Способ улучшения функциональной активности зрительной системы с помощью фрактальной фототерапии с использованием стереоскопического дисплея Российский патент 2022 года по МПК A61F9/00 

Предлагаемое изобретение относится к медицине, а именно, к способам улучшения функциональной активности зрительной системы и может быть использовано с помощью фрактальной фототерапии и стереоскопического дисплея. Предлагаемое изобретение также может быть использовано в биомедицинских исследованиях.

Сегодня более 9% человеческой популяции имеют возраст 65 лет и старше, и ожидается, что их количество удвоится к 2050 году. Параллельно увеличению продолжительности жизни растет частота нейродегенеративных заболеваний [Johnson S.C., Rabinovitch P.S., Kaeberlein М. mTOR is a key modulator of ageing and age-related disease // Nature. 2013; 493: 338-345; Franceschi C. et al. The Continuum of Aging and Age-Related Diseases: Common Mechanisms but Different Rates. Front Med (Lausanne) // 2018; 5:61; Arcos-Burgos M., Lopera F., Sepulveda-Falla D., Mastronardi C. Neural Plasticity during Aging. Neural Plasticity // 2019; Article ID 6042132].

Способы зрительной реабилитации, не устраняя причину дефекта, направлены на восстановление функциональности и улучшение качества жизни человека, потерявшего зрительные функции в результате болезни или травмы [Kerkhoff G. Neurovisual rehabilitation: recent developments and future directions // J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 2000; 68:691-706].

Выявлены общие механизмы нарушения нейрональной активности и связности нервной ткани при связанных с возрастом заболеваниях сетчатки и нейродегенеративной патологии головного мозга, при которых используют общие методы нейрореабилитации, основанные на пластичности ЦНС [Lawlor M. et al. Glaucoma and the brain: Trans-synaptic degeneration, structural change, and implications for neuroprotection // Surv. Opthalmol. 2018; 63: 296-306; Cordeiro, M.F. Eyeing the brain // Acta Neuropathol. 132, 765-766 (2016); Cuenca N. et al. Cellular responses following retinal injuries and therapeutic approaches for neurodegenerative diseases // Prog. Ret. Eye Res. 2014; 43:17-75; Francardo V., Schmitz Y., Sulzer D., Cenci M.A. Neuroprotection and neurorestoration as experimental therapeutics for Parkinson's disease // Exp.Neurol. 2017; 298:137-147]. Кроме того, центральные зрительные и глазодвигательные нарушения выявляют у 20-40% пациентов в неврологических реабилитационных центрах [Kerkhoff G. Neurovisual rehabilitation: recent developments and future directions // J Neurol Neurosurg Psychiatry 2000; 68:691-706].

В основе способов зрительной реабилитации лежит пластичность сетчатки и мозга. Реорганизация сетчатки и зрительной коры, вызванная мультимодальной тренировкой или стимуляционной терапией, может проходить за счет формирования новых латеральных контактов (создание новых синапсов, повышения сложности дендритного ветвления, прорастания аксонов); значительного усиления имеющихся синаптических контактов, увеличения размеров рецептивных полей в ЛКТ и их сдвига от зоны поражения в «видящую» зону [Pascual-Leone A. et al. Characterizing Brain Cortical Plasticity and Network Dynamics Across the Age-Span in Health and Disease with TMS-EEG and TMS-fMRI // Brain Topogr. 2011 October; 24(3-4): 302-315; Martins Rosa A, Silva MF, Ferreira S, Murta J, Castelo-Branco M. Plasticity in the human visual cortex: an ophthalmology-based perspective // Biomed Res Int. 2013;2013:568354; Sherman D.S., Mauser J., Nuno M., Sherazai D. The Efficacy of Cognitive Intervention in Mild Cognitive Impairment (MCI): a Meta-Analysis of Outcomes on Neuropsychological Measures // Neuropsychol Rev. 2017; 27:440-484].

