ПАТЕНТ 2654767

Авторы
Муравьева Светлана Владимировна (RU)
Шелепин Евгений Юрьевич (RU)
Шелепин Константин Юрьевич (RU)
Шелепин Юрий Евгеньевич (RU)
Якимова Елена Геннадьевна (RU)

Правообладатели:
Общество с ограниченной ответственностью «Нейроиконика-Нейромеханика» (RU)

Изобретение относится к области реабилитационной медицины, в частности к восстановительной терапии и неврологии, и может быть использовано в комплексной реабилитации пациентов с нейрокогнитивными расстройствами, вызванными психоневрологической патологией (шизофренией, депрессией, фобиями и т.д.) или черепно-мозговой травмой.

В последнее время в мировой и отечественной практике для восстановления мозговых нарушений пациентов в комплексе с медикаментозными средствами используют терапевтические методы, базирующиеся на погружении пациента в виртуальную среду.

Международной компанией — производителем компьютерных игр Nintendo Co., Ltd. (Япония) была разработана технология с использованием виртуальной реальности и биологической обратной связи по зрительному каналу, которая в настоящее время успешно применяется для восстановления движений пациентов после перенесенного инсульта (International Journal of Stroke Vol 5, February 2010, 47-51). Для управления движениями рук или ног пациента во время сеанса виртуальной игры на его пораженной конечности закрепляется специальный сенсор, содержащий в своем составе акселерометры, позволяющие получать информацию о перемещении конечности. Посредством данного устройства движения регистрируются и передаются в игровую виртуальную среду, которая по зрительному каналу воспринимается пациентом.

В России был разработан способ, основанный на использовании компьютерного медицинского мультимедийного комплекса (патент РФ №48783 на полезную модель), содержащего регистрирующие датчики, компьютер с соответствующим программным обеспечением и шлем или очки виртуальной реальности. Согласно способу физиологические параметры или иные входные данные пациента регистрируются, отображаются в результате их переработки в рабочей программе на мониторе пациента, шлеме или очках виртуальной реальности в виде специальной диагностической, тренажерной, игровой или другой задачи, которой занимается пациент, с помощью изменения регистрируемых биомеханических, физиологических или иных параметров. Врач наблюдает за выполнением рабочего процесса со своего монитора и при необходимости может вне сознательного контроля пациента изменить настройки рабочего процесса для достижения определенных значений физиологических параметров.

На аналогичном принципе основан способ, описанный в патенте РФ №2432971 на изобретение «Способ реабилитации больных в острой стадии инсульта». Для диагностики и восстановления пациентов, как и в предыдущем аналоге, используют биологическую обратную связь (БОС) и виртуальную среду, для чего проводят установку очков и шлема на голову пациента, установку датчиков движения на голову, туловище и тазовую область пациента, загрузку программного обеспечения, состоящего из виртуальной среды и элементов управления, и проводят направленную тренировку координированных движений головы, туловища и тазовой области посредством среды виртуальной реальности и датчиков движения. Недостатком способа и устройства является использование 3D-очков и шлема, которые у многих пациентов вызывают побочные явления: утомление глаз, головокружение, тошноту.

Из приведенных аналогов наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются способ и устройство, раскрытые в заявке WO 0112269 (А1), МПК А61В 5/00, опубл. 22.02.2001.

Способ-прототип основан на активном движении человека с использованием виртуальной среды и биологической обратной связи по зрительному каналу.

Устройство, реализующее способ, представляет собой стационарный велотренажер с видеодисплеем и установленным на нем электронным медиаинтерфейсом. Интерфейс обеспечивает подключение дисплея к одному или нескольким из множества мультимедийных средств, в том числе к ПК, видео/аудио-рекордеру, телеприставке, игровой консоли и т.д. Тренажер также включает устройства контроля физиологических параметров человека, в качестве которых могут быть использованы монитор сердечного ритма, пульсометр и др., а также датчики контроля нагрузки тренажера и датчик его остановки, режим которых устанавливается в зависимости от физического состояния человека. Кроме того, в тренажер встроен компьютер с заложенными в нем компьютерными программами виртуальной среды и подвижного объекта (Object tracking in computer vision — WO 2008046963 A1) и цифровая видеокамера, отслеживающая движение человека. Данные видеонаблюдения могут быть использованы для определения скорости движения человека и его идентификации. Достоинство тренажера, который, по сути, является фитнес-оборудованием, по сравнению с другими аналогами того же назначения состоит в том, что он интерактивен.

