Тренажер дозированных мышечных нагрузок с синхронным включением звукового и светового сигналов для восстановительного лечения больных с нарушениями функции опорно-двигательной системы

Изобретение относится к медицине. Тренажер содержит кресло с воспринимающими частями механического усилия торсионных мышц, кистей рук и стоп, динамометр для измерения мышечного напряжения, переключатель режимов нагрузок, преобразователи механической энергии мышечного усилия в звуковой сигнал соответствующей тональности и громкости и в световой сигнал соответствующего цвета и яркости, синхронизатор для одновременного включения звукового и светового сигналов, динамик для воспроизведения звукового сигнала и экран для воспроизведения светового сигнала. Звуковые сигналы соответствуют нотам «до», «ре», «ми», «фа», «соль», «ля», «си», а световые - красному, оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему и фиолетовому цветам. Изобретение позволяет повысить эффективность тренировок. 5 ил.

 

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к медицине. Для восстановительного лечения больных со стойкими двигательными расстройствами при заболеваниях и травмах центральной нервной системы (UHC) предлагается тренажер дозированных мышечных нагрузок с синхронным включением звукового и светового сигналов (ТДМН).

2. Уровень техники.

В последнее время в реабилитации больных с нарушениями мышечной, нервной и двигательной координации вследствие поражения ЦНС (в частности, больных детским церебральным параличом (ДЦП), перенесших инсульт) большое внимание уделяется использованию способов и устройств для реабилитации, обеспечивающих восстановление двигательных стереотипов за счет компенсации нарушенных отделов мозга образованием новых функциональных межнейронных связей со здоровыми участками.

Известно устройство для продольной вибрации мышц в сочетании с методом нормализации рефлекса на растяжение в комплексном лечении детей с церебральными параличами (RU 2179009 С2). Оно содержит основание, силовой элемент, вибратор с вибронасадкой, соединенный с блоком управления частотой вибраций и связанный с рычагом, позволяющим смещать вибратор. Вибрация осуществляется при максимальном статическом мышечном усилии конечности в направлении, противоположном тому, в котором пациент может оказать максимальное противодействие приложенному воздействию вибрации.

ТДМН имеет принципиальное отличие от вышеописанного ближайшего аналога. Он имеет устройство, в котором механическая энергия мышечного усилия преобразовывается в звуковой и световой сигналы соответствующей частоты, которые синхронно подаются в динамик и на экран для воспроизведения. При этом звуковые сигналы соответствуют нотам «до», «ре», «ми», «фа», «соль», «ля», «си», а световые - красному, оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему и фиолетовому цветам. Ожидается, что тренировки, в основе которых лежит метод классического обуславливания, приведут к формированию в коре головного мозга пациента нового «искусственного» положительного доминантного очага со стойкими ассоциативными связями между двигательным, слуховым и зрительным анализаторами.

3. Раскрытие изобретения.

3.1. Современные представления нейрофизиологии о классическом обуславливании и доминанте, лежащие в основе конструкции ТДМН и методики его применения, обеспечивают оригинальный подход к решению задачи: восстановления локомоторной функции больного. Эта задача решается опосредованно, путем создания в коре головного мозга нового положительного доминантного очага с двухсторонними (прямыми и обратными) ассоциативными связями между двигательным, слуховым и зрительным анализаторами.

Устройство, преобразующее механическую энергию мышечного усилия в звуковую и световую энергию, позволяет подкреплять каждое мышечное усилие определенной интенсивности одновременным воспроизведением звукового и светового сигналов соответствующей частоты. В результате тренировок, основанных на методе классического обуславливания, в коре головного мозга больного образуются новые стойкие ассоциативные связи между двигательным, слуховым и зрительным анализаторами (фиг.3).

3.2. Главной задачей дальнейших тренировок на ТДМН является создание нового положительного доминантного очага в коре головного мозга (фиг.4), признаком которого является появление стойкой обратной связи между вышеуказанными анализаторами. Эта задача будет считаться решенной, когда больной сможет по заданию воспроизводить ноты в цветовом сопровождении, создавая мышечное напряжение соответствующей интенсивности. Четкое выполнение таких заданий будет свидетельствовать о получении технического результата тренировок на ТДМН - создании нового положительного доминантного очага в коре головного мозга.

Предполагается, что новый доминантный очаг, согласно нейрофизиологическим феноменам «конкуренции за общий конечный путь» (фиг.4) и «центрального облегчения» (фиг.5), будет усиливать положительное воздействие всех других методов физической реабилитации, примененных к данному больному, и тем самым опосредованно способствовать более полному и быстрому восстановлению локомоторной функции больного.

4. Краткое описание чертежей.

