Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Компьютерная диагностика двигательной активности пальцев руки человека на основе биомеханического моделирования

ВАК РФ 03.01.09, Математическая биология, биоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Компьютерная диагностика двигательной активности пальцев руки человека на основе биомеханического моделирования"

На правах рукописи

Гринягин Иван Владимирович

КОМПЬЮТЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ПАЛЬЦЕВ РУКИ ЧЕЛОВЕКА НА ОСНОВЕ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

03.01.09 - Математическая биология, биоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

3 О ИЮН 2011

Москва, 2011

4851 мУ

4851119

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию».

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор Научный консультант: кандидат физико-математических наук, ст.н.с.

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор доктор медицинских наук, профессор Ведущая организация: ГОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (г. Курск).

Защита состоится «_»_2011 года в «_» часов на заседании

диссертационного совета Д 208.072.09 при ГОУ ВПО РГМУ Росздрава России по адресу: 117997 Москва, ул. Островитянова, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО РГМУ Росздрава по адресу: 117997 Москва, ул. Островитянова, д. 1.

Автореферат разослан «_»_2011 г.

Зарубина Татьяна Васильевна

Бирюкова Елена Владимировна

Соколов Михаил Эдуардович Турбина Лидия Григорьевна

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор медицинских наук, профессор Губский Леонид Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Распространенность повреждений кисти составляет 30 - 57% от всех повреждений опорно-двигательного аппарата [Волкова A.M., 1996; Нельзина З.Ф., 1994], среди причин инвалидности 12,5% вызваны травмами кисти [Волкова A.M., 1996]. У пациентов, потерявших возможность выполнения полноценных движений пальцами, резко снижается качество жизни, они ограничены в выборе профессиональной деятельности. В настоящее время оценка возможности выполнения того или иного движения пальцами руки пациентов в клинике осуществляется по субъективному ощущению врача. При этом ошибка диагностики, например в травматологических отделениях, составляет, по данным литературы, 37% [Коршунов В.Ф., 2005]. На основе результатов диагностики принимается решение о проведении операции, осуществляется оценка ее результатов и проводимых реабилитационных мероприятий. Решить проблему может помочь создание объективной численной оценки, основанной на регистрации движения отдельных фаланг при помощи систем записи. Эти системы определяют положение, то есть координаты и эйлеровы углы, датчиков, прикрепленных к фалангам, в каждый момент времени. Клиническая интерпретация таких данных затруднительна и может быть преобразована в более понятные показатели, а именно: значения суставных углов, скоростей и ускорений при помощи математических моделей, определяющих способ расчета кинематики и динамики движений. Клиническая интерпретация полученных биомеханических показателей может быть основана на анализе их различий при патологическом и нормальном движении.

Применение биомеханических показателей с целью исследований отдельных патологических состояний встречается в литературе, однако существующие модели не использовались в клинической практике для оценки движений во всех суставах пальцев. Описание критериев различия нормального и патологического движений, основанных на биомеханическом анализе, в

литературе не приводится. Для регистрации движений в исследовательских целях используются различные системы: оптические, электромагнитные, с гониометрами (датчиками суставных углов), но каждая из систем имеет свою точность и ограничения, так что единой системы для ежедневной клинической практики не предложено. Существующее программное обеспечение, позволяющее рассчитывать биомеханические показатели по записанным данным, применяется только в исследовательских целях, а не для решения повседневных медицинских задач, так как сложно в обращении и для интерпретации полученных результатов.

Цель исследования

Целью работы является разработка метода компьютерной диагностики двигательной активности пальцев руки человека на основе биомеханического моделирования, который предоставляет врачу возможность получать численные оценки движений пальцев.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать кинематическую и динамическую модель кисти руки человека и адаптировать к применению в клинической практике, с учетом точности производимых расчетов.

2. Определить биомеханические показатели, пригодные для оценки функционального состояния пальцев в норме и при патологии.

3. Разработать подходы к клинической интерпретации полученных биомеханических показателей.

4. Разработать компьютерную систему диагностики движений пальцев для отделения хирургии кисти и реабилитационного отделения и внедрить ее в клиническую практику.

Научная новизна работы

Впервые в России в клинической практике применена биомеханическая модель, позволяющая изучать кинематику и динамику движений всех суставов пальцев руки человека.

Определены биомеханические показатели, позволяющие разделить нормальное и патологическое движение. Описаны подходы к их клинической интерпретации, пригодные для широкого ряда патологических состояний пальцев.

Разработана компьютерная система, позволяющая в клинической практике оценивать степень нарушения или восстановления движения пальцев пациентов, опираясь на численные показатели.

Положения, выносимые на защиту

Для вычисления кинематики и динамики движений пальцев в проксимальных суставах достаточно использовать модель с ортогональными осями, скрещивающимися на расстоянии 1 см друг от друга.

Сравнение численных значений объема движений, временной развертки суставных углов, скоростей и суммарных моментов мышечных сил пальца больной руки и аналогичного пальца здоровой руки позволяет оценить степень нарушения и/или восстановления движения.

Компьютерный программно-аппаратный комплекс для вычислений параметров движений по данным системы электромагнитной регистрации движений с использованием разработанного протокола обследований может быть использован в ежедневной клинической практике травматологического и реабилитационного отделений.

Практическая значимость работы Разработанный метод компьютерной диагностики пальцев руки человека позволяет врачу:

количественно оценить степень нарушения движений пальцев пациента,

поступающего на плановое лечение;

- количественно оценить степень восстановления движений после медицинского вмешательства;

- проследить динамику восстановления двигательной функции в послеоперационный период;

скорректировать, при необходимости, проводимые реабилитационные мероприятия.

