CC BY
36
DOI 10.23859/1994-0637-2017-6-81-3 УДК 81/1
© Ершов Е.В., Виноградова Л.Н., Варфоломеев И.А., Пыж С.В., Осколков В.М., Ершова Т.В., 2017
Ершов Евгений Валентинович
Доктор технических наук, профессор, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: [email protected]
Виноградова Людмила Николаевна
Кандидат технических наук, доцент, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: [email protected]
Варфоломеев Игорь Андреевич
Кандидат технических наук, доцент, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: [email protected]
Пыж Сергей Викторович
Инженер-программист, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: [email protected]
Осколков Василий Михайлович
Аспирант,
Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: [email protected]
Ершова Татьяна Владимировна
Преподаватель,Череповецкое областное училище искусств и художественных ремесел им. В.В. Верещагина (Череповец, Россия) E-mail: [email protected]
ПРОГРАММНОЕ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИИ ДЕТЕЙ С ЗАБОЛЕВАНИЯМИ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА1
Ershov Evgeny Valentinovich
Доктор технических наук, профессор, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: [email protected]
Vinogradova Lyudmila Nikolaevna
PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Cherepovets State University (Cherepovets,
Russia)
E-mail: [email protected]
Varfolomeev Igor Andreevich
PhD in Technical Sciences,Associate Professor, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: [email protected]
Pyzh Sergey Viktorovich
Programmer engineer, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: [email protected]
Oscolkov Vasily Mikhailovich
Post-graduate student, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: [email protected]
Ershova Tatyana Vladimirovna
Lecturer, Cherepovets regional college of the arts and crafts named after VV Vereshcagin (Cherepovets, Russia) E-mail: [email protected]
SOFTWARE AND HARDWARE FOR THE DEVELOPMENT OF CHILDREN WITH DISEASES OF MUSCULOSKELETAL SYSTEMS
Аннотация. В статье дается обобщен- Abstract. Information technologies based
ный алгоритм работы программно- on biofeedback method and computer-gaming
аппаратного комплекса для реабилитации simulations are widely used for diagnostics and
детей с заболеваниями центральной нерв- rehabilitation of children with diseases of nerv-
1 Работа выполнена при поддержке РГНФ (заявка № 16-16-35001).
Вестник Череповецкого государственного университета • 2017 • №6 25
ной системы и опорно-двигательного аппарата. Приведена логическая модель обрабатываемых данных. Приведено описание упражнения «Руки». Описано музыкальное сопровождение программного обеспечения для эффективного выполнения упражнений и развития музыкальных навыков.
ous and musculoskeletal systems. Vibration sensors and vibration gloves are offered to be used as a feedback device. The software consists of the following sets of subsystems: "Rehabilitation 3D" and "Analysis and Statistics". Synergetic effect is realized in exercises with musical accompaniment of classical music. 5 exercises of diverse complexity are realized: "Figures", "Number", "Dog", "Basketball", "Arms". Software includes music illustrations by Pyotr Tchaikovsky (Children's album for piano), Modest Mussorgsky (Selected pieces for piano), Robert Schumann (Album for the Young for piano). Test checks are successfully passed within the individual correctional and developmental work in the children's rehabilitation center.
Ключевые слова: реабилитация, детский церебральный паралич, опорно-двигательный аппарат, программно-аппаратный комплекс, биологическая обратная связь, база данных_
Keywords: rehabilitation, cerebral palsy, musculoskeletal system, hardware and software system, biofeedback, database
Введение
Дети с заболеваниями центральной нервной системы (ЦНС) и опорно-двигательного аппарата (ОДА) не способны целенаправленно управлять своими движениями. Чаще всего для диагностики и реабилитации детей с заболеваниями ЦНС и ОДА применяются информационные технологии, например, компьютерные тренажеры и игровые комплексы.
