16Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН № 3 (47) 2012
ИНФОРМАТИКА. НАНОТЕХНОЛОГИИ УДК 531.76; 615.47;616-072.7
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ТРЕМОРА*
В.Е. ПЛЕХАНОВ1, А.В. КАРАБАНОВ2, С.Н. ИЛЛАРИОШКИН2, В.Н. МАКСИМОВ1, Э.Д. КУРИС1, Т.С. ХОРЕВ1
Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет) 125993, г. Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4 E-mail: [email protected]
2Научный центр неврологии РАМН 125367, г. Москва, Волоколамское шоссе, 80 E-mail: center@neurolo gy. ru
В статье рассматривается разработанный авторами аппаратно-программный комплекс для диагностики эссенциального тремора и дрожательной формы болезни Паркинсо-на. Измерительный модуль, позволяющий регистрировать характеристики дрожательного гиперкинеза, построен на микромеханических инерциальных датчиках (датчики угловой скорости и линейного ускорения) и датчике магнитного поля. Приведены результаты клинических исследований различных форм тремора.
Ключевые слова: микромеханические инерциальные датчики, тремор, болезнь Паркин-сона, калибровка, клинические исследования.
Тремор (дрожательный гиперкинез, дрожание) - это непроизвольные, ритмичные, быстрые возвратно-поступательные движения (механические осцилляции) одной и более функциональных областей тела, вызванные попеременными или синхронными сокращениями реципрокно иннервируемых мышц [1, 2].
Тремор является наиболее частой формой двигательных расстройств и представляет собой проявление большого числа заболеваний, имеющих различные патофизиологические основы и прогноз [3, 4, 5, 6]. По данным эпидемиологических исследований, общая популяционная распространенность тремора составляет 14,5%, что значительно превосходит распространенность паркинсонизма, синдрома беспокойных ног и других двигательных расстройств [7].
Чаще всего дрожательный гиперкинез встречается при двух неврологических заболеваниях позднего возраста - болезни Паркинсона и эссенциальном треморе [1]. Дифференцирование этих заболеваний бывает непростой задачей, особенно в ранней стадии, когда тремор может присутствовать в качестве единственного симптома. Те или иные варианты тремора встречаются также у пациентов с дистонией, поражениями мозжечка и ствола головного мозга, нейроинфекциях, травмах центральной нервной системы, разнообразных интоксикациях (в том числе при приеме определенных лекарственных препаратов) [8, 5].
Тремор как комплексный феномен на протяжении десятилетий является предметом глубоких исследований специалистов различных фундаментальных дисциплин - физиологов, биохимиков, молекулярных биологов, нейрофармакологов и др. В клинической меди-
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №09-08-00760а. 58
цине найдется немного проблем, которые, подобно тремору, носят столь ярко выраженный междисциплинарный, интегративный характер.
В последние годы значительное внимание привлекают вопросы регистрации основных характеристик дрожательного гиперкинеза - амплитуды, частоты, мощности конкретных частотных диапазонов и т.д. [9, 2].
Объективная характеристика параметров тремора является важной задачей клинической практики и научных исследований. Регистрация тремора помогает в дифференциальной диагностике дрожательных гиперкинезов, позволяет осуществлять мониторинг патологического процесса, повышает точность оценки эффектов тех или иных лекарственных препаратов и тем самым обеспечивает доказательность проводимых клинических исследований, расширяет возможности в изучении механизмов тремора.
На практике параметры тремора обычно оцениваются с помощью специальных нейрофизиологических устройств и приборов - акселерометров, гироскопов, электромиографических аппаратов, устройств для видеорегистрации гиперкинеза и др. [10, 11]. При этом физические принципы регистрации дрожательных гиперкинезов различны и включают непосредственную кинематическую фиксацию двигательных осцилляций, запись электрических потенциалов сокращающихся мышечных волокон, видеодетекцию движений, регистрацию электромагнитных сигналов, тактильных воздействий, использование компьютерных планшетов и т.д. Все эти методы имеют как свои преимущества, так и определенные ограничения, поэтому до настоящего времени продолжается поиск наиболее оптимальных технологий для записи и анализа тремора.
Авторами разработан аппаратно-программный нейрофизиологический комплекс для объективной регистрации параметров тремора. В основе принципов построения комплекса, предназначенного для измерения и контроля кинематических параметров движения пациента с тремором, использовалась концепция комплексирования датчиков различной физической природы, а при выборе его аппаратного состава и архитектуры - модульность и расширяемость, обеспечивающие возможность его универсализации. В текущей реализации комплекса используется модуль ориентации, представляющий собой миниатюрный блок (габаритные размеры 50 х 50 х 28 мм) (рис. 1), реализующий функцию курсовертика-ли.