Внедрение в практику

Разработанный метод функциональной диагностики двигательной активности пальцев руки используется в клинической практике 1-го травматологического отделения ГКБ №4 г. Москвы, отделения реабилитации Института Неврологии РАМН.

Апробация работы

Материалы диссертации изложены и обсуждены на II международной конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности (г. Москва, факультет фундаментальной медицины МГУ им. М.В.Ломоносова, 29 января -1 февраля 2003); на международной конференции Progress in motor control IV (Université de Caen Basse-Normandie, Франция, 20-23 августа 2003), на конференции, посвященной 40-летию медико-биологического факультета РГМУ (Москва, 5 декабря 2003); на VII всероссийской конференции по биомеханике «Биомеханика 2004» (Нижний Новгород, 24 - 28 мая 2004); на 1П Всероссийской с международным участием школе-конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, ФФМ, 1-4 февраля 2005); на конференции «Биомеханические и нейросетевые модели двигательного управления» (ИВНДиНФ РАН, 5 апреля 2006); на IV Всероссийской с международным участием школе-конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности «Инновационные направления в физиологии двигательной системы и мышечной деятельности» (Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, ФФМ, 31 января - 3 февраля 2007); на международном симпозиуме «Информационные технологии и общество 2007» (24 апреля - 1 мая 2007, Тель-Авив, Израиль); на II Всероссийской конференции по управлению движениями (Петрозаводск, 30 января - 1 февраля 2008 г.), на научных семинарах

кафедры медицинской кибернетики и информатики ГОУ ВПО РГМУ Росздрава (Москва, 2004-2011 гг.).

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания использованных материалов и методов исследований, результатов и их обсуждения, заключения, выводов, практических рекомендаций и приложений. Список литературы включает 164 источников, из них 17 на русском языке и 147 на иностранных языках. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, иллюстрирована 65 рисунками и 11 таблицами, снабжена 4 приложениями.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор данных литературы. Приводится распространенность повреждений кисти и их значимость, описаны существующие подходы к изучению патологических измененных движений в клинике. В главе указано оборудование для регистрации движений пальцев, которое применяется в исследовательских целях, особенности его использования и точность производимых измерений. Большая часть главы посвящена описанию подходов к моделированию движений пальцев руки человека: кинематики, динамики, функционирования мышечного аппарата, особенностей управления движением в норме и при патологических состояниях.

Вторая глава содержит описание исследований и клинических экспериментов, проведенных для решения поставленных задач, описание математических методов расчета (моделей) кинематики и динамики движений,

методов выявления статистически значимых зависимостей, перечисление использованных сред программирования и программного обеспечения.

Выбор кинематической и динамической модели пальцев, применимых в клинической практике. Для выбора кинематической и динамической модели пальцев руки требуется уточнить количество степеней свободы и положение осей вращения в проксимальных суставах, так как в настоящее время в литературе нет единого мнения о способах их описания. Также необходимо проверить точность расчета моделей с выбранными параметрами суставов. Для этого было проведено исследование, в котором приняли участие пять испытуемых-правшей в возрасте от 24 до 60 лет обоего пола без нарушения движений пальцев. К пальцам и тыльной стороне кисти присоединялись датчики электромагнитной системы регистрации движения (Рисунок 1). Система регистрирует положение каждого датчика относительно неподвижной базы, которое описывается тремя координатами и тремя Эйлеровыми углами. Испытуемых просили последовательно производить движения сгибания-разгибания, приведения-отведения и круговое вращение в запястно-пястном суставе большого пальца и в пястно-фаланговых суставах указательного пальца и мизинца. При этом движения в других суставах пальцев были заблокированы фиксирующей планкой.

Рисунок 1. Положение датчиков при записи движений в запястно-пястном суставе большого пальца.

При помощи метода главных компонент определялось количество степеней свободы в суставах, то есть количество независимых переменных,

которые позволяют достаточно точно рассчитать кинематику движения. Каждая степень свободы в последующих расчетах была принята за ось вращения в суставе.

При помощи метода наименьших квадратов с оценкой ошибки прямой кинематики определялось положение осей вращения в суставах для каждого испытуемого. Этот метод ранее использовался для описания движений в суставах рук. Универсальность модели для описания кинематики движений разных испытуемых и ошибка расчета прямой кинематики являлись основными критериями выбора модели.

На основе полученных результатов исследования была выбрана модель расчета кинематики движения.

По рассчитанной кинематике движения с использованием уравнений Лагранжа в тензорной форме вычислялись суммарные моменты сил в суставах. Подобный способ расчета уже применялся для расчета динамики пальцев [Biryukova E.V., Yourovskaya V.Z., 1994].

Рисунок 2. Обозначения, используемые при расчете осей вращения в суставе. А - угол между осями вращения в суставе, Б - расстояние между осями вращения, г1г/ и г2„ - положение и а>11У и а>2п - ориентация осей вращения в суставах относительно датчиков системы регистрации, размещенных на соседних фалангах.

м,

Затем определялась чувствительность модели расчета скоростей, ускорений и суммарных моментов мышечных сил к расстоянию и углу между осями вращения в суставах, показанных на рисунке 2. Расстояние между осями изменялось от 0 до 1 см, угол между осями изменялся от 80° до 100°. Чувствительность вычислялась как отношение максимального стандартного отклонения к максимальному изменению суставного момента (Формула 1, Рисунок 3).

r = maxAa400% (D max Av

На основе полученных результатов исследования была выбрана модель расчета динамики движения.