С другой стороны, известно, что низкоинтенсивные физические и сенсорные стимулы, организованные во времени, обладают способностью воздействовать на биоритмы организма. В стимуляционной терапии, используют различные методы фото, электро- и магнитостимуляции. Сенсорные стимулы обладают биологическими эффектами в частотном диапазоне 3-30 Гц [Salansky N., Fedotchev A., Bondar A. Responses of the Nervous System to Low Frequency Stimulation and EEG Rhythms: Clinical Implications // Neurosci. Biobehav. Rev. 1998; Vol. 22, No. 3, pp. 395-409]. При этом влияние прерывистой стимуляции тесно зависит от выбора параметров стимуляции [Sehic A., Guo Sh., Cho K.-S., Corraya R.M., Chen D.F., Utheim T.P. Electrical Stimulation as a Means for Improving Vision // Am. J. Pathol. 2016, 186: 2783e2797].

Показано, что электростимуляция помогает некоторому восстановлению зрения при заболеваниях сетчатки и зрительного нерва [Gall C.et al. Alternating Current Stimulation for Vision Restoration after Optic Nerve Damage: A Randomized Clinical Trial // PLoS ONE. 2016; 11(6): e0156134; Sabel B.A., Flammer J., Merabet L.B. Residual vision activation and the brain-eye-vascular triad: dysregulation, plasticity and restoration in low vision and blindness - a review // Restor. Neurol. Neurosci. 2018; 36:767-791; Sabel BA, Cardenas-Morales L, Gao Y. Vision Restoration in Glaucoma by activating Residual Vision with a Holistic, Clinical Approach: A Review // J Curr Glaucoma Pract. 2018;12(1):1-9].

Однако в стимуляционной терапии применяются периодические ритмические стимулы заданной частоты, хотя сегодня хорошо известно, что регулярный ритм стимуляции не способен восстановить сложный паттерн физиологических функций здорового организма. Он может еще больше удалить систему от фрактальной динамики, характеризующей здоровые процессы. Если в здоровом организме все физиологические ритмы имеют высоко-коррелированную фрактальную динамику, то при патологии и старении происходит упрощение биологических ритмов [Зуева М.В. Технологии нелинейной стимуляции: роль в терапии заболеваний головного мозга и потенциал применения у здоровых лиц // Физиология человека. 2018; 44(3): 62-73].

Нарушение сложности физиологических систем при старении высоко коррелирует с ослаблением их функциональности. Это говорит о целесообразности терапии, направленной на восстановление фрактальной сложности динамики процессов. И следует с осторожностью использовать сигналы, не адекватные физиологическим ритмам здорового человека.

В связи с этим, актуально развитие новых технологий и устройств зрительной реабилитации, способствующих максимизации (усилению) адаптивной пластичности зрительной системы при травмах и заболеваниях органа зрения [Zueva M.V. The dynamic fractal flickering as a tool in research of nonlinear dynamics of the evoked responses of a visual system and as the possible basis for new diagnostics and treatment of neurodegenerative disorders of the retina and brain. World Applied Sciences Journal (WASJ) 2013; 27 (4): 462-468].

Фрактальная фототерапия, использующая физиологически адекватные стимулы, может являться методом зрительной реабилитации, способствующим ремоделированию поврежденных нейронных сетей.

Способ основан на гипотезе М.В. Зуевой о зависимости активности сетчатки и зрительной коры от параметров нелинейного воздействия на нее мелькающим светом [Zueva M.V. The dynamic fractal flickering as a tool in research of nonlinear dynamics of the evoked responses of a visual system and as the possible basis for new diagnostics and treatment of neurodegenerative disorders of the retina and brain. World Applied Sciences Journal (WASJ) 2013; 27 (4): 462-468; Zueva M. Fractality of sensations and the brain health: the theory linking neurodegenerative disorder with distortion of spatial and temporal scale-invariance and fractal complexity of the visible world // Front. Aging Neurosci. 2015. V. 7. Article 135].