На фиг.1 изображен тренажер дозированных мышечных нагрузок с синхронным включением звукового и светового сигналов (ТДМН).

- 1, 2, 3 - воспринимающие части мышечного усилия торсионных мышц, кистей рук и стоп;

- 4 - динамометр с переключателями режимов нагрузок;

- 5 - устройство, в котором механическая энергия мышечного усилия преобразовывается в электрический ток соответствующей силы;

- 6 - преобразователь механической энергии мышечного усилия в звуковой сигнал;

- 7 - преобразователь механической энергии мышечного усилия в световой сигнал;

- 8 - синхронизатор для одновременного включения звукового и светового сигналов;

- 9 - динамик для воспроизведения звукового сигнала;

- 10 - экран для воспроизведения светового сигнала;

- 11 - метрононом.

На фиг.2 изображена имитация ходьбы на ТДМН.

Стрелками указывается направление движения: черной - активного, белой - пассивного.

На фиг.3 изображена дуга условного рефлекса с двухсторонней связью.

- 12 - прямая временная связь;

- 13 - обратная временная связь;

- 14 и 15 - корковый и подкорковый центры двигательных рефлексов верхних и нижних конечностей;

- 16 и 17 - корковые и подкорковые центры слухового и зрительного рефлексов;

- 18 и 18′ - афферентные нейроны;

- 19 и 19′ - вставочные нейроны;

- 20 и 20′ - эфферентные нейроны;

- 21 - синаптические контакты коллатералей афферентного нейрона со вставочными нейронами;

- 22 - синаптический контакт между вставочным нейроном обратной временной связи и афферентным нейроном сигнального раздражителя;

- 23 - синаптический контакт между вставочным нейроном прямой временной связи и афферентным нейроном подкрепляющего раздражителя.

На фиг.4 изображена схема нейрофизиологического феномена «конкуренции за общий конечный путь».

Сенсорные зоны коры больших полушарий головного мозга:

- 24 - премоторная;

- 25 - двигательная;

- 26 - сенсорная;

- 27 - зрительная сенсорная,

- 28 - зрительная ассоциативная;

- 29 - слуховая сенсорная;

- 30 - слуховая ассоциативная.

Очаги в коре головного мозга:

- 31 - патологический очаг;

- 32 - «искусственный» положительный очаг.

Стрелками указаны восстановленные ассоциативные связи в «надпороговой кайме».

На фиг.5 изображена схема нейрофизиологического феномена «центрального облегчения».

Нейрон, находящийся на периферии (между окружностями) возбуждается только при одновременном возбуждении 2-х нейронов левого нервного центра и 2-х нейронов правого центра. Совместное раздражение волокон приводит к реакции, сила которой будет больше, чем простая сумма сил реакций на раздражение каждого отдельного волокна (2+2=5).

5. Осуществление изобретения.

5.1 ТДМН представляет собой устройство, состоящее из следующих частей (фиг.1):

- кресло на колесах, имеющее воспринимающие части механического усилия: торсионных мышц (1), кистей рук (2) и стоп (3);

- устройство, в котором механическая энергия мышечного усилия преобразовывается в электрический ток соответствующей силы;

- динамометр с переключателями режимов нагрузок (4);

- преобразователь механической энергии мышечного усилия в звуковой (6) сигнал соответствующей интенсивности;

- преобразователь механической энергии мышечного усилия в световой (7) сигнал соответствующей интенсивности;

- синхронизатор (8) для одновременного включения звукового и светового сигналов;

- динамик (9) для воспроизведения звукового сигнала;

- экран (10) для воспроизведения светового сигнала;

- метрономом (11) для задания ритма тренировок.

К тренажеру прилагаются инструкции и практические рекомендации по проведению тренировок.

5.2. Подробное описание ТДМН.

Воспринимающая часть ТДМН - это приспособление, к которому непосредственно прикладывается мышечное усилие. В зависимости от того, какая группа мышц и суставы разрабатываются, оно может быть различных модификаций: в виде педали велосипеда или автомашины, руля, «мехов гармони» и др.

Восприятие мышечного напряжения происходит за счет или изменения объема воспринимающей части («меха гармони»), или изменения ее исходного положения (педаль, руль). После окончания действия мышечной силы объем или положение автоматически возвращаются в исходное состояние. Высокая чувствительность к восприятию слабых мышечных напряжений дает возможность проводить тренировки на ТДМН больным с тяжелыми двигательными расстройствами.

