путем сканирования поверхности кожи в болевых зонах, и последующее лечебное воздействие на найденные точки изменяющимися электрическими потенциалами на электродах в устройстве для его реализации, при этом лечебное воздействие осуществляют циклически с чередованием воздействия в течение 3-5 секунд и паузы в течение 3-5 секунд, с изменением направления протекания тока ионов в период воздействия между установленными электродами.

Но данный способ не позволяет сформировать фантомную карту кисти на основе активации нейропластичности в сенсорной коре головного мозга, для использования с бионическим протезом, имеющим в своем составе систему электромеханических устройств, вызывающих тактильные ощущения идентичные ощущениям при прикосновении к отдельным пальцам при сохранной кисти.

Из патента № 2511495 с приоритетом от 12.02.2013 г. известен способ лечения фантомно-болевого синдрома с использованием биологической обратной связи на основе воздействия на активность центров зрительной системы, включающий в себя сочетание приемов тактильного воздействия на точки акупунктуры и психокоррекции, включающий оценку состояния пациента отличающийся тем, что в качестве акупунктурных точек используют триггерные точки культи, в качестве параметра биологической обратной связи используют цвета зрительных ощущений, воспринимаемые пациентом с закрытыми глазами при тактильном воздействии на триггерные точки культи, причем в ходе сеанса пациента вводят в аллертный транс и дают установку, что при тактильном воздействии на триггерные точки культи произойдет изменение цвета зрительных ощущений от длинноволновой части спектра к более коротковолновой, что будет сопровождаться исчезновением фантомной боли, после чего тактильное воздействие осуществляют последовательно на другие триггерные точки.

Данный способ предназначен для лечения фантомно-болевого синдрома и не позволяет сформировать фантомную карту кисти на основе активации нейропластичности в сенсорной коре головного мозга, для использования с бионическим протезом, имеющим в своем составе систему электромеханических устройств, вызывающих тактильные ощущения идентичные ощущениям при прикосновении к отдельным пальцам при сохранной кисти.

Самым близким по своей технической сущности является способ и система управления интеллектуальной бионической конечностью описанный в патенте № 2635632 с приоритетом от 14.12.2016 г., включающий следующие шаги: получают по меньшей мере один ЭМГ-сигнал пациента, возникающий в ответ на фантомное движение пациента, посредством устройства считывания; осуществляют обработку по меньшей мере одного полученного ЭМГ-сигнала пациента посредством неперекрывающейся сегментации ЭМГ-сигнала; для каждого сегмента, полученного на предыдущем шаге, формируют набор признаков ЭМГ-сигнала на основе амплитуды ЭМГ-сигнала для классификации жестов; передают набор признаков ЭМГ-сигнала каждого сегмента по каналу передачи данных в базу данных нейронной сети для накопления и дообучения нейронной сети и в устройство считывания; при намерении пациента совершить жест определяют тип жеста на основании сформированного набора признаков ЭМГ сигнала посредством использования искусственной нейронной сети; формируют управляющий сигнал на основании определенного типа жеста; передают сформированный управляющий сигнал на контроллер протеза верхней конечности для передачи соответствующих сигналов двигателям, приводящих в движение пальцы бионической конечности; получают обратную связь от системы управления интеллектуальной бионической конечностью посредством получения информации от внешних датчиков. При получении ЭМГ-сигнала регистрируется разность потенциалов в низкочастотном диапазоне, возникающая в нервно-мышечной ткани пациента при намерении совершить жест.

