Методы оценки состояния опорно-двигательного аппарата в телемедицинских системах физической реабилитации. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина

А.В. АЛПАТОВ, М.С. АШАПКИНА, В.И. ЖУЛЕВ, С.С. ЛУКША, О.В. МЕЛЬНИК

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ТЕЛЕМЕДИЦИНСКИХ СИСТЕМАХ ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ

Учебное пособие

Рязань 2023

УДК 612.76

Методы оценки состояния опорно-двигательного аппарата в телемедицинских системах физической реабилитации: учеб. пособие / А.В. Алпатов, М.С. Ашапкина, В.И. Жулев, С.С. Лукша, О.В. Мельник. Рязан. гос. радиотехн. ун-т. Рязань, 2023. 80 с.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 12.03.04, 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии».

Табл. 2. Ил. 27. Библиогр.: 81 назв.

Регистрация положения, опорно-двигательный аппарат, объективная оценка, телемедицинская система

Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина.

Рецензенты: кафедра ВПМ Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина (зав. кафедрой Г.В. Овечкин), профессор кафедры АСУ Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина, д-р техн. наук А.А. Михеев

Ал п а т о в Алексей Викторович

Аш а п к и н а Мария Сергеевна

Жу л е в Владимир Иванович

Лу к ш а Сергей Сергеевич М е л ь н и к Ольга Владимировна

Методы оценки состояния опорно-двигательного аппарата в телемедицинских системах физической реабилитации

Редактор Р.К. Мангутова Корректор С.В. Макушина

Подписано в печать 29.06.23. Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 5,0.

Тираж 20 экз. Заказ Рязанский государственный радиотехнический университет.

390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1. Редакционно-издательский центр РГРТУ.

© Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина, 2023

Оглавление

1.Анализ параметров, характеризующих изменение состояния опорно-двигательного аппарата в процессе проведения

4.Алгоритм динамической трансформации временной шкалы для оценки правильности выполнения физических упражнений в процессе физической реабилитации при учете дополнительных

6.Телемедицинская система сопровождения и поддержки процесса физической реаблитации опорно-двигательного

2

ВВЕДЕНИЕ

Заболевания опорно-двигательного аппарата остаются для современного человека серьезной проблемой. Статистика Всемирной организации здравоохранения показывает, что 80 % населения Земли страдает заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Для лечения таких заболеваний требуется длительная физическая реабилитация. На амбулаторном этапе она осуществляется пациентом, главным образом, самостоятельно, однако в домашних условиях у пациента отсутствует возможность квалифицированного контроля правильности выполнения реабилитационных упражнений. Кроме того, вне стен медицинского учреждения врач не может отслеживать проведение физической реабилитации и оценивать ее эффективность у каждого пациента, что может привести к нарушению целостности и непрерывности процесса реабилитации. Объективно оценить состояние пациента в амбулаторный период позволит система дистанционного сопровождения. Такую дистанционную оценку состояния пациента можно осуществлять при помощи специализированных программнотехнических средств. Однако готовые технические средства сложны в применении для обычного пользователя. Поэтому необходима простая

вэксплуатации система, которая смогла бы повысить доступность реабилитационных услуг без использования дополнительного оборудования. В связи с этим создание телемедицинской системы сопровождения физической реабилитации в амбулаторный период с целью восстановления опорно-двигательного аппарата является актуальным.

Сокращение личного участия медицинского работника в процессе проведения дистанционной физической реабилитации при условии обеспечения правильности выполнения пациентом назначенного индивидуального плана восстановительных занятий возможно за счет использования программно-технических средств, предназначенных для регистрации и обработки параметров изменения положения опорнодвигательного аппарата в пространстве и времени.

Варианты организации дистанционной физической реабилитации

вформе телеконсультаций не позволяют осуществить регистрацию параметров изменения опорно-двигательного аппарата и соответствующую автоматизированную оценку. По этой причине следует принять во внимание медицинские системы для проведения физической реабилитации, основанные на технических средствах объективного контроля изменения состояния опорно-двигательного

3

аппарата в пространстве и времени. Параметры, полученные с программно-технических средств объективного контроля движений, позволят медицинским работникам минимизировать личное участие в дистанционной реабилитации, где врач будет задействован только в контрольных точках, а не во всем процессе физической реабилитации.

Основные задачи программно-технических средств заключаются в возможности автоматизированной регистрации параметров изменения состояния опорно-двигательного аппарата во время выполнения восстановительных упражнений, распознавания каждого восстановительного упражнения и контроля правильности выполнения индивидуального плана занятий. Данная оценка может быть проведена только на основе объективного автоматизированного анализа изменения параметров движений, зарегистрированных с помощью технических средств. По результатам анализа изменения значений зарегистрированных параметров обеспечивается возможность:

–распознавания выполненного упражнения;

–контроля адекватности выполнения упражнения;

–получения объективной оценки результата выполнения упражнения.