Воспринимающая часть для тренировки торсионных мышц состоит из одной части, для тренировки мышц конечностей - из 2-х одинаковых половин, связанных между собой системой рычагов или другим устройством. При совершении движения «активной» конечностью изменение положения этой половины автоматически влечет аналогичное изменение положения второй половины в противоположном направлении (фиг.2). Такая взаимосвязь позволяет длительно воспроизводить ритмичные движения, имитирующие ходьбу, езду на велосипеде и др. Крепления жестко фиксируют туловище и конечности в нужном положении.

Механическая энергия мышечного усилия преобразовывается в специальном устройстве в электрический ток соответствующей силы, который по проводам подается в остальные части ТДМН. В дальнейшем для упрощения изложения материала этот фрагмент будет пропускаться.

Динамометр - устройство для измерения мышечного напряжения, имеет несколько режимов работы, в зависимости от того, в каком диапазоне проводится мышечная тренировка, например:

1-ый диапазон - от 0 до 7,0 ньютонов (Н);

2-ой - от 0 до 21,0 Н;

3-ий - от 0 до 35,0 Н и т.д.

Переключатель режимов, расположенный на динамометре, дает возможность изменять режим нагрузок на тренировках.

Воспринимающие части кресла электрически связаны с преобразователем механической энергии мышечного усилия в звуковой сигнал соответствующей тональности и громкости и преобразователем механической энергии мышечного усилия в световой сигнал соответствующего цвета и яркости.

Сигналы воспроизводятся в динамике и на экране.

Одновременное включение звукового и светового сигналов в ответ на мышечное усилие обеспечивается синхронизатором.

Например, если тренировка ведется в диапазоне мышечной силы от 0 Н до 21,0 Н,

- мышечное усилие от 0 Н до 3,0 Н соответствует ноте «до» и красному цвету, соответственно,

слабой громкости и яркости - при достижении отметки 1 Н,

умеренной - 2 Н,

сильной громкости и яркости при достижении 3 Н;

- мышечное усилие от 3,1 до 6,0 Н соответствует ноте «ре» и оранжевому цвету, соответственно,

слабой громкости и яркости - при достижении отметки 4 Н,

умеренной - 5 Н,

сильной громкости и яркости при достижении 6 Н;

- мышечное усилие от 6,1 Н до 9,0 Н соответствует ноте «ми» и желтому цвету,

соответственно,

слабой громкости и яркости - при достижении отметки 7 Н,

умеренной - 8 Н,

сильной громкости яркости при достижении 9 Н;

- мышечное усилие от 9,1 Н до 12,0 Н соответствует ноге «фа» и зеленому цвету, соответственно,

слабой громкости и яркости - при достижении отметки 10 Н,

умеренной - 11 Н,

сильной громкости и яркости при достижении 12 Н;

- мышечное усилие от 12,1 Н до 15,0 Н соответствует ноте «соль» и голубому цвету, соответственно,

слабой громкости и яркости - при достижении отметки 15 Н,

умеренной - 14 Н,

сильной громкости и яркости при достижении 15 Н;

- мышечное усилие от 15,1 Н до 18,0 Н соответствует ноте «ля» и синему цвету, соответственно,

слабой громкости н яркости - при достижении отметки 16 Н,

умеренной - 17 Н,

сильной громкости и яркости при достижении 18 Н;

- мышечное усилие от 18,1 Н до 21,0 Н соответствует ноте «си» и фиолетовому цвету,

соответственно,

слабой громкости яркости - при достижении отметки 19 Н,

умеренной - 20 Н,

сильной громкости и яркости при достижении 21 Н.

Звуковой и световой сигналы воспроизводятся в динамике и на экране.

Одновременное воспроизведение светового и звукового сигналов в ответ на мышечное усилие обеспечивается синхронизатором, встроенным в модуль.

Задание ритма тренировки обеспечивается метрономом.

5.3. Общие положения тренировки методики тренировки.

Тренировки проводятся в изолированном полутемном помещении. Конечности и туловище фиксируются в нужном положении креплениями (фиг.1).

Перед началом занятия пациенту в доступной форме объясняют цель и задачи тренировок и принцип действия тренажера с демонстрацией его работы.

При напряжении мышц переднего свода левой стопы происходит опускание передней части педали воспринимающей части вниз и подъем пятки вверх под углом α, правая педаль синхронно совершает движение под таким же углом в противоположном направлении. Активное движение на сгибание или разгибание одной конечности ведет к пассивному разгибанию или сгибанию второй конечности. Прекращение действия механического усилия автоматически возвращает конечности в исходное положение. Следующее движение «активной» конечности: напряжение мышц заднего свода стопы и голени с опусканием задней части педали вниз пол углом α, вторая педаль автоматически совершает противоположное движение под этим же углом. Прекращение действия механического усилия опять возвращает конечности в исходное положение (фиг.2).