Круговое движение

Рисунок 3. Среднее значение и стандартное отклонение суставной скорости, рассчитанные по модели при разных значениях расстояния и угла между суставными осями. Рисунок приведен для одной попытки испытуемого ГИВ; ТМС сустав, ось сгибания-разгибания.

Биомеханические критерии отличия патологического движения от нормы. Изучение кинематических (суставные углы) и динамических (угловые скорости, ускорения и суставные моменты) показателей у пациентов с нарушениями функций пальцев проводилось в 1-м травматологическом отделении 4-й городской больницы г. Москвы, которое специализируется на хирургии кисти.

В исследование включались пациенты, поступившие в течение года на плановые операции, со следующими патологическими состояниями: контрактуры, повреждение и заболевания сухожилий, вывихи и повреждения суставов, заболевания кисти (воспалительные, опухолевые, трофоневротические процессы).

Всего в исследовании приняли участие 17 испытуемых обоего пола в возрасте от 20 до 61 года. Обследование каждого пациента проводилось один раз до операции, 1-2 раза после операции перед выпиской из стационара, и при каждом последующем плановом осмотре с интервалом в один месяц.

Пациентам устанавливались датчики электромагнитной системы регистрации движения, которые прикреплялись ко всем фалангам исследуемого пальца и к тыльной стороне кисти.

Для обследования травматологических больных был разработан следующий протокол. Выполнялись пассивные движения сгибания-разгибания и приведения-отведения последовательно в каждом суставе пальца больного (выполняются врачом) от полного разгибания/отведения до полного сгибания/приведения. Затем пациент выполнял активные движения больным пальцем от положения полного разгибания (во всех суставах) до полного сгибания в кулак. Аналогичные пассивные и активные движения производились в здоровом пальце. Каждое движение повторялось в течение 10 сек, пока шла регистрация. Сравнение активных и пассивных движений позволяет разделить проблемы функционирования мышечного аппарата и патологическое состояние самого сустава. Запись движений больного и здорового пальца позволяет сравнивать индивидуальную норму с патологическим движением.

В третьей главе представлены результаты исследований и их обсуждение.

Выбор кинематической и динамической модели пальцев руки человека. При выполнении круговых движений в проксимальных суставах пальцев две первые главные компоненты описывают 97%-99% общей дисперсии координат

и углов для всех проксимальных суставов пальцев, т.е. нами показано, что суставы имеют по две степени свободы. Одна степень свободы в используемой далее модели принята за вращение вокруг оси сгибания-разгибания, а вторая -вокруг оси приведения-отведения. Минимум ошибки прямой кинематики для разных испытуемых достигается при значительно различающихся значениях расстояния и угла между осями вращения в суставах. Однако, если принять оси в исследованных суставах за ортогональные и скрещивающиеся на расстоянии 1 см друг от друга, то ошибка расчетного положения датчика по координатам составляет не более 0.1 см, а по углам не более 1°. По рассчитанной кинематике движения с использованием уравнений Лагранжа в тензорной форме вычисляются суммарные моменты сил в суставах. Нами было показано, что динамические характеристики движений незначительно зависит от параметров суставов.

Таким образом, была выбрана следующая модель расчета кинематики движения [Biryukova E.V., 1994], как достаточно точная для применения в клинической практике. Фаланги пальцев приняты за цилиндры, соединенные между собой идеальными шарнирами. Межфаланговые суставы пальцев описываются как одноосный шарнир, пястнофаланговые суставы пальцев и запястно-пястный сустав большого пальца приняты за двуосные шарниры с ортогональными и скрещивающимися на расстоянии 1 см осями. Оси сгибания-разгибания каждого пальца приняты параллельными друг другу.

Принятая модель описания кинематики и динамики пальцев может применяться в случае отсутствия повреждения суставных поверхностей и связок (например, при вывихе/неправильно сросшихся переломах). В противном случае необходимо производить индивидуальный расчет положения осей в суставах.

Биомеханические критерии отличия патологического движения от нормы

Из литературы известно, что объем движения в суставах у здоровых людей зависит от возраста, пола, врожденных особенностей, рода деятельности [Могкт С.С., 2003]. Мы показали, что вклад в объем движение пальца у каждого отдельного сустава также индивидуален. В связи с индивидуальностью объема движений для различий нормы и патологии необходимо сравнивать движения одного и того же пальца здоровой и больной руки, так как разница между руками обычно принимается статистически незначимой и составляет около 1°-2° [Ыогкт С.С., 2003].

1. Первый показатель, который характеризует патологическое движение -это объем движений. С применением разработанного метода у врача впервые появляется возможность оценивать объем движений в отдельных суставах, а не пальца в целом. На рисунке 4 показаны объемы движения в каждом суставе пациента МАВ с застарелым повреждением сухожилия сгибателя в норме (белые столбики) и при патологии (черные столбики). Видно, что объем патологических движений значительно снижен: в дистальном суставе 6% от нормы, в проксимальном межфаланговом суставе - 18%, в пястно-фаланговом - 74%.

DIP PIP MCP

Рисунок 4. Объем движений в суставах 3-го пальца в норме (белые столбики) и при наличии застарелого повреждения сухожилий сгибателей (черные столбики). Пациент MAB. DIP - дистальный межфаланговый сустав, PIP - проксимальный, MCP - пястно-фаланговый сустав.

Процентное отношение объема движения патологически измененного сустава к здоровому - является численной оценкой выраженности патологии.

В повседневной жизни для выполнения 90% всех необходимых движений люди используют порядка 60% максимального объема движений в проксимальных суставах и 39% дистальных суставов [Ыогкт С.С., 2003]. Для большого пальца - 21% в пястно-фаланговом суставе, 18% в межфаланговом. Снижение объема движения хотя бы в одном суставе ниже указанных пороговых значений можно считать признаком патологии, ухудшающих качество повседневной жизни с оценкой чувствительности 89% (95%-й доверительный интервал от 70% до 98%).

