[go: up one dir, main page]

RU2843784C1 - Method for diagnosing motor function disorders in individuals with motor disorders of various geneses by means of an intelligent system with biological feedback - Google Patents

Method for diagnosing motor function disorders in individuals with motor disorders of various geneses by means of an intelligent system with biological feedback

Info

Publication number
RU2843784C1
RU2843784C1 RU2024138262A RU2024138262A RU2843784C1 RU 2843784 C1 RU2843784 C1 RU 2843784C1 RU 2024138262 A RU2024138262 A RU 2024138262A RU 2024138262 A RU2024138262 A RU 2024138262A RU 2843784 C1 RU2843784 C1 RU 2843784C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
movement
data
disorders
patient
motor
Prior art date
Application number
RU2024138262A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Колсанов
Александр Владимирович Захаров
Наталья Петровна Романчук
Игорь Викторович Широлапов
Мария Станиславовна Сергеева
Павел Александрович Адельшин
Антон Олегович Щепетов
Илья Леонидович Мостовой
Юлия Сергеевна Комарова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Application granted granted Critical
Publication of RU2843784C1 publication Critical patent/RU2843784C1/en

Links

Abstract

FIELD: medical science.
SUBSTANCE: invention refers to medicine and can be used in neurology, integrated medical rehabilitation for objective diagnosis of a nature of human motor function disorder and its recovery. Disclosed is a method for the diagnosis and rehabilitation of motor function disorders of individuals with motor disorders of various geneses by means of an intelligent system with biological feedback, characterized by the fact that, with the help of a virtual reality helmet, a user is shown a room, an avatar prompt appears in front of the user, clearly demonstrating the movement to be reproduced. Further, the video stream from the camera used to monitor the process of making the target movements by the patient is transmitted to a personal computer, which determines the anatomical landmarks on each frame, simultaneously with said electromyograph, recording the activity of the target muscles of the patient, determining the amplitude and speed of muscle contraction when performing the movement, part of electromyographic sensors is placed in points corresponding to maximum amplitude of contraction with target motions of upper extremities: shoulder abduction/adduction, shoulder flexion/extension, and the other group is positioned in similar points on the lower extremities; the EMG data are pre-processed, including filtering and removing artefacts. After that, the obtained video data on the spatial position of the joints and electromyography data are synchronized for further joint analysis, the combined data are analysed using machine learning algorithms, level of activation of each muscle in different phases of movement is assessed, taking into account electromyogram parameters, information on the position of the body and joints, as well as on the time for performing each exercise obtained using a stereo camera, avatar performs a target action when the avatar moves correctly in the game virtual environment. Wherein the leading control mechanism for the actions of the avatar is EMG data, an additional feedback channel when doing the exercises is sensory stimulation by means of technical devices that have a vibration effect on the skin in the points of the projection of the target muscles involved in the movement, if the exercise involves contact with the object of the virtual environment, providing the formation of tactile sensations closest to the natural ones, wherein the stimulating devices are connected to a microcontroller connected to a computer, after processing, the data are sent to a server, where they are used to classify the type and severity of motor disorders taking into account the individual pathology features in a patient, using a pre-trained neural network model, a conclusion is made.
EFFECT: higher accuracy and quality of motor disturbance type and severity classification.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к медицине, и может быть использовано в неврологии, комплексной медицинской реабилитации для объективной диагностики характера нарушения двигательной функции человека и ее восстановления.The invention relates to medicine and can be used in neurology, complex medical rehabilitation for objective diagnostics of the nature of human motor function impairment and its restoration.

В современном мире острое нарушение мозгового кровообращения (ОНМК) продолжают оставаться одними из ведущих факторов смертности и долговременной инвалидности по всему земному шару. В развитых странах среди всех причин инвалидности ОНМК находится на первом месте. Большая часть пациентов, перенесших инсульт, сталкиваются с неврологическими нарушениями, которые преимущественно представлены в виде снижения двигательных, речевых и когнитивных функций. Исследования показывают, что двигательные расстройства в верхних или нижних конечностях наблюдаются более чем у 80% выживших после инсульта. Потеря способности осуществлять произвольные движения (плегия) является наиболее распространённой причиной инвалидности после ОНМК. Двигательные нарушения встречаются и при других заболеваниях центральной нервной системы, таких как болезнь Паркинсона, рассеянный склероз, черепно-мозговые травмы. Реабилитация этих пациентов направлена на максимально возможное восстановление моторных функций и способности к самообслуживанию.In the modern world, acute cerebrovascular accidents (ACVA) continue to be one of the leading causes of mortality and long-term disability all over the world. In developed countries, ACVA ranks first among all causes of disability. Most patients who have had a stroke experience neurological disorders, which are mainly represented by a decrease in motor, speech and cognitive functions. Research shows that movement disorders in the upper or lower extremities are observed in more than 80% of stroke survivors. Loss of the ability to perform voluntary movements (plegia) is the most common cause of disability after ACVA. Movement disorders also occur in other diseases of the central nervous system, such as Parkinson's disease, multiple sclerosis, and traumatic brain injury. Rehabilitation of these patients is aimed at the maximum possible restoration of motor functions and the ability to self-care.