В способе построения фрактально-нелинейной функции [Зуева М.В., Каранкевич А.И. «Стимулятор сложноструктурированными оптическими сигналами и способ его использования», Патент RU 2680185 С1, зарегистрирован и опубликован 18 февраля 2019 года, Бюлл. №5.] необходимый сигнал генерируется с помощью самоподобной функции Вейерштрасса-Мандельброта n=-1-cos(bn*t)b(2-D)*n, где D это фрактальная размерность.

С учетом данных литературы [Taylor R.P., Spehar В., Donkelaar P.V., Hagerhall С.М. Perceptual and physiological responses to Jackson Pollock's fractals // Front. Hum. Neurosci. 2011; 5:60; Spenar В., Taylor R.P. Fractals in art and nature: Why do we like them? Proceedings of the SPIE. 2013; 8651, ID 865118, 12 pp. Doi 10.1117/12.2012076; Taylor, R.P. The Potential of Biophilic Fractal Designs to Promote Health and Performance: A Review of Experiments and Applications // Sustainability. 2021; 13, 823. https://doi.org/10.3390/su13020823; Пьянкова С.Д. Фрактально аналитические исследования в психологии: особенности восприятия самоподобных объектов. Психологические исследования // 2016; 9(46): 12; Hazard С., Kimport С., Johnson D. Fractal Music. Research Project. 1998-1999. Available at http://www.torsiops.cc/fm] М.В. Зуевой обосновано, что наибольший положительный эффект должны иметь сигналы с фрактальной размерностью в пределах 1.4<D<1.6 [Зуева М.В. Технологии нелинейной стимуляции: роль в терапии заболеваний головного мозга и потенциал применения у здоровых лиц // Физиология человека. 2018; 44(3): 62-73], и положительный эффект фрактальных сигналов с такими параметрами продемонстрирован у больных глаукомой [Зуева М.В., Ковалевская М.А., Донкарева О.В., Каранкевич А.И., Цапенко И.В., Таранов А.А., Антонян В.В. Фрактальная фототерапия в нейропротекции глаукомы // Офтальмология. 2019; (3): 317-328].

Известен генератор фрактальных мельканий для биомедицинских исследований [RU 2549150 С1], который предназначен для изучения влияния на функцию и структуру сетчатки фрактальной оптической стимуляции в биомедицинских исследованиях (электрофизиологических, лабораторных, гистологических). В приборе фрактально изменяется интервал между вспышками, но отсутствует возможность выбора параметров воздействия, включая вариабельность яркости стимула, соответствующих фрактальной динамике здорового мозга.

Известен способ улучшения активности и когнитивных способностей головного мозга [RU 2671199 С1] оптическими, звуковыми сигналами сенсорной модальности или их комбинацией, пространственно-временная структура которых имеет фрактальную размерность Хаусдорфа-Безиковича, регулируемую в диапазоне от 1 до 2, при уровне самоподобия от 2-х до 10-и.

Однако в этом способе используется только искусственно сгенерированный фрактально изменяющийся световой сигнал, воздействующий на яркостные каналы зрительной системы и каналы временной и пространственной частоты, в то время как эффективность воздействия на пластичность нервной ткани и достижение оптимального лечебного результата будет зависеть также от комплаентности пациента и его активного интереса к процедуре фотостимуляции (концентрации внимания).

Известен способ улучшения зрительных функций при амблиопии путем воздействия светом на сетчатку глаза и использования виртуальной реальности [RU 2282423 С2]. Эффективность способа ограничивает применение жестко заданной (регулярной) частоты миганий (4-9 Гц и ниже), не соответствующей динамике функций здорового мозга и сетчатки. Способ принят за ближайший аналог предлагаемого изобретения.

В то же время известны различные программные продукты, использующие стереодисплеи, например, программное обеспечение Nunap Vision [https://www.nunaps.com/, Дата обращения 26.02.2021] для коррекции неврологических расстройств, связанных с дефектами поля зрения и использующее виртуальную реальность и стереодисплеи. Также известно программное обеспечение Vivid Vision [https://www.seevividly.com/, Дата обращения 26.02.2021] для лечения бинокулярных расстройств, например, амблиопии.