Однако, для выполнения трудовых обязанностей необходимость сохранения 100% объема движения зависти от рода деятельности пациента. В этом случае, определение достаточности восстановления объема движения пальцев остается на усмотрение врача и пациента. С использованием разработанного метода врач получает возможность оценки динамики восстановления движения для корректировки проводимых лечебно-реабилитационных мероприятий.

2. Кроме объема движений важным показателем является синхронизация движений в суставах. Так как пальцы приводятся в движение многосуставными мышцами, при их нормальном функционировании изменения суставных углов синхронны (рисунок 6а). Отсутствие движения или наличие противоположно направленного движения в одном из суставов является признаком патологии и не встречается в норме и может служить оценкой нарушения двигательной функции мышц, приводящих в движение асинхронный сустав с с оценкой чувствительности 100% (95%-й доверительный интервал от 80% до 100%).

В качестве примера, на рисунке 66 приведены развертки по времени суставных углов большого пальца пациента БЮР, поступившего на операцию по поводу филиноза пястно-фалангового сустава указательного пальца. Движения в дисталыюм межфаланговом асинхронны с движениями в других

суставах. Это связано с разрывом поверхностного сгибателя, что было установлено интраоперационно. Движения межфалангового сустава, лишившегося разгибателя, происходили по инерции.

120

150

at

&

8

130 110 ээ

-10

-30

50

30 10

70

75 149 223 237 371 445 613 •10'2, с

а)

б)

Рисунок 6. Временная развертка суставных углов большого пальца по времени у больного БЮР, поступившего на операцию по поводу филиноза пястно-фалангового сустава указательного пальца: угол в суставе MCP (черные), в суставе PIP (серые), в суставе DIP (светло-серые), а) здоровый палец, б) больной палец до операции.

3. Суставные скорости и ускорения. По сравнению с объемом движений суставные скорости и ускорения позволяют анализировать отдельно сгибание и разгибание, то есть отражают основную функцию мышц сгибателей и разгибателей.

В норме развертка скорости по времени имеет следующий вид: кривая с одним положительным участком больше нуля и выраженным пиком при сгибании, промежуток в районе нуля при остановке движения, и один отрицательный участок с выраженным пиком — при разгибании (Рисунок 7).

Наличие спаечных процессов, постоянное натяжение сухожилия создают дополнительное препятствие для работы мышц, движение происходит рывками. Наличие нескольких сопоставимых по амплитуде пиков, при сгибании или разгибании является признаком патологии с оценкой чувствительности 100% (95%-й доверительный интервал от 80% до 100%).

300 200 100

I 0

1

"во

-200 -300 <00

J>k

51 101 «1 201

361

10"

300 200

100

i О

L

-100 -200 -300

51 101 151 201 251 301

501

а) б)

Рисунок 7. Суставные скорости здорового указательного пальца левой кисти (а) пациента КЕВ и пальца с повреждением длинного сгибателя большого пальца (б). IP - светло-серый, MCP - серый, ТМС - черный.

4. Динамика вносит дополнительную информацию о работе мышц по сравнению с кинематикой, так как учитывает движение фаланг по инерции и силу реакции, возникающей при движении. То есть при движении более дистальной фаланги мышцам, действующим на проксимальную фалангу нужно создавать усилие, чтобы удержать ее на месте.

Суставные моменты позволяют анализировать отдельно разгон и торможение движения.

В норме развертка суммарных мышечных сил по времени при сгибании имеет следующий вид: кривая с положительным участком и одним выраженным пиком при разгоне, и отрицательный участок с одним выраженным пиком - при торможении. Затем промежуток кривой, колеблющейся возле нуля, соответствующий остановке движения. При разгибании положительные и отрицательные части кривой меняются местами (Рисунок 86).

Наличие нескольких сопоставимых по амплитуде пиков, при разгоне или торможении является признаком патологии с оценкой чувствительности 100% (95%-й доверительный интервал от 80% до 100%). На рисунке 8 показаны

моменты сил в суставах указательного пальца при его сгибании-разгибании для пациента КАИ с застарелым повреждением общего разгибателя пальцев (ЕВС).

Рисунок 8. Суставные моменты при сгибании-разгибании указательного пальца пациента КАИ с застарелым повреждением общего разгибателя пальцев: MCP - черные, PIP - серые, DIP - светло-серые, а) до операции; б) на 7-й день после операции.

Несмотря на сохранность сгибателей (FDS и FDP), до операции (рисунок 8а) сгибание было затруднено из-за постоянного натяжения сухожилий разгибателя. На 7-й день после операции (рисунок 86) по восстановлению сухожилий, кривые суставных моментов приобрели плавный вид, близкий к норме.

Автоматизированная система диагностики двигательной активности пальцев руки человека. Для использования предложенного метода диагностики пальцев в отделениях травматологии-ортопедии и реабилитации была создана автоматизированная система. Система включает в себя аппаратную и программную часть. Аппаратная часть состоит из персонального IBM-совместимого компьютера и электромагнитной системы MiniBirds™ с 4-мя датчиками. Система регистрирует положение датчиков относительно неподвижной базы.

«10"\с

а)

б)

Рисунок 9. Структура программы HAFMAN для автоматизированной диагностики.

По моделям, использованным в диссертации, нами был создан пакет программ НАРМАК Пакет программ позволяет хранить общую информацию о пациенте, содержит в себе модуль записи движений, модули расчета соответствующих биомеханических показателей, представляет результаты расчетов в виде сводных графиков и диаграмм, позволяя сравнить показатели до и после операции, а также со здоровым пальцем (рисунок 9).