Существуют различные способы реабилитации детей с такими заболеваниями:
1) лечебный гимнастика и массаж;
2) развивающие игры;
3) тесты бессознательной реакции (нервной системы) человека;
4) упражнения на мелкую моторику;
5) системы биологической обратной связи.
В лечебную гимнастику и массаж входят:
- развитие реакций выпрямления и равновесия;
- развитие зрительно-моторной координации;
- развитие функции руки и предметно-манипулятивной деятельности;
- торможение и преодоление неправильных поз и положений.
Как правило, развивающие игры направлены на развитие двигательных навыков. Например:
1. Бусины. Ребенку необходимо надевать различные бусины на веревку.
2. Замочки. Ребенку необходимо открывать и закрывать замки различной конструкции.
3. Доска Сегена. Ребенок должен совместить различные картинки, ориентируясь на их форму, размер и цвет.
Тесты бессознательной реакции (нервной системы) человека помогают выявить патологии нервной системы различного характера, при многократном повторении способствуют стабилизации и стимулированию нервной системы и головного мозга. Различают следующие тесты:
1. Пальценосовая проба является одним из самых известных скрининговых методов в неврологическом осмотре и проверяется у каждого пациента. Проба позволяет выявить наличие мозжечковой и других патологий.
2. Проба на выявление адиадохокинеза.
3. Проба Шильдера.
Упражнения на мелкую моторику: пальчиковые упражнения, упражнения на кисти рук, доска Сегена.
Метод биологической обратной связи является одним из наиболее эффективных методов решения проблемы реабилитации [3], [5] и реализован в комплексе биологической обратной связи (БОС), разработанном ЗАО «Биосвязь». Комплекс БОС обрабатывает одновременно сигналы электрической активности мышц (ЭМГ), частоты дыхания (ЧД) и частоты сердечных сокращений (ЧСС). На основе полученных величин формируются мультимедийные сигналы биологической обратной связи, которые представляются визуально на экране монитора компьютера (движение метки, закрашивание столбика, смена слайдов и др.), а также в виде звуковых сигналов (пороговые включение/выключение, изменение тональности и т.п.).
Другой разновидностью устройств реабилитации являются компьютерно-игровые тренажеры (КИТ) [4]. В основу КИТ-технологии положена принципиально новая биотехническая система (БТС) «ВАЛЕО-Д», синергетически формирующая игровую нагрузку ребенка с помощью аппаратных, программных, методических и врачебно-педагогических средств КИТ.
Основная часть
Развитие мелкой моторики, речевых функций и музыкального восприятия у детей с заболеваниями ЦНС и ОДА реализованы в разработанном авторами программно-аппаратном комплексе "ОБ818" [1], [2]. Комплекс обеспечивает развитие мелкой моторики за счет простоты движений кистью и фалангами для соотнесения изображения игрового объекта с положением своих рук, что позволяет формировать базовые движения. В качестве устройства обратной связи имеется возможность использовать вибродатчики (виброперчатки) для повышения тактильной чувствительности, передаваемой непосредственно через пальцы рук. Виброперчатка адаптирована под размер детской руки для возраста от 3 до 10 лет.
Основным измеряемым показателем процесса обучения является время выполнения упражнения одинаковой сложности. Ребенку, при условии сохранения когнитивных способностей в пределах нормы, достаточно 1-2 повторений упражнения для понимания принципа его действия. В дальнейшем он сможет корректно выполнять конкретное упражнение в течение более длительного промежутка времени.
Принцип работы программно-аппаратного комплекса "ОБ818":
1. С помощью датчиков система регистрирует начальное положение рук пациента.
2. Ребенок стоит или сидит перед широкоформатным экраном или изображением от проектора с запущенной программой, держит в руках устройства обратной связи.
3. Программа указывает область на экране (цель), ребенок должен навести к этой области руку с устройством (движение рук ребенка фиксируют датчики).
4. В случае успешного достижения цели на устройство в руке ребенка посылается вибросигнал. Программа меняет местоположение цели, и игра повторяется заново.
