WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 

Pages:   || 2 | 3 |

Компьютерная диагностика двигательной активности пальцев руки человека на основе биомеханического моделирования

-- [ Страница 1 ] --

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

Москва, 2011

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 Зарубина Татьяна Васильевна
Научный консультант: кандидат физико-математических наук, ст.н.с. Бирюкова Елена Владимировна
Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор Соколов Михаил Эдуардович
доктор медицинских наук, профессор Турбина Лидия Григорьевна

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (г. Курск)

.

Защита состоится «19» сентября 2011 года в 14.00 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 «14» июня 2011 г.

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 А.М., 1996; Нельзина З.Ф., 1994], среди причин инвалидности 12,5% вызваны травмами кисти [Волкова А.М., 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 (Universit 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 III 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.

 Положение датчиков при записи движений в запястно-пястном суставе-0

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

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.

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.

 Обозначения, используемые при расчете осей вращения в суставе. А-1

Рисунок 2. Обозначения, используемые при расчