Способ комплексной оценки функции верхних конечностей

Изобретение предназначено для комплексной оценки функции верхних конечностей человека, включающей исследование силовых и электромиографических параметров руки в условиях выполнения целенаправленного задания (управления, манипуляции) с биологической обратной связью по силовым параметрам, с помощью малоамплитудных или изометрических усилий руки. Применимо в различных областях практической медицины (например - неврология, ортопедия и травматология), эргономики, биомеханики, спорта, физиологии и психофизиологии.

Оценка функции верхних конечностей имеет важное значение в различных биомедицинских и смежных областях (например, при проектировании управляемых рукой человека машин). Известны способы оценки состояния верхних конечностей, включающие измерение силы и координационных характеристик при движениях пальцев [патент США №20040097838 А1]; измерение силовых параметров при определенной конфигурации и движениях руки [патент США №6231525 В1]; измерение давления рук на силовую платформу [патент РФ №2405430]. Разработаны различные устройства, чья актуальность связана с вариантами оценки движений руки и пальцев [патент РФ №164153] и подразумевает актуальность методик такой оценки. Широко используются электромиографические методики (ЭМГ) в оценках функции конечностей [Зюбанова И.А., Усков В.А., Капилевич Л.В. Биомеханические модельные характеристики выполнения нападающего удара в волейболе // Веста. Том. гос. ун-та. 2013. №367. С. 151-153]. Существуют способы реабилитации, основанные на воображаемом движении конечности и анализе биопотенциалов со скальпа [патент РФ №2622206], но не включающие измерение функции рук, что может снижать эффективность контроля реабилитации. Применение для оценки функции верхних конечностей отдельных характеристик, основанных на различающихся по смыслу физических и физиологических параметрах, имеет сложности в объяснении их взаимосвязи, и, таким образом, в получении наиболее точной комплексной оценки.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, выбранном в качестве прототипа, является «Способ оценки опорной функции верхних конечностей» [патент РФ 2405430, МПК: А61В 5/11 (2006.01), опубл. 10.12.2010, Бюл. №34], где используется силовая платформа (стабилограф), при этом нижнюю часть тела пациента до пояса размещают на горизонтальной поверхности, имеющей возможность перемещения по высоте, верхнюю часть тела пациента размещают над платформой стабилографа так, чтобы руки пациента были опущены вниз под прямым углом к телу, выпрямлены в локтевых суставах, основания ладоней располагают у ограничительной черты платформы, пальцы выпрямлены, указательный палец располагают параллельно лучу платформы. Пациент удерживает указанную позу и осуществляет давление руками на платформу стабилографа в течение 51 с. При этом определяют: давление рук на платформу, расположение центра давления относительно сагиттальной оси, миграцию проекции центра давления по опорной площади, площадь статокинезиограммы, частоту перемещений центра давления. Обследование проводят до и после лечения пациента или тренировки спортсмена.

К недостаткам прототипа относится тот факт, что в этом способе не предусмотрена надежная возможность поочередной оценки одной из рук. Поскольку отсутствуют прямые данные об активности мышц рук (миография), то также снижена информативность исследования в контексте желаемой комплексной (более точной, надежной) оценки.

Недостатки цитируемого способа для оценки функции рук, как возможности исследования целенаправленного приложения силы, обусловлены трудностью удержания подобной позы в течение почти минуты людьми с ограниченными возможностями (например, при соответствующих травмах) или невозможностью принятия установленной позы (например, при беременности), ограниченностью оценки только измерением пассивного удержания позы (без целенаправленных изменений вектора прилагаемой рукой силы, характерных для бытовых и профессиональных манипуляций). Отдельной проблемой может являться недостаточная надежность используемых здесь показателей [Гроховский С.С., Кубряк О.В. Метод интегральной оценки эффективности регуляции позы человека // Медицинская техника. - 2018. - №2. - С. 49-52].

Предлагаемый способ позволяет преодолеть указанные недостатки путем оригинального расположения испытуемого и его руки относительно измеряющих устройств, что создает возможность получения комплексной оценки по силовым и электромиографическим параметрам, связывающим результат действия (выполнение инструкции) и его физиологическое обеспечение, при этом оценку функции верхних конечностей осуществляют для каждой руки по отдельности либо одной из рук (левой или правой), со снижением возможных ограничений по применению у малоподвижных, ослабленных и больных испытуемых, а также с повышением уровня соответствия тестирования функции обычным управляющим движениям рук (повышением специфичности исследования).