Мышечного усилие, приложенное к воспринимающей части, подкрепляется синхронным воспроизведением зрительного и слухового сигналов соответствующей частоты. Например: при достижении мышечного усилия величины 1,0 Н (см. раздел 5.2.) динамик воспроизводит звуковой сигнал - ноту «ре» слабой громкости, и на экране появляется свечение оранжевого цвета слабой интенсивности. Длительность звукового и светового сигналов соответствует длительности мышечного напряжения. При усилении или ослаблении мышечного напряжения звук и свет исчезают до достижения следующей отметки величины механического усилия. Подкрепление мышечного усилия слуховым и зрительным сигналами соответствующей частоты позволяет активизировать внимание пациента и дифференцировать силу напряжения мышц.

Разминка. Тренировка начинается с тестирования торсионных мышц. Пациенту предлагается выполнить движение назад с возможно самой высокой амплитудой мышечного усилия. Фиксируется показание динамометра, по которому устанавливается оптимальный режим тренировки, составляющий 70-75% от полученного значения силы механического воздействия на спинку кресла. Далее пациент выполняет дозированные мышечные усилия, «проигрывая» гамму в соответствующем цветовом сопровождении от «до» тихого до максимально высокой ноты, затем последовательно возвращается к «до» тихому. Упражнение можно выполнять под счет инструктора или метронома: «раз и», «два и», «три и». В зависимости от исходного состояния больного разминка длится от 5 до 15 минут.

Основная часть занятия от 10 до 40 минут представляет тренировку локомоторной функции пораженных конечностей. Сначала проводится тестирование. Выясняется объем движений в конечностях и величина максимального усилия в заданном направлении.

Диапазон режима тренировки устанавливается с учетом значения максимального напряжения мышц пораженной конечности, а в случае двухстороннего поражения - более слабой. Оптимальным режимом тренировки является такой режим, в котором пациент может достичь слабой конечностью 1-2 и более отметки мышечного усилия на шкале динамометра. При исходно тяжелом состоянии активные движения производятся здоровой или более активной конечностью, пораженная или более слабая осуществляет те же движения синхронно пассивно. Далее проводятся упражнения: имитация ходьбы или другие ритмичные движения с «проигрыванием» ноты «до» различной громкости с соответствующей световой гаммой.

При освоении имитации ходьбы (фиг.2) или другого стереотипа ритмичных движений проводятся попытки усилить напряжение мышц и перейти на высшую отметку шкалы механических усилий с соответствующим светозвуковым сопровождением. При успешности этих попыток проводится тренировка по освоенному алгоритму движений. Далее «осваивается» следующая нота с соответствующим цветом. В идеале, за период времени, индивидуальный для каждого больного, пациентом полностью осваивается светозвуковая гамма в заданном режиме тренировок.

Точно такой же алгоритм имеет тренировка верхних конечностей.

Если у пациента сильнее руки, а обе нижние конечности имеют незначительный диапазон активных мышечных усилий, целесообразно проводить синхронную тренировку правой руки и левой ноги и наоборот.

При достаточном освоении пациентом вышеописанной программы и приобретения навыка дифференцировать мышечное напряжение в конечностях можно постепенно усложнить занятия. Пациенту предлагается с помощью мышечного усилия сначала здоровой конечности, потом пораженной или более слабой «включить» отдельные ноты в соответствующем световом сопровождении. Например: «ми» громкое и, соответственно, зеленый цвет наибольшей яркости и т.д. Затем пациент может освоить легкие музыкальные пьесы для начинающих играть на фортепиано. Основная часть занятия может в перспективе большей частью посвящена этим упражнениям.

Заключительная часть (5-7 минут) состоит из легких дыхательных и других классических физических упражнений «на расслабление» для снятия утомления с последующим отдыхом от 1 до нескольких часов.

Тренировки ведутся ежедневно 1 раз, все ее основные параметры записываются в дневник.

Тренажер для восстановления локомоторной функции у больных с поражением центральной нервной системы, отличающийся тем, что он содержит кресло с воспринимающими частями механического усилия торсионных мышц, кистей рук и стоп, динамометр для измерения мышечного напряжения, переключатель режимов нагрузок, преобразователи механической энергии мышечного усилия в звуковой сигнал соответствующей тональности и громкости и в световой сигнал соответствующего цвета и яркости, синхронизатор для одновременного включения звукового и светового сигналов, динамик для воспроизведения звукового сигнала и экран для воспроизведения светового сигнала, при этом звуковые сигналы соответствуют нотам "до", "ре", "ми", "фа", "соль", "ля", "си", а световые - красному, оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему и фиолетовому цветам.