Указанное изобретение относится в целом к оздоровительному комплексу и может использоваться для укрепления сердечно-сосудистой и опорно-двигательной систем, повышения иммунитета и жизненного тонуса пациентов. Однако прототип не может быть использован в лечебных целях для реабилитации пациентов с психоневрологической патологией, так как в нем осуществляется контроль только за физическим состоянием человека и не отслеживается состояние его центральной нервной системы, вследствие чего отсутствует возможность оценки хода восстановительной терапии. Кроме того, изобретение не предусматривает мотивационный характер поведения пациента из-за отсутствия постановки перед ним конкретной задачи и необходимости ее решения, что важно для пациентов с патологической доминантой психики, внимание которых для успешного лечения необходимо переключить с целей, связанных с болезнью, на какую-либо другую цель. В свою очередь, из-за стационарности характеристик компьютерной программы (контраста, пространственной частоты и т.д.) она не может меняться в зависимости от особенностей зрительной системы пациентов. Иными словами, спектр изображений виртуальной среды не согласован с данными измерения контрастной чувствительности и данными других параметров зрительной системы, в результате чего пациенту не могут предъявляться изображения, стимулирующие работы тех пространственно-частотных каналов, нарушение работы которых наблюдаются у пациента. Это обстоятельство препятствует восстановлению зрительной системы пациента.

Как известно, болезни, вызванные психоневрологической патологией, представляют собой полиморфные заболевания, нарушающие процесс мышления, поведения и эмоциональную сферу человека. Согласно многочисленным нейрофизиологическим и психофизическим исследованиям выявлено, что одними из основных особенностей таких заболеваний являются сенсорные нарушения, среди которых особое место занимают нарушения зрительной системы, играющей ключевую роль для адаптации человека в окружающей среде. В свою очередь, нарушения работы зрительной системы приводят к сбою когнитивных функций: нарушению восприятия и идентификации изображений, процесса сложной визуальной группировки объектов, нарушению хранения и передачи зрительной информации, искажению эмоций и т.д.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании нейротехнологий реабилитации пациентов с нейрокогнитивными расстройствами за счет перестройки работы зрительной системы и включения тех временных и пространственно-частотных каналов зрительного анализатора, которые обеспечивают стимуляцию адаптивных возможностей мозга, связанных с когнитивными функциями.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе реабилитации пациентов, основанном так же, как и прототип, на активном движении пациента с использованием виртуальной среды и подвижного объекта, отображающего схематическое изображение пациента, и включающем контроль физического состояния по измерению частоты сердечных сокращений, в отличие от прототипа, в виртуальной среде создают ситуации, требующие от пациента принятия решений по выходу из них с максимальной глобальной концентрацией внимания на достижении поставленной цели, одновременно от пациента требуют локальной концентрации внимания на виртуальном подвижном объекте, при этом на протяжении всего сеанса реабилитации осуществляют контроль состояния центральной нервной системы пациента по определению его эмоционального состояния и электрической активности мозга с возможностью обновления создаваемой ситуации по результатам проведенного контроля, а перед сеансом и после его окончания — контроль состояния зрительной системы пациента по измерению временных и пространственно-частотно контрастных характеристик системы, с возможностью подбора в виртуальной среде полосы пространственных и временных частот, обеспечивающих стимуляцию контрастной чувствительности.

Для реализации заявляемого способа предлагается устройство в виде комплекса, содержащего компьютер с программами изображения виртуальной среды и подвижного объекта в виде схематического изображения пациента, при этом программа включает в себя интерактивные коммуникации для создания ситуации с возможностью выхода из нее, видеокамеру, монитор, установленный перед пациентом, систему контроля физиологических параметров, характеризующих физическое состояние, состояние ЦНС и зрительной системы пациента, а также средство, обеспечивающее его активное движение. Средство, обеспечивающее активное движение пациента, может быть выполнено в виде велотренажера или беговой дорожки. Система контроля включает компьютер, монитор, датчик регистрации физиологических параметров в виде датчика частоты сердечных сокращений, датчика регистрации состояния ЦНС в виде электроэнцефалографа, датчика регистрации состояния зрительной системы в виде айтрекера.