Через модуль управления осуществляется доступ к информации обо всех обследованиях всех пациентов, в том числе отображаются данные истории болезни соответствующего пациента, результаты всех обследований пациента в вилле графиков и диаграмм.

Управляющий модуль позволяет запустить модуль обследования нового пациента либо модуль нового обследования пациента. Модуль обследования нового пациента позволяет внести данные из истории болезни. Затем модуль автоматически запускает новое обследование пациента. Модуль также обеспечивает распечатку информированного согласия пациента.

Модуль обследования пациента позволяет ввести индивидуальные параметры пальца пациента и производит запись движений с описанной ранее

16

аппаратуры. В процессе обследования пользователю последовательно выводятся описания движений, которые должны производиться в соответствии с разработанным протоколом.

Рмуктдты I

Рисунок 10. Интерфейс управляющего модуля программы HAFMAN. Вывод результатов обследования пациента.

Затем автоматически запускается модуль расчета биомеханических показателей. Расчеты проводятся в автоматическом режиме для всех вновь записанных данных. Модуль построения графиков перестраивает диаграммы и временные зависимости по данным всех обследований (всех пальцев и всех дат записи). Строятся следующие графики (рисунок 10): диаграммы амплитуды изменения угла, скорости, ускорения, суммарного момента сил в отдельных суставах для всех дат записи с указанием процента от нормы; временные зависимости суставного угла, скорости, ускорения, суммарного момента сил.

Клиническое заключение врач может внести в графу «Записи движений, дата, комментарии» в выводимых данных о пациенте непосредственно в окне управляющего модуля программы.

Выводы

1. Показано, что движения в проксимальных суставах пальцев могут моделироваться как вращения вокруг ортогональных пересекающихся осей. При этом точность расчета кинематики модели составляет 1° и 1 мм, а ошибка расчета динамики незначительно зависит от выбора параметров модели и, следовательно, выбранная модель может применяться в клинической практике.

2. На основе модели получены биомеханические показатели движения пальцев: суставные углы, скорости, ускорения и суммарные моменты сил в суставах. Суставные углы позволяют количественно оценить выраженность патологического отклонения в движении по изменению абсолютных значений. Биомеханические показатели позволяют проводить ранее недоступную врачу оценку: объема движения в отдельных суставах, оценку синхронизации движений в суставах, оценку раздельно сгибания и разгибания каждого сустава, оценку раздельно разгона и торможения движения.

3. Для обследования пациентов в отделениях травматологии-ортопедии и реабилитации был разработан протокол обследования больных, позволяющий проводить клиническую интерпретацию биомеханических критериев: разделить причины нарушения движений (патология сустава или мышц); сделать предположение о том, функция какой мышцы нарушена; какая функция мышц нарушена (разгон/торможение движения).

4. Для использования моделей в клинической практике был разработан пакет программ, позволяющий в автоматическом режиме проводить обследование двигательной активности пальцев пациента до и после операции на пальцах и в процессе реабилитации.

5. Разработан метод диагностики двигательной активности пальцев руки для использования в отделениях травматологии-ортопедии и реабилитации. Описаны биомеханические основы метода, предложена техническая реализация метода, созданы средства расчета оцениваемых параметров, описаны методика работы с пациентами и подходы к клинической интерпретации полученных результатов.

Практические рекомендации

Разработанный метод компьютерной диагностики двигательной активности пальцев руки предназначен для 1) использования в ежедневной клинической практике с целью численной и более широкой оценки движений пальцев пациента, нежели стандартно применяемые методы, 2) для научных исследований в области управления движениями с целью выявления различий между патологическими и нормальными движениями, различий в движениях при разных патологиях, выделения «патологической нормы» для отдельных заболеваний. Разработанный метод может применяться в различных клинических дисциплинах, в случае необходимости анализа движения пальцев: в неврологии (при инсультах, церебральных параличах и т. д.), в ортопедии (для оценки адекватности проведенной операции по замене сустава), в хирургии (при восстановлении нервов, мышц, сухожилий, диагностике остеоартрозов, артритов).

Описанный в диссертации подход к исследованию патологических движений может применяться для разработки методов компьютерной диагностики движений верхних и нижних конечностей в целом.

Созданный пакет программ может применяться в клинике для оценки движений пальцев руки в любых клинических дисциплинах, где требуется подобная оценка. Пакет программ предназначен для работы только с системами записи движений Ascension Technology с четырьмя датчиками. Проверка совместимости пакета программ с оборудованием проводилась с использованием систем FlockOfBirds0 и MiniBirds®. Фрагмент руководства по работе с программным средством описан в п. 3.6 диссертации.

Клиническую интерпретацию полученных результатов обследования пациента могут проводить только совместно врач-невролог или врач-хирург, в зависимости от области применения, и специалист в области управления движениями человека (биомеханика, физиология). Примеры клинической интерпретации результатов обследования приведены в п.п. 3.4, 3.6 диссертации.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Гринягин И.В., Бирюкова Е.В., Майер М. Адаптивность точностного схвата к изменению амплитуды движения. //Материалы конференции. II международная конференция по физиологии мышц и мышечной деятельности I национальная школа по миологии. - 2003. - С.74.

2. Гринягин И.В., Бирюкова Е.В., Майер М.А. Кинематические и динамические синергии точностного схвата. //Материалы конференции. Научная конференция молодых ученых. - 2003. - С.17-18.

3. Grinyagin I.V., Biryukova E.V., Maier М.А. Kinematic and dynamic synergies of the précision grip. //Progress in motor control IV. - 2003. - P.92.

