Способ повышения информативности стабилометрического исследования и аппаратный комплекс для его осуществления

Группа изобретений относится к медицине. Способ повышения информативности стабилометрического исследования осуществляют с помощью аппаратного комплекса для регистрации и анализа параметров двигательного стереотипа человека. При этом одновременно со стабилометрическим исследованием осуществляют стереофотограмметрическое отслеживание пространственных координат меток, размещенных на теле испытуемого с целью оценки их относительного расположения в пространстве и определения на основании этих данных статодинамических характеристик структур опорно-двигательного аппарата. За счет добавления блока усреднения пространственных координат меток возможна точная оценка колебаний центра тяжести. Аппаратный комплекс для регистрации и анализа основных параметров двигательного стереотипа человека в пространстве и во времени интегрирует в своем составе один или более стабилоанализаторов и систему компьютерного зрения. Система компьютерного зрения работает по принципу стереофотограмметрии с использованием двух способов калибровки - с калибровочным объектом и непосредственным измерением глубины для лучшей привязки к нанесенным на тело испытуемого маркерам и детализации движений обследуемого оптическими методами. Достигается регистрация и оценка постуральной системы человека путем стабилографического исследования и стереофотограмметрического отслеживания размещенных на теле испытуемого пространственных координат меток как во время классической стабилометрии с использованием платформы, так и независимо, причем за счет добавления блока усреднения пространственных координат данные суммарного движения меток (центра тяжести) в подавляющем большинстве случаев могут заменить собой классическую стабилограмму. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в постурологии, неврологии, травматологии и ортопедии, терапии, кинезиотерапии, мануальной терапии, прикладной кинезиологии, остеопатии, кабинетах здоровья, школьной, спортивной, военной и ведомственной медицине, а также при реабилитации взрослых и детей с патологией нервной системы и опорно-двигательного аппарата, при оценке функционального состояния, предрейсовом и послерейсовом контроле, а также при научных исследованиях.

Появилась новая медицинская наука - постурология. Она занимается изучением мышечного тонуса, позы, равновесия человека и механизмами его поддержания. Главные звенья постуральной системы - нервная и скелетно-мышечная (Гаже П.М., Вебер Б., Бонье Л. и др. Постурология. Регуляция и нарушение равновесия тела человека. СПб, СПбМАПО, 2008.)

Основным инструментом врача-постуролога является стабилометрическая платформа - устройство, позволяющее регистрировать проекцию общего центра масс тела стоящего на платформе человека, его перемещения во времени (Бабский Е.Б., Гурфинкель B.C., Ромель Э.Л. Новый способ исследования устойчивости стояния человека // Физиол. журн. СССР. - 1955. - Т. 12, №3. - С. 423-426, Bizzo G., Guillet М., Patat A. et al. Specifications for building a vertical force platform designed for clinical stabilometry // Med. & Biol. Eng. & Comput, 1985. - N23. - p. 474-476, патент на изобретение РФ №2093074 от 20.10.1997, патент на изобретение РФ №20958025 от 10.11.1997). Следует отметить, что помимо стабилометрии с помощью платформы существуют варианты стабилометрии с помощью акселерометрических датчиков, закрепленных на теле человека (авторское свидетельство №1752348 А61, 1992). Стал развиваться способ пространственной стабилометрии посредством трехкомпонентных телеметрических акселерометров (Загородний Н.В., Поляев Б.А., Скворцов Д.В., Карпович Н.И., Дамаж А.В. Дамаж, Пространственная стабилометрия посредством трехкомпонентных телеметрических акселерометров Журнал Лечебная физкультура и спортивная медицина, №3 (11), 2013, 4-10 с.). Постуральная система человека формируется в процессе развития и роста. Вертикальное положение тела обеспечивается свойствами его скелетно-мышечной системы, состоянием системы стопы - нижние конечности - таз - позвоночник - голова. Физиологические изгибы позвоночника так же способствуют вертикальной позе. Мышечная система обеспечивает поддержание позы, прием ведущая роль принадлежит мышцам тазового пояса, где расположен центр тяжести тела. Считается, что в нормальном положении головном мозге на основе проприоцептивной афферентации создается вертикальная модель тела, центр тяжести которой должен совпадать с образцом. Только в этом случае будет обеспечен постуральный мышечный баланс в вертикальном положении тела при минимальных мышечных затратах. В случае несовпадения центров тяжести, в системе управления ОДА создается сенсорная коррекция на основе обратной связи, стремящаяся сгладить это несоответствие за счет расширения площади устойчивости (Васильева Л.Ф.. Визуальная диагностика нарушений статики и динамики опорно-двигательного аппарата человека. - Иваново, 1996. - 110 с., L. Vasilyeva Lewit K Diagnosis of muscular dysfunction by inspection. - //in Rehabilitation of the spine - Williams and Willkins, 1995 - p. 113-142, патент РФ №2152166 от 10.09.1999, патент РФ №2136209.) при минимальных энергозатратах.