Программа виртуальной среды, представляет собой интерактивный видеоряд, имитирующий велопрогулку по различным ландшафтам с различным рельефом местности, полностью синхронизированный с тренажером, имитирующим езду на велосипеде. Кроме того, программа позволяет спроецировать на экран монитора поточечное изображение реального объекта (пациента), помещенного в виртуальную среду с возможностью перемещения в ответ на движения реального объекта. По своей сути комплекс представляет собой игровой автомат, в котором игрок взаимодействует с изображением, отображенном на плоском экране, максимально концентрируя внимание на изображении и цели. Но при этом комплекс снабжен устройствами контроля, позволяющими оценить физическое и психическое состояние «игрока» и внести в «игру» соответствующие коррективы.

Сущность предложенного способа состоит в создании нейротехнологий реабилитации пациентов с нейрокогнитивными расстройствами. Это достигается с одной стороны за счет перестройки работы зрительной системы и включения тех временных и пространственно-частотных каналов зрительного анализатора, которые в заданных пороговых условиях обеспечивают неосознаваемый уровень обучения. С другой стороны — за счет переключения со сформированных болезнью целей на цели, задаваемые и формируемые виртуальной игровой средой, в результате чего происходит «переобучение» пациента. Переключение на достижение цели облегчает физические нагрузки, выполняющие роль подкрепления при выработке новых временных связей в процессе обучения, оптимизируют кровообращение, способствуют выработке эндорфинов, улучшают деятельность всего организма, направленного на достижение цели, выработку рефлекса цели. Контроль переориентации пациента осуществляют искусственные нейронные сети глубокого обучения на основании информации от ЭЭГ, мимики лица и контроля движений глаз.

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь проведенный информационный поиск в области медицины не выявил отдельных отличительных признаков заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется рисунками:

на фиг. 1 — представлена блок-схема комплекса,

на фиг. 2 — изображена зависимость контрастной чувствительности от пространственной частоты стимула у пациентов с шизофренией со стандартными отклонениями (p<0,05), где а — группы пациентов со снижением во всем диапазоне пространственных частот до сеанса, б — группы пациентов со снижением во всем диапазоне пространственных частот после сеанса),

на фиг. 3 — представлены результаты проведения исследований по измерению когнитивных зрительных вызванных потенциалов, (где 3А — сравнительный анализ амплитуды компонентов когнитивных зрительных вызванных потенциалов пациентов до проведения сеанса, 3Б — сравнительный анализ амплитуды компонентов когнитивных зрительных вызванных потенциалов пациентов после сеанса).

Предлагаемый комплекс содержит компьютер 1 с программами изображения виртуальной среды (VRE) и подвижного объекта в виде изображения пациента, видеокамеру 2, обеспечивающую видеонаблюдение за движениями пациента, например, выполненную с возможностью преобразования видеосигнала в цифровой сигнал, монитор 3, представляющий собой мультимедийное средство, обращенное в сторону пациента, систему регистрации физиологических и функциональных параметров 4, включающую в себя компьютер 5, монитор 6, датчик регистрации физиологических параметров 7 (частоты сердечных сокращений), состояния ЦНС 8 (электроэнцефалограф с датчиками), состояния зрительной системы 9 (айтрекер); и средство, обеспечивающее активное движение пациента 10 (велотренажер). Комплекс предназначен для восстановления зрительных когнитивных нарушений, вызванных психоневрологической патологией на основе использования программ с отслеживанием движения пациента в виртуальной среде.