Известен способ реабилитации двигательных нарушений (RU 2 645 604 C1) через проведение лечебной физкультуры с обратной связью. Предложены два варианта этого способа: первый - с частичным погружением пациента в виртуальную среду и созданием перед ним видимости повторения движений; второй - с полным погружением в виртуальную среду. Занятия включают упражнения для восстановления функций верхних, нижних конечностей и баланса, а также координации движений; после достижения пациентом исходного уровня выполнения движения, требуемый уровень автоматически повышается для обеспечения более эффективной реабилитации. Оценка уровня двигательной активности производится перед и во время выполнения упражнений с помощью стереокамеры, позволяющей регистрировать трехмерное изображение пользователя. Недостатками вышеописанного программно-аппаратного комплекса (ПАК) является то, что он использует для оценки выполняемых движений только информацию о положении частей тела в пространстве, в ПАК отсутствует функция сбора электромиографических показателей с мышц, участвующих в выполняемых упражнениях, что в совокупности формирует неполную картину характера изменения моторной функции пациента, ведет к менее точной постановке диагноза и возможности формирования неверного курса реабилитации. Кроме того, способ реабилитации RU 2 645 604 C1 не включает канал сенсорной обратной связи, запускающий процессы нейропластичности и повышающей эффективность проводимых терапевтических мероприятий.A method for rehabilitation of movement disorders (RU 2 645 604 C1) is known through therapeutic exercise with feedback. Two variants of this method are proposed: the first - with partial immersion of the patient in a virtual environment and the creation of the appearance of repetition of movements in front of him; the second - with full immersion in a virtual environment. The classes include exercises to restore the functions of the upper and lower extremities and balance, as well as coordination of movements; after the patient has reached the initial level of movement performance, the required level is automatically increased to ensure more effective rehabilitation. The level of motor activity is assessed before and during the exercises using a stereo camera, which allows recording a three-dimensional image of the user. The disadvantages of the above-described hardware and software complex (HSC) are that it uses only information about the position of body parts in space to evaluate the movements performed; the HSC does not have a function for collecting electromyographic data from muscles involved in the exercises performed, which together forms an incomplete picture of the nature of changes in the patient's motor function, leads to a less accurate diagnosis and the possibility of forming an incorrect rehabilitation course. In addition, the rehabilitation method RU 2 645 604 C1 does not include a sensory feedback channel that triggers neuroplasticity processes and increases the effectiveness of the therapeutic measures.

Известен способ реабилитации больных в различных стадиях нарушений центральной или периферической нервной системы с использованием виртуальной реальности (RU 2 655 200 C1), предназначенный для использования при реабилитации больных в различные сроки после возникшей патологии опорно-двигательного аппарата. В данном способе применяется виртуальная среда с элементами управления и сенсорного взаимодействия с виртуальным объектом. С учетом полученной информации с регистрирующих электроэнцефалографических и электромиографических датчиков, установленных на голове и пораженной конечности соответственно, а также способности пациента к движениям, объем управляющих виртуальных движений регулируется таким образом, что создаётся ощущение завершенности выполняемого движения при демонстрации заданий виртуальной реальности. Эффект ассоциирования пациента с виртуальным аватаром обеспечивается за счет использования зрительного, слухового канала, а также тактильной и проприоцептивной стимуляции рецепторов конечности при контакте с виртуальными объектами. Данный способ взят за прототип настоящей разработки. Недостатком способа RU 2 655 200 C1 является отсутствие функции диагностики характера имеющихся двигательных нарушений пациента с формированием заключения и последующим контролем динамики моторной дисфункции и эффективности проводимой реабилитации с помощью интеграции методов искусственного интеллекта. Кроме того, обратная связь в вышеописанном способе реализована посредством использования пневмоманжет, которые осуществляют воздействие нелокализованно, на достаточно большую площадь кожных покровов, что не создает реалистичного впечатления контакта с предметами окружающей среды. A method for rehabilitation of patients at various stages of disorders of the central or peripheral nervous system using virtual reality is known (RU 2 655 200 C1), intended for use in the rehabilitation of patients at various times after the onset of pathology of the musculoskeletal system. This method uses a virtual environment with elements of control and sensory interaction with a virtual object. Taking into account the information received from the recording electroencephalographic and electromyographic sensors installed on the head and the affected limb, respectively, as well as the patient's ability to move, the volume of control virtual movements is regulated in such a way that a feeling of completion of the performed movement is created when demonstrating virtual reality tasks. The effect of associating the patient with the virtual avatar is ensured by using the visual, auditory channel, as well as tactile and proprioceptive stimulation of the limb receptors upon contact with virtual objects. This method is taken as a prototype of the present development. The disadvantage of the method RU 2 655 200 C1 is the lack of a function for diagnosing the nature of the patient's existing motor disorders with the formation of a conclusion and subsequent monitoring of the dynamics of motor dysfunction and the effectiveness of the rehabilitation carried out using the integration of artificial intelligence methods. In addition, feedback in the above-described method is implemented through the use of pneumatic cuffs that act in a non-localized manner on a fairly large area of the skin, which does not create a realistic impression of contact with objects of the environment.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и качества классификации типа и тяжести двигательных нарушений даже при выраженном парезе за счет применения для диагностики сочетания оптического трекинга и регистрации ЭМГ, использования алгоритмов машинного обучения для анализа данных. Выполнение упражнений в игровой форме в условиях виртуальной реальности, наличие полимодальной обратной связи предоставит возможность сократить сроки реабилитации пациентов с моторными нарушениями различного генеза, сформировать индивидуальную траекторию реабилитации каждого пациента и повысить ее эффективность. Автоматическое формирование заключения с помощью обученной модели нейронной сети позволит минимизировать участие медицинского персонала в реабилитационном процессе и усовершенствовать систему поддержки принятия врачебных решений за счет интеграции разработанного алгоритма.The purpose of the present invention is to improve the accuracy and quality of classification of the type and severity of motor disorders even in cases of severe paresis by using a combination of optical tracking and EMG recording for diagnostics, and using machine learning algorithms for data analysis. Performing exercises in a game form in virtual reality conditions, the presence of polymodal feedback will provide an opportunity to reduce the rehabilitation period for patients with motor disorders of various origins, form an individual rehabilitation trajectory for each patient and increase its effectiveness. Automatic formation of a conclusion using a trained neural network model will minimize the participation of medical personnel in the rehabilitation process and improve the system of support for medical decision-making by integrating the developed algorithm.