Обычно стабилографический комплекс включает в себя ПЭВМ, стабило-платформу и комплект датчиков для съема физиологических сигналов (ЭКГ, ЭМГ при соответствующем исполнении). К платформе, на которой в положении стоя располагается человек, крепятся датчики силы, с помощью которых измеряются реакции опор, а затем вычисляются координаты ЦД, оказываемого человеком на силовоспринимающую поверхность стабилоплатформы. Компьютерное стабилографическое исследование не требует большого времени и пригодно при массовых обследованиях населения, комфортно, высоко информативно, валидно и многофункционально. Для оценки постуральной функции приоритетными являются следующие стабилографические методики: стабилографический тест, оптокинетический тест, тест Ромерга и тест с поворотом головы, пробы с дистальным прикусом и разным покрытием опоры. (Kapteyn T.S., Bles W., Njiokiktjien Ch. J. et al. Standardization in platform Stabilometry being a part of posturography // Agressologie, 1983. - N24, Vol. 7. - p. 321-326., патент РФ №2175851 от 2001, патент РФ №22165733 от 2001, патент РФ №2380035 от 2010). Зарегистрированный сигнал можно обработать с привлечением методик статокинезеграммы, стабилограммы, гистограммы, спектрального анализа, анализа векторов, диаграмм, зоны предпочтения, когерентного анализа и аниматора и др. Разработаные методики векторного анализа стабилографического позвволили эффективно использовать методику стабилографии при оценке функционального состояния человека (Иванова Г.Е., Сковрцов Д.В., Климов Л.В. Оценка постуральных функций в клинической практике. Журнал «Российский национальный исследовательский Вестник восстановительной медицины №1⋅2014 стр. 19-25, Усачев В.И., Мохов Д.Е. Возможности стабилометрического векторного анализа в диагностике постуральных нарушений // Материалы I Международного симпозиума «Клиническая постурология, поза и прикус». Санкт-Петербург. - 2004. - С. 32-41., патент BY №17473 от 30.08.2013 г.). После проведения обследования экспресс-информацией для врача является распечатываемый протокол, который содержит различные варианты обработки сигнала при пробах с вычислением многочисленных коэффициентов. Прогресс постурологии связан с развитием новой техники - стабилометрических платформ и подографов, а так же совершенствования методик анализа стабилографических сигналов (Скворцов Д.В. Клинический анализ движений. Стабилометрии. - М.: НМФ «МБН», 2000. - 188 с., Слива С.С. Отечественная компьютерная стабилография: технический уровень, функциональные возможности и области применения // Журнал «Медицинская техника». - Вып. 1, январь-февраль. - Москва. Медицина, 2005. - 32-36 с., Слива А.С., Войнов И.Д,, Слива С.С. Развитие методов и средств компьютерной стабилографии. Известия ЮФУ Технические науки. Тематический выпуск. 2010. No9 (110) С. 158-164.). Введение в исследование многочисленных проб (повороты головы, прикус, опора) позволили существенно расширить применяемость метода. (Усачев В.И., Мохов Д.Е.. Стабилометрия в постурологии. СПб.: Издательский дом СПбМАПО, с. 8-10, 2004.).