В основе программы лежит «компьютерное зрение», создающее карту контрольных точек положения тела человека, позволяющее распознавать его позу и движение. Электроэнцефалографическое устройство осуществляет контроль электрической активности мозга и эмоциональное состояние у пациентов (миограмму) во время перемещения в виртуальной среде. До сеанса и после него также осуществляется контроль состояния зрительной системы: измерение контрастной чувствительности и когнитивных зрительных вызванных потенциалов. Измерение контрастной чувствительности позволяет оценить состояние зрительной системы: измерить частотно-контрастные характеристики у пациентов, чтобы в дальнейшем подобрать в виртуальной среде полосу пространственных частот, которая необходима для компенсации нарушений контрастной чувствительности. Таким образом, частота спектра изображения виртуальной программы согласована с данными измерения контрастной чувствительности.

Осуществление изобретения

Последовательность процедуры реабилитации состоит из:

— размещения пациента на кресло велотренажера пред экраном монитора;

— загрузки программного обеспечения, состоящего из виртуальной среды и элементов контроля;

— объяснения задачи пациенту и проведения им пробных движений;

— проведения собственно сеанса реабилитации.

В зависимости от состояния пациента сеансы реабилитации целесообразно проводить ежедневно в течение 15-30 минут. Общее количество процедур — 10.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА

Апробирование способа проводилось на 16 пациентах с диагнозом «шизофрения, параноидная форма». Работа состояла из трех этапов.

Первый этап включал в себя первичный контроль состояния зрительной системы до воздействия: измерение контрастной чувствительности и когнитивных зрительных вызванных потенциалов. Для измерения пороговой контрастной чувствительности была использована программа «Эрготест 2.0», позволяющая измерять пороговые контрасты синусоидальных решеток с заданными пространственными частотами, предъявляемых на экране монитора. Для этого испытуемого сажали в кресло перед экраном монитора. Решетки предъявлялись в пространственно-частотном диапазоне от 0.25 до 17 цикл/угл. град (0,25; 0,56; 1,12; 2,25; 4,5; 9,00 и 17,00 цикл/угл. град) с постепенным нарастанием контраста от 0 до 1. Расстояние между монитором и глазами испытуемого составляло 1,5 м. Испытуемый должен был нажимать на кнопку мыши, как только замечал появление решетки, и отпускать, как только решетка исчезала. После этого проводилось ЭЭГ — исследование и измерение когнитивных зрительных вызванных потенциалов на стимулы, отфильтрованные вейвлетной фильтрацией в низкочастотном и высокочастотном диапазонах пространственных частот. Параметры фильтров высокой и низкой частоты составляли соответственно 0,53 Гц и 30 Гц, также использовался режекторный фильтр — 45-55 Гц. Регистрация электроэнцефалограммы (ЭЭГ) производилась с помощью 31-канального компьютерного электроэнцефалографа «Мицар — 202» с частотой дискретизации 250 Гц и программы «WinEEG». На голову испытуемого одевалась электроэнцефалографическая шапочка МКС (производства ООО «Медицинские Компьютерные Системы», Москва, Зеленоград) с 31 электродами, расположенными на поверхности головы в соответствии с модифицированной системой 10-20 в отведениях Fp1; Fpz; Fp2; F7; F3; Fz; F4; F8; Т3; C3; Cz; С4; Т4; Т5; Р3; Pz; Р4; Т6; O1; Oz; O2. Референтные электроды располагались на мочках ушей, а заземляющий — в лобной области. Согласно полученным данным измерения контрастной чувствительности и когнитивных зрительных вызванных потенциалов, в программе подбиралась полоса пространственных частот, позволяющая стимулировать либо низкочастотные, либо высокочастотные каналы, либо и те и другие одновременно в зависимости от особенностей нарушений у пациентов.

Второй этап — непосредственно сеанс реабилитации и контроль во время его проведения. Проводилось десять сеансов реабилитации. Продолжительность сеанса варьировалась от 15 до 30 минут в зависимости от состояния пациента. Во время сеанса пациент размещался пред экраном на кресле велотренажера. В задачу пациента входило внимательно смотреть на экран, на котором предъявлялась виртуальная программа, энергично крутить педали и отслеживать движение объекта, появляющегося на экране и имитирующего его собственное движение. Для регистрации движений ног пациента и оценки его положения тела в пространстве использовали видеосистему (Microsoft Kinect V2, Microsoft Corporation, USA). Цель пациента состояла, например, в поиске озера среди других изображений пейзажа. В случае достижения цели, пациент должен был нажимать на кнопку мыши. На протяжении всего сеанса осуществлялась регистрация ЭЭГ и электромиограммы. Электромиограмму регистрировали с помощью того же энцефалографа, с помощью наложения электродов на мимические мышцы. Третий этап — контрольные исследования контрастной чувствительности и измерение когнитивных зрительных вызванных потенциалов после курса 10 сеансов. Стимулы и условия проведения те же, что и до курса. Дальнейшую обработку результатов проводили в программе «Статистика» и SPSS (см. фиг. 3Б). Рамкой выделены области, активирующиеся после проведения сеанса.