Однако применение игровых программ, привлекающих активное внимание пациента и повышающих его приверженность лечению, не сопровождается одновременным воздействием фрактальных оптических сигналов с параметрами фотостимуляции, адекватными характеристикам здоровых физиологических функций, что не позволяет достичь оптимального лечебного эффекта.

Задачей изобретения является разработка способа улучшения зрительных функций и функциональной активности зрительной системы с помощью объемной, комбинированной фрактальной фототерапии.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение функциональной активности зрительной системы.

Технический результат достигается за счет предъявления пациенту гомогенных нелинейных фрактальных мельканий, задаваемых согласно функции Вейерштрасса-Мандельброта на стереоскопический наголовный дисплей в виде виртуального фрактально мигающего полотна, содержащего элементы, изменяющие свою яркость согласно нелинейной фрактальной функции, помещенного перпендикулярно лучу зрения на пустую или заполненную сцену или вдоль луча зрения в заполненном виртуальном пространстве.

Способ осуществляют следующим образом.

Пациенту предъявляют гомогенные нелинейные фрактальные мелькания, задаваемые согласно функции Вейерштрасса-Мандельброта с параметрами 1<D<2, 0<b<2. При этом на стереоскопический наголовный дисплей подается виртуальное фрактально мигающее полотно, содержащее элементы, изменяющие свою яркость согласно нелинейной фрактальной функции. Полотно помещено перпендикулярно лучу зрения или вдоль луча зрения в виртуальном пространстве. Курс 10-30 сеансов 1 раз в сутки.

Могут использоваться статические и динамические изображения природных объектов, геометрических фракталов или других искусственных изображений. Для воздействия на сетчатку нелинейными фрактальными мельканиями на стереоскопический дисплей подается изображение, содержащее элементы, изменяющие свою яркость согласно нелинейной фрактальной функции, с параметрами, предварительно введенными оператором/пользователем. В рамках данного способа возможна настройка следующих параметров мельканий: цвет мельканий, период последовательности мельканий, время между отсчетами сигнала, фрактальная размерность сигнала, количество гармоник, стандартное отклонение, b-параметр фрактальной функции, коэффициент b-параметра, тип мелькающего объекта, расстояние до мелькающего объекта, прозрачность мелькающего объекта.

Тонкая настройка параметров фрактальной фотостимуляции на всей области их определения способствует персонифицированному подходу к коррекции зрительных функций, создавая возможность поиска оптимальных для конкретных пациентов (и патологий) параметров воздействия.

Помещение виртуального мигающего полотна перпендикулярно лучу зрения на пустую сцену будет эмулировать гомогенную мелькающую среду. В этом случае механизм воздействия будет аналогичен методу, использованному в работе М.В. Зуевой и соавторов, который хорошо зарекомендовал себя у больных глаукомой [Zueva, Marina & Kovalevskaya, М. & Donkareva, О. & Karankevich, А. & Tsapenko, I. & Taranov, A. & Antonyan, V.. (2019). Fractal Phototherapy in Neuroprotection of Glaucoma. Ophthalmology in Russia. 16. 317-328.10.18008/1816-5095-2019-3-317-328].

Помещение мигающего полотна вдоль луча зрения в виртуальном пространстве позволяет ограничить угол зрения и заполнить периферийное пространство фрактальной мелькающей средой.

Помещение виртуального мигающего полотна перпендикулярно лучу зрения позволяет заполнить задний фон виртуального пространства фрактальной мелькающей средой.

Виртуальное полотно может быть расположено на большом отдалении в виртуальной среде, может иметь вид усеченного конуса, расположенного по своей оси в направлении взгляда человека и иметь больший диаметр на уровне головы пользователя, меньший - впереди него до заполнения периферии области видимости. При этом виртуальное полотно можно наложить на любой контент из библиотеки SteamVR.

Виртуальное полотно может иметь вид полупрозрачной плоскости, размещенной непосредственно перед пользователем и перпендикулярно направлению взгляда.

Примеры реализации предлагаемого способа:

Пример 1.