Объективная оценка выполнения упражнений позволит отобразить динамику восстановления опорно-двигательного аппарата в графическом виде, что обеспечит медицинскому работнику возможность дистанционно определить эффективность результатов процесса физической реабилитации, проведенной в домашних условиях, а также наличие прогресса и подтвердить регулярность исполнения пациентом индивидуального плана восстановительных занятий.

В системах дистанционного объективного контроля для регистрации параметров движений пациентов, сбора и накопления данных об изменении положения тела в пространстве применяются различные аппаратно-программные средства, у каждого из которых существует собственная критериально-оценочная база. Следовательно, для объективной оценки процесса выполнения восстановительных упражнений и результатов проведенной физической реабилитации необходим выбор соответствующего критерия эффективности, на основе полученных данных которого будут осуществляться обработка

ианализ показателей восстановления опорно-двигательного аппарата, результат расчета которых позволит, в свою очередь, оценить эффективность проведенных занятий.

Для определения количественного значения данного критерия необходимо проанализировать множество параметров, однозначно

5

В соответствии с представленной на рисунке 1 классификацией были выделены две основные группы параметров, значения которых определяют изменение состояния опорно-двигательного аппарата: кинематические и динамические.

К группе кинематических параметров относятся параметры, изменение значений которых характеризует изменение положения тела человека в пространстве в течение времени, в том числе расстояние (координаты), время, скорость и ускорение. Данные характеристики позволяют определить особенности и форму движений при выполнении восстановительных упражнений индивидуального плана реабилитационных занятий. Кинематические параметры можно разделить на временные, пространственные, и пространственновременные. Пространственные параметры позволяют описать с помощью координат местоположение и движение отдельных частей или всего тела человека относительно выбранной системы отсчета. В свою очередь, временные параметры характеризуют длительность, частоту и ритм выполнения восстановительного упражнения. Пространственно-временные параметры определяют, как изменяются положение и движение отдельных частей или всего тела человека. К ним относятся скорость и ускорение [2].

Группу динамических параметров составляют силовые параметры, дающие представление о причинах возникновения движения под действием внешних и внутренних сил. В их числе инерция, сила мышц, различные виды энергии. Динамические параметры разделяются на инерционные, силовые и энергетические. Инерционные – это масса тела и инерция, которые характеризуют постепенное изменение скорости движения части тела человека с течением времени под действием силы. К силовым параметрам относятся сила мышц, сила реакции опоры, сила упругости и другие силы. Данные параметры характеризуют связь между силой и изменением движений. Внутренние и внешние силы действуют на человека, что приводит к изменению положения той или иной его конечности. Энергетические параметры, в том числе работа мышц и энергия тела, отображают, как изменяется вид энергии при движении и как протекает сам процесс изменения энергии [3].

Регистрация и сбор данных об изменениях параметров движения опорно-двигательного аппарата при выполнении восстановительных упражнений индивидуального плана реабилитационных занятий осуществляются с помощью программно-технических средств.

6

2.АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ПРОЦЕССЕ

ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ

Исследования по биомеханике изменения состояния опорнодвигательного аппарата человека начались в середине ХХ века, благодаря чему были определены закономерности построения и управления движениями, выявлены причины возникновения двигательных ошибок и найдены пути их устранения, а также определены основные этапы развития методов оценки изменения состояния опорно-двигательного аппарата и конструирования технических средств регистрации движения [3-7]. В результате исследований были установлены следующие методы регистрации параметров, определяющих изменение состояния опорнодвигательного аппарата в процессе выполнения физической реабилитации:

1)метод ихнометрии;

2)метод подометрии;

3)метод динамометрии;

4)метод гониометрии;

5)метод циклометрии: 5.1) моноциклометрия;

5.2) стереоциклометрия;

5.3) системы захвата движений по данным видеофиксации;

5.4) системы захвата движений по данным инерциальной измерительной системы на основе микроэлектромеханической технологии;

6) метод регистрации двигательной активности под аудиовизуальным самоконтролем и система сопровождения физической реабилитации.

Рассмотрим подробнее каждый метод и оценим возможность его применения в качестве основы для разработки программнотехнического средства объективного контроля движений при дистанционной реабилитации.

2.1. АНАЛИЗ МЕТОДА ИХНОМЕТРИИ

Ихнометрия – это метод регистрации пространственных параметров изменения состояния опорно-двигательного аппарата, в том числе длины и ширины движения, угла разворота. Использование данного метода позволяет обеспечить регистрацию следов обеих ног во

7

время ходьбы, как правило, по специальной дорожке. Классификация метода представлена в таблице 1 [5, 7].

Таблица 1 – Классификация методов ихнометрии

По сведениям, представленным в таблице 1, наиболее востребованным из методов ихнометрии является электрический. Ихнометрическая система предназначена для измерения пространственных характеристик шага на основе электрического метода [7]. Для измерения пространственных характеристик шага используются токопроводящая дорожка, блок питания и электроды. Электроды размещаются на обуви, а затем соединяются с измерительным блоком. Пример ихнограммы, отображающей процесс измерения пространственных характеристик шага (длина движения, ширина движения, угол разворота), представлен на рисунке 2.