Схема программно-аппаратного комплекса представлена на фиг. 1. Предлагаемый способ для диагностики и реабилитации моторной функции лиц с двигательными нарушениями реализуется следующим образом:The diagram of the hardware and software complex is shown in Fig. 1. The proposed method for diagnosing and rehabilitating the motor function of individuals with motor disorders is implemented as follows:

С помощью шлема виртуальной реальности (7) пользователю демонстрируется комната с минималистическим дизайном, выполненная в нейтральных тонах, с мягким освещением. Перед ним появляется аватар-подсказка, наглядно демонстрирующая движение, которое необходимо воспроизвести. Комплекс двигательных упражнений в виртуальной среде имитирует наиболее часто встречающиеся бытовые действия (пользование столовыми приборами, одевание предметов одежды и обуви) и типичные движений из повседневной жизни (пинание мяча и т.п.). Пользователь следует инструкциям, отображенным на экране, выполняя указанные движения. Виртуальная реальность помогает создать контролируемую, повторно воспроизводимую среду, в которой можно с высокой точностью измерять и отслеживать движения пациента, технология позволяет адаптировать сценарии и задания в соответствии с индивидуальными возможностями и родом деятельности пациента, а также имитировать любые сцены из реальной жизни в зависимости от клинических задач. Включение интерактивных игровых элементов в выполняемые задания помогает повысить мотивацию пациента. Все эти факторы увеличивают эффективность проводимых терапевтических процедур. Пациенты могут выполнять задания в безопасной виртуальной среде, где риск физического повреждения минимален. Это особенно важно для лиц с ограничением подвижности.Using a virtual reality helmet (7), the user is shown a room with a minimalist design, done in neutral colors, with soft lighting. An avatar-hint appears in front of him, clearly demonstrating the movement that must be reproduced. A set of motor exercises in a virtual environment imitates the most common household actions (using cutlery, putting on clothes and shoes) and typical movements from everyday life (kicking a ball, etc.). The user follows the instructions displayed on the screen, performing the specified movements. Virtual reality helps to create a controlled, reproducible environment in which it is possible to measure and track the patient's movements with high accuracy; the technology allows you to adapt scenarios and tasks in accordance with the individual capabilities and type of activity of the patient, as well as imitate any scenes from real life depending on the clinical tasks. The inclusion of interactive game elements in the tasks helps to increase the patient's motivation. All these factors increase the effectiveness of the therapeutic procedures. Patients can perform tasks in a safe virtual environment, where the risk of physical injury is minimal. This is especially important for people with limited mobility.

Видеопоток с камеры (1), используемой для наблюдения за процессом выполнения целевых движений пациентом (2), передается на персональный компьютер (3). На компьютере запущена специально разработанная программа с нейросетевым алгоритмом, осуществляющим определение анатомических ориентиров на каждом кадре. Эти ориентиры включают шею (центральная точка), нос, плечевые суставы (левый и правый), локтевые суставы (левый и правый), лучезапястные суставы (левый и правый), таз (центральная точка), колени (левое и правое) и голеностопные суставы (левый и правый). The video stream from the camera (1), used to monitor the patient's performance of target movements (2), is transmitted to a personal computer (3). The computer runs a specially developed program with a neural network algorithm that identifies anatomical landmarks in each frame. These landmarks include the neck (central point), nose, shoulder joints (left and right), elbow joints (left and right), wrist joints (left and right), pelvis (central point), knees (left and right), and ankle joints (left and right).

Одновременно с этим, электромиограф (4), подключенный к компьютеру, регистрирует активность целевых мышц пациента, определяет амплитуду и скорость сокращения мышцы при выполнении движения. Часть электромиографических (ЭМГ) датчиков (5, 6) размещается в точках, соответствующих максимальной амплитуде сокращения при целевых движениях верхних конечностей (например, отведение/приведение плеча, сгибание/разгибание плеча и т.д.), а другая группа располагается на в аналогичных точках на нижних конечностях. Данные ЭМГ проходят предварительную обработку, включающую фильтрацию и удаление артефактов, с использованием предварительно обученной нейронной сети.At the same time, the electromyograph (4), connected to the computer, records the activity of the patient's target muscles, determines the amplitude and speed of muscle contraction during movement. Some of the electromyographic (EMG) sensors (5, 6) are placed at points corresponding to the maximum contraction amplitude during target movements of the upper limbs (e.g., shoulder abduction/adduction, shoulder flexion/extension, etc.), and another group is located at similar points on the lower limbs. The EMG data undergo preliminary processing, including filtering and artifact removal, using a pre-trained neural network.