Поскольку многим из детей недоступна простота движений кистью и фалангами, модуль предоставляет возможность сосредоточиться на простейшем движении
именно кистью и соотнести игровые объекты и действия с движением рук и пальцев, что позволяет проделать базовые движения на мелкую моторику. Виброперчатка, надетая на руку, исключает неудобство фиксации громоздких виброустройств. 3Б-шлем (для школьников) или смартфон (для дошкольников) позволит совмещать положение руки с восприятием на экране, тем самым прорабатывая основные упражнения-пробы для стимуляции работы ЦНС в условиях задач, приближенных к реальному трехмерному пространству, а также позволит сосредоточиться на игровом процессе, исключив внешние визуальные воздействия.
Разработанное программное обеспечение состоит из двух подсистем: «Реабилитация 3Б» и «Анализ и статистика».
Подсистема «Реабилитация 3Б» предназначена для выполнения специальных упражнений с целью повышения скорости реабилитации детей с заболеваниями ЦНС и ОДА.
После выполнения упражнения подсистема «Реабилитация 3Б» отправляет следующие данные в подсистему «Анализ и статистика»:
- наименование упражнения;
- дата и время проведения занятия;
- время, затраченное на выполнение упражнения;
- точность выполнения упражнения. Точность определяется как отношение минимального расстояния, требуемого для выполнения упражнения и пройденного расстояния пользователем.
Подсистема «Анализ и статистика» предназначена для автоматизации обработки данных, полученных от подсистемы «Реабилитация 3Б» и обеспечивает выполнение следующих функций: просмотр информации о сохраненных объектах, добавление или записи, удаление записи, поиск информации по критериям, автоматическое составление и вывод отчета на печать.
Изменения основных параметров, характеризующих процессы улучшения мелкой моторики и координации движений (время выполнения, точность выполнения и оценка выполнения повторяющегося упражнения) отражаются в виде графиков на отдельных вкладках. Характер изменений свидетельствует о динамике реабилитации пациента, о необходимости продолжения выполнения текущего упражнения или перехода к новому упражнению.
Все данные хранятся в базе данных, структура которой представлена на рис. 1 и описана в таблице.
Таблица
Описание таблиц базы данных
Таблица Описание
DOCTORS Общие сведения о врачах
POSTS Сведения о должностях врачей
PATIENTS Общие сведения о пациентах
DISEASES Список заболеваний
LESSONS Общие сведения о занятиях
EXERCISES Информация об упражнениях
USERS Информация о пользователях
Рис. 1. Структура базы данных программно-аппаратного комплекса
Таблица DOCTORS связана с таблицей POSTS по полю ID и с таблицей USERS по полю ID. В таблице POSTS хранятся данные о должностях врачей, а в таблице USERS - данные о пользователях.
Таблица PATIENTS связана с таблицей DISEASES по полю ID, с таблицей USERS по полю ID и с таблицей DOCTORS по полю ID. В таблице DISEASES хранятся данные о заболеваниях пациентах, в таблице USERS - данные о пользователях, а в таблице DOCTORS хранятся данные о врачах.
Таблица LESSONS связана с таблицей DOCTORS по полю ID, с таблицей EXERCISES по полю ID и с таблицей PATIENTS по полю ID. В таблице EXERCISES хранятся данные об упражнениях, в таблице PATIENTS - данные о пациентах, а в таблице DOCTORS хранятся данные о врачах.