Но данный способ и система не обеспечивают тактильные ощущения идентичные ощущениям при прикосновении к отдельным пальцам при сохранной кисти.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение формирования фантомной карты на кожном покрове кисти, прикосновение в которому обеспечивает тактильные ощущения идентичные ощущениям при прикосновении к отдельным пальцам при сохранной кисти.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ формирования фантомной карты кисти на основе активации нейропластичности у пациентов с ампутацией верхней конечности включающий определение чувствительной зоны на кожном покрове культи и последующее обучение на ней тактильной чувствительности триггерных зон где определение чувствительной зоны на кожном покрове культи производят с помощью установленных электроэнцефалографических электродов в проекции отведений С3, С4, согласно системе «10-20», референтный электрод расположенных в отведении Cz, а заземляющий электрод расположенный в точке М1, путем стимуляции биполярными импульсами тока 100-300 мс кожных покровов дистальной зоны культи руки, с частотой 3-5 Гц, и индивидуально подобранной интенсивностью в 3-4 раза превышающий уровень сенсорного порога пациента посредством предъявления 300-500 симуляций последовательно на каждой из наружной, внутренней, передней и задней поверхностей культи руки, с одновременной регистрацией электроэнцефалографической активности получают соматосенсорный вызванный потенциал и по максимальной амплитуде корковых ответов получаемого соматосенсорного вызванного потенциала, соответствующий активности сенсорной коры головного мозга, цитоархитектурное поле 1, 2, 3 по К. Бродману, характеризующегося негативным отклонением в латентности 20 мс (N20), от момента подачи электрического сигнала и позитивного отклонения соматосенсорного вызванного ответа с латентностью 25 мс (Р25), кожные покровы, где посредством данной стимуляции была получена максимальная амплитуда определяют зоны расположения комплекса электромеханических устройств для последующего обучение на ней тактильной чувствительности триггерных зон посредством активации нейропластичности в цитоархитектурных полях 1, 2, 3 по К. Бродману определяющих изменение соматотопического преставления тактильной чувствительности кисти; обучение тактильной чувствительности триггерных зон производят по средствам очков виртуальной реальности демонстрирующих пациенту виртуальную конечность, комплекса электромеханических устройств используемых для стимуляции рецепторов и имитации контактных экстероцептивных ощущений и стереокамеры проводят сопоставление движений виртуальной и физической руки, формируя иллюзию сохранной конечности и возможности ее движения, а именно в кисти, посредством математического моделирования кинематики руки в целом, соответствующие физиологическому движению при взаимодействии с различными объектами, затем демонстрируют прикосновение к пальцам и ладонной поверхности виртуальной кисти предметов, которые в физическом мире вызывают активацию тактильной чувствительности, причем каждое из этих визуализируемых действий сопровождается активацией определенных отдельных электромеханических устройств, активирующихся при визуальном подтверждении прикосновения конкретного пальца или ладони. Формирование фантомной карты кисти, проводят в два этапа. На первом этапе производят поиск чувствительной зоны кожных покровов стимуляция которой вызывает наиболее интенсивный ответ в центральной нервной системе, а именно изменение мощности в протекции сенсорной коры головного мозга при стимуляции кожных покровов в области культи, а именно наружной, внутренней, передней и задней поверхностях. С целью определения зоны расположения, где в последствии будет располагаться комплекс электромеханических устройств, работа которых обеспечивает тактильные ощущения, при активации датчиков экзопротеза руки при ее контакте с физическими объектами. На голову пациента устанавливают электроэнцефалографические электроды в проекции С3(С4) (отведение получения соматосенсорного вызванного потенциала) соответствующие контралатеральному расположению относительно стимулируемых кожных покровов культи, Fz (референтный электрод) системы «10-20» для регистрации соматосенсорного вызванного ответа. Получение данного ответа достигается посредством стимуляции биполярными импульсами тока 100-300 мс. кожных покровов дистальной зоны культи руки, с частотой 3-5 Гц., и индивидуально подобранной интенсивностью в 3-4 раза выше уровня сенсорного порога. Посредством предъявления 300-500 симуляций, последовательно на каждой из поверхностей культи руки, а именно: наружной, внутренней, передней и задней с одновременной регистрацией электроэнцефалографической активности и поселяющей усреднении ее, получается соматосенсорный вызванный потенциал. Получаемый соматосенсорный вызванный потенциал, соответствует активности сенсорной коры головного мозга, цитоархитектурному полю 1, 2, 3 по К. Бродману, характеризующийся негативным отклонением в латентности 20 мс. (N20), от момента подачи электрического сигнала и позитивного отклонения соматосенсорного вызванного ответа с латентностью 25 мс. (Р25). Сторона культи, а именно ее кожные покровы, где посредством данной стимуляции была получена максимальная амплитуда пиков N20, P25 соматосенсорного вызванного ответа в контралатеральном отведении С3 или С4, будет являться зоной расположения комплекса электромеханических устройств для последующего обучения пациента посредством активации нейропластичности в цитоархитектурных полях 1, 2, 3 по К. Бродману определяющих изменение соматотопического преставления тактильной чувствительности кисти.