До начала курса фрактальной фотостимуляции у пациента А. со снижением зрения вследствие возрастной макулярной дегенерации проведено офтальмологическое обследование и выполнены объективные инструментальные исследования, включая электроретинографию и оптическую когерентную томографию сетчатки.

После включения прибора фрактальной фототерапии выбраны параметры стимуляции: фрактальная размерность 1.4, частота повторения паттерна сигнала - в диапазоне 9-11 Гц, длительность выдержки сигнала между переключениями 50 мс, цвет мелькания - серый, тип мелькающего объекта - кольцо, прозрачность мелькающего объекта (альфа) - 255.

Пациент надевал шлем виртуальной реальности, в котором выбран режим вдоль луча зрения, позволяющего ограничить угол зрения и заполнить периферийное пространство (зону периферии поля зрения) фрактальной мелькающей средой.

Сеансы фрактальной фотостимуляции проводили в утреннее время (с 9 до 11 часов), ежедневно, кроме выходных. Курс включал 20 сеансов, проведенных в течение 4-х недель.

После завершения курса лечения пациенту провели повторно стандартные офтальмологические и специальные инструментальные исследования.

После окончания курса фотостимуляции лечебный эффект состоял в возрастании плотности компонента Р1 мультифокальной электроретинограммы (мфЭРГ) в ответах от 1 и 2 кольца мфЭРГ (R1 и R2): с 50 мкВ до 56 мкВ в OD для R1 и R2, соответственно, и с 17 мкВ до 22 мкВ - в OS (при норме 110,5±9,4 36,8±4,4 нВ/град²). По объективным данным электрофизиологических исследований, после фрактальной фототерапии документировано улучшение биоэлектрической активности центральной сетчатки в зонах фовеа и парафовеа.

Пример 2.

До начала курса фрактальной фотостимуляции у пациента Д. с ранней стадией болезни Альцгеймера и мягким ослаблением когнитивных функций и снижением зрения проведено стандартное неврологическое и офтальмологическое обследование и инструментальные исследования, включая электроретинографию и оптическую когерентную томографию сетчатки.

После включения прибора фрактальной фототерапии выбраны параметры стимуляции: фрактальная размерность 1.2, частота повторения паттерна сигнала - в диапазоне 9-11 Гц, длительность выдержки сигнала между переключениями 100 мс, цвет мелькания - серый, тип мелькающего объекта - полотно, прозрачность мелькающего объекта (альфа) - 255.

Пациент надевал шлем виртуальной реальности с выбором режима стимуляции, при котором виртуальное мигающее полотно расположено перпендикулярно лучу зрения на заполненную сцену. Сцена (3Д изображения и звуки) выбраны из библиотеки компьютерной программы прибора. Задний фон виртуального пространства заполнялся фрактальной мелькающей средой.

Сеансы фрактальной фотостимуляции проводили в утреннее время (с 9 до 11 часов), ежедневно. Курс включал 21 сеанс, проведенный в течение 3-х недель.

После завершения курса лечения пациенту провели повторно стандартные офтальмологические и специальные инструментальные исследования.

После окончания курса фотостимуляции лечебный эффект состоял в возрастании амплитуды зрительных вызванных корковых потенциалов (ЗВП) на реверсивный паттерн с угловым размером 1° с 8 до 11 мкВ (при норме 19±6,5 мкВ) и сокращении пиковой латентности компонента Р100 ЗВП на 2 мс (с 114 до 112 мкВ при норме 105,1±4,3 мс). Амплитуда стационарной (steady-state) паттерн-ЭРГ (ПЭРГ) на стимул 16° увеличилась с 7 до 9 мкВ (норма 15,2±3,5 мкВ). Результаты электрофизиологических исследований говорят об улучшении активности ганглиозных клеток сетчатки и проводимости по зрительному нерву.

Пример 3.

До начала курса фрактальной фотостимуляции у пациента 3. со снижением зрения вследствие глаукомы проведено полное офтальмологическое обследование и объективные инструментальные исследования, включая электроретинографию и оптическую когерентную томографию сетчатки. После включения прибора фрактальной фототерапии выбраны параметры стимуляции: фрактальная размерность 1.5, частота повторения паттерна сигнала - в диапазоне 9-11 Гц, длительность выдержки сигнала между переключениями 50 мс, цвет мелькания - серый, тип мелькающего объекта полотно, прозрачность мелькающего объекта (альфа) - 255.

