Способ тренировки и количественной оценки моторики пальцев рук и функционального состояния головного мозга по управлению координированным движением пальцев рук и устройство для его реализации Российский патент 2022 года по МПК A61B5/00 

Изобретение относится к областям медицины и развивающей педагогики, в частности, к неврологии и психиатрии, и может быть использовано для восстановления двигательных функций у больных, перенесших ишемический инсульт или имеющих грубые двигательные нарушения, связанные с травмами головного и спинного мозга и другими неврологическими патологиями верхних конечностей, а также для профилактики появления и замедления развития деменции у пожилых людей и компенсации задержек развития у детей.

Руки человека тесно связаны с головным мозгом. Связь рук со структурой головного мозга давно известна. Около трети сигналов, получаемых корой головного мозга, приходит от пальцев рук или посылаются ими, а также ладонями, до 30% энергии расходуется мозгом на управление движением пальцев. Доказано, что мысли и глаза ребенка двигаются с той же скоростью, что и пальцы рук, поэтому систематические упражнения по тренировке движений пальцев являются мощным средством повышения работоспособности головного мозга. Уровень развития речи у детей всегда находится в прямой зависимости от степени развития тонких движений пальцев рук.

Японский врач Есия Хасэгава исследовал и успешно использует в практике общения с многочисленными пожилыми пациентами определенные регулярные упражнения пальцами рук для предотвращения и даже лечения старческой деменции (Есия Хасэгава. Как легким движением пальцев прокачать свой мозг. Уникальная японская методика тренировки мышления, памяти, внимания, логики, позволяющая предотвратить старение мозга. - Москва: Эксмо, 2019. - 160 с.). В результате эволюции человека команды, поступающие в кисти рук от мозга, становились все сложнее и сложнее, что, в свою очередь, способствовало невероятно сложной адаптации пальцев, которая влияла на дальнейшее развитие и усложнение головного мозга. Налицо взаимодействие наших пальцев и мозга. Сегодня мы можем говорить о том, что эти процессы шли параллельно, зеркально отражая друг друга. Особую роль играет большой палец человека, не имеющий аналогов в животном мире. Сохраняя активность большого пальца, мы поддерживаем активность головного мозга едва ли не на том же уровне, что и в юности. На подушечках пальцев расположены нервные окончания, связанные с определенными участками в обоих полушариях головного мозга. Чем активнее движения пальцев кисти, тем больше мозг вовлечен в захват сигналов из их кончиков. Происходит подзарядка мозга и улучшение его работы

Правая рука в основном связана с левым полушарием головного мозга, отвечающим за абстрактно-логическое мышление, устную речь, цифровую обработку информации. Работой левого полушария формируется личность, в левом полушарии происходит отбор информации, которая сопутствует человеку в его жизни.

Левая рука управляет правым полушарием головного мозга, которое выражает эмоции, формирует творческие порывы, любовь и чувства, занято интуитивной, эстетической, художественной деятельностью, ведает за конкретно-образное мышление. Правое полушарие проводит суммирование интуитивного опыта.

Головной мозг управляет биосистемой человека как целостным образованием, функционально не разделяя психических или физиологических составляющих организма. А руки, ладони и пальцы помогают в этом управлении и стимулируют работу мозга, как физиологически, так и психически. Поэтому часть медико-психологических задач, касающихся всего организма человека, можно решать, используя мелкую моторику пальцев рук. Среди таких задач - улучшение у ребенка памяти, внимания, речи, пространственных представлений, снижение утомляемости, повышение способности к произвольному контролю, улучшение почерка, повышение работоспособности, активизация интеллектуальных и познавательных процессов, расширение резервных возможностей функционирования головного мозга ребенка. Активное задействование мелкой моторики пальцев рук имеет определенный потенциал и при реабилитации взрослых после травм и инсультов, для профилактики и замедления развития старческой деменции.

Для этого в настоящее время применяются плетение, нанизывание бусин и колец, сборка мозаики, вырезание из бумаги, используются движения первых трех пальцев, которые обычно активны в быту. Большой, указательный и средний пальцы, а также смежная с ними часть ладони и соответствующее им двигательное поле обозначается как социальная зона руки. Два последних пальца - безымянный и мизинец - находятся вне социальной зоны и в повседневной деятельности обычно пассивны, поэтому многие упражнения не задействуют их, хотя игнорирование в упражнениях безымянного пальца и мизинца на треть снижает эффективность тренировок.