4. Гринягин И.В., Бирюкова E.B., Майер М.А. Гибкие синергии точностного схвата. //Материалы конференции. Биомеханика 2004. VII всероссийская конференция по биомеханике. - 2004. - С. 104-105.

5. Гринягин И.В., Бирюкова Е.В., Майер М.А., Киликовский В.В. Кинематические и динамические синергии точностного схвата. //Вестник Российского Государственного Медицинского Университета. №3(34). -2004.-С.207.

6. Grinyagin I.V., Biryukova E.V., Maier М.А. Kinematic and dynamic synergies of human precision-grip movements. //J. of Neurophysiology. №10.1152/jn.01310.2004. -2005. -C.2284-2294.

7. Гринягин И.В., Бирюкова E.B., Фролов A.A Чувствительность биомеханической модели пальцев руки человека к выбору осей вращения в суставах. //Материалы конференции. Биомеханические и нейросетевые модели двигательного управления. - 2006. - С.4-5.

8. Гринягин И.В., Бирюкова Е.В. Биомеханическое исследование функционирования мышц большого и указательного пальцев. //Материалы IV Всероссийской с международным участием школы-конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности "Инновационные направления в физиологии двигательной системы и мышечной деятельности». - 2007. -С.87.

9. Гринягин И.В., Бирюкова Е.В. Зарубина Т.В. Математическое моделирование работы мышц при травматическом повреждении пальцев. //Материалы международного симпозиума «Информационные технологии и общество 2007», - 2007. - С.83-84.

Ю.Биомеханический анализ движений пальцев травмированной кисти как метод функциональной диагностики. /Е.В. Бирюкова, А.А. Фролов, Гринягин И.В. и др. //Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. №2 - 2010. - С.70-77.

11 .Биомеханический анализ движений травмированной кисти (опыт клинического применения). / Е.В. Бирюкова, А.А. Фролов, Гринягин И.В. и др. //Российский медицинский журнал №2. - 2010. - С. 14-19.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Принятые обозначения суставов:

ТМС - trapeziometacarpal, запястно-пястный сустав большого пальца;

IP - межфаланговый сустав большого пальца;

МСР - пястно-фаланговый сустав пальцев с 1-го по V-й;

PIP - проксимальный межфаланговый сустав пальцев со Н-го по V-й;

DIP - дистальный межфаланговый сустав пальцев со Н-го по V-й.

Принятые обозначения мышц: FDP, flexor digitorum profundus FDS, flexor digitorum superficialis EDC, extensor digitorum communis. EPB, extensor pollicis brevis FPB, flexor pollicis brevis FPL, flexor pollicis longus EPL, extensor pollicis longus

Заказ № 70-А/06/2011 Подписано в печать 14.06.2011 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 )) www.cfr.ru; е-таН:т/о@с/г.ги

Содержание диссертации, кандидата медицинских наук, Гринягин, Иван Владимирович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Распространенность повреждений кисти и их значимость.

1.2 Изучение патологически измененных движений в клинике.

1.3 Оборудование для записи кинематики пальцев.

1.4 Проблемы оценки функционального состояния пальцев руки человека с использованием математического моделирования.

1.5 Описание движения в отдельных суставах пальцев руки человека.

1.5.1 Анатомическое строение суставов кисти.

1.5.2 Функциональные модели суставов кисти.

1.6 Модели функционирования мышечного аппарата пальцев.

1.6.1 Динамические модели пальцев руки человека.

1.6.2 Физиологические закономерности мышечного сокращения.

1.6.3 Описание функций мышц, принятое в анатомии и физиологии.

1.7 Модели нервного управления движениями пальцев.

1.7.1 Кинематические синергии.

1.7.2 Связь между кинематическими и динамическими синергиями.

1.7.3 Адаптация движения к изменяющимся внешним условиям.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

2.1 Определение положения осей вращения в суставах.

2.1.1 Регистрация движений пальцев.

2.1.2 Калибровка оборудования.

2.1.3 Постановка эксперимента

2.1.4 Расчет количества степеней свободы в суставах.

2.1.5 Метод определения положения осей вращения.

2.2 Эксперименты, проведенные для исследования адаптации кинематических и динамических синергий точностного схвата к изменяющимся условиям движения у здоровых испытуемых.

2.2.1 Постановка эксперимента.

2.2.2 Методы описания кинематических и динамических синергий.

2.3 Методы выявления статистически значимых зависимостей и использованное программное обеспечение.

2.3.1 Каноническая корреляция.

2.3.2 Простая линейная корреляция Пирсона (г).

2.3.3 Дисперсионный анализ.

2.3.4 Использованные среды программирования и программы.

2.4 Эксперименты, проведенные для исследования биомеханических параметров движения у пациентов с различными патологиями пальцев.

2.4.1 Регистрация движений.

2.4.2 Характеристика больных.

2.4.3 Постановка исследования.

2.4.4 Обработка записанных данных.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1 Положение осей вращения в суставах пальцев.

3.1.1 Расчет количества степеней свободы и параметров суставов пальцев.

3.1.2 Влияние выбора параметров суставов на точность расчета кинематики движения.

3.1.3 Влияние выбора параметров суставов на точность расчета суставных моментов.

3.1.4 Биомеханическая модель пальцев руки.

3.2 Модель функционирования мышц пальцев.

3.2.1 Чувствительность модели к выбору осей вращения в суставах.

3.2.2 Чувствительность модели к выбору точек прикрепления мышц.

3.2.3 Адекватность модели и ее эвристические возможности.

3.3 Кинематические и динамические синергии точностного схвата и их адаптация к изменяющимся условиям движения у здоровых испытуемых.

