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

29

реальном времени на основе системы Xsens представлен на рисунке 13.

Рисунок 12 – Костюм Xsens Awinda для регистрации изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве

Рисунок 13 – Пример построения модели изменения положения тела человека в реальном времени на основе системы Xsens

В соответствии с рисунком 13 модель изменения опорнодвигательного аппарата в реальном времени представляет собой полноценное отображение поведения человека.

Далее программное обеспечение осуществляет сравнение текущей

30

модели с расчетной и проводит определение требуемых параметров двигательной функции. По такому же принципу работают и другие системы, такие как Noraxon, VICON [19], Perception Neuron.

Инерциальные измерительные системы аналогично системам захвата движений по данным видеофиксации обеспечивают сбор данных об изменении положения тела в пространстве и, кроме того, могут осуществлять объективный контроль выполнения упражнений индивидуального плана восстановительных занятий.

3. СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ПРОЦЕССЕ ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ

Рассмотренные методы сбора информационных данных изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве можно сравнить по ряду кинематических параметров. Результаты сравнения вышеуказанных методов представлены в таблице 2.

В соответствии с таблицей 2 методами, позволяющими определить траекторию выполнения восстановительного упражнения, являются моноциклография, стереоциклография, система захвата движения по данным видеофиксации и ИИС на основе MEMSтехнологии. Однако практическое применение моноциклографии и стереоциклографии представляется затруднительным ввиду сложности их реализации. Отсюда следует, что для организации сбора информационных данных изменения положения опорно-двигательного аппарата в рамках технических средств объективного контроля двигательной функции целесообразно использование метода захвата движения по данным видеофиксации и по данным ИИС на основе MEMS-технологии.

Системы захвата движения на основе видеофиксации считаются «золотым стандартом» для количественного анализа движения. Преимуществом использования безмаркерных систем захвата движений по данным видеофиксации является простота применения, поскольку отсутствует необходимость размещения на теле человека более 17 датчиков, как в системе Xsens, приводящих к дискомфорту и скованности в движении и увеличивающих время на правильную фиксацию датчиков на теле человека.

32

К недостаткам использования данных систем на основе видеофиксации следует отнести необходимость специальной калибровки видеокамеры под определенное помещение, где будет происходить видеосъемка. Таким образом, использование видеосъемки предполагает перемещение стационарного оборудования из клиники в дом пациента, выделение соответствующей площади, настройку программного обеспечения. Такой подход не решает вопрос расширения доступности данной технологии.

Преимущество инерциальных датчиков, таких как Noraxon, Perception Neuron, Noitom, заключается в объективной оценке процесса выполнения отдельно взятого восстановительного упражнения, возможности мониторинга двигательной активности в условиях повседневной жизнедеятельности без использования откалиброванных помещений, а также в отсутствии необходимости постоянного нахождения в зоне видеосъемки и покупки дополнительного оборудования. Следовательно, только использование инерциальных датчиков предоставит возможность мониторинга двигательной активности в условиях повседневной жизнедеятельности.

Основным преимуществом применения инерциальных измерительных систем в процессе дистанционной 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 их мобильность.

Несмотря на то, что рассмотренные готовые решения на основе инерциальных измерительных систем имеют ряд преимуществ, существенный недостаток их заключается в том, что для обычного пользователя они представляют собой сложный технический инструмент. Перед выполнением восстановительных упражнений индивидуального плана процесса физической реабилитации пациенту без посторонней помощи затруднительно закрепить 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. Следовательно, такие системы нецелесообразно использовать без личного участия врача. Данная особенность накладывает существенное ограничение на практическое использование подобных технических средств.

33

Кроме того, рассмотренные инерциальные измерительные системы недоступны большинству пациентов для использования в домашних условиях, так как предназначены для профессионального спорта и, как правило, дорогостоящие.

Врамках решения задач физической реабилитации большое значение имеет способность повреждённой конечности выполнять одно мелкомоторное движение, например сгибание суставов под определенным углом. Следовательно, количество точек крепления датчиков необходимо минимизировать для компактности и возможности непрерывного применения в течение амбулаторного периода реабилитации. Данная особенность обусловливает необходимость модернизации 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 рассмотренных и подобных технических инструментов является недостаточным для реализации полноценной системы объективного контроля двигательной функции, так как в большинстве случаев происходит только регистрация выполнения индивидуального плана восстановительных занятий процесса физической реабилитации.

Вболее 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 функция оценки эффективности индивидуального плана восстановительных занятий.

Кроме того, в современных технических системах отсутствует функция организованного хранения накопленных данных, содержащих результаты выполнения упражнений конечных пользователей, и как следствие нет возможности обращения к ним медицинского работника, что было бы необходимо для оперативного корректирования индивидуального плана занятий, если бы речь шла о реабилитации. При наличии подобных функций хранения данных на устройстве пользователя и соответствующего дублирования на общем сервере имелась бы возможность для оценки результатов и внесения изменений

виндивидуальный план занятий в реальном времени дистанционно.