Для получения максимального эффекта упражнения должны включать изолированные движения каждого из пальцев, сочетания различных групповых движений пальцев, необходимость приложения дозированных усилий при выполнении упражнений при задействовании различных каналов связи между мозгом и пальцами рук с возможностью получения статистических значений выбранных критериев оценки функционального состояние конкретного человека.

Известно, что повторяющиеся активные целенаправленные движения, а особенно - пальцев рук, значительно способствуют восстановлению двигательных функций. У больных, перенесших инсульт, помимо лечебной физкультуры, этот подход в течение последних 10 лет реализован в таких методах, как тренировка в условиях виртуальной реальности, когда пациенты обучаются движениям по обратной связи, и тренировка в условиях, когда движения облегчаются роботом (Черникова Л.А. Пластичность мозга и современные реабилитационные технологии. Анналы клинической и экспериментальной неврологии, 2007, 1(2):40-47). Это позволяет активно включать в программы двигательной реабилитации биоуправление, организованное по электромиограмме и направленное на выработку точных движений пальцев кисти у больных с легкими и умеренными парезами и нарушением мелкой моторики руки, однако не обеспечивает полноценную реабилитацию у пациентов, имеющих грубые двигательные нарушения.

Известным аналогом заявляемого изобретения является экспериментальное исследование тонкой моторики рук с помощью цифрового графического планшета (К.Г. СЕЛИВАНОВА. Экспериментальное исследование тонкой моторики рук с помощью цифрового графического планшета. - ISSN 2079-0023. Вюник НТУ «ХШ», 2012. №18 (991), стр. 137-143). Сутью способа является исследование индивидуальных особенностей тонкой моторики рук испытуемых с помощью разработанного программного средства при выполнении ряда последовательных тестов в виде рисования линейных прямых на цифровом графическом планшете беспроводным пером. Курс коррекции мелкой моторики руки включает тактильное взаимодействие пациента с сенсорной панелью цифрового графического планшета путем последовательного выполнения пациентом упражнений, направленных на развитие моторики руки, и мотивации к активной целенаправленной деятельности. Для этого пациент касается пальцем руки поверхности панели планшета в заданной точке и продолжает двигать пальцем по заданной траектории таким образом, чтобы цвет точек линии траектории по мере движения пальца менялся на заданный - свидетельствующий о положительном выполнении упражнения. Последовательность выполнения упражнений - от простых движений к сложным. При выполнении упражнения движения руки пациента по панели могут повторять движения зубной щетки в полости рта. Длительность курса определяется общей тяжестью состояния пациента и может составлять не менее 22-30 дней при времени занятия 10-30 мин. Занятия проводят 5 дней в неделю. Способ обеспечивает эффективную реабилитацию пациентов данной группы с формированием требуемого двигательного действия как образцового (эталонного) при тренировке групп мышц, участвующих в выполнении сложных движений, обеспечивающих самообслуживание пациента. Возможности этого способа ограничены отсутствием объективной численной оценки функционирования пальцев рук при выполнении предлагаемых заданий.

Очень похоже на описанный способ изобретение по патенту RU 2616338 «Способ реабилитационной коррекции мелкой моторики руки» (МПК А61Н 1/00/, А61М 21/02, приоритет от 2015.12.14, опубликовано 2017.04.14), включающее курс тактильного взаимодействия пациента с сенсорной панелью цифрового графического планшета. Целью изобретения является тренировка пациента, позволяющая ему обслуживать себя без посторонней помощи, например, при чистке зубов. Недостатком изобретения является ограниченность перечня решаемых задач.

Известен также реабилитационный комплекс ArmeoSpring (Армео Спринг) (сайт в интернете - http://mstvlespb.ru/armeospring), который предлагает эффективную и современную программу реабилитации двигательных функций верхних конечностей для пациентов с инсультами. Исследования в области неврологии подтверждают, что благодаря нейропластичности обеспечивается компенсация и возможность восстановления утраченной функции конечностей путем интенсивных, повторяющихся и ориентированных на выполнение конкретных задач движений. Концепция терапии Armeo увеличивает эффективность программы реабилитации благодаря функциональным, интенсивным и направленным упражнениям. Пациенты даже со значительной утратой двигательных функций могут осуществлять тренировки в присутствии врача-терапевта или инструктора. Таким образом, стимулируется мотивация и повышается потенциал пациента к выздоровлению.