Важно отметить что стабилографический сигнал имеет двумерные характеристики, и отражает колебания центра давления человека только в горизонтальной плоскости. Многие исследователи отмечали несовершенство стабилографического анализа для оценки постуральной системы организма и указывали на необходимость комплексной оценки с учетом параметров локомоторной системы. Лишь с помощью специальных тестов стабилоплатформа дает возможность, и то косвенно, оценить состояние костно-мышечной системы и вклада движений тела и его частей в колебания общего центра давления. Так, известен метод выявления постурального дисбаланса методом подографии, стабилографии и отвеса (Liebenson G. Rehabilitation of the Spine. 1996, Васильева Л.Ф. Визуальная диагностика нарушений статики и динамики ОДА человека. Иваново, 1996 стр. 9-14). На основании изменения центра тяжести при функциональных пробах оценивается степень участия конкретных мышц в обеспечении вертикального положения. Недостаток этого способа состоит в том, что оценивается только перемещение проекции центра тяжести тела. В каком направлении и в какой степени сместилось тело в пространстве в трех плоскостях, этот метод не может указать точно. С целью выявления постурального дисбаланса был предложен способ основанный на оптической топографии (патент РФ №2136209 от 1999 г., патент РФ №2152166 от 2000 г.) с использованием регистрации муаровой картины поверхности спины, в котором регистрацию муаровой картины производят последовательно в шести периодах переноса веса тела на каждую из ног из положения двухопорного состояния на весах, а затем на основании проведенной серии топограмм строят графики этих перемещений в трех плоскостях с последующей оценкой степени смещения оси тела. К сожалению, данный способ предполагает оценку не всей локомоторной системы, а лишь ее части, и не позволяет провести одномоментного стабилографического исследования и устройство оптической топографии не предназначено к слежению за выделяемыми структурами опорно-двигательного аппарата. Существует комплекс (патент РФ №94831 от 10 июня 2010 г., патент РФ №2442533 от 20 февраля 2012 г.) позволяющий провести регистрацию, анализ и моделирование структурно-двигательного аппарата человека, основанный на использовании машинного стереозрения и стабилографической платформы, при этом в блоке обработки информации данного комплекса анализируется расположение маркированных структур опорно-двигательного аппарата человека вкупе с положением общего центра тяжести. Согласно вышеуказанным патентам в комплексе стабилографическая платформа используется лишь для определения проекции общего центра тяжести с целью повышения точности определения месторасположения структурно-двигательного аппарата.

Таким образом, комплексов и устройств, повышающих информативность стабилометрического исследования путем для регистрации колебаний маркированных структур тела для одновременной оценки постуральной системы, т.е. нервной системы и костно-мышечной не существует. Классическое стабилографическое исследование не дает возможности оценки характера колебательного движения отдельных точек тела испытуемого, так, например, если тазовый и плечевой пояс человека при поддержании позы будут двигаться в противофазе, то классическая стабилограмма это не отразит, либо отразит неоднозначно. Анализ классической стабилограммы с целью выделения составляющих, обусловленных движением отдельных частей тела не представляется возможным.

Технический результат предлагаемой заявки заключается в регистрации и оценке постуральной системы человека путем стабилографического исследования и стереофотограмметрического отслеживания пространственных координат меток, размещенных на теле испытуемого, при этом отслеживание пространственных координат меток производят как во время классической стабилометрии с использованием платформы, так и независимо, причем за счет добавления блока усреднения пространственных координат данные суммарного движения меток (центра тяжести), в подавляющем большинстве случаев могут заменить собой классическую стабилограмму.

