Методы оценки изменения состояния опорно-двигательного аппарата в процессе физической реабилитации

30

Всоответствии с таблицей 2 сравнение рассмотренных методов сбора информационных данных изменения положения опорнодвигательного аппарата позволяет сделать вывод, что методы, осуществляющие определение ранее обоснованного параметра – траектории, являются моноциклография, стереоциклография, система захвата движения по данным видеофиксации и IMU на основе MEMSтехнологии. Однако практическое применение методов моноциклографии и стереоциклографии представляются затруднительным ввиду сложности реализации методов. Отсюда для организации сбора информационных данных изменения положения опорно-двигательного аппарата в рамках технических средств объективного контроля двигательной функции целесообразно использование методов захвата движения по данным видеофиксации и IMU на основе MEMS-технологии.

Преимущество инерциальных измерительных систем заключается в объективной оценке процесса выполнений отдельно взятого восстановительной упражнения. Данная оценка обеспечивается за счет применения прямого метода регистрации параметров движений. Кроме того особенностью технологии инерциальных измерительных систем является возможность получения не только траектории движения, но и количественных значений совокупности кинематических параметров, в том числе и углов ориентации, характеризующих положение опорно-двигательного аппарата.

Вотличие от инерциальных измерительных систем, таких как Xsens, преимуществом использования безмаркерных систем захвата движений по данным видеофиксации является простота применения, поскольку отсутствует необходимость размещения на теле человека более 17 датчиков движения. Однако подготовка данных систем к использованию является весьма сложной и требует специальной настройки, в том числе калибровки как видеокамер, так и помещения.

Основным преимуществом применения инерциальных измерительных систем в процессе физической реабилитации по сравнению с системами захвата движений по данным видеофиксации является обеспечение возможности использования вне лабораторных или клинических условий, и как следствие, возможности использования практически в любом месте, удобном для человека (пациента). Тем не менее, в данных системах применяется компьютер, что уменьшает мобильность и увеличивает громоздкость.

Несмотря на то, что рассмотренные готовые решения на основе

31

инерциальных измерительных систем имеют ряд преимуществ, существенный недостаток заключается в том, что они представляют собой сложный технический инструмент для обычного пользователя. Поскольку в целях оценки изменения положения опорнодвигательного аппарата в пространстве необходимо одновременно регистрировать более 17 точек крепления датчиков – это приводит к повышению дискомфорта и скованности в движении, а также увеличивает время на правильную фиксацию датчиков на теле человека.

Перед выполнением восстановительных упражнений индивидуального плана процесса физической реабилитации пациенту без посторонней помощи затруднительно закрепить такое большое количество датчиков. При этом в домашних условиях правильную фиксацию датчиков и оценку результатов выполнения индивидуального плана восстановительных занятий может осуществить только прошедший обучение специалист в области медицины. Следовательно, такие системы нецелесообразно использовать без личного участия врача. Данная особенность определяет существенное ограничение на практическое использование данных технических решений.

Как правило, рассмотренные инерциальные измерительные системы предназначены для профессионального спорта, где анализ общей двигательной функции опорно-двигательного аппарата играет важную роль. Такие технические решения финансово недоступны большинству пациентов для соответствующего использования в домашних условиях.

В рамках решения задач физической реабилитации большее значение имеет способность повреждённых конечности выполнять локальные движения, такие как сгибание суставов под определенным углом. Следовательно, количество точек крепления датчиков необходимо минимизировать для компактности и возможности непрерывного использования в течение амбулаторного периода реабилитации. Данная особенность обуславливает необходимость модернизации применения инерциальных измерительных систем с целью их использования для физической реабилитации в дистанционном режиме.