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения возможности оценки функции верхних конечностей для каждой руки по отдельности либо одной из рук, повышение точности способа за счет снижения вероятности регистрации веса испытуемого, передаваемого через опору на руки вместо желаемого исследования функции конечности, а также повышение информативности исследования в контексте желаемой комплексной оценки.

Способ комплексной оценки функции верхних конечностей включает обследование пациента с определением функции верхних конечностей с использованием силовой платформы, и отличается тем, что обследование проводят с помощью силовой платформы и электромиографа - с одновременной регистрацией электромиографических и силовых параметров управляющей руки в области предплечья и кисти, при этом исследование функции верхних конечностей проводят поочередно для каждой из рук, либо только для одной руки, при этом испытуемого располагают сидя или стоя перед горизонтальной поверхностью с установленной на ней силовой платформой с закрепленной на платформе неподвижной рукоятью, через которую передаются усилия руки на силовую платформу для их регистрации при таком положении исследуемой конечности, в котором локоть испытуемого располагается на горизонтальной поверхности перед силовой платформой, а рука испытуемого находится в стандартном положении, при котором через кисть его усилия передаются на рукоять, и где управление объектом, положение которого задается координатами точки результирующих сил на силовой платформе от нажатия испытуемым управляющей рукояти - например, меткой на экране, при этом на рукоять передается сила, связанная с изометрической или малоамплитудной активностью мышц кисти руки или предплечья, и осуществляют одновременную регистрацию, во-первых, электромиографических параметров управляющей руки в области предплечья и кисти, во-вторых, силовых параметров, в-третьих, степени выполнения инструкции в режиме биологической обратной связи, в задаче, обусловливающей направленное приложение силы руки испытуемого на рукоять с малоамплитудными или изометрическими движениями руки, определяют расчетные показатели, характеризующие траекторию точки приложения силы, в том числе, длину, энергоемкость статокинезиограммы на силовой платформе и другие, определяют электромиографические показатели мышц сгибателей и разгибателей предплечья и кисти в виде значений максимальной, средней, суммарной амплитуд и средней частоты сигнала по данным турно-амплитудного анализа интерференционной электромиограммы. Вывод об улучшении функции верхней конечности делают на основании изменения электрической активности исследуемых мышц испытуемого, проявляющегося в уменьшении максимальной, средней и суммарной амплитуд электромиограммы при нормальных или повышенных значениях частоты мышечных сокращений, изменении силовых характеристик управления рукой, проявляющихся в соответствующем изменении расчетных показателей - снижении значений длины, энергоемкости статокинезиограммы, а также повышении степени выполнения задачи с биологической обратной связью - по соотношению значений максимально возможного результата выполнения обусловленной инструкцией двигательной задачи с реально достигнутым. Вывод об ухудшении функции верхней конечности делают при увеличении амплитудных показателей интерференционной электромиограммы, уменьшении средней частоты мышечной активности на фоне увеличения значений показателя длины статокинезиограммы, увеличении расчетных значений длины и энергоемкости статокинезиограммы, а также снижении степени выполнения обусловленной инструкцией задачи, а вне динамических оценок функции - дается количественная характеристика функции верхней конечностей или обеих конечностей на текущий момент времени по вышеприведенным показателям.

Исследования функции верхних конечностей проводят поочередно для каждой или одной из рук с помощью устройства, включающего силовую платформу с закрепленной на ней неподвижной рукоятью, передающей усилия руки на силовую платформу для их регистрации, при этом по усилиям руки осуществляется биологическая обратная связь по визуальному или иному каналу. В указанных условиях испытуемому задается инструкция по управлению траекторией метки, связанной с регистрируемыми силовой платформой усилиями руки. Осуществляется комплексная оценка внешнего результата (результата выполнения инструкции по перемещению метки), потребных усилий (силовых параметров) и характеристики физиологической «цены» (электромиографических параметров). Здесь регистрация поверхностной интерференционной электромиограммы (иЭМГ) включает области предплечья и кисти - мышцы: musculus flexor digitorum superficialis, musculus extensor digitorum, musculus extensor pollicis longus, musculus flexor pollicis brevis. При этом рука испытуемого находится в стандартном положении, кисть руки передает усилия на рукоять, локоть опирается на поверхность, управление меткой (управляемым объектом) осуществляется с помощью надавливания испытуемым на рукоять сообразно требуемому для выполнения задачи вектору или за счет малоамплитудного движения кисти руки и предплечья. Испытуемый находится в положении сидя или стоя, смотря прямо на экран в случае использования визуального канала обратной связи. Время проведения исследования может меняться, например, 30 секунд или более. Расположение испытуемого и его руки, по сравнению с прототипом, снижает вероятность регистрации веса испытуемого, передаваемого через опору на руки вместо желаемого исследования функции конечности.

