Тема: «Разработка комплекса экзоскелета кисти с внешним программным управлением и биологической обратной связью для процедуры реабилитации детей с синдромом ДЦП».
Период выполнения: 02.12.2019 — 30.09.2020.
Индустриальный партнер: акционерное общество «Научно-производственное объединение «Андроидная техника». В части разработки программного обеспечения верхнего уровня соисполнителем по проекту являлось ООО «ИмэджериСофт».
Целью проекта являлось создание инновационной методики нейрореабилитации детей, страдающих детским церебральным параличом (ДЦП), основанной на применении интерфейса мозг-компьютер и принципа биологической обратной связи. Для достижения указанной цели создан роботизированный экзоскелет кисти – комплекс «Юниор» с набором компьютерных программ, который управляется электроэнцефалограммой (ЭЭГ) ребенка и контролирует электрическую активность его мышц.
Положение пациента в терапевтическом кресле «Комфорт» с установленным на подлокотнике экзоскелетом кисти «Юниор».
Принцип работы комплекса следующий. Ребенок получает задачу — вообразить движение руки (разжатие кисти). Компьютерная программа распознает соответствующие изменения ЭЭГ и запускает разгибание кисти экзоскелета, а также плавно изменяет цвет зрительного сигнала на экране компьютерного монитора. Ощущения и образы, которые при этом возникают у ребенка, являются обратной связью, информирующей о правильности выполнения задания. Таким образом, ребенок с ДЦП обучается произвольно активировать моторные области мозга, что улучшает их функционирование.
Основные результаты проекта.
Разработан и изготовлен комплекс экзоскелета кисти с внешним программным управлением и биологической обратной связью на основе регистрации электрической активности головного мозга и мышц, специально предназначенный для процедуры нейрореабилитации детей с синдромом ДЦП (комплекс «Юниор»). Для функционирования комплекса создано программное обеспечение верхнего и нижнего уровня.
В сеансах нейрореабилитации с применением комплекса экзоскелета кисти приняло участие 153 ребенка возрастом от 8 до 18 лет. Установлено, что такие сеансы приводят к значимому улучшению характеристик мышечной активности, показателей движений, репертуара бытовых навыков, а также к перестройке рисунка реактивности ЭЭГ пациентов при воображении движений рук, что может свидетельствовать о благоприятных перестройках активности головного мозга. Обнаружено снижение тонуса мышц-сгибателей рук, который был чрезмерно повышен у больных до начала нейрореабилитации.
У 108 детей с ДЦП различных форм проведен анализ концентрации и динамики нейротрофических факторов (веществ, определяющих рост и восстановление структурных элементов нервных клеток — нейропластичность). После нейрореабилитации выявлено достоверное снижение уровней ряда нейротрофических факторов в периферической крови. Данный факт расценивается как свидетельство активного связывания нейротрофических факторов нервной тканью, что обеспечивает процессы нейропластичности.
Уровень выполненных работ определяется следующими характеристиками.
- Впервые в Российской Федерации разработан комплекс экзоскелета кисти с внешним программным управлением и биологической обратной связью на основе регистрации электрической активности головного мозга и мышц руки, специально предназначенный для нейрореабилитации детей с ДЦП.
- Впервые в мире показано, что восстановительное лечение детей с ДЦП с применением комплексов экзоскелета кисти с внешним программным управлением и биологической обратной связью способствует активизации процессов нейрогенеза и синаптической нейропластичности. При этом выраженное снижение концентрации нейротрофического фактора BDNF в периферической крови детей с ДЦП на 10-й день после завершения восстановительного лечения может быть использовано в качестве раннего и высокоинформативного предиктора долгосрочной эффективности проводимой реабилитации.
- Впервые в мире проведен анализ значительного количества клинических случаев (153 пациента) свидетельствующий, что тренинги с использованием комплексов экзоскелета кисти с внешним программным управлением и биологической обратной связью в сочетании с санаторно-курортным лечением и другими видами терапии (применение ноотропного препарата пиканоила, внутримышечных инъекций токсина ботулизма типа «А» или церебролизина) являются эффективным методом в реабилитации пациентов со спастическими формами ДЦП.
Изучение сенсомоторных ритмов ЭЭГ 136 здоровых детей проведено на базе ЦКП «Экспериментальная физиология и биофизика», что позволило наметить методики анализа таких ритмов у детей с ДЦП. У детей, страдающих ДЦП, выявлены значимые благоприятные изменения паттерна ЭЭГ и ЭМГ. Перестройки паттерна ЭЭГ в частотной полосе альфа-ритма, а также снижение электрической активности мышц сгибателей рассматриваются как проявление усиления процессов нейропластичности нейронных цепей, контролирующих планирование и выполнение сложных движений рук у пациентов.
Полученные данные по своей научной значимости и новизне сопоставимы с работами коллектива Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, а также Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова, Москва, Россия (Бобров П.Д, и соавт.), однако отличаются анализом большего количества клинических наблюдений, регистрацией и анализом электрической активности мышц руки, изучением роли нейротрофических факторов в реабилитации детей с ДЦП.
Поданы следующие заявки на изобретения:
- Ларина Н. В., Гордиенко А. И., Корсунская Л. Л., Власенко С. В., Химич Н.В., Павленко В. Б., Фалалеев А. П. Способ оценки долгосрочной эффективности применения программно-аппаратного комплекса «Неинвазивный интерфейс Мозг-Компьютер-2».
- Ларина Н. В., Корсунская Л. Л., Власенко С. В., Пономарева И. В., Фалалеев А. П., Фомочкина И. В., Кубышкин А. В. Способ комплексной реабилитации двигательной функции верхней конечности у больных детским церебральным параличом.
Областью применения результатов проекта является восстановительно-реабилитационная медицина при заболеваниях, проявляющихся в виде центральных или периферических парапарезов/тетрапарезов, в частности, при лечении ДЦП. Реабилитация двигательных функций детей, страдающих ДЦП, с помощью комбинированной методики «неинвазивный интерфейс мозг-компьютер – экзоскелет кисти» в сочетании с санаторно-курортным лечением и другими видами терапии внедрена в медицинскую практику Клинического многопрофильного медицинского центра Святителя Луки ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», а также ГБУ Республики Крым «Реабилитационный центр для детей и подростков с ограниченными возможностями» Министерства труда и социальной защиты Республики Крым.
Эффекты от внедрения результатов проекта. Проведенное исследование различных аспектов реабилитации детей с ДЦП с помощью комплекса экзоскелета кисти с внешним программным управлением и биологической обратной связью дает возможность оптимизировать протокол восстановительного лечения таких детей, что, в свою очередь, позволит снизить экономическое бремя государства и родителей. Улучшение моторных и когнитивных навыков детей под влиянием комплексного санаторно-курортного лечения с применением тренингов нейрореабилитации значительно облегчит их самообслуживание. Данный комплекс и разработанные методики его применения могут быть использованы в санаторно-курортных учреждения Республики Крым и других регионах Российской Федерации. Прогнозируется, что результаты исследования окажут влияние на использование технологии «интерфейс мозг-компьютер» в реабилитационной работе с детьми, имеющими различного рода нарушения в развитии (нарушения двигательной сферы, речевой функции и т.д.).
АО «НПО «Андроидная техника», которое является одним из разработчиков и изготовителем комплекса экзоскелета кисти «ЮНИОР», готово внедрить разрабатываемый продукт в те организации, куда уже была поставлена установка «Экзокисть-2», а также в детские центры, ориентирующиеся на данном направлении исследований и лечения.