способ стабилометрического исследования двигательной стратегии человека

Формула изобретения

Способ стабилометрического исследования двигательной стратегии человека, заключающийся в последовательном измерении совокупности координат общего центра давления (ОЦД) обследуемого на платформу в системе координат, связанной с платформой или обследуемым, и расчете при каждом измерении мгновенной скорости элементарного смещения ОЦД из начала в конец каждого дискретного отрезка статокинезиограммы, отличающийся тем, что при каждом измерении координат общего центра давления рассчитываются энергозатраты на перемещение общего центра давления за время исследования, определяемые как сумма приращений кинетических энергий тела обследуемого, вычисленных при каждом элементарном перемещении общего центра давления, с частотой дискретизации, обеспечивающей требуемую точность измерений.

Описание изобретения к патенту

Способ позволяет проводить анализ двигательной стратегии человека, в том числе качество функции равновесия, координацию движений и двигательную стратегию, то есть динамику освоения человеком новых двигательных навыков. Предназначен для применения в медицине (ортопедии, неврологии, отоларингологии, наркологии, офтальмологии и др.), в спорте и иных профессиональных областях (допусковый контроль, оценка профессиональной пригодности и т.п.), а также для исследовательских целей в таких областях, как физиология, биомеханика, психология и др.

При стабилометрическом исследовании данные о положении общего центра давления (ОЦД) тела обследуемого на опору в системе координат обследуемого и его двигательной стратегии являются базовыми для медико-биологической интерпретации. Соответственно, изменения координат ОЦД регистрируются в виде физических характеристик, таких как: длина траектории смещения ОЦД за время исследования - статокинезиограмма, скорость смещения ОЦД, площадь статокинезиограммы и др. Эти физические характеристики (таблица) используются в качестве значимых (оценочных) параметров в стандартном стабилометрическом исследовании человека, где для каждого из параметров дается то или иное толкование (Скворцов Д.В. Клинический анализ движений, стабилометрия. - М.: Антидор, 2000. - 189 с.).

Основные параметры стабилометрического исследования по Д.В.Скворцову
Параметр	Обозначение (ед.)
Среднее положение общего центра давления во фронтальной плоскости	Х(мм)
Среднее положение общего центра давления в сагиттальной плоскости	Y(мм)
Среднеквадратическое отклонение общего центра давления во фронтальной плоскости	x(мм)
Среднеквадратическое отклонение общего центра давления в сагиттальной плоскости	y (мм)
Скорость общего центра давления	V (мм/с)
Частота 1-го максимума спектра по фронтальной составляющей	Хf1 (Гц)
Амплитуда 1-го максимума спектра по фронтальной составляющей	Ха1 (мм)
Частота 1-го максимума спектра по сагиттальной составляющей	Yf1(Гц)
Амплитуда 1-го максимума спектра по сагиттальной составляющей	Ya1 (мм)
Уровень 60% мощности спектра во фронтальной плоскости	xf 60% (Гц)
Уровень 60% мощности спектра в сагиттальной плоскости	yf 60% (Гц)
Площадь статокинезиограммы 95%	s95 (мм2)
Отношение длины статокинезиограммы к ее площади	LFS95 (мм-1)

В норме контроль баланса тела в вертикальной стойке при неизменном положении стоп, как полагают, определяется двумя основными стратегиями: голеностопной (Nashner L.M. Strategies for organization of human posture // Vestibular and visual control on posture and locomotor equilibrium.- Basel, N.-Y., 1985.- P.1-8) и тазобедренной (Horak F.B., Nashner L.M. Central Programming of postural movements; adaptation to altered support-surface configuration// J.Neurophysiol. - 1986. - N55. - P.1369-1381). Имеются стратегии с включением коленных суставов. Для объективных характеристик различных двигательных стратегий, классифицированных указанным или иным образом, обычно применяют исчисляемые параметры (таблица) стандартного стабилометрического исследования, которые отражают пространственно-временные характеристики движения ОЦЦ.

Известен способ (RU 2175851 С2, опубл. 20.11.2001), при котором для оценки функции равновесия проводят векторный анализ статокинезиограммы. Полученное облако значений векторов разделяется концентрическими кругами равной площади на несколько зон. Производится подсчет количества вершин векторов, попавших в каждую зону, и относительной частоты вершин векторов в зоне. Затем строят график накопительной зависимости относительной частоты вершин векторов в зоне от порядкового номера зоны. Эта зависимость носит экспоненциальный характер и может быть аппроксимирована по экспоненциальному закону, при этом коэффициент, который определяет крутизну зависимости, принимают за показатель, характеризующий качество функции равновесия и который позволяет получить «разностороннюю информацию о характере движения тела человека при поддержании им статического равновесия».

Недостатком указанного способа является неопределенность физического смысла показателя качества равновесия, что ограничивает его использование в качестве параметра используемого для диагностики при стабилометрическом исследовании.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение информативности обследования (эффективности диагностики) при проведении стабилометрического исследования.

Данное изобретение позволяет анализировать индивидуальные особенности поддержания вертикальной позы (стойки) и свободного (произвольного) или целенаправленного (заданного инструкцией) изменения позы от начальной позиции (стойки) - двигательной стратегии - на основе измерения энергозатрат (механической работы), связанной со смещением центра давления тела на опору.