Второй этап подразумевает использование установленного комплекса из 6 электромеханических устройств, в соответствии с пятью пальцами и одним устройством для ладонной поверхности, в проекции определенной на первом этапе зоны кожных покровов, соответствующих максимальной амплитуде соматосенсорных вызванных потенциалов N20, P25, для непосредственного формирования фантомной карты кисти. Данное обучение происходит следующим образом: пациенту посредством очков виртуальной реальности демонстрируется прикосновение к пальцам кисти и ладонной поверхности его виртуальной кисти кисточкой или палочкой (т.е. предметов, которые в физическом мире вызывают активацию именно тактильной чувствительности), соответствующей ампутированной кисти. Также необходимым условием для создания имплицитной виртуальной среды с максимальным когнитивным и эмоциональным погружением необходимо использование оптического трекера, располагаемого на столе напротив реабилитируемого и позволяющего оценивать изменения углов в плечевом и локтевом суставах с претенциозностью 1 градус. Это необходимо для полной визуализации движений верхней конечности в виртуальной реальности, при этом ее движение в локтевом и плечевом суставах контролируют оптическим трекером, формируя иллюзию сохранной конечности и возможности ее движения, а именно в кисти, посредством математического моделирования кинематики руки в целом, соответствующие физиологическому движению при взаимодействии с различными объектами. В последствии установленный на его протезе комплекс из шести электромеханических устройств активируется, в зависимости от того, к какому пальцу или ладонной поверхности его виртуальной кисти демонстрировалось прикосновение. Таким образом происходит визуализация в виртуальной реальности прикосновение к отдельным пальцам, отдельным фалангам пальцев, а также ладонной поверхности. Каждое из этих визуализируемых действий сопровождается активацией определенных отдельных электромеханических устройств, активирующихся при визуальном подтверждении прикосновения конкретного пальца или ладони. Данные электромеханические устройства активизируются только на время прикосновения в виртуальной реальности кисточки или палочки отдельному пальцу и ладонной поверхности виртуальной кисти, которая демонстрируется реабилитируемому. При этом каждое из электромеханических устройств соответствует определенному пальцу и ладони. Для создания тактильных ощущений данный датчик обеспечивает воздействие прикосновения идентичному давлению оказываемым монофиламентом весом 50 г., длительностью 2,24 с., для предотвращения сенсибилизации, длительностью 0,5-0,8 с. Данные устройства включаются и выключаются в течении всего времени контакта с виртуальным объектом. Длительность одного занятия составляет от 30 до 50 минут, 1 раз в день. Данные действия повторяются многократно, до момента получения сформированной устойчивой фантомной карты кисти. Для закрепления сформированной фантомной карты необходимо провести не менее 12 занятий, с перерывами между ними не более 2 дней. В последующем сформированную сенсорную фантомную карту кисти можно использовать с бионическим протезом, имеющим в своем составе систему электромеханических устройств, из шести и более, расположенных в протекции фантомной карты кисти. При этом датчик или система датчиков активизирующиеся при контакте бионического протеза с физическим предметом, расположенные на флангах бионического протеза, а также его ладонной поверхности, приводят к активации электромеханических устройств, формируя тактильные ощущения у пользователя.