Полученные видеоданные о пространственном положении суставов, и данные электромиографии синхронизируются для дальнейшего совместного анализа. Объединенные данные анализируются с использованием алгоритмов машинного обучения, производится оценка уровня активации каждой мышцы в разных фазах движения, с учетом показателей электромиограммы, информации о положении тела и суставов, а также о времени выполнения каждого упражнения, полученных с помощью стереокамеры. При правильно выполненном (согласно инструкции) движении аватар в игровой виртуальной среде осуществляет целевое действие, причем ведущим управляющим механизмом для действий аватара являются данные ЭМГ, что особенно актуально для пациентов с выраженным парезом, амплитуда движений у которых слишком низка для полноценного анализа с помощью оптического трекера. Сочетание технологий оптического трекинга (дает возможность объективно оценить положение туловища и конечностей в пространстве, скорость, амплитуду и траекторию выполняемых движений, включая сложные движения и мелкую моторику) и ЭМГ (наиболее объективный неинвазивный метод измерения мышечной активности, даже при отсутствии визуально различимого движения) позволяют провести комплексный анализ имеющихся у пациента двигательных нарушений и дать наиболее точное заключение о характере патологии.The obtained video data on the spatial position of the joints and electromyography data are synchronized for further joint analysis. The combined data is analyzed using machine learning algorithms, the activation level of each muscle is assessed in different phases of the movement, taking into account the electromyogram indicators, information on the position of the body and joints, as well as the time of each exercise, obtained using a stereo camera. When the movement is performed correctly (according to the instructions), the avatar in the gaming virtual environment performs the target action, and the leading control mechanism for the avatar's actions is EMG data, which is especially important for patients with severe paresis, whose amplitude of movements is too low for full analysis using an optical tracker. The combination of optical tracking technologies (allows for an objective assessment of the position of the body and limbs in space, speed, amplitude and trajectory of movements performed, including complex movements and fine motor skills) and EMG (the most objective non-invasive method for measuring muscle activity, even in the absence of visually discernible movement) allows for a comprehensive analysis of the patient's motor disorders and the most accurate conclusion about the nature of the pathology.

В качестве дополнительного канала обратной связи при выполнении упражнений выступает сенсорная стимуляция посредством технических устройств (8), оказывающих вибрационное воздействие на кожные покровы в точках проекции целевых мышц, участвующих в движении, если упражнение включает контакт с объектом виртуальной среды, обеспечивая формирование тактильных ощущений, наиболее приближенных к естественным. Стимулирующие устройства подключены к микроконтроллеру (9), соединённому с компьютером. Sensory stimulation by means of technical devices (8) acts as an additional feedback channel during exercise performance, exerting a vibration effect on the skin at the projection points of the target muscles involved in the movement, if the exercise includes contact with an object of the virtual environment, ensuring the formation of tactile sensations that are closest to natural ones. The stimulating devices are connected to a microcontroller (9) connected to a computer.

Таким образом, в представленном способе используются два канала биологической обратной связи: визуальный и вибротактильный, что способствует запуску механизмов нейропластичности и восстановлению нарушенных двигательных функций. Доказано, что мультимодальная обратная связь, сочетающая несколько сенсорных каналов обратной связи, более эффективна при обучении двигательным навыкам по сравнению с унимодальной обратной связью.Thus, the presented method uses two channels of biological feedback: visual and vibrotactile, which helps to launch the mechanisms of neuroplasticity and restore impaired motor functions. It has been proven that multimodal feedback, combining several sensory feedback channels, is more effective in teaching motor skills compared to unimodal feedback.

После обработки данные отправляются на сервер, где они используются для классификации типа и тяжести двигательных нарушений с учетом индивидуальных особенностей патологии у пациента, с помощью заранее обученной модели нейронной сети, формируется заключение.After processing, the data is sent to the server, where it is used to classify the type and severity of movement disorders, taking into account the individual characteristics of the pathology in the patient, using a pre-trained neural network model, a conclusion is formed.

Благодаря применению методов искусственного интеллекта анализ всего массива мультимодальных данных, полученных при выполнении пациентом упражнений (видеоданные, ЭМГ), может производиться синхронизировано и в реальном времени, с предоставлением пользователю возможности управления аватаром в виртуальной реальности с визуальной и вибротактильной обратной связью. Использование нейронной сети, обученной на больших наборах данных, а также ее способность к дальнейшему самообучению и совершенствованию в процессе обработки вновь поступающей информации, повышает точность и надежность проводимой диагностики.Thanks to the use of artificial intelligence methods, the analysis of the entire array of multimodal data obtained during the patient's exercise (video data, EMG) can be performed synchronized and in real time, with the user being able to control an avatar in virtual reality with visual and vibrotactile feedback. The use of a neural network trained on large data sets, as well as its ability to further self-train and improve in the process of processing newly incoming information, increases the accuracy and reliability of the diagnostics.

Алгоритмы данного программно-аппаратного комплекса могут быть интегрированы в систему поддержки принятия врачебных решений, что позволит осуществлять персонифицированный подход к двигательной реабилитации, создавать индивидуальные программы восстановительной терапии с минимальным участием медицинского персонала, что снижает вероятность ошибок, связанных с человеческим фактором. Таким образом, настоящий способ поможет увеличить скорость и эффективность восстановления пациентов неврологического профиля с патологиями, сопровождающимися нарушением двигательных функций (острое нарушение мозгового кровообращения, рассеянный склероз, болезнь Паркинсона и др.), а также повысить скорость реабилитации пациентов с травмами опорно-двигательного аппарата.The algorithms of this hardware and software system can be integrated into the system of support for medical decision-making, which will allow for a personalized approach to motor rehabilitation, creating individual programs of rehabilitation therapy with minimal participation of medical personnel, which reduces the likelihood of errors associated with the human factor. Thus, this method will help increase the speed and efficiency of recovery of neurological patients with pathologies accompanied by impaired motor functions (acute cerebrovascular accident, multiple sclerosis, Parkinson's disease, etc.), as well as increase the speed of rehabilitation of patients with injuries of the musculoskeletal system.