В результате исследований было выявлено, что заявляемый метод позволяет вовлечь в активную работу магно- (низкочастотные) и парво- (высокочастотные) каналы зрительной системы, что характеризуется выраженным увеличением контрастной чувствительности системы, увеличением амплитуды когнитивных компонентов зрительных вызванных потенциалов и появлением новых активных зон обработки зрительной информации (фиг. 3Б). Это в свою очередь позволяет приблизить состояние зрительной системы пациентов с нейрокогнитивными расстройствами к параметрам здоровой группы испытуемых.

Это становится возможным с одной стороны за счет максимальной концентрации зрительного внимания пациента. С другой стороны — за счет переключения с целей, связанных с болезнью и погружения в виртуальную среду, которое помогает отвлечь пациента от страданий, а также за счет вовлечения в физические нагрузки, связанные с достижением цели, обеспечивается оптимизация кровообращения и всей деятельности организма и активизируется выброс в кровь эндорфинов, что подкрепляет выработку рефлекса цели. Дополнительным эффектом от использования предлагаемого изобретения является возможность целенаправленного управления программами и контролем за состоянием пациента для оценки хода восстановительной терапии.

Способ был разработан специалистами ООО «Нейроиконика-Нейромеханика». Проведенные испытания дали положительный результат, подтвердивший возможность использования способа в комплексной реабилитации пациентов с нейрокогнитивными расстройствами, вызванными психоневрологической патологией (шизофренией, депрессией, фобиями и т.д.) или черепно-мозговой травмой.

1. Способ реабилитации пациентов с нейрокогнитивными расстройствами с использованием виртуальной среды и подвижного объекта, отображающего схематическое изображение пациента, включающий контроль физиологического состояния, отличающийся тем, что в виртуальной среде создают ситуации, требующие от пациента принятия решений по выходу из них с максимальной концентрацией внимания на достижении поставленной цели, одновременно от пациента требуют локальной концентрации внимания на виртуальном подвижном объекте, при этом на протяжении всего сеанса реабилитации осуществляют контроль состояния пациента по электрической активности мозга, миограмме, измерению частоты сердечных сокращений с возможностью обновления создаваемой ситуации по результатам проведенного контроля, а перед сеансом и после его окончания — осуществляют контроль состояния зрительной системы пациента по измерению ее временных и пространственно-частотно-контрастных характеристик, с возможностью подбора в виртуальной среде полосы пространственных и временных частот, обеспечивающих компенсацию нарушений контрастной чувствительности пациента.

2. Способ реабилитации по п. 1, отличающийся тем, что устройство для его реализации выполнено в виде комплекса, содержащего компьютер с программами изображения виртуальной среды и подвижного объекта в виде схематического изображения пациента, при этом программа включает в себя интерактивные коммуникации для создания ситуации с возможностью выхода из нее, видеокамеру, монитор, установленный перед пациентом, систему контроля его физиологических параметров, характеризующих физическое состояние, состояние ЦНС и зрительной системы пациента, а также средство, обеспечивающее его активное движение.

3. Способ реабилитации по п. 2, отличающийся тем, что средство, обеспечивающее активное движение пациента, выполнено в виде велотренажера.

4. Способ реабилитации по п. 2, отличающийся тем, что средство, обеспечивающее активное движение пациента, выполнено в виде дорожки.

5. Способ реабилитации по п. 2, отличающийся тем, что система контроля включает компьютер, монитор, датчик регистрации физиологических параметров в виде датчика частоты сердечных сокращений, датчика регистрации состояния ЦНС в виде электроэнцефалографа, датчика регистрации состояния зрительной системы в виде айтрекера.