Сущность предлагаемого исследования заключается в том, что одновременно регистрируются показатели с платформы и камер, работающих в режиме слежения, одновременно оценивается вся постуральная система. Оценка колебаний центра давления проводится с помощью одной или двух стабилометрических платформ «Стабилоанализатор компьютерный «Сабилан 01-02», оценка месторасположения точек в пространстве с возможностью слежения - с помощью цифровых видеокамер и лазерных дальномеров, или устройств, объединяющих камеру и лазерный дальномер - (типа бесконтактный контроллер Microsoft Kinect sensor for Windows), представляющий собой 3D-камеру. Данные сенсоры имеют в своем составе цифровую камеру и своего рода лазерный дальномер, обеспечивающий структурированную инфракрасную лазерную подсветку с вычислением диспаратности по параллаксу, что дает возможность определения положения в пространстве всего массива точек исследуемого объекта (поверхность тела), вычисления периметра охватов частей и сегментов тела. 3-D камера позволяет, например, в отличие от вышеприведенного комплекса (патент РФ №2442533 от 20 февраля 2012 г.) повысить функциональные возможности системы с помощью автокалибровки сцены за счет использования данных дальностной картины, даваемой сенсором, вместо применения специального калибровочного объекта, что упрощает процесс калибровки при массовых исследованиях; совместного использования двумерных и трехмерных данных сенсора для повышения точности отслеживания маркеров и надежности их удержания. В некоторых случаях, когда не требуется высокой точности измерения, а главным образом, если не требуется привязка к маркерам, возможно использование только трехмерных данных. Однако, для достижения высокой точности измерения координат и более надежного удержания маркированных точек, требуется поддержка стереограмметрическими методами с использованием не 3-D режима съемки. При использовании двух или более сенсоров, одновременно с нескольких сторон для получения полной картины объекта возможно автоматическое соединение частей изображения с различных ракурсов в единую трехмерную модель. Повышает диагностическую ценность комплекса возможность использования встроенной системы распознавания сегментов тела человека например, для получения межсегментных углов в реальном времени для оценки динамического стереотипа а так же возможности слежения за поверхностной трехмерной моделью объекта в дополнение к отслеживанию маркеров или самостоятельно. Кроме того, исследователь может произвольно выбрать для слежения определенную структуру или группу маркеров.

При исследовании с помощью предлагаемого комплекса вначале происходит развертывание комплекса (Фиг. 1). Комплекс включает:

1 - Стабилоанализатор «Стабилан - 01-2»;

2 - Устройства, объединяющее камеру и лазерный дальномер;

3 - Штативы;

4 - Калибровочное устройство;

5 - Ноутбук

Перед исследованием проводится подготовка системы видеоввода, Устройства 2 устанавливаются на штативы 3, так чтобы оптические оси регистрирующих устройств пересекались в зоне исследования, т.е. в зоне вертикали, восстановленной из центра стабилометрической платформы, проводится предварительная калибровка комплекса, для чего на стабилоаналиатор 1 устанавливается калибровочное устройство, затем проводится инструктаж и разметка испытуемого, на его теле устанавливаются маркеры в проекции на кожу определенных костных структур и исследуемый становится на платформу в удобной (основной) стойке, в зависимости от задач либо спиной, либо лицом к системе видеоввода. Производится одновременная регистрация колебаний центра давления и стереограмметрическая регистрация маркированных точек, формируется протокол исследования, в котором отражены как колебания центра давления, так и маркированных точек, а так же по задачам исследования приводится предварительная оценка этих колебаний. Эти протоколы отражают оценку постуральной системы согласно стандартам международного общества постурологов, либо по программе, предложенной В.И. Усачевым и Моховым (2004), либо по желанию исследователя. (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 8). Затем приводятся протоколы, позволяющие оценить колебания точек на теле пациента. Обычно маркер устанавливается на зону медиального крестцового гребня в проекции остистого отростка S1 либо S2, что максимально приближено к расположению общего центра тяжести человека, проекции остистого отростка С7 и на голове испытуемого, в зоне между большими затылочными буграми. Выбирается тип обработки полученных координат либо в варианте стандартных стабилометрических методик, но с появлением возможности отслежки колебаний каждой регистрируемой точки в трех плоскостях, а не только в горизонтальной, либо колебаний каждой регистрируемой точки в трехмерном пространстве вместе с колебаниями центра давления, либо в виде оценки колебаний усредненной точки, где параметры местонахождения всех маркированных точек связываются, усредняются и обрабатываются как обычный стабилографический сигнал. (Фиг. 4, 9-11) Третий протокол отражает состояние костно-мышечной системы, и в первую очередь, позвоночного столба, степень компенсации и направления сколиоза, а так же длин конечностей и их сегментов, нацеливает внимание врача на поиск укороченных мышц. (Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7.).