Суть технического решение поясняется чертежом, где на фигуре изображен комплекс электромеханических устройств 1, культя 2, очки виртуальной реальности 3, компьютер 4.

Способ формирования фантомной карты кисти у пациентов с ампутацией верхней конечности осуществляется следующим образом.

Клинический пример 1. Пациент К., 23 года. Поступил в реабилитационное отделение 17.02.2020 г. с диагнозом «Посттравматическая ампутация правого предплечья в нижней трети от 15.11.2019 г.» Пациент поступил в реабилитационный центр для подбора протеза верхней конечности и проведения занятии по адаптации к нему, а также обучению его использования. На момент поступления пациент имеет сформированную культю нижней трети предплечья. Мышечной атрофии нет, общая чувствительность сохранна. Болевой синдром отсутствует. Пациенту предложено подбор миоэлектрического протеза с возможностью использования дополнительной опции данного протеза в виде сенсорных датчиков, располагаемых на ладонной поверхности протеза в проекции дистальных фаланг, а также ладонной поверхности протеза для создания чувствительных ощущений, а именно тактильных при контакте протеза с физическим объектами. Пациенту предложено дополнительно пройти курс занятий для формирования фантомной карты кисти в проекции кожных покровов средне трети предплечья, где будет устанавливаться комплекс электромеханических устройств, обеспечивающих сенсорный контакт протеза с физическим объектом. Первоначально пациенту проводилась регистрация соматосенсорного вызванного потенциала, а именно коркового ответа при стимуляции кожных покровов культи правого предплечья в средней трети с передней, задней, наружной и внутренней поверхности. В результате сравнения всех четырех регистраций определено, что амплитуда пиков N20 и Р25 максимальна при стимуляции, биполярным током в подпороговой интенсивности к двигательному ответу, наружной поверхности культи. Данная зона определена как целевая для установки электромеханических устройств и проведения обучения. Занятия происходили в кабинете реабилитации. Пациент находился в кресле в течении всей процедуры обучения. На голову пациенту надевались очки виртуальной реальности, на руки, в проекцию наружной поверхности средней трети правого предплечья фиксировался комплекс из 6 электромеханических устройств с помощью ленты Velcro. Затем производился запуск программы, демонстрирующей пациенту его виртуальную правую конечность. Пациент мог двигатель рукой, при этом посредством установленной стереокамеры проводилось сопоставление движений виртуальной и физической правой руки. После адаптации пациента к ощущениям присутствия ампутированной конечности начиналось обучение посредством активации нейропластичности. Для этого реабилитируемому демонстрировался контакт поочередно, рандомно, виртуальной кисточки с дистальными фалангами и ладонной поверхности его виртуальной кисти. В зависимости от пальца или ладони виртуальной кисти, с которой происходил контакт активировался то или оное электромеханической устройство, установленное на культе. Длительность занятий занимала от 20 минут в начале курса, до 50 минут по его окончании. В общей сложности с пациентом было проведено 12 занятий, проходивших ежедневно. К концу обучения с использованием данного устройства пациент смог отождествлять контакт сенсора протеза с объектом как тактильное ощущение отдельных пальцев и ладонной поверхности. Данные ощущения позволяли возможность контролировать прикосновение и взаимодействие с хрупкими объектами, а также контролировать силу их сжатия посредством цилиндрического и шарового схвата. При этом активность пациента значительно возросла, он стал более независимым при самообслуживании, а именно совершении бимануальных движений, смог пользоваться ортопедическими столовыми приборами. Таким образом, у пациента к концу проведенных занятий на данном комплексе восстановилось контроля прикосновения дистальных фаланг протеза к объектам физического мира, а также повысить контролю управления фазовыми движениями протеза (цилиндрический и шаровый схваты).