Пациент надевал шлем виртуальной реальности с режимом стимуляции, при котором виртуальное мигающее полотно размещено перпендикулярно лучу зрения на пустую сцену, эмулируя гомогенную мелькающую среду.

Сеансы фрактальной фотостимуляции проводили в утреннее время (с 9 до 11 часов), ежедневно, кроме выходных. Курс включал 30 сеансов, проведенных в течение 6-ти недель.

После завершения курса лечения пациенту провели повторно стандартные офтальмологические и специальные инструментальные исследования.

После окончания курса фотостимуляции амплитуда стационарной ПЭРГ на стимул с угловым размером 8° возросла в правом глазу с 8 до 13 мкВ (норма 15,4±4,3 мкВ) и в левом глазу - с 10 до 12 мкВ. Амплитуда фотопического негативного ответа (ФИО) от пика b-волны в ЭРГ на яркий стимул (3,0 кд⋅сек/м²) увеличилась на 5 мкВ (с 47 до 52 мкВ при возрастной норме 86,9±16,4 мкВ) в правом глазу и на 4 мкВ - в левом глазу. Результаты электрофизиологических исследований говорят об улучшении функционального состояния внутренней сетчатки и возрастании активности ганглиозных клеток.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает повышение функциональной активности зрительной системы у пациентов с различными патологическими состояниями органа зрения.

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, и может быть использовано для улучшения функциональной активности зрительной системы. Пациенту предъявляют гомогенные нелинейные фрактальные мелькания, задаваемые согласно функции Вейерштрасса-Мандельброта, с параметрами 1<D<2, 0<b<2. При этом на стереоскопический наголовный дисплей подается виртуальное фрактально мигающее полотно, содержащее элементы, изменяющие свою яркость согласно нелинейной фрактальной функции. Полотно помещено перпендикулярно лучу зрения или вдоль луча зрения в виртуальном пространстве. Курс 10-30 сеансов 1 раз в сутки. Изобретение обеспечивает повышение функциональной активности зрительной системы за счет воздействия гомогенных нелинейных фрактальных мельканий, задаваемых согласно функции Вейерштрасса-Мандельброта, с заявленными параметрами. 5 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ улучшения активности зрительной системы, отличающийся тем, что путем предъявления пациенту гомогенных нелинейных фрактальных мельканий, задаваемых согласно функции Вейерштрасса-Мандельброта, с параметрами 1<D<2, 0<b<2 на стереоскопический наголовный дисплей подается виртуальное фрактально мигающее полотно, содержащее элементы, изменяющие свою яркость согласно нелинейной фрактальной функции, и помещенное в контекст псевдообъемной сцены, при этом виртуальное мигающее полотно помещают перпендикулярно лучу зрения на пустую или заполненную сцену или вдоль луча зрения в виртуальном пространстве, курс 10-30 сеансов 1 раз в сутки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что виртуальное полотно располагается на большом отдалении в виртуальной среде.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что виртуальное полотно имеет вид усеченного конуса, расположенного по своей оси в направлении взгляда человека и имеющего больший диаметр на уровне головы пользователя, меньший - впереди него до заполнения периферии области видимости.

4. Способ по п. 3 отличающийся тем, что виртуальное полотно накладывают на любой контент из библиотеки SteamVR.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что виртуальное полотно имеет вид полупрозрачной плоскости, размещенной непосредственно перед пользователем и перпендикулярно направлению взгляда.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нелинейные фрактальные мелькания настраивают по цвету, периоду последовательности, времени между отсчетами сигнала, фрактальной размерности сигнала, количеству гармоник, стандартному отклонению, b-параметру фрактальной функции, коэффициенту b-параметра, типу мелькающего объекта, расстоянию до мелькающего объекта, прозрачности мелькающего объекта.