Применение разработанного способа иллюстрируется клиническим примером. Пациент Л., 68 лет. Клинический диагноз: Острое нарушение мозгового кровообращения - ишемический инсульт в бассейне правой средней мозговой артерии. На момент поступления в отделение реабилитации прошло 7 дней после инсульта, в течение которых пациент получал медикаментозную терапию согласно федеральному стандарту оказания медицинской помощи больным с острым нарушением мозгового кровообращения. В неврологическом статусе: общее состояние удовлетворительное, сознание ясное, ориентирован в месте и времени. Обоняние сохранено. Поля зрения не ограничены, птоза нет, объем движения глазных яблок полный, зрачки равного диаметра, прямая и содружественная реакция на свет сохранены. Пальпация точек выхода тройничного нерва безболезненна. Острота слуха в норме. Головокружение, шум в ушах, нистагм отсутствуют. Носогубная складка сглажена слева. Глотание не нарушено, дисфонии нет. Глоточный рефлекс сохранен. Язык отклоняется вправо, дизартрии нет. Походка гемипаретическая, требуются вспомогательные приспособления при ходьбе (трость). Сила мышц верхних конечностей слева 2 балла, справа 5 баллов проксимально и дистально. Сила мышц нижних конечностей слева 3 балла, справа 5 баллов проксимально и дистально. Тонус мышц повышен слева. Сухожильные рефлексы слева высокие. Рефлекс Бабинского слева. В позе Ромберга неустойчив. Пальценосовую пробу выполняет с мимопопаданием слева. Левосторонняя гемигипестезия. Симптомы натяжения и менингеальные симптомы отрицательные. Функции тазовых органов не нарушены. Высшие корковые функции не нарушены. The application of the developed method is illustrated by a clinical example. Patient L., 68 years old. Clinical diagnosis: Acute cerebrovascular accident - ischemic stroke in the basin of the right middle cerebral artery. At the time of admission to the rehabilitation department, 7 days had passed since the stroke, during which the patient received drug therapy according to the federal standard of medical care for patients with acute cerebrovascular accident. In the neurological status: general condition is satisfactory, consciousness is clear, oriented in place and time. Sense of smell is preserved. Fields of vision are not limited, there is no ptosis, the range of motion of the eyeballs is full, the pupils are of equal diameter, direct and consensual reaction to light are preserved. Palpation of the exit points of the trigeminal nerve is painless. Hearing acuity is normal. Dizziness, tinnitus, nystagmus are absent. The nasolabial fold is smoothed on the left. Swallowing is not impaired, there is no dysphonia. The pharyngeal reflex is preserved. The tongue deviates to the right, there is no dysarthria. The gait is hemiparetic, auxiliary devices are required when walking (cane). The muscle strength of the upper limbs is 2 points on the left, 5 points proximally and distally on the right. The muscle strength of the lower limbs is 3 points on the left, 5 points proximally and distally on the right. Muscle tone is increased on the left. Tendon reflexes are high on the left. Babinski reflex is on the left. In the Romberg position, the patient is unstable. The finger-nose test is performed with a miss on the left. Left-sided hemihypesthesia. Symptoms of tension and meningeal symptoms are negative. The functions of the pelvic organs are not impaired. Higher cortical functions are not impaired.

Результаты тестирования двигательных функций: Индекс Бартел - 70 баллов. Общая оценка двигательной функции по шкале Фугл-Мейера - 42 балла, общая сумма баллов по шкале Фугл-Мейера: 122 балла. Шкала NIHSS - 8 баллов.Motor function test results: Barthel Index - 70 points. Total motor function score according to the Fugl-Meyer scale - 42 points, total score according to the Fugl-Meyer scale: 122 points. NIHSS scale - 8 points.

Диагностика нарушения двигательной функции с помощью разработанного способа проводилась в кабинете медицинской реабилитации. Пациент во время процедуры находился в положении стоя, перед камерой, осуществляющей оптический трекинг выполняемых движений. На голову пациента надевался шлем виртуальной реальности. Врач-реабилитолог произвел вводный инструктаж пациента и через персональный компьютер выбрал для проведения диагностического и реабилитационных занятий 2 упражнения в виртуальной среде: «Наливание воды в стакан», «Пинание мяча».The diagnostics of the motor function disorder using the developed method was carried out in the medical rehabilitation room. During the procedure, the patient was in a standing position, in front of a camera that performed optical tracking of the movements performed. A virtual reality helmet was put on the patient's head. The rehabilitation doctor gave the patient an introductory briefing and, via a personal computer, selected 2 exercises in a virtual environment for diagnostic and rehabilitation sessions: "Pouring water into a glass", "Kicking a ball".