Однако, несмотря на огромное разнообразие программнотехнических средств, осуществляющих автоматизированный прием, регистрацию и анализ параметров изменения положения опорнодвигательного аппарата в пространстве, применение исключительно

32

рассмотренных и подобных технических инструментов является недостаточным для реализации полноценной системы объективного контроля двигательной функции. В большинстве случаев происходит только регистрация выполнения индивидуального плана восстановительных занятий процесса физической реабилитации. В более современных системах захвата траектории двигательной функции, такой как XSense происходит распознавание каждого упражнения и контролируется правильность выполнения. Однако в подобных системах отсутствует структурированный комплекс упражнений, рекомендованных к выполнению, а также основанная на результатах выполнения соответствующая оценка эффективности индивидуального плана восстановительных занятий.

Кроме того, в современных технических системах отсутствует организованное хранение накопления данных, содержащих результаты выполнения упражнений конечных пользователей, и как следствие, возможность обращения к ним медицинского специалиста, что было бы необходимо для оперативного корректирования индивидуального плана занятий, если бы речь шла о реабилитации. В случае наличия подобной системы хранения данных на устройстве пользователя и соответствующее дублирование на общем сервере, имелась бы возможность для оценки результатов и внесения изменений в индивидуальный план занятий в реальном времени дистанционно. Также программное обеспечение могло бы сигнализировать о пропуске пациентом запланированного занятия и обеспечило бы возможность его ручного переноса на другое, удобное для пациента время.

С учетом современного уровня развития технологий наличие акселерометров и гироскопов практически в любом современном смартфоне, планшетном компьютере, и других мобильных малогабаритных устройствах позволит повысить доступность для пациентов данного технического средства регистрации параметров движения. В свою очередь, использование готовой инерциальной измерительной системы смартфона даст возможность реализовать простую в эксплуатации систему объективного контроля процесса физической реабилитации в дистанционном режиме.

33

4 АЛГОРИТМ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ВРЕМЕННОЙ ШКАЛЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРАВИЛЬНОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ ПРИ УЧЕТЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕТРИК И

БАЛЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОЦЕНИВАНИЯ

Для реализации метода оценки изменения состояния опорнодвигательного аппарата в процессе физической реабилитации предложен алгоритм динамической трансформации временной шкалы (Dynamic Time Warping, DTW) на основе дополнительных метрик и балльной системы, что позволяет определить степень соответствия экспериментальных и образцовой выборок углов траектории изменения двигательной активности человека с учетом разной скорости выполнения упражнений, а, следовательно, при наличии выборок углов траекторий различного объема. Также предлагаемый алгоритм позволит провести расчет рядов параметров, характеризующих качество выполнения упражнений, по результатам которых рассчитывается балльная оценка.

В алгоритме имеется два основных этапа: 1 алгоритм калибровки;

2 алгоритм динамической трансформации временной шкалы на основе дополнительных метрик и балльной системы.

Обычно контроль движения конечности на базе IMU реализуется с помощью двух датчиков, размещаемых по обе стороны от коленного сустава, совместное использование информации от которых позволяет вычислить углы сгибания/разгибания сустава и получить данные о перемещении в пространстве координат IMU датчика. Поскольку используется только один датчик, то в основной алгоритм работы программы введена процедура калибровки исходного положения перед началом выполнения упражнения. Блок-схема алгоритма калибровки представлена на рисунке 15.

Алгоритм состоит из следующих действий:

1. Чтение данных с акселерометра с целью получения множества координат N ( X i ,Yi ,Zi ) , i 1,..,N , где ( X i ,Yi ,Zi ) , i 1,..,N – i -й дискретный отсчет координат, N – количество отсчетов координат ( X i ,Yi ,Zi ) положения тела в пространстве за период времени T для

дальнейшей обработки.

2 Проверка условия отсутствия движения конечности с целью определения расположения исходной системы координат

34

О0 ( ОX ,ОY ,ОZ ) – неподвижной системы координат, оси которой

соответствуют положению осей связанной системы координат инерциальной измерительной системы смартфона в начальном положении.

3.Проведение медианной фильтрации с цель уменьшения влияния шума из сигнала.

4.Определение начального положения выполнения упражнения.

5.Применение фильтра Маджвика с целью определения кватернионов углов вращения.

6.Определение углов ориентации крен γ (roll), тангаж β (pitch) и рыскание α (yaw) для дальнейших расчетов.