Недостатками известного технического решения является сложность оборудования для проведения процедур и необходимость присутствия сопровождающего.

Известным аналогом является изобретение «Устройство для развития моторики пальцев рук»» по патенту RU 2290090 (МПК А61Н 1/00, приоритет от 2004.07.15, опубликовано 2006.12.27), включающее пружинный механизм в корпусе для дозирования нагрузок на пальцы при их тренировке. Его недостатком является отсутствие обратной биологической связи для оценки эффективности и коррекции тренировок.

Аналогом является также изобретение «Способ реабилитационной оценки функции тонкой моторики кисти»» по патенту RU 2712019 (МПК А61В 5/00, приоритет от 2019.03.22, опубликовано 2020.01.24), основанное на использовании планшетного компьютера для тестирования двигательной активности пациента до и после проведения курса лечения и включающее выполнение движений сведения и разведения пальцев кисти паретичной руки с измерением расстояния между пальцами, прикладываемыми к поверхности сенсорной панели планшетного компьютера. Основным недостатком изобретения является задействование в тренировках и оценках только первого и второго пальцев паретичной руки, что существенно уменьшает результативность тренировок и оценок функции моторики кисти.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является изобретение «Устройство для восстановления и развития функций кистей рук» по патенту RU 2617199 (МПК А61Н 1/00, А63В 23/16, приоритет от 2014.04.09, опубликовано 2017.04.21), содержащее ручной тренажер, объект управления, взаимодействующий с ручным тренажером, тензодатчики, блок сбора и предварительной обработки информации, персональный компьютер для сбора, обработки и хранения информации, устройства зрительной и слуховой связи и регулируемое средство для размещения пользователя, на котором закреплен по меньшей мере с одной стороны ручной тренажер. Отличием изобретения является использование на свободных концах ручного тренажера пластинчатых пружин со сменными элементами с различной степенью шероховатости и плотности для стимуляции тактильных рецепторов, а в качестве объекта управления - марионеток различной конструкции. Сложность устройства делает практически невозможным его использование для массовых индивидуальных тренировок. Дополнительным недостатком является отсутствие механизма количественной объективной оценки мелкой моторики пальцев рук и связанной с этим работы головного мозга.

Цель заявляемого изобретения - обеспечение возможности массовой, доступной и дешевой тренировки мелкой моторики пальцев рук с задействованием соответствующих структур головного мозга и постоянной объективной количественной оценкой эффективности тренировок и функционального состояния человека. Поставленная цель в предлагаемом способе тренировки и количественной оценки моторики пальцев рук и функционального состояния головного мозга по управлению координированным движением пальцев рук и устройстве для его реализации, в отличие от известных аналогов и прототипа, достигается объективной численной оценкой динамики изменения физиологических показателей мелкой моторики пальцев рук и функционального состояния взаимосвязанных с пальцами областей головного мозга по итогам технической и функционально-методической реализации комплекса следующих взаимосвязанных лечебно-обучающих действий:

1. Заданное количество стохастических включений (подсвечиваний) прикладной программой управляюще-анализирующего устройства по одной, две, три, четыре или пять кнопок консолей левой или правой руки или обеих рук вместе;

2. Фиксация выключений подсвеченных кнопок и временных интервалов между включением и выключением кнопок каждым задействованным пальцем;

3. Сохранение в базе данных программы временных интервалов реакции на выключение подсветки кнопок в каждом цикле и для каждого пальца;

4. Статистическая обработка полученных массивов информации для оценки времени реакции каждого пальца при выключении случайно подсвеченных кнопок с расчетом математического ожидания, построением графиков изменения этих параметров во времени, отклонений этих параметров в каждой тренировке от их средних накопленных значений;

5. Измерения усилия нажатия кнопки пальцем или задание необходимого усилия для выключения подсветки из двух-трех возможных значений регулировкой пружин в кнопках;

6. Проверка влияния зрительных каналов на мелкую моторику использованием повязки или очковой оправы с опускающимися шторками для закрытия правого или левого глаза.