Для регистрации активности целевых мышц во время выполнения заданий ЭМГ-датчики были расположены на следующих мышцах левой руки: дельтовидная мышца (Musculus deltoideus), двуглавая мышца плеча (Musculus biceps brachii), круглый пронатор (Musculus pronator teres), лучевой сгибатель запястья (Musculus flexor carpi radialis), поверхностный сгибатель пальцев (Musculus flexor digitorum superficialis), короткий сгибатель большого пальца кисти (Musculus flexor pollicis brevis). На левой нижней конечности ЭМГ-электроды были размещены в точках проекции брюшка следующих мышц: большая ягодичная мышца (Musculus Gluteus maximus), прямая мышца бедра (Musculus rectus femoris), латеральная широкая мышца бедра (Musculus vastus lateralis), двуглавая мышца бедра (Musculus Biceps femoris), икроножная мышца (Musculus Gastrocnemius), передняя большеберцовая мышца (Musculus Tibialis anterior).To record the activity of target muscles during task performance, EMG sensors were placed on the following muscles of the left arm: deltoid muscle (Musculus deltoideus), biceps brachii muscle (Musculus biceps brachii), pronator teres muscle (Musculus pronator teres), radial flexor of the wrist (Musculus flexor carpi radialis), superficial flexor of the fingers (Musculus flexor digitorum superficialis), short flexor of the pollicis brevis. On the left lower limb, EMG electrodes were placed at the projection points of the abdomen of the following muscles: gluteus maximus (Musculus Gluteus maximus), rectus femoris (Musculus rectus femoris), vastus lateralis (Musculus vastus lateralis), biceps femoris (Musculus Biceps femoris), gastrocnemius (Musculus Gastrocnemius), and anterior tibialis (Musculus Tibialis anterior).

На ладонной поверхности пальцев и кисти, а также на передней поверхности голени и тыльной стороне стопы на поверхности кожи были размещены стимулирующие вибрационные устройства, которые имитировали тактильные ощущения в момент контакта пациента с объектом виртуальной среды. Таким образом, во время упражнения формировалась мультимодальная биологическая обратная связь, имитирующая тактильные ощущения, с помощью вибромоторов, производящих вибрацию со следующими характеристиками: частота 10-120 Гц с шагом изменения 5%, амплитуда 0,2-0,5 мм, продолжительность стимуляции - 1 сек.Stimulating vibration devices were placed on the palmar surface of the fingers and hand, as well as on the anterior surface of the shin and the dorsum of the foot on the skin surface, which simulated tactile sensations at the moment of the patient's contact with the object of the virtual environment. Thus, during the exercise, multimodal biological feedback was formed, simulating tactile sensations, using vibration motors producing vibration with the following characteristics: frequency of 10-120 Hz with a change step of 5%, amplitude of 0.2-0.5 mm, stimulation duration - 1 sec.

Диагностика моторных нарушений на первом визите с помощью разработанного способа показала нарушение моторной функции левой верхней и нижней конечностей (по сравнению с нормой). Интегративные показатели выполнения целевых движений, учитывающие угол движения в суставе и уровень активности мышц, задействованных в движении, составили следующие значения (по 100-балльной шкале): Diagnostics of motor disorders at the first visit using the developed method showed a violation of the motor function of the left upper and lower extremities (compared to the norm). Integrative indicators of the performance of target movements, taking into account the angle of movement in the joint and the level of activity of the muscles involved in the movement, were as follows (on a 100-point scale):

1) Упражнение «Наливание воды в стакан»1) Exercise "Pouring water into a glass"

- сгибание плеча - 28 баллов- shoulder flexion - 28 points

- отведение плеча - 22 балла- shoulder abduction - 22 points

- сгибание в локтевом суставе - 20 баллов- elbow flexion - 20 points

- пронация предплечья - 25 баллов- forearm pronation - 25 points

- сгибание в лучезапястном суставе - 16 баллов- flexion in the wrist joint - 16 points

- цилиндрический хват пальцами кисти - 14 баллов - cylindrical grip with fingers of the hand - 14 points

2) Упражнение «Пинание мяча»2) Exercise "Kicking the ball"

- сгибание бедра - 64 балла- hip flexion - 64 points

- сгибание и разгибание в коленном суставе - 68 баллов- flexion and extension of the knee joint - 68 points

- тыльное сгибание в голеностопном суставе - 48 баллов- dorsiflexion of the ankle joint - 48 points

Показатели ЭМГ активности мышц, зарегистрированные ПАК, на примере упражнения «Пинание мяча»:EMG muscle activity indicators recorded by the PAC, using the example of the “Ball kicking” exercise:

МышцаMuscle Максимальная амплитуда сигнала в фазу замаха (мВ)Maximum signal amplitude in the swing phase (mV) Максимальная амплитуда сигнала в фазу удара (мВ)Maximum signal amplitude in the strike phase (mV) Musculus gluteus maximusgluteus maximus muscle 0,40.4 0,20.2 Musculus rectus femorisRectus femoris muscle 0,60.6 1,11,1 Musculus vastus lateralisvastus lateralis muscle 0,30.3 0,80.8 Musculus biceps femorisBiceps femoris muscle 0,70.7 0,50.5 Musculus gastrocnemiusgastrocnemius muscle 0,30.3 0,70.7 Musculus tibialis anteriorAnterior tibialis muscle 0,20.2 0,40.4

В дальнейшем пациент проходил курс реабилитационных занятий на разработанной системе, включающих выполнение вышеперечисленных упражнений в виртуальной среде. Реабилитационный курс состоял из 10 ежедневных занятий продолжительностью 30 минут.The patient then underwent a course of rehabilitation exercises on the developed system, including performing the above exercises in a virtual environment. The rehabilitation course consisted of 10 daily sessions lasting 30 minutes.