Начало

1

Старт упражнения

2Чтение данных

сакселерометра

Нет Данные с акселе-ра<0,1

3Применение медианного фильтра

4Определение начального

положения акселерометра и гироскопа

5Применение фильтра Маджвика

6Расчет значений углов

вращения

Pitch, Roll, Yaw

Конец

Рисунок 15 – Блок-схема алгоритма калибровки

35

В блоке 1 для активации процесса считывания данных об изменении положения конечности опорно-двигательного аппарата в пространстве. Мониторинг факта неподвижности осуществляется с использованием акселерометра в блоке 2. При обнаружении значений амплитуд ниже заданного порога текущие значения датчиков подвергаются фильтрацией с помощью медианного фильтра (блок 3). После предобработки значения амплитуд запоминаются в блоке 4, далее в блоке 5 и 6 происходит расчет значений углов вращения, которые принимаются за локальную нулевую ориентацию для текущего положения датчика на конечности.

После процедуры калибровки выполняется алгоритм динамической трансформации временной шкалы на основе дополнительных метрик и балльной системы, представленный на рисунке 16.

Начало

1 Значения углов вращения

Pitch, Roll, Yaw

2Устранение линейного тренда метод наименьшего квадрата

4Расчет значений метрик: приращения амплитуды

5Расчет значений метрик:

σL, σR, PL, PR, A·A', wmax, Hs

6Расчет значений метрик:

α', σα'

Конец

Рисунок 16 – Блок-схема алгоритма сравнения двух сигналов

36

В соответствии с рисунком 16 алгоритм состоит из следующих действий:

1 Получение углов ориентации крен γ (roll), тангаж (pitch) и

рыскание α (yaw) от алгоритма, представленного на рисунке 15.

2 Применение метода наименьших квадратов для устранения линейных трендов в экспериментальной выборки углов траектории

′[ ].

3 Применение алгоритма DTW для анализа степени соответствия экспериментальной и образцовой выборок углов траектории.

4 Расчет показателей для сравнения выборок в соответствии с выражениями (6) и (7).

упражнения У экспериментальной выборки углов траектории ′[ ] для угла тангажа β;

̅̅̅̅̅ – среднее значение амплитуд -го повторения -го

′

упражнения У образцовой выборки углов траектории [ ] для угла

упражнения У образцовой выборки углов траектории [ ] для угла крена γ.

5 Расчет метрик в соответствии с выражениями (8) – (34).

5.1 Метрика начальной диагонали – метрика, отражающая флуктуацию разницы пар индексов пути, относительно диагонали в

где – индекс диагонали.

37

5.2 Метрика конечной диагонали – метрика, отражающая флуктуацию разницы пар индексов пути, относительно диагонали в конце движения , и определяется в соответствии с выражением вида

где – индекс диагонали.

5.3 Доля горизонтальных и вертикальных переходов индексов,

5.4 Доля горизонтальных и вертикальных переходов индексов, относительно диагональных – отражает правильность траектории на завершающем акте движения. Вычисляется согласно правилу

= {0, ( − 1, − 1) < ( , − 1), (12)

1, ( − 1, − 1) ≥ ( , − 1).

38

5.7 Метрика конечной диагонали , балльные коэффициенты4 и 4 которой вычисляются при выполнении условия

5.8 Доля горизонтальных и вертикальных переходов индексов, относительно диагональных в начале акта движения , балльные коэффициенты 5 и 5 которой вычисляются при выполнении условия

5.9 Доля горизонтальных и вертикальных переходов индексов, относительно диагональных на завершающем акте движения , балльные коэффициенты 6 и 6 которой вычисляются при выполнении условия

5.10 Максимальное значение элемента минимального пути деформации в виде = max( ). Балльные коэффициенты 7 и7 данного показателя вычисляются при выполнении условия

5.11 Индекс совпадения экспериментальной ′[ ] и образцовой[ ] выборок углов траектории отображает отношение количества элементов минимального пути к объему образцовой выборки углов траектории [ ] и определяется в соответствии с выражением вида