Изобретение относится к области медицины, а именно к реабилитации, и может использоваться для формирования фантомной карты кисти. Определяют чувствительность на кожном покрове культи с помощью установленных электроэнцефалографических электродов путем стимуляции биполярными импульсами тока 100-300 мс с частотой 3-5 Гц. Индивидуально подбирают интенсивность, в 3-4 раза превышающую уровень сенсорного порога пациента. Предъявляют 300-500 симуляций последовательно на каждой из наружной, внутренней, передней и задней поверхностей культи руки. Получают соматосенсорный вызванный потенциал посредством усреднения получаемой электроэнцефалографической активности. По максимальной амплитуде корковых ответов определяют зоны расположения комплекса электромеханических устройств. Обучение тактильной чувствительности фантомной карты кисти производят посредством очков виртуальной реальности, демонстрирующих пациенту виртуальную конечность. Также используют комплекс из 6 электромеханических устройств, установленных в соответствии с пятью пальцами и одним устройством для ладонной поверхности, оптический трекер и стереокамеру. Выполняют сопоставление движений виртуальной и физической рук, формируя иллюзию сохранной конечности и возможности ее движения. Демонстрируют прикосновение к пальцам и ладонной поверхности виртуальной кисти предметов, которые в физическом мире вызывают активацию тактильной чувствительности. Длительность одного занятия составляет от 30 до 50 мин, 1 раз в день. Способ обеспечивает формирование фантомной карты на кожном покрове кисти, прикосновение к которому вызывает тактильные ощущения, идентичные ощущениям при прикосновении к отдельным пальцам при сохранной кисти. 1 ил., 1 пр.

Способ формирования фантомной карты кисти у пациентов с ампутацией верхней конечности на основе активации нейропластичности, включающий определение чувствительной зоны на кожном покрове культи и последующее обучение на ней тактильной чувствительности фантомной карты, отличающийся тем, что определение чувствительной зоны на кожном покрове культи производят с помощью установленных электроэнцефалографических электродов в проекции отведений С3, С4, согласно системе «10-20», референтный электрод расположен в отведении Cz, а заземляющий электрод расположен в точке М1, путем стимуляции биполярными импульсами тока 100-300 мс кожных покровов дистальной зоны культи руки, с частотой 3-5 Гц и индивидуально подобранной интенсивностью, в 3-4 раза превышающей уровень сенсорного порога пациента, посредством предъявления 300-500 симуляций последовательно на каждой из наружной, внутренней, передней и задней поверхностей культи руки, получают соматосенсорный вызванный потенциал посредством усреднения получаемой электроэнцефалографической активности в ответ на стимуляцию кожных покровов культи, и по максимальной амплитуде его корковых ответов, соответствующих активности в области сенсорной коры головного мозга, а именно в цитоархитектурном поле 1, 2, 3 по К. Бродману, характеризующегося негативным отклонением в латентности 20 мс (N20), от момента подачи электрического сигнала и позитивного отклонения соматосенсорного вызванного ответа с латентностью 25 мс (Р25), кожные покровы, где посредством данной стимуляции была получена максимальная амплитуда, определяют зоны расположения комплекса электромеханических устройств; обучение тактильной чувствительности фантомной карты кисти производят посредством очков виртуальной реальности, демонстрирующих пациенту виртуальную конечность, комплекса из 6 электромеханических устройств, установленного в соответствии с пятью пальцами и одним устройством для ладонной поверхности, оптического трекера, располагаемого напротив реабилитируемого, и стереокамеры, выполняют сопоставление движений виртуальной и физической руки, формируя иллюзию сохранной конечности и возможности ее движения, а именно в кисти, посредством математического моделирования кинематики руки в целом, соответствующие физиологическому движению при взаимодействии с различными объектами, затем демонстрируют прикосновение к пальцам и ладонной поверхности виртуальной кисти предметов, которые в физическом мире вызывают активацию тактильной чувствительности, причем длительность одного занятия составляет от 30 до 50 мин, 1 раз в день, и данные действия повторяются многократно, до момента получения сформированной устойчивой фантомной карты кисти.