На фиг. 1 показана схема устройства по заявляемому изобретению. Управляюще-анализирующее устройство 1 с прикладной программой электрически связано интерфейсом (проводами) 2 с подсвечиваемыми двойными кнопками 3 консоли 4.1 для левой руки и консоли 4.2 для правой руки через разъемное соединение. На фиг. 1 кнопочная консоль 4.1 показа в сложенном виде, а кнопочная консоль 4.2 условно показана в настроенном под размеры конкретной ладони и пальцев виде. Каждая двойная кнопка соответствует одному определенному пальцу. Настройка кнопочных консолей 4.1 и 4.2 под размеры ладоней и пальцев рук тренирующихся обеспечивается подвижным креплением рычагов 5 в основании 6 с функцией их сведения, разведения в стороны и фиксации в определенном положении подобно пальцам рук, а подсвечиваемые парные кнопки 3 могут перемещаться по рычагам 5 и крепиться в нужном месте. Очки 7 с опускающимися непрозрачными щитками 8 используются для закрытия левого или правого глаза в отдельных тренировках.

Устройство реализует способ, включающий следующие операции:

- настройка кнопочных консолей 4.1 и 4.2 под размеры ладоней и пальцев рук разведением в стороны рычагов 5 относительно оснований 6 и перемещением по ним и закреплением в удобном месте подсвечиваемых парных кнопок 3;

- соединение интерфейсом 2 управляюще-аналитического устройства 1 с парными кнопками 3 через разъемы на кнопочных консолях 4.1 и 4.2;

- размещение тренирующегося человека за столом в удобной доступности от кнопочных консолей 4.1 и 4.2;

- вызов на управляюще-анализирующем устройстве 1 прикладной программы и задание параметров очередного цикла тренировки - количества повторений подсвечивания кнопок 3 консолей 4.1 и 4.2, задействуемая в тренировке рука - левая, правая или обе одновременно, количество одновременно подсвечиваемых кнопок - одна, две, три, четыре или пять, требуемое для выключения подсвеченных кнопок усилие, временные интервалы смены подсветок; требуемое для выключения подсветки кнопки усилие задается соответствующим предварительным сжатием пружины; вместо регулирующих усилие выключения подсветки пружин могут использоваться тензодатчики;

- при запуске прикладная программа формирует с помощью генератора случайных чисел стохастический процесс подсветки кнопок 3 на консолях 4.1 и 4.2 согласно заданным параметрам очередного цикла тренировки;

- при нажатии тренирующимся подсвеченных кнопок 3 с требуемым усилием программа фиксирует и архивирует временные интервалы от момента включения подсветки до момента выключения подсветки по каждой кнопке 3;

- при необходимости проверки влияния каналов зрительной информации на мелкую моторику левый или правый глаз закрываются опускающимся щитком 8 очковой оправы 7;

- по завершении цикла тренировки в базе данных прикладной программы по накопленным замерам реакций каждого пальца по выключению подсвеченных кнопок рассчитываются статистические оценки функционирования каждого пальца левой и правой руки в этом цикле и накопленную оценку по всем предыдущим циклам для конкретного человека. В качестве таких накопленных статистических оценок будут использоваться:

- математическое ожидание времени реакции каждого пальца при выключении соответствующих ему подсвеченных кнопок;

- графики изменения математических ожиданий во времени;

- отклонения реакции в каждой тренировке от средних накопленных значений;

- аналогичные статистические оценки усилий нажатия каждым пальцем на кнопки при их выключении.

Предлагаемые способ и устройство для его реализации позволяют посредством целенаправленной тренировки пальцев рук стимулировать интеллектуальное развитие и бороться с его задержкой у детей, задерживать начало проявления старческой деменции у пожилых и замедлять ее прогрессирование, проводить физиотерапевтические процедуры с пациентами, перенесшими инсульт или травмы головного мозга.

Практическая реализуемость изобретения не вызывает сомнения, так как опирается на известный уровень техники, использование проверенных в других применениях составных частей (подсвечиваемые кнопки и гаджеты - специализированые процессоры, программаторы, смартфоны, персональные компьютеры) и работоспособность подобных прикладных компьютерных программ.