В качестве среды программирования была выбрана VisualStudio 2015 как наиболее удобная среда для программирования на языке C#. Простота и удобство программирования обеспечивается с помощью полнофункционального редактора кода, компилятора, шаблонов проектов, конструкторов, мастеров кода, мощного и удобного отладчика и многих других средств. Разработка велась на программной платформе .NET Framework, которая предоставляет доступ ко многим службам операционной системы и к другим полезным, хорошо спроектированным классам, что существенно ускоряет цикл разработки. При разработке были использованы следующие программные компоненты. MicrosoftXNAFrameworkRedistributable 4.0 в качестве компонентов, отвечающих за графическую часть программы. Для связи с сенсором MSKinect использовались средства разработки SDKKinectforWindowsv1.8. Для сопряжения с контроллером Arduino использовался драйвер ArduinoUno.
В настоящее время реализовано 5 упражнений различной сложности: «Фигуры», «Собачка», «Цифры», «Баскетбол», «Руки».
На рис. 2 представлен экран при выполнении одного из упражнений («Руки»).
Рис. 2. Упражнение «Руки»
Выполнение упражнения предполагает передвижение виртуального макета-кисти руки к цели на экране (мячик). При этом необходимо задеть мячик помеченным пальцем до получения виброотзыва в перчатке.
Для эффективного выполнения упражнений и развития музыкальных навыков музыкальное сопровождение подбиралось из произведений П.И. Чайковского (Детский альбом для фортепиано), М.П. Мусоргского (Избранные произведения для фортепиано), Р. Шумана (Альбом для юношества для фортепиано):
- упражнение «Фигуры»: М.П. Мусоргский «Няня и Я», «В деревне»;
- упражнение «Собачка»: П.И. Чайковский «Детский альбом»: «Немецкая песенка», «Камаринская»;
- упражнение «Баскетбол»: П.И. Чайковский «Детский альбом»: «Мазурка», «Неаполитанская песенка»;
- упражнение «Цифры»: Р. Шуман «Альбом для юношества»: «Пьеска», «Веселый крестьянин, возвращающийся с работы»;
- упражнение «Руки»: Р. Шуман «Альбом для юношества»: «Май, милый май...», «Солдатский марш».
Выполнение каждого упражнения, как правило в течение одной минуты, сопровождается исполнением первого произведения, которое задает ритмичность. Второе произведение исполняется в течение 8-10 с в случае достижения успеха при выполнении упражнения. При неудачном выполнении упражнения первая мелодия постепенно, в течение 10-12 с затихает.
Программно-аппаратный комплекс представлен на рис. 3. Сопряжение положения рук пациента в пространстве и изображения рук на экране монитора осуществляется с использованием устройства Кшес1 В основе внешнего исполнительного устройства-актуатора было решено использовать детскую перчатку. Вибромоторы прикреплены на кончиках пальцев перчатки, на фалангах и в области мышц кисти. Сигналы обратной связи от вибромоторов зависят от типа упражнений: на стимуляцию сенсорики или на стимуляцию двигательной активности пальцев. Устройство содержит четырехканальный приемник сигналов, передаваемых по беспроводному каналу, который настроен на частоту передатчика системы ОеБ15. Электропитание
устройства осуществляется с помощью литий-полимерного аккумулятора, который может быть заряжен по и8Б-интерфейсу от компьютера или сетевого адаптера 5В. Данное устройство-перчатка надевается на руку пациента.
Использование нового типа актуатора-перчатки совместно с 3Б-шлемом виртуальной реальности позволит совмещать положения рук с игровыми объектами в объемном виртуальном пространстве для улучшения стимуляции работы ЦНС.
Рис. 3. Программно-аппаратный комплекс "Gesis"
Заключение
Испытания программно-аппаратного комплекса были проведены в условиях реабилитационного центра «Череповецкий центр психолого-педагогической, медицинской и социальной помощи» специалистом центра - дефектологом в рамках индивидуальной коррекционно-развивающей работы с детьми с ДЦП, а также в четырех детских садах коррекционного типа г. Череповца в группах численностью 10-15 человек и в Детском специализированном психоневрологическом санатории «Тополек».
Результаты испытаний подтвердили возможности комплекса по восстановлению моторики и проприоцептивной чувствительности, развитию мышления и ассоциативных связей, выполнению целенаправленных действий.