Таким образом, представляемый комплекс с алгоритмом обследования позволяет существенно повысить информативность стабилографического исследования для регистрации и оценки постуральной системы организма.

Примеры работы комплекса иллюстрируют вышеуказанное.

Пример 1. Использование комплекса для поиска оптимальных ортопедических средств компенсации

Больной Б., 23 лет, студент, инвалид детства, детский церебральный паралич, поздняя резидуальная стадия, гемипаретическая форма. Клиническую картину определяет правосторонний гемипарез, выраженный преимущественно в кисти правой руки, а также выраженная асимметрия конечностей - недоразвитее правых, правая нога на 2 см. короче левой.

Проведенное стабилографическое исследование - стабилотест установило смещение опоры в здоровую сторону, но при подкладывании коска под правую пятку при векторном анализе установлено резкое снижение качества функции равновесия (Фиг. 3), хотя косок под правой пяткой толщиной 15 мм улучшает статическую компенсацию сколиоза (отвес от СП отклоняется на 1.92 от межягодичной складки вместо 2.52 без коска, Фиг 5, 6, 7). Использование стельки под всей подошвой более целесообразно. Для углубленного анализа требуется длительное наблюдение за точками в режиме слежения, фрагмент протокола наблюдения в таб. Excel представлен на Фиг. 4.

Пример 2. Использование комплекса в научных целях.

Испытуемая Б, 54 лет. На момент осмотра практически здорова, в анамнезе - Недостаточность кровообращения в вертебро-базиллярном бассейне, шейный остеохондроз, поясничный остеохондроз, парамедианная грыжа диска L4-5, грудной остеохондроз, реберно-поперечные артрозы DVIII.

Векторный анализ стабилотеста (Фиг 8) и колебаний зоны остистого отростка DVIII в горизонтальной (Фиг. 9), фронтальной (Фиг 10), сагиттальной плоскостях (Фиг. 11). Качество функции равновесия в зоне ограничения подвижности DVIII выше чем при выполнении стабилотеста при обычном исследовании (87,3%), особенно во фронтальной плоскости 98,93% и сагиттальной - 97.39%. В горизонтальной плоскости отмечается 94,46%, что возможно связано с ригидностью позвоночника в основной стойке.

1. Способ повышения информативности стабилометрического исследования путем одновременного с ним стереофотограмметрического отслеживания пространственных координат меток, размещенных на теле испытуемого, с целью оценки их относительного расположения в пространстве и определения на основании этих данных статодинамических характеристик структур опорно-двигательного аппарата, причем за счет добавления блока усреднения пространственных координат меток возможна точная оценка колебаний центра тяжести.

2. Аппаратный комплекс для регистрации и анализа основных параметров двигательного стереотипа человека в пространстве и во времени, отличающийся тем, что интегрирует в своем составе один или более стабилоанализаторов и систему компьютерного зрения, работающую по принципу стереофотограмметрии с использованием двух способов калибровки - с калибровочным объектом и непосредственным измерением глубины для лучшей привязки к нанесенным на тело испытуемого маркерам и детализации движений обследуемого оптическими методами.