34

Также программное обеспечение могло бы сигнализировать о пропуске пациентом запланированного занятия и обеспечило бы возможность его ручного переноса на другое, удобное для пациента время.

Сучетом современного уровня развития технологий наличие акселерометров и гироскопов практически в любом современном смартфоне, планшетном компьютере и других мобильных малогабаритных устройствах позволит повысить доступность реабилитационных услуг для пациентов – владельцев данного технического средства регистрации параметров движения. Использование готовой инерциальной измерительной системы смартфона даст возможность реализовать доступную для широкого круга пользователей и простую в эксплуатации систему объективного контроля процесса физической реабилитации в дистанционном режиме без использования дополнительного оборудования. Пациент может сразу приступить к выполнению назначенного индивидуального плана восстановительных занятий, установив мобильное приложение на смартфон. Такая возможность позволит быстро масштабировать систему дистанционного сопровождения физической реабилитации опорно-двигательного аппарата. Однако применение одного датчика для контроля двигательной активности накладывает ограничения на регистрацию траектории восстановительного упражнения, а также на выбор таких упражнений.

Сучетом проанализированной информации необходимо применение программно-технического комплекса (телемедицинской системы) на основе инерциальной измерительной системы смартфона, позволяющего обеспечить реализацию функций анализа и объективного контроля изменения положения опорно-двигательного аппарата в пространстве в процессе выполнения восстановительных упражнений. Отличительной особенностью такого комплекса являются автономность и доступность использования в амбулаторный период без непосредственного участия медицинского работника.

Основными требованиями к телемедицинским системам для оценки изменения положения опорно-двигательного аппарата в процессе физической реабилитации на основе одного инерциального датчика должны стать:

1)обеспечение автоматизированной регистрации изменения состояния опорно-двигательного аппарата в пространстве в одной точке крепления датчика смартфона;

2)анализ зарегистрированных двигательных траекторий в процессе выполнения назначенного плана восстановительных занятий

35

по физической реабилитации;

3)объективная оценка результатов физической реабилитации;

4)наличие возможности графически информировать о динамике восстановления двигательной функции поврежденного участка опорнодвигательного аппарата.

Данная программно-техническая система дистанционного сопровождения физической реабилитации должна в реальном времени отображать состояние выполнения назначенного индивидуального плана восстановительных занятий и определять прогресс реабилитационного потенциала пациента.

С целью регистрации изменения траектории опорнодвигательного аппарата в одной точке крепления одного датчика в процессе выполнения восстановительного упражнения требуется обеспечить соотнесение регистрируемых траекторий с кинематическими моделями упражнений. Отсюда необходимо наличие базы различных кинематических моделей восстановительных упражнений для отдельного участка опорно-двигательного аппарата.

Помимо регистрации требуется разработка алгоритмов анализа двигательных траекторий, позволяющих получать количественные характеристики корректности следования протоколам выполнения восстановительных упражнений для повышения объективности и достоверности дистанционного сопровождения.

Кроме того, возникает потребность в разработке метода удаленной реабилитации и восстановления двигательной активности под аудиовизуальным самоконтролем, обеспечивающим коррекцию выполнения упражнения в режиме реального времени. Следовательно, актуальной представляется разработка программно-технического инструмента, позволяющего как пациенту, так и медицинскому работнику объективно контролировать выполнение физической реабилитации и проводить оценку качества активных и пассивных упражнений «одним взглядом».

Для практической реализации алгоритма выбора и цифрового представления восстановительных упражнений с целью получения траектории в точке размещения одного датчика необходимо вначале проанализировать процесс движения в рамках построения соответствующей кинематической модели, обосновать выбор сегмента опорно-двигательного аппарата в интересах разработки методов и средств его восстановления. В результате требуется наличие специальной информации о соответствующем суставе и его представления в виде изменяющейся кинематической системы в

36

пространстве и времени при выполнении восстановительных упражнений физической реабилитации.

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

И БАЛЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОЦЕНИВАНИЯ

Актуальными вопросами восстановления нарушений опорнодвигательного аппарата являются создание и внедрение телемедицинских систем для реализации дистанционного сопровождения и поддержки процесса физической реабилитации на основе применения простых и доступных программно-технических средств. При этом подобные системы должны обеспечивать выполнение ряда функций, в том числе контроля правильности (адекватности) выполнения индивидуального плана восстановительных занятий в процессе физической реабилитации в амбулаторный период. В данном случае правильность – это максимальная степень соответствия (схожести, подобия) модельной и экспериментальной траекторий при выполнении упражнений в процессе физической реабилитации по критериям соответствия количества повторений, амплитуд и синхронности. При этом траектория – это отображение изменения угловых перемещений ′ [ ], зарегистрированных с инерциального датчика во время выполнения восстановительного упражнения.