Рис. 1. Модуль ориентации
Модуль построен на микромеханических инерциальных датчиках (датчики угловой скорости и линейного ускорения) и датчике магнитного поля. Блок магнитометра модуля ориентации построен на базе прецизионного трехосного магниторезистивного датчика
HMC1043 (производства Honeywell). Блок гироскопов построен на базе двух двухосных микромеханических датчиков угловой скорости (LPY530AL). Блок АЦП и акселерометра содержит два сигма-дельта АЦП AD7738BRUZ (24 разряда, до 15 кГц частота обновления данных, 4 псевдо-дифференциальных входа) и трехосный микромеханический акселерометр LIS331DLH с цифровым выходом.
В программной части проводится анализ полученных данных. Разработанная программа с использованием прямого дискретного преобразования Фурье (рис. 2) позволяет провести анализ выбранного участка сигнала и выделить на этом участке основные частоты колебаний той части тела пациента, на которой устанавливается описанный выше измерительный модуль.
Рис. 2. Анализ выбранного участка сигнала с использованием прямого дискретного преобразования Фурье
При решении задачи калибровки микромеханических гироскопов, акселерометров и векторного магнитометра в составе системы использован новый подход, заключающийся в многоуровневой калибровке, включающей предварительную стендовую калибровку и последующую калибровку непосредственно на носителе в рабочих условиях. При реализации режима счисления траекторных параметров, построенного на основе интегрирования ускорений на коротком интервале времени, применялся режим 2ЦРТ, позволяющий эффективно реализовать автономный (инерциальный) режим счисления траекторных параметров.
В процессе выполнения теоретических исследований широко использовались результаты экспериментов, проведенных на разработанных и изготовленных макетах с соответствующим программно-алгоритмическим обеспечением. В частности, экспериментальные результаты были использованы при уточнении параметров фильтра Калмана в контуре определения угловой ориентации, при калибровке, при доработке алгоритмов измерения и контроля кинематических параметров движения человека и алгоритмов счисления траектории.
В Научном центре неврологии РАМН в клинике нейродегенеративных заболеваний проведены предварительные исследования комплекса, показавшие эффективность его применения для дифференциальной диагностики эссенциального тремора и болезни Пар-кинсона.
Были обследованы две подгруппы пациентов: 10 - с эссенциальным тремором и 10 - с дрожательной (дрожательно-ригидной) формой болезни Паркинсона. Клинический диаг-
ноз указанных заболеваний ставился на основании стандартных критериев, выработанных Международным обществом двигательных расстройств (Movement Disorders Society) [1]. Протокол неврологического и нейрофизиологического тестирования включал оценку дрожательного гиперкинеза рук в трех стандартных условиях:
• тремор покоя - гиперкинез, возникающий в положении, когда мышцы расслаблены, не совершают активных движений и подвержены только силе гравитации (типичное положение пациента при исследовании - сидя в удобном кресле, со свободно лежащими на коленях руками);
• постуральный тремор - гиперкинез, возникающий при поддержании позы рук, направленной против сил гравитации (т.е. в положении рук на весу);
• кинетический тремор - гиперкинез, возникающий при осуществлении активных целенаправленных (пальценосовая проба) и нецеленаправленных (поднимание-опускание, отведение-приведение и т.д.) движениях рук.
Исследование пациентов с применением разработанной модели тремографа показало, что паркинсонический и эссенциальный тремор четко дифференцируются между собой по совокупности нейрофизиологических параметров (рис. 3, 4).
Р^УЛЫОТЫ 1Н9ЛЧ34
6.» 2315
'1 1 •1
График анализируемого участка
! Анализируемый сигнал |
ML J щммм! шшы-
i 1 1 ............................г 1 ......................... \ i I i ............................t.............................t.......................... i f
(««yt^JtJ]
Рис. 3. Характерная гармоничная кривая постурального тремора правой руки (нижний ряд) и его спектр (верхний ряд) у пациента с эссенциальным тремором. Пиковая частота гиперкинеза - 6,84 Гц
Главные различия таковы:
1) частота дрожательного гиперкинеза - от 4 до 6,5 Гц при болезни Паркинсона и свыше 7 Гц при эссенциальном треморе;
2) наличие дополнительных частотных пиков при паркинсоническом треморе;
3) наличие феномена «возобновляющегося тремора» при болезни Паркинсона (характерная динамика гиперкинеза при переходе из положения покоя в положение ста-
тического напряжения в антигравитационной позе) и его отсутствие при эссенциаль-ном треморе.
Рис. 4. Кривая тремора покоя правой руки (нижний ряд) и его спектр (верхний ряд) у пациента с дрожательной формой болезни Паркинсона.
Основная пиковая частота гиперкинеза - 4,3 Гц, отчетливо видны характерные дополнительные пиковые частоты тремора
Важно подчеркнуть, что указанные различия двух феноменологически сходных вариантов тремора были отчетливы даже при сопоставлении пациентов с ранними стадиями эссенциального тремора и болезни Паркинсона (стадия <2 по функциональной шкале Хен-Яра). Результаты нейрофизиологического тестирования были высоко воспроизводимы при проведении повторных серий исследований в стандартизированных условиях.