Способ иллюстрируется графически.

На Фиг. 1 представлена общая схема реализации способа комплексной оценки функции верхних конечностей в задаче с биологической обратной связью, где обозначено: 1 - испытуемый; 2 - предплечье испытуемого; 3 - кисть испытуемого, 4 - устройство регистрации усилий управления руки; 5 - электромиограф, 6 - экран для визуального канала обратной связи, 7 - метка, связанная с регистрируемыми усилиями руки испытуемого, 8 - компьютер с управляющей программой.

На Фиг. 2 представлены фото процедуры выполнения задания с одновременным измерением силовых параметров, электромиографической активности мышц руки и оценкой точности выполнения инструкции.

Пример реализации способа.

Испытуемый размещается для проведения исследования согласно общей схеме, представленной на Фиг. 1. В качестве измеряющих устройств может использоваться, например, силовая платформа ST-150 (ООО «Мера-ТСП», Россия) с закрепленной на ней неподвижной рукоятью; электромиограф в составе многофункционального комплекса для проведения электрофизиологических исследований «Нейрон-Спектр-5з», с использованием оригинального программного обеспечения «Нейро-МВП.NETomega» (ООО «Нейрософт», Иваново) (год выпуска - 2016; документ, подтверждающий характеристики - Декларация о соответствии № РОСС RU.ИМ18.Д00816, от 27.01.2014 г. до 26.01.2024 г.). Общий вид испытуемого N в стандартной позиции для проведения исследований функции верхней конечности, согласно предлагаемому способу, представлен на Фиг. 2. В качестве управляющей программы может использоваться, например, программа STPL (Мера-ТСП, per. номер 2013610968). В качестве стандартизованной задачи с биологической обратной связью может использоваться, например, тест типа «динамическая проба» [Кубряк О.В., Гроховский С.С., Доброродный А.В. Исследование опорных реакций человека (постурография, стабилометрия) и биологическая обратная связь в программе STPL. - Мера-ТСП. Москва, 2018. - 121 с. ISBN: 978-5-6040686-0-1]. Здесь биологическая обратная связь в режиме визуального канала предполагает мануальное управление меткой на экране монитора, когда смещение метки соответствует прилагаемой к неподвижной рукояти силе, а траектория движения зависит от случайно появляющихся на экране объектов, с которыми требуется совместить управляемую метку. Таким образом, в качестве инструкции может использоваться, как вариант, стандартизованная задача (с прописанными в программе условиями) по совмещению связанной с усилиями управляющей руки испытуемого метки на экране с появляющимися в разных частях экрана кругами. При этом одновременно регистрируются электромиографические и силовые характеристики согласно описанной схеме, а также параметры внешнего результата (Фиг. 2). Исследование может проводиться однократно или многократно, в зависимости от целей исследования.

Например, может быть реализован следующий протокол наблюдения, предусматривающий многократное тестирование испытуемых в течение 4 последовательных сеансов, проводящихся в разные дни. Схема наблюдения включает: 1 день - регистрация фоновых значений иЭМГ, обучение работе с силовой платформой; 2-4 дни - проведение основной процедуры тестирования, включающей поочередное (в течение 1 минуты для каждой руки) управление траекторией метки на экране монитора, связанной с регистрируемыми силовой платформой усилиями руки с одновременной регистрацией электромиографической активности.

В качестве примера реализации способа можно представить групповые характеристики, полученные в исследовании с участием 25 здоровых добровольцев 20-25 лет. В первые сутки исследования со всеми испытуемыми проведен соответствующий инструктаж и обучение волонтеров работе с силовой платформой и джойстиком для минимизации влияния данного фактора на результативность в ходе основной процедуры, а также фоновая запись иЭМГ. Со 2х по 4е сутки исследования со всеми волонтерами была проведена основная процедура тестирования, которая представляла собой серию из 4х повторяющихся тестов включающих поочередное (в течение 1 минуты для каждой руки) управление траекторией метки на экране монитора, связанной с регистрируемыми силовой платформой усилиями руки. Во время сеансов БОС-управления у всех испытуемых проводили одновременную регистрацию интерференционной поверхностной электромиографии по общепринятой методике [Николаев С.Г. Электромиография: клинический практикум / С.Г. Николаев. - Иваново: ПресСто, 2013. - 394 с. ISBN 978-5-905908-54-5] с помощью многофункционального компьютерного комплекс «Нейрон-Спектр-5/S» (ООО «Нейрософт», Россия, г. Иваново, 2015). В качестве объекта электромиографического исследования были выбраны сгибатели и разгибатели предплечья и кисти, формирующие в наибольшей степени выбранные базовые движения: musculus flexor digitorum superficialis, musculus extensor digitorum, musculus extensor pollicis longus, musculus flexor pollicis brevis. Статистическая обработка полученных результатов произведена с использованием метода многофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с повторяющимися измерениями, с применением F-критерия Фишера.