Важным фактором успешности физической реабилитации является наличие рекомендаций по правильному выполнению упражнений, получаемых пациентом в реальном времени. Наличие данных рекомендаций позволяет обеспечить управление процессом выполнения пациентом упражнений в интересах улучшения результатов по заданным критериям оценивания правильности. Обычно такая информация поступает от врача или тренера. Однако в амбулаторных условиях пациент не может самостоятельно определить, правильно ли он выполняет рекомендации специалиста в области медицины.

Задача дистанционного объективного контроля правильности (адекватности) выполнения индивидуального плана восстановительных занятий решена, если имеются специальные метрики, баллы и

37

траектория, соответствующая изменению угловых перемещений при изменении положения выбранного сегмента в пространстве. В данном контексте метрика – это мера, позволяющая получить числовое значение степени соответствия (схожести) модельной траектории (шаблон) и экспериментальной.

При этом процесс физической реабилитации представляет собой выполнение пациентом рекомендованных упражнений индивидуального плана восстановительных занятий с заданной периодичностью, скоростью и амплитудой, то есть с определенными кинематическими параметрами. Для достижения наилучших результатов физической реабилитации данные упражнения объединяются в комплекс для конкретного сегмента опорнодвигательного аппарата.

Важным фактором, определяющим эффективность процесса физической реабилитации с медицинской точки зрения, является наличие рекомендаций о правильном выполнении упражнений индивидуального плана восстановительных занятий, получаемых пациентом в режиме реального времени. С учётом того, что процесс дистанционной физической реабилитации осуществляется в рамках амбулаторного периода, функция выдачи подобных рекомендаций должна определяться автоматически по значениям угловых перемещений ′ [ ] изменения положения выбранного сегмента в пространстве и осуществляться при помощи программно-технических средств телемедицинских систем.

Вреальности от пациента требуется воспроизведение траектории

вдовольно широких пределах, так как имеются индивидуальные особенности:

– патологические отклонения в суставе;

– разная скорость реагирования на команды тренера, например задержки в процессе выполнения, разная скорость разгибания, сгибания и скручивания;

– болевой синдром в суставе.

Следовательно, использование многих метрик в чистом виде не является достаточным, поскольку необходимо наличие равенства объема дискретных отчетов сигналов. В связи с этим требуются дополнительные преобразования по компенсации искажения формы сигнала по амплитуде и времени.

Очевидно, что пациент может повторять движения в своем ритме, таким образом, выполнить упражнение быстрее или медленнее. В этом случае будет необходимо оценивать схожесть дискретных временных

38

рядов угловых перемещений, соответствующих траектории различного объема, то есть в реальном эксперименте ≠ ′. При этом имеется два пути решения этой проблемы:

1)выравнивание объема дискретных отсчетов временных рядов угловых перемещений путем добавления соответствующего количества нулевых отсчетов в начало или конец реализации либо для модельной траектории, либо для экспериментальной траектории;

2)линейное растягивание или сжатие экспериментальной траектории путем интерполяции во временных границах модельной или экспериментальной траектории.

При этом первый вариант будет занижать значения многих метрик, включая кросс-корреляцию, поскольку форма траектории будет деформироваться. Линейное изменение временной шкалы не решит проблемы неопределенной задержки в выполнении, различного времени удержания в предельной позиции, а следовательно, будет деформировать форму траектории.

4.1.ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА ДИНАМИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ВРЕМЕННОЙ ШКАЛЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ

ПРАВИЛЬНОСТИ ТРАЕКТОРИИ ВЫПОЛНЕНИЯ

УПРАЖНЕНИЯ

Одним из способов сравнения дискретных временных рядов разного объема является линейное выравнивание пар точек экспериментальной и модельной траекторий по признаку минимальной дистанции. Существует группа алгоритмов, основанных на поиске оптимального пути такого выравнивания на базе метода динамического программирования. В связи с этим представляется актуальным анализ возможности использования алгоритма динамической трансформации временной шкалы (Dynamic Time Warping, DTW).

Данный алгоритм был выбран в качестве метрики оценки степени схожести двух дискретных временных рядов угловых перемещений, соответствующих модельной и экспериментальной траекториям, с учётом разной скорости выполнения упражнений, с задержкой выполнения упражнения, с различной длительностью. Это важно для анализа сигналов, полученных от биологического объекта, поскольку человек не сможет в точности повторить выполненное упражнение. Как правило, длина, фаза и амплитуда модельной траектории не совпадают