По окончании курса реабилитации двигательные функции пациента были повторно оценены с помощью клинических шкал. Результаты тестирования: Индекс Бартел - 90 баллов. Общая оценка двигательной функции по шкале Фугл-Мейера - 53 балла, общая сумма баллов по шкале Фугл-Мейера: 140 баллов. Шкала NIHSS - 6 баллов.At the end of the rehabilitation course, the patient's motor functions were re-evaluated using clinical scales. Test results: Barthel Index - 90 points. Overall motor function score according to the Fugl-Meyer scale - 53 points, total score according to the Fugl-Meyer scale: 140 points. NIHSS scale - 6 points.

Интегративные показатели выполнения движений на программно-аппаратном комплексе после прохождения 10 тренингов на ПАК: Integrative indicators of movement performance on the hardware and software complex after completing 10 training sessions on the PAC:

1) Упражнение «Наливание воды в стакан»1) Exercise "Pouring water into a glass"

- сгибание плеча - 36 баллов- shoulder flexion - 36 points

- отведение плеча - 29 баллов- shoulder abduction - 29 points

- сгибание локтевом суставе - 26 баллов- elbow flexion - 26 points

- пронация предплечья - 33 балла- forearm pronation - 33 points

- сгибание в лучезапястном суставе - 21 балл- flexion in the wrist joint - 21 points

- цилиндрический хват пальцами кисти - 18 баллов - cylindrical grip with fingers of the hand - 18 points

2) Упражнение «Пинание мяча»2) Exercise "Kicking the ball"

- сгибание бедра - 83 балла- hip flexion - 83 points

- сгибание и разгибание в коленном суставе - 88 баллов- flexion and extension of the knee joint - 88 points

- пыльное сгибание в голеностопном суставе - 62 балла- dusty flexion in the ankle joint - 62 points

Завершение комплекса тренировок с использованием разработанного способа позволило пациенту существенно восстановить ключевые двигательные навыки, необходимых для возвращения к самостоятельному передвижению. Благодаря этому возросла общая физическая активность пациента, что повысило его независимость при выполнении повседневных задач и в самообслуживании.Completion of the training complex using the developed method allowed the patient to significantly restore key motor skills necessary for returning to independent movement. Due to this, the patient's overall physical activity increased, which increased his independence in performing everyday tasks and in self-care.

Claims (7)

Способ диагностики нарушений моторной функции лиц с двигательными нарушениями посредством интеллектуальной системы с биологической обратной связью, характеризующийся тем, чтоA method for diagnosing motor function disorders in individuals with motor disorders using an intelligent system with biofeedback, characterized by the fact that с помощью шлема виртуальной реальности пользователю демонстрируют комнату с минималистическим дизайном, выполненную в нейтральных тонах, с мягким освещением, перед ним появляется аватар-подсказка, наглядно демонстрирующая движение, которое необходимо воспроизвести, далее using a virtual reality helmet, the user is shown a room with a minimalist design, done in neutral tones, with soft lighting, an avatar-hint appears in front of him, clearly demonstrating the movement that needs to be reproduced, then видеопоток с камеры, используемой для наблюдения за процессом выполнения целевых движений пациентом, передают на персональный компьютер, на котором запущена программа с нейросетевым алгоритмом, осуществляющим определение анатомических ориентиров на каждом кадре, причем эти ориентиры включают центральную точку шеи, нос, плечевые суставы, локтевые суставы, лучезапястные суставы, центральную точку таза, колени и голеностопные суставы,the video stream from the camera used to monitor the patient's performance of target movements is transmitted to a personal computer running a program with a neural network algorithm that identifies anatomical landmarks in each frame, with these landmarks including the central point of the neck, nose, shoulder joints, elbow joints, wrist joints, central point of the pelvis, knees and ankle joints, одновременно с этим электромиографом (ЭМГ), подключенным к компьютеру, регистрируют активность мышц пациента, определяют амплитуду и скорость сокращения мышц при выполнении движения, причем часть электромиографических датчиков размещают в точках, соответствующих максимальной амплитуде сокращения при движениях верхних конечностей, а именно: отведение или приведение плеча, сгибание или разгибание плеча; а оставшуюся часть электромиографических датчиков располагают в точках, соответствующих максимальной амплитуде сокращения при движениях нижних конечностей, при этом данные ЭМГ проходят предварительную обработку, включающую фильтрацию и удаление артефактов, с использованием предварительно обученной нейронной сети,simultaneously with this electromyograph (EMG) connected to a computer, the patient's muscle activity is recorded, the amplitude and speed of muscle contraction are determined when performing a movement, and some of the electromyographic sensors are placed at points corresponding to the maximum contraction amplitude during movements of the upper limbs, namely: abduction or adduction of the shoulder, flexion or extension of the shoulder; and the remaining part of the electromyographic sensors are placed at points corresponding to the maximum contraction amplitude during movements of the lower limbs, and the EMG data undergo preliminary processing, including filtering and removal of artifacts, using a pre-trained neural network, полученные видеоданные о пространственном положении суставов и данные электромиографии синхронизируют для дальнейшего совместного анализа, объединенные данные анализируют с использованием алгоритмов машинного обучения, производят оценку уровня активации каждой мышцы в разных фазах движения с учетом показателей электромиограммы, информации о положении тела и суставов, а также о времени выполнения каждого упражнения, полученных с помощью стереокамеры, при правильно выполненном движении аватар в игровой виртуальной среде осуществляет действие, причем ведущим управляющим механизмом для действий аватара являются данные ЭМГ,the obtained video data on the spatial position of the joints and electromyography data are synchronized for further joint analysis, the combined data is analyzed using machine learning algorithms, an assessment is made of the activation level of each muscle in different phases of the movement taking into account the electromyogram indicators, information on the position of the body and joints, as well as the time of execution of each exercise obtained using a stereo camera, when the movement is correctly performed, the avatar in the gaming virtual environment performs an action, and the leading control mechanism for the avatar's actions is the EMG data, в качестве дополнительного канала обратной связи при выполнении упражнений выступает сенсорная стимуляция посредством технических устройств, выполненных с возможностью оказывать вибрационное воздействие на кожные покровы в точках мышц, участвующих в движении, при этом стимулирующие устройства подключены к микроконтроллеру, соединенному с компьютером,sensory stimulation through technical devices designed to exert vibrational effects on the skin at the points of the muscles involved in the movement acts as an additional feedback channel when performing exercises, while the stimulating devices are connected to a microcontroller connected to a computer, после обработки данные отправляют на сервер, где они используются для классификации типа и тяжести двигательных нарушений с учетом индивидуальных особенностей патологии у пациента, с помощью заранее обученной модели нейронной сети формируют заключение.After processing, the data is sent to the server, where it is used to classify the type and severity of movement disorders, taking into account the individual characteristics of the pathology in the patient, and a conclusion is formed using a pre-trained neural network model.
RU2024138262A 2025-01-21 Method for diagnosing motor function disorders in individuals with motor disorders of various geneses by means of an intelligent system with biological feedback RU2843784C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2843784C1 true RU2843784C1 (en) 2025-07-18