Систему планируется адаптировать для мобильных платформ (планшетов и смартфонов), а также планируется создание дополнительных виброустройств для улучшения моторики определенных групп мышц. Также реабилитационный комплекс может быть использован для пациентов с расстройствами движений, с нарушениями функций мозжечка, при гиперкинезах, болезни Паркинсона.
Литература
1. Ершов Е.В, Виноградова Л.Н., Пыж С.В. Программно-аппаратный комплекс для реабилитации детей с заболеваниями нервной системы и опорно-двигательного аппарата // Медико-экологические информационные технологии-2016. Курск, 2016. С. 193-198.
2. Ершов Е.В., Виноградова Л.Н., Пыж С.В. Программно-технические решения для реабилитации детей с заболеваниями нервной системы и опорно-двигательного аппарата // Символ науки. 2016. № 11. С. 55-57.
3. Ивановский Ю.В., Сметанкин А.А. Принципы использования метода биологической обратной связи в системе медицинской реабилитации // Биологическая обратная связь. 2000. № 3. С. 2-9.
4. КИТ-тренажеры // Компьютерно-игровые тренажеры (КИТ). URL: http://kit.insar.org/ in-dex.html (дата обращения 31.05.2017).
5. Шевцов В.И., Скрипников А.А., Шеин А.П. Применение биологической обратной связи по электромиограмме в комплексном лечении больных с центральными гемипарезами // Гений ортопедии. 2007. № 1. С. 142-147.
References
1. Ershov E.V., Vinogradova L.N., Pyzh S.V. Programmno-apparatnyi kompleks dlia reabilitat-sii detei s zabolevaniiami nervnoy sistemy i oporno-dvigatel'nogo apparata [Hardware and software system for children with diseases of nervous and musculoskeletal systems]. Mediko-ekologicheskiie informatsionnyie tekhnologii [Medico-ecological IT]. Kursk, 2016, pp. 193-198.
2. Ershov E.V., Vinogradova L.N., Pyzh S.V. Programmno-tekhnicheskiie resheniia dlia reabili-tatsii detei s zabolevaniiami nervnoi sistemy i oporno-dvigatel'nogo apparata [Hardware-in-the-loop solution for rehabilitation of children with diseases of nervous and musculoskeletal systems]. Simvol nauki [Symbol of science], 2016, no. 11, pp. 55-57.
3. Ivanovskyi I.V., Smetankin A.A. Printsipy ispolzovaniia metoda biologicheskoi obratnoi sviazi v sisteme meditsinskoi reabilitatsii [Foundations of using biofeedback method in medical rehabilitation system]. Biologicheskaia obratnaia sviaz (Biofeedback), 2000, no. 3, pp. 2-9.
4. CGS-simulations [KIT-trenazhery]. Available at: http://kit.insar.org/index.html (accessed 31 May 2017).
5. Shvetsov V.I., Skripnikov A.A., Shein A.P. Primeneniye biologicheskoy obratnoy sviazi po elektromiogramme v kompleksnom lechenii bol'nykh s tsentral'nymi gemiparezami [Application of electrocardiogram biofeedback for partients multiple treatment with central hemiparesis]. Geniy or-topedii [Genius Orthopedics], 2007, no. 1, pp. 142-147.
Ершов Е.В., Виноградова Л.Н., Варфоломеев И.А., Пыж С.В., Осколков В.М., Ершова Т.В. Программное и аппаратное обеспечение для реабилитации детей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата // Вестник Череповецкого государственного университета. 2017. №6 (81). С. 25-32.
For citation: Ershov E.V., Vinogradova L.N., Varfolomeev I.A., Pyzh S.V., Oscolkov V.M., Ershova T.V. Software and hardware for the development of children with diseases of musculoskeletal systems. Bulletin of the Cherepovets State University, 2017, no. 6 (81), pp. 25-32.