В таблицах 1, 2 и 3 представлены силовые параметры выполнения инструкции в виде значений проделанной механической работы траектории управляемой меткой в виде значений правой и левой рук максимальной, средней, суммарной амплитуд (мкВ) и средней частоты сигнала по данным турно-амплитудного анализа (1/с) иЭМГ, а также значения достигнутого внешнего результата в системе обусловленной инструкцией задачи («динамическая проба» в программе STPL) для группы испытуемых.

Результаты исследования иЭМГ при проведении БОС тренинга по опорной реакции свидетельствуют о статистически значимом уменьшении значений максимальной амплитуды иЭМГ во всех исследуемых мышцах правой и левой рук уже со 2-го сеанса. Так для правой руки существенное уменьшение амплитуды на 3-4 сеансах БОС-тренинга зарегистрировано с m. extensor digitorum и m. flexor pollicis brevis (в среднем на 46,49% (p<0,005) и 22,88% (p<0,01) соответственно) относительно фоновых значений. Для левой руки статистически значимое уменьшение данного показателя зарегистрировано в m. extensor digitorum начиная с 1-го сеанса БОС тренинга. Так, входе 1-го сеанса максимальная амплитуда иЭМГ уменьшилась на 29,65% (р<0,01), а в ходе 4 сеанса - на 46,16% (p<0,05) относительно фоновых значений.

Показания средней амплитуды иЭМГ при БОС-тренингах также уменьшились относительно фоновых значений. Так, при регистрации иЭМГ с правой руки статистически значимое уменьшение зарегистрировано с m. flexor digitorum superflcialis и m. extensor digitorum в ходе 3-4 сеансов биотренинга (в среднем на 23,21% (р<0,03) и 31,05% (р<0,01) относительно фона. При регистрации и ЭМГ с левой руки статистически значимое уменьшение средней амплитуды зарегистрировано в m. extensor digitorum начиная с 2-го сеанса БОС тренинга (на 30,21%; p<0,01).

Аналогичную картину имело и изменение суммарной амплитуды мышечной активности исследуемых мышц.

Показания средней частоты ЭМГ правой руки m. extensor pollicis longus и m. flexor pollicis brevis ходе БОС-тренинга изменялись незначительно. Однако, при регистрации иЭМГ с m. flexor digitorum superficialis достоверно повысился только в ходе 1-го сеанса биотренинга на 23,50% (p<0,03) относительно фоновых значений. При регистрации иЭМГ левой руки все изменения в ходе сеансов изменились на уровне тенденции.

Это свидетельствует о замедлении активности импульсации высокочастотных мотонейронов двигательных единиц (ДЕ) спинного мозга и свидетельствует об усилении степени синхронизации импульсов разных ДЕ. Тот факт, что регистрировались низкие параметры средней и максимальной амплитуды при нормальных или повышенных значениях частотных характеристик свидетельствует о преимущественной активизации низкопороговых ДЕ и возможности этих мышц проявлять значительные усилия и выносливость. Данная построенная схема БОС тренинга свидетельствует о наиболее согласованном возбуждении мышечных волокон мышц предплечья и кисти и указывает на улучшение функционального состояния нервно-мышечного аппарата.

Подтверждением эффективности данного типа биоуправления является анализ показателей стабилометрии, представленных в табл. 3. Показано, что четырехдневный тренинг с биоуправлением по опорной реакции приводит к значимому снижению значений показателя длины статокинезиограммы (L, мм) для правой руки на 33,4% (р<0,05) и на 40,6% (р<0,05) для левой руки, а также показателя работы (А, Дж) на 33,6% (р<0,05) для левой руки и 48,9% (р<0,05) для правой руки испытуемых. Полученные нами данные свидетельствуют о том, что реализация моторной задачи в режиме биоуправления виртуальным объектом по визуальному сигналу верхней конечностью оказывает значимое влияние на показатели моторики верхней конечности волонтеров, выраженное в снижении длины и энергозатрат на перемещение центра давления в плоскости опоры у волонтеров, а динамика изученных показателей зависит как от кратности сеансов, так и характеристик управляющей руки испытуемых.

Таким образом, продемонстрирована возможность реализации предлагаемого способа.