3.3.1 Синергии точностного схвата.

3.3.2 Адаптация синергий к апертуре движения.

3.3.3 Адаптация синергий к скорости движения.

3.3.4 Особенности организации двигательных синергий у здоровых испытуемых при разных условиях движения.

3.4 Клиническая интерпретация кинематических и динамических параметров движенияЮЗ

3.4.1 Суставные углы.

3.4.2 Координация движений в суставах.

3.4.3 Суставные скорости и суставные ускорения.

3.4.4 Суммарные моменты мышечных сил в суставах.

3.5 Разработка пакета программ для определения функционального состояния пальцев руки человека.

3.6 Внедрение метода функциональной диагностики двигательной активности пальцев руки в клиническую практику травматологического отделения.

3.6.1 Рабочее место врача, проводящего исследование.

3.6.2 Протокол обследования.

3.6.3 Обработка записей движений.

3.6.4 Интерпретация результатов расчетов.

3.7 Клинические примеры использования метода функциональной диагностики двигательной активности пальцев руки.

3.7.1 Пациент КАИ.

3.7.2 Пациент КЕВ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Компьютерная диагностика двигательной активности пальцев руки человека на основе биомеханического моделирования"

Нормальное функционирование пальцев руки во многом определяет качество жизни человека и его способность выполнять свою работу. Вместе с тем, руки в значительной степени подвержены травмам и другим заболеваниям, вызывающим нарушения движений пальцев. Распространенность повреждений кисти составляет 30 - 57% от всех повреждений опорно-двигательного аппарата [7]. У пациентов, потерявших возможность выполнения полноценных движений пальцами, резко снижается качество жизни, они ограничены в выборе профессии.

В настоящее время оценка возможности выполнения того или иного движения пальцами руки пациентов в клинике осуществляется по субъективному ощущению врача. Одним из основных критериев, позволяющих определить, насколько сохранена или утрачена функция пальцев, является объем движения. Методики определения объема движения, обычно используемые в клиниках, дают лишь приблизительную оценку и часто состоят в определении расстояния от кончика полностью согнутого пальца до поверхности ладони. Критерии оценки функционального состояния пальцев, на основе которых принимается решение о необходимости проведения операции, носят качественный, а не количественный характер. При подобных методах диагностики ошибка, например в травматологических отделениях, составляет по литературным данным более 50% [И]. На основе этих данных принимается решение о проведении операции, осуществляется оценка ее результатов и проводимых реабилитационных мероприятий. В результате, пациенты могут либо отказаться от проведения необходимой операции, либо настаивать на заведомо неэффективном лечении, расходуя личные или государственные средства и драгоценное время врачей-специалистов. Помимо этого, пациент может быть недоволен результатом проведенной операции, так как его личное мнение о полноценном движении может не совпадать с мнением врача, нто в условиях страховой и коммерческой медицины может приводить к необоснованным судебным искам к врачу.

Оценка двигательной активности пальцев также необходима для коррекции врачом характера и интенсивности упражнений, которые пациент выполняет в ходе реабилитации после операции. Пациенты могут отказываться от продолжения проведения реабилитационных мероприятий, на которых настаивает врач, либо проводить их неправильно. Недостаточная интенсивность или неправильно выполняемые упражнения могут вызывать снижение объема движения в суставах. Это может привести к необходимости проведения повторной операции, к лишению больного возможности продолжать полноценно трудиться, к снижению общего качества жизни пациента.

Решить перечисленные проблемы может помочь создание объективной численной оценки, основанной на регистрации движения отдельных фаланг при помощи систем записи. Эти системы определяют положение, то есть координаты и эйлеровы углы, датчиков, прикрепленных к фалангам, в каждый момент времени. Клиническая интерпретация таких данных затруднительна и может быть преобразована в более понятные характеристики движения, а именно: значения суставных углов, скоростей и ускорений при помощи математических моделей, определяющих способ расчета кинематики и динамики движений. Клиническая интерпретация полученных биомеханических характеристик движения может быть основана на анализе их различий при патологическом и нормальном движении.

Как показывает анализ литературы [105,-152], механизмы приспособления к новым условиям движения, в том числе при изменении точек прикрепления мышц, при нарушении нервного управления, изучены недостаточно. Это не позволяет отделить с помощью биомеханических критериев нормальное движение от патологического и от так называемой патологической нормы (устойчивый двигательный стереотип при той или иной патологии).

Применение биомеханических параметров движения с целью исследований отдельных патологических состояний встречается в литературе. Например, модели, разработанные для нижних конечностей, уже используются для определения биомеханических последствий хирургических операций, таких как эндопротезирование [123] и репозиция сухожилий [55]. Анализ особенностей кинематики и динамики движений пальцев рук пациентов с теми или иными патологиями, в том числе с нарушением их управления со стороны ЦНС, до настоящего времени не проводился.

Для регистрации движений в исследовательских целях используются различные системы: оптические, электромагнитные, с гониометрами (датчиками суставных углов), но каждая из систем имеет свою точность и ограничения, так что единой системы для рутинной клинической практики не предложено. Существующее программное обеспечение, позволяющее' рассчитывать биомеханические параметры движений по записанным данным, применяется только в исследовательских целях, а не для решения повседневных медицинских задач, так как сложно в обращении и для интерпретации полученных результатов.