Для более полной оценки диагностического потенциала разработанной модели тремо-графа мы осуществили дополнительную регистрацию дрожательных гиперкинезов у пациентов с другими вариантами тремора - мозжечковым (п=4), рубральным (при болезни Вильсона-Коновалова, п=3), дистоническим (п=2). Во всех случаях были получены типичные нейрофизиологические характеристики указанных гиперкинезов, такие как: интенци-онный (терминальный) компонент дрожания при поражениях мозжечка; полиморфная формула рубрального тремора с внезапными пароксизмами резкого усиления амплитуды дрожательных осцилляций; точкообразный неритмичный характер дистонического тремора. Характерный пример представлен на рис. 5.
Рис. 5. Кривая тремора покоя левой руки (нижний ряд) и его спектр (верхний ряд) у пациента с болезнью Вильсона-Коновалова.
Видны типичные длярубрального тремора характеристики: низкая частота (4,3 Гц), внезапные пароксизмы резкого усиления амплитуды осцилляций
с тенденцией к генерализации тремора
Таким образом, проведенные пилотные исследования показали высокую надежность разработанного нами нейрофизиологического комплекса для регистрации тремора, воспроизводимость получаемых результатов и их применимость для решения практических задач клинической практики. Широкое внедрение объективных методов регистрации тремора, реализованных в виде доступных приборов медицинского назначения, позволит на качественно более высоком уровне решать вопросы ранней и дифференциальной диагностики заболеваний, проявляющихся дрожательными гиперкинезами, проводить контроль и длительный мониторинг проводимого лечения, подбирать наиболее оптимальные терапевтические схемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иллариошкин С.Н., Иванова-Смоленская И.А. Дрожательные гиперкинезы. М.: Атмосфера, 2011.
2. Grimaldi G., Manto M. Tremor. From pathogenesis to treatment. NY: Morgan & Clay-pool, 2008.
3. ГолубевВ.Л. Тремор // Неврологический журнал, 2003. № 2. С. 4-10.
4. Иванова-Смоленская И.А. Дрожательные гиперкинезы // Экстрапирамидные расстройства. Руководство по диагностике и лечению (под ред. Штока В.Н., Ивановой-Смоленской И.А., Левина О.С.). М.: МЕДпресс-информ, 2002. C. 264-281.
5. Lyons K.E., Pahwa R (eds.) Handbook of essential tremor and other tremor disorders. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2005.
6. Louis E.D. Essential tremor // Arch. Neurol, 2000. V. 57. P. 1522-1524.
7. Wenning G.K., Kiechl S., Seppi K. et al. Prevalence of movement disorders in men and
women aged 50-89 years (Bruneck Study cohort): a population-based study // Lancet Neurol, 2005. V. 4. P. 815-820.
8. Elble R.J. Tremor: clinical features, pathophysiology, and treatment // Neurologic Clinic, 2009. V. 27. № 3: Movement Disorders (ed. J.Jankovic). P. 679-695.
9. Mansur P.H., Cury L.K., Andrade A.O. et al. A review on techniques for tremor recording and quantification // Crit. Rev. Biomed. Eng., 2007. V. 35. P. 343-362.
10. Иванова-Смоленская И.А., Карабанов А.В., Червяков А.В., Иллариошкин С.Н. Современные инструментальные методы регистрации тремора // Бюллетень Национального общества по изучению болезни Паркинсона и расстройств движений, 2011. № 2. С. 25-28.
11. Findley L.J., Koller W.C. Handbook of tremor disorders. NY: Marcel Dekker, 1995.
APPLICATION OF THE MICROMECHANICAL ORIENTATION SYSTEMS FOR RESEARCH OF VARIOUS FORMS OF THE TREMOR
V.E. PLEHANOV1, A.V. KARABANOV2, S.N. ILLARIOSHKIN2, V.N. MAKSIMOV1, E.D. KURIS1, T.S. HOREV1
1Moscow Aviation Institute (National Research University) 125993, Moscow, A-80, GSP-3, 4, Volokolamsk highway E-mail: [email protected]
2Centre of science of neurology of the Russian Academy of Medical Science 125367, Moscow, 80, Volokolamsk highway E-mail: center@neurolo gy. ru
This paper deals with hardware and software package worked out by the authors for diagnostics of essential tremor and trembling form of Parkinson's disease. The measuring module that allows registering of tremor characteristics is based on micromechanical inertial sensors (sensors of angular velocity and linear acceleration) and magnetic field sensors. The first results of studies of different forms of tremor are represented.
Key words: micromechanical inertial sensors, tremor, Parkinson's disease, calibration, clinical studies.
Работа поступила 17. 01. 2012 г.