В отличие от стандартных способов оценки двигательной стратегии, основанных на анализе только пространственно-временных физических характеристик, или в отличие от описанной в RU 2175851 С2 вероятностной характеристики, данный способ учитывает энергию механической работы, которая связана с перемещением ОЦД в плоскости опоры. Для этого при проведении стабилометрического исследования или тренинга, включающего дискретный процесс регистрации последовательных позиций ОЦД в плоскости опоры, измеряется скорость перемещения ОЦД на каждом таком отрезке, масса тела пациента и рассчитывается приращение кинетической энергии, обусловленной этим перемещения ОЦД в плоскости опоры последовательно от позиции к позиции. Сумма этих приращений за время исследования или тренинга и характеризует величину энергозатрат требуемых для измеренного перемещения ОЦД.

С учетом теоремы Котельникова (Котельников В.А. О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи. - Всесоюзный энергетический комитет. // Материалы к I Всесоюзному съезду по вопросам технической реконструкции дела связи и развития слаботочной промышленности. 1933 - репринт статьи опубликован в журнале Успехи Физических Наук, 176:7 (2006), 762-770) при достаточной частоте дискретизации потери полезной информации о параметрах сложного движения ОЦД будут пренебрежимо малы.

Значение мгновенной кинетической энергии тела массой m, движущегося со скоростью Vi, согласно стандартной формуле вычисляется на каждом регистрируемом участке траектории:

Wi=m*Vi ²/2

Величина механической работы, совершаемой телом массой m при смещении ОЦД между двумя последовательными позициями в плоскости опоры во время исследования или тренинга, равна:

Wi₊₁-Wi=m*(Vi₊₁ ²-Vi²)/2

Количество выполненной работы (затраченной энергии) выражается в стандартных показателях - джоулях - и равно:

где n - число проведенных дискретных измерений в процессе исследования или тренинга.

Суммарная энергия, затраченная на поддержание или изменение позы за время проведения исследования или тренинга, вводится как новый показатель, характеризующий энергоемкость усилий обследуемого на поддержание заданной позы или какое-либо ее изменение. По степени затраченных усилий можно судить о двигательной стратегии человека и эффективности поддержания заданной позы или целенаправленного ее изменения. Эффективность в данном случае означает минимизацию затрат энергии на достижение цели при выполнении того или иного двигательного акта. В отличие от стандартных стабилометрических показателей (таких как длина, площадь статокинезиограммы и др.) данный показатель является более чувствительным, поскольку учитывает значение квадрата мгновенных скоростей перемещения ОЦД за время исследования. В отличие от показателей, описанных в RU2175851C2, предлагаемый показатель имеет еще и явно выраженный физический смысл, что позволяет более точно связывать его значение с параметрами анализируемой двигательной стратегии.

Пример

Пример реализации предлагаемого способа иллюстрируется результатом проведенного стабилометрического исследования на серийном стабилометрическом комплексе ST-150 (ТУ 9441-005-49290937-2009).

У обследуемого с нарушением функции зрения, но не имеющего иной патологии; с массой 84,2 кг; при проведении теста Ромберга (двухфазный тест, при котором у человека сравниваются стабилометрические параметры при открытых и закрытых глазах) за 51 секунду получены следующие данные:

- скорость общего центра давления при открытых глазах: 7,31 мм/с;

- скорость общего центра давления при закрытых глазах: 7,0 мм/с;

- площадь статокинезиограммы при открытых глазах: 63,15 мм ²;

- площадь статокинезиограммы при закрытых глазах: 65,26 мм².

Таким образом, различия для показателя скорости в двух фазах теста составили примерно 4,2%; для площади 3,3%. То есть чувствительность этих параметров к изменению важной для поддержания равновесия сигнализации (включение и выключение зрения) сопоставима. При этом энергозатраты (работа по перемещению ОЦД в плоскости опоры) составили соответственно 3,56 Дж и 3,08 Дж. Различие этого показателя для каждой из фаз теста, характеризующее его чувствительность, составило, таким образом 13,5%. Иными словами, описываемый способ анализа двигательной стратегии, по сравнению с обычно применяемыми, обладает значительно большей чувствительностью, что может быть использовано, например, в ранней диагностике той или иной патологии.

Иным примером, подчеркивающим достоинства данного показателя, является оценка двигательной стратегии у двух здоровых, примерно равных по массе и росту испытуемых, выполняющих компьютерный тест «Мишень», где целью является удержание маркера в центре мишени на экране монитора, осуществляемое по принципу визуальной обратной связи с помощью управления собственным центром тяжести в вертикальной двупедальной стойке, где траектория маркера соответствует изменениям ОЦД чертеж.

Успешность удержания маркера в центре мишени оценивается в баллах по определенному алгоритму. Оба испытуемых набрали за 90 секунд теста по 48 баллов. Однако различия в эффективности их двигательных стратегий обнаружились при анализе обсуждаемого показателя (значок Ei на чертеже). Если у первого испытуемого итоговый показатель составил около 85 Дж, то у второго - 213 Дж. Таким образом, для выполнения одного и того же задания с одинаковой успешностью (48 баллов) испытуемые использовали разные двигательные стратегии, характеризуемые различными энергозатратами.