Таким образом, в медицинской практике необходимы численные критерии оценки функционального состояния пальцев для корректного восстановления их работы. Разработать такого рода критерии может помочь математическое моделирование. Кисть руки человека является сложной механической системой, которая управляется высокоадаптивным аппаратом управления - центральной нервной системой. Нейрофизиологи совершенствуют методы оценки взаимосвязи активностей тех или иных мозговых структур с конкретными видами движения [163]. Инженеры разрабатывают сложные протезы и манипуляторы на основе изучения строения кисти [49, 151]. Опыт инженеров в области описания движения сложных механических систем, знания нейрофизиологов об общих закономерностях управления движением в биологических системах и различных поведенческих реакций совместно с современными представлениями системного анализа об организации и управлении сложными системами позволяют создавать биомеханические модели движений конечности.

Цель работы

Целью работы является разработка метода компьютерной диакгностики двигательной активности пальцев руки человека с использованием биомеханического моделирования.

Задачи работы

1. Выбрать кинематическую и динамическую модель кисти руки человека и адаптировать к применению в клинической практике с учетом точности производимых расчетов.

2. Разработать биомеханические критерии оценки функционального состояния пальцев в виде кинематических и динамических характеристик движений в норме и при патологии.

3. Разработать подходы к клинической интерпретации полученных биомеханических характеристик движений.

4. Разработать автоматизированную систему диагностики для травматологического отделения и отделения хирургии кисти и внедрить ее в клиническую практику.

Научная новизна работы

Впервые в клинической практике применена биомеханическая модель, позволяющая изучать кинематику и динамику движений всех суставов пальцев руки человека, учитывающая индивидуальные особенности строения пальцев руки.

Впервые определены биомеханические показатели движения, позволяющие разделить нормальное и патологическое движение. Описаны подходы к их клинической интерпретации, пригодные для широкого ряда патологических состояний пальцев.

Впервые разработан метод диагностики функционального состояния пальцев руки, позволяющий в клинической практике оценивать степень нарушения или восстановления движения пальцев пациентов, опираясь на численные характеристики движений.

Практическая значимость работы

Разработанный на основе предложенной модели метод функциональной диагностики пальцев руки человека позволяет врачу:

- численно оценить степень нарушения движений пальцев пациента, поступающего на плановое лечение;

- численно оценить результат проведенной операции;

- проследить динамику восстановления двигательной функции в послеоперационный период;

- скорректировать, при необходимости, проводимые реабилитационные мероприятия.

Разработанный метод используется в клинической практике травматологического отделения кисти ГКБ №4 г. Москвы.

Апробация работы

Материалы диссертации изложены и обсуждены на II международной конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности (г. Москва, факультет фундаментальной медицины МГУ им. М.В.Ломоносова, 29 января — 1 февраля 2003); на международной конференции Progress in motor control IV (Université de Caen Basse-Normandie, Франция, 20-23 августа 2003), на конференции, посвященной 40-летию медико-биологического факультета РГМУ (Москва, 5 декабря 2003); на УП всероссийской конференции по биомеханике «Биомеханика 2004» (Нижний Новгород, 24 - 28 мая 2004); на конференции

Биомеханические и нейросетевые модели двигательного управления» (ИВНДиНФ РАН, 5 апреля 2006); на Ш Всероссийской с международным участием школе-конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, ФФМ, 1-4 февраля 2005); на IV Всероссийской с международным участием школе-конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности «Инновационные направления в физиологии двигательной системы и мышечной деятельности» (Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, ФФМ, 31 января - 3 февраля 2007); на международном симпозиуме «Информационные технологии и общество 2007» (24 апреля - 1 мая 2007, Тель-Авив, Израиль); на II Всероссийской конференции по управлению движениями (Петрозаводск, 30 января - 1 февраля 2008 г.), на научных семинарах кафедры медицинской кибернетики и информатики ГОУ ВПО РГМУ Росздрава (Москва, 2004-2007 гг.).

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи и 8 тезисов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания использованных материалов и методов исследований, результатов исследований и их обсуждения, заключения, выводов, практических рекомендаций и приложений. Список литературы включает 170 источников, из них 17 на русском языке и 147 на иностранных языках. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, иллюстрирована 65 рисунками и 11 таблицами, снабжена 4 приложениями.

Заключение Диссертация по теме "Математическая биология, биоинформатика", Гринягин, Иван Владимирович

9.1.6 Выводы и обсуждение

Объем движения в суставах пальцев в значительной мере различается у разных испытуемых. Определить средний, объем движения для разных профессионально-возрастных групп или для испытуемых каждого пола не представляется возможным.

Разница в объемах движений между испытуемыми значительно превосходит разницу между правой и левой рукой каждого испытуемого.

В норме для активных движений сгибания-разгибания разница между правой и левой рукой может составлять 26%-34% для указательного пальца и 53%-64% для большого пальца.

Объем приведения-отведения в указательном пальце может различаться на 58%. Значительная вариабельность объема движений отведения-приведения в пястно-фаланговом суставе указательного пальца может объясняться небольшой амплитудой движения и, как следствие, неточным вычислением положения осей вращения в суставе и снижением точности вычисления самого объема движения.

Движения в запястно-пястном суставе большого пальца могут различаться на большую величину (99%). Большая вариабельность объема движений в проксимальном (запястно-пястном) суставе большого пальца связана с достаточно произвольным (нечетко определенным) выполнением движений приведения-отведения и сгибания-разгибания в этом суставе.

Объем пассивных движений в норме превышает объем активных движений, однако различия статистически достоверны только для проксимальных суставов пальцев. Разница между объемами пассивных движений сгибания-разгибания правой и левой руки составляет 29%-41% для указательного пальца и 36%-57% для большого.

Таким образом, для использования объема движения в суставах в качестве критерия диагностики патологического состояния, можно рекомендовать использовать сравнение между правой и левой рукой пациента, нежели со средними значениями для той или иной группы людей.