Автоматизированный комплекс регуляции двигательной активности в реабилитации с помощью вибротактильной обратной связи

Д.В. Кутьина, Д.Г. Наконечный, А. Мотайло, Я.И. Пигарева, А.Н. Киселева, В.Б. Казанцев, С.Ю. Гордлеева, А.Я. Каплан, А.С. Пимашкин

Ключевые слова: вибротактильная обратная связь; нейрореабилитация; поверхностная электромиография; восстановление сухожилий.

2017, том 9, номер 4, стр. 36.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2017.9.4.04

Полный текст статьи

html pdf

2502

1975

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

В работе представлена методика использования вибротактильной обратной связи для реабилитации после операции на сухожилиях. Задача состоит в ограничении напряжения мышцы руки с помощью вибротактильной обратной связи без превышения заданного порога силы сокращения для предотвращения разрыва сшитых сухожилий в постоперационном периоде.

Цель исследования — разработать автоматизированный комплекс регистрации миографической активности мышц и вибротактильной стимуляции и алгоритм тактильного информирования пациента в момент превышения силы напряжения мышцы для предотвращения травмы (разрыв восстанавливающегося после операции сухожилия) во время реабилитации.

Материалы и методы. Использовали беспроводную систему, состоящую из одноканального миографа, совмещенного с генератором тактильных импульсов (виброактуатор). Система размещается на предплечье и управляется с удаленного компьютера в ручном и автоматическом режимах с помощью программного комплекса, разработанного в среде MATLAB. Анализ миографического сигнала мышц в реальном масштабе времени позволяет определить силу сокращения. При превышении заданного порога (20% от максимального наблюдаемого) система включает серию (длительностью 200 мс) импульсов вибрации. Такой вибростимул информирует человека о сильном напряжении, после чего он прекращает дальнейшее усилие.

Результаты. Установлено, что вибротактильная обратная связь от миографического сигнала воспринимается человеком во временнóм масштабе сотни миллисекунд и позволяет не превышать заданный порог силы сокращения. Данная биологическая обратная связь наиболее физиологична для человека и может автоматически информировать о нежелательных при реабилитации паттернах сокращений мышц, формируя осознанные нормальные двигательные навыки.