Группа изобретений относится к областям медицины и развивающей педагогики, в частности к неврологии и психиатрии, и может быть использовано для восстановления двигательных функций у больных, перенесших ишемический инсульт или имеющих грубые двигательные нарушения, связанные с травмами головного и спинного мозга и другими неврологическими патологиями верхних конечностей, а также для профилактики появления и замедления развития деменции у пожилых людей и компенсации задержек развития у детей. Предложено устройство для реализации способа, причем способ включает этапы, на которых пальцами рук нажимают на кнопки консоли с включенной подсветкой до ее выключения, причем в каждом тренировочном цикле задействуют правую руку или левую руку, или обе руки одновременно, а количество включаемых кнопок в диапазоне от одной до пяти для каждой из рук, частоту и количество повторных включений, величину необходимого усилия нажатия пальцем на кнопку для выключения ее подсветки назначают заданием соответствующих значений перечисленных параметров тренировочного цикла в прикладной программе на управляюще-анализирующем устройстве, электрически связанном с кнопочной консолью и реализующем многократно повторяющийся случайный алгоритм включения подсветки кнопок, оценку моторики пальцев и функционального состояния головного мозга по управлению координированным движением пальцев рук осуществляют управляюще-анализирующим устройством по статистическим характеристикам массивов временных интервалов между включением и выключением кнопок каждым пальцем по итогам отдельного тренировочного цикла и в динамике по сохраняющейся в нем совокупной информации обо всех проведенных персональных тренировках, причем для расширения информативности оценки функционального состояния головного мозга тренировочные циклы проводят с задействованием только левого глаза или только правого глаза, или обоих глаз одновременно. Группа изобретений обеспечивают достоверное статистическое оценивание моторики пальцев рук и функционального состояния головного мозга по управлению координированным движением пальцев рук и позволяют отслеживать эффективность тренировок и динамику изменения важных функциональных показателей работы головного мозга человека. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ тренировки и количественной оценки моторики пальцев рук и функционального состояния головного мозга по управлению координированным движением пальцев рук, при котором пальцами рук нажимают на кнопки консоли с включенной подсветкой до ее выключения, причем в каждом тренировочном цикле задействуют правую руку или левую руку, или обе руки одновременно, а количество включаемых кнопок в диапазоне от одной до пяти для каждой из рук, частоту и количество повторных включений, величину необходимого усилия нажатия пальцем на кнопку для выключения ее подсветки назначают заданием соответствующих значений перечисленных параметров тренировочного цикла в прикладной программе на управляюще-анализирующем устройстве, электрически связанном с кнопочной консолью и реализующем многократно повторяющийся случайный алгоритм включения подсветки кнопок, оценку моторики пальцев и функционального состояния головного мозга по управлению координированным движением пальцев рук осуществляют управляюще-анализирующим устройством по статистическим характеристикам массивов временных интервалов между включением и выключением кнопок каждым пальцем по итогам отдельного тренировочного цикла и в динамике по сохраняющейся в нем совокупной информации обо всех проведенных персональных тренировках, причем для расширения информативности оценки функционального состояния головного мозга тренировочные циклы проводят с задействованием только левого глаза или только правого глаза, или обоих глаз одновременно.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее очковую оправу с опускающимися щитками для закрытия согласно плану тренировки левого или правого глаза и электрически связанные с управляюще-анализирующим устройством через разъемы на кнопочных консолях двойные индивидуально подсвечиваемые и соответствующие своим пальцам кнопки на подвижных рычагах консолей для левой и правой руки с функцией выключения подсветки при нажатии пальцами на кнопки с заданным усилием, причем консоли выполнены настраиваемыми под размеры ладоней и пальцев тренирующихся, а парные кнопки снабжены устройством регулирования или измерения усилия выключения подсветки кнопок пальцами рук, управляюще-анализирующее устройство имеет загруженную прикладную программу с функцией задания в тренировочном цикле условий тренировки пальцев только левой или только правой, или обеих рук одновременно, количества одновременно подсвечиваемых кнопок в тренировочном цикле в интервале от одной до пяти для каждой руки, количества повторений заданий в цикле, частоты включений подсветки кнопок, реализации стохастического процесса подсветки кнопок консоли, фиксации временных интервалов выключения подсветки каждой кнопки от момента ее включения, архивирования, статистической обработки полученного по испытаниям в одном тренировочном цикле массива зафиксированных задержек выключения подсвеченных кнопок каждым пальцем и сохранения персональной информации обо всех тренировочных циклах, причем в качестве управляюще-анализирующего устройства предпочтительно применяют персональный компьютер.