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120600228A (en) * 2025-08-07 2025-09-05 南昌大学第一附属医院 A method and system for generating auxiliary plans for dysphagia rehabilitation

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655200C1 (en) * 2016-12-29 2018-05-24 Александр Владимирович Захаров Method of rehabilitation of patients in different stages of central or peripheral nervous system disorders using virtual reality
RU2741860C1 (en) * 2020-08-21 2021-01-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр реабилитации и курортологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «НМИЦ РК» Минздрава России) A method of using a virtual digital model of a patient's walking for the differentiated construction of an individual program of physical rehabilitation in the early recovery period of ischemic stroke, depending on the affected region

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655200C1 (en) * 2016-12-29 2018-05-24 Александр Владимирович Захаров Method of rehabilitation of patients in different stages of central or peripheral nervous system disorders using virtual reality
RU2741860C1 (en) * 2020-08-21 2021-01-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр реабилитации и курортологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «НМИЦ РК» Минздрава России) A method of using a virtual digital model of a patient's walking for the differentiated construction of an individual program of physical rehabilitation in the early recovery period of ischemic stroke, depending on the affected region

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120600228A (en) * 2025-08-07 2025-09-05 南昌大学第一附属医院 A method and system for generating auxiliary plans for dysphagia rehabilitation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Suh et al. Effect of rhythmic auditory stimulation on gait and balance in hemiplegic stroke patients
Kouris et al. HOLOBALANCE: An Augmented Reality virtual trainer solution forbalance training and fall prevention
JP2008510560A (en) Exercise training by brain plasticity
RU2513418C1 (en) Method for complex rehabilitation of patients in early rehabilitation period of cerebral apoplexy
RU2655200C1 (en) Method of rehabilitation of patients in different stages of central or peripheral nervous system disorders using virtual reality
Xiao et al. Interactive virtual ankle movement controlled by wrist sEMG improves motor imagery: an exploratory study
RU2571528C2 (en) Method for rehabilitation of patients with infantile cerebral paralysis in form of spastic displegia
Gatts Neural Mechanisms Underlying Balance
Kritikos et al. Emotional stimulation during motor exercise: An integration to the holistic rehabilitation framework
RU2843784C1 (en) Method for diagnosing motor function disorders in individuals with motor disorders of various geneses by means of an intelligent system with biological feedback
Giagazoglou et al. Differences in soccer kick kinematics between blind players and controls
RU2760484C1 (en) Method for improving the efficiency of restoring human motor functions using the method for visual control of movements in a simulator based on virtual reality technologies
Bogliolo et al. A robot instructor for the prevention and treatment of sarcopenia in the aging population: A pilot study
Cohen et al. EMG biofeedback: the effects of CRF, FR, VR, FI, and VI schedules of reinforcement on the acquisition and extinction of increases in forearm muscle tension
Mulder The learning of motor control following brain damage: experimental and clinical studies
Riya et al. Effect of Motor Imagery on Hand Function in Parkinson’s Disease: A Pilot Randomised Control Trial
RU2632510C1 (en) Method for treatment of pathological motor synergies of upper limbs in patients after cerebrovascular disturbance
RU2813807C1 (en) Method of multimodal correction of motor and cognitive disorders in patients who have suffered ischemic stroke
RU2786990C1 (en) Method for training, using virtual reality, in rehabilitation of patients with diseases accompanied by limb paresis
RU2845996C1 (en) System and method for neurorehabilitation of patients and restoration of motor functions of the upper extremities
Kowsalya et al. Rewiring the brain: Vr games for post-stroke rehabilitation
Sim et al. Effects of repetitive intensive arm swing indirect gait training on vasti and hamstring muscle activity and gait performance in children with cerebral palsy
RU2806235C1 (en) Method for neurocorrection of mild cognitive impairment in elderly people
Guarnizo et al. Development of an interface for rehabilitation based on the EMG signal for the control of the ankle exoskeleton T-FLEX
Abdelrehim et al. Effect of underwater treadmill program on gait speed, balance and lower extremity function in stroke patients