Maaswinkel E., Veeger H.E.J., Dieen J.H. Interactions of touch feedback with muscle vibration and galvanic vestibular stimulation in the control of trunk posture. Gait Posture 2014; 39(2): 745–749, https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2013.10.011.
Štrbac M., Belić M., Isaković M., Kojić V., Bijelić G., Popović I., Radotić M., Došen S., Marković M., Farina D., Keller T. Integrated and flexible multichannel interface for electrotactile stimulation. J Neural Eng 2016; 13: 046014, https://doi.org/10.1088/1741-2560/13/4/046014.
Li K., Fang Y., Zhou Y., Liu H. Non-invasive stimulation-based tactile sensation for upper-extremity prosthesis: a review. IEEE Sensors Journal 2017; 17(9): 2625–2635, https://doi.org/10.1109/jsen.2017.2674965.
Svensson P., Wijk U., Björkman A., Antfolk C. A review of invasive and non-invasive sensory feedback in upper limb prostheses. Expert Rev Med Devices 2017; 14(6): 439–447, https://doi.org/10.1080/17434440.2017.1332989.
Kurzynski M., Jaskolska A., Marusiak J., Wolczowski A., Bierut P., Szumowski L., Witkowski J., Kisiel-Sajewicz K. Computer-aided training sensorimotor cortex functions in humans before the upper limb transplantation using virtual reality and sensory feedback. Comput Biol Med 2017; 87: 311–321, https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2017.06.010.
Liyanagamage S.A., Bertucco M., Bhanpuri N.H., Sanger T.D. Scaled vibratory feedback can bias muscle use in children with dystonia during a redundant, 1-dimensional myocontrol task. J Child Neurol 2017; 32(2): 161–169, https://doi.org/10.1177/0883073816671830.
Giesen T., Calcagni M., Elliot D. Primary flexor tendon repair with early active motion. Hand Clinics 2017; 33(3): 465–472, https://doi.org/10.1016/j.hcl.2017.03.001.
Makarewich C.A., Hutchinson D.T. Tendon transfers for combined peripheral nerve injuries. Hand Clinics 2016; 32(3): 377–338, https://doi.org/10.1016/j.hcl.2016.03.008.
Sammer D.M., Chung K.C. Tendon transfers: part II. transfers for ulnar nerve palsy and median nerve palsy. Plast Reconstr Surg 2009; 124(3): 212e–221e, https://doi.org/10.1097/prs.0b013e3181b037c7.
Dunn J.A., Sinnott K.A., Rothwell A.G., Mohammed K.D., Simcock J.W. Tendon transfer surgery for people with tetraplegia: an overview Arch Phys Med Rehabil 2016; 97(6): S75–S80, https://doi.org/10.1016/j.apmr.2016.01.034.
Starr H.M., Snoddy M., Hammond K.E., Seiler J.G. Flexor tendon repair rehabilitation protocols: a systematic review. J Hand Surg Am 2013; 38(9): 1712–1717.e14, https://doi.org/10.1016/j.jhsa.2013.06.025.
Higgins A., Lalonde D.H. Flexor tendon repair postoperative rehabilitation. Plast Reconstr Surg Glob Open 2016; 4(11): e1134, https://doi.org/10.1097/gox.0000000000001134.
Wangdell J., Bunketorp-Käll L., Koch-Borner S., Fridén J. Early active rehabilitation after grip reconstructive surgery in tetraplegia. Arch Phys Med Rehabil 2016; 97(6): S117–S125, https://doi.org/10.1016/j.apmr.2015.09.025.
Von der Heyde R., Novak C. Rehabilitation of the upper extremity following nerve and tendon reconstruction: when and how. Semin Plast Surg 2015; 29(01): 073–080, https://doi.org/10.1055/s-0035-1544172.
Ahluwalia S.P., Pandey S., Sarad R., Boparai R.S. Flexor tendon repair rehabilitation protocols: a randomized prospective trial of Kleinert protocol compared with Duran protocol J Clin Orthop Trauma 2015; 6(1): 73, https://doi.org/10.1016/j.jcot.2015.01.053.
Tanaka T., Amadio P.C., Zhao C., Zobitz M.E., An K.-N. Flexor digitorum profundus tendon tension during finger manipulation. J Hand Ther 2005; 18(3): 330–338, https://doi.org/10.1197/j.jht.2005.04.001.
Sultana S.S., MacDermid J.C., Grewal R., Rath S. The effectiveness of early mobilization after tendon transfers in the hand: a systematic review. J Hand Ther 2013; 26(1): 1–21, https://doi.org/10.1016/j.jht.2012.06.006.
Kleinert H.E., Kutz J.E., Atasoy E., Stormo A. Primary repair of flexor tendons. Orthop Clin North Am 1973; 4(4): 865–876. Tripp B.L., Faust D., Jacobs P. Elbow joint position sense after neuromuscular training with handheld vibration. J Athl Train 2009; 44(6): 617–623, https://doi.org/10.4085/1062-6050-44.6.617.
Либуркина С.П., Васильев А.Н., Яковлев Л.В., Гордлеева С.Ю., Каплан А.Я. Интерфейс мозг-компьютер на основе представления движений с вибротактильной модальностью стимулов. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова 2017; 67(4): 414–429.
Каплан А.Я. Нейрофизиологические основания и практические реализации технологии мозг-машинных интерфейсов в неврологической реабилитации. Физиология человека 2016; 42(1): 118–127, https://doi.org/10.7868/s0131164616010100.

Kutyina D.V., Nakonechny D.G., Motailo A., Pigareva Ya.I., Kiseleva A.N., Kazantsev V.B., Gordleeva S.Yu., Kaplan A.Ya., Pimashkin A.S. Automated Complex of Motion Control Based on Vibrotactile Feedback for Rehabilitation. Sovremennye tehnologii v medicine 2017; 9(4): 36, https://doi.org/10.17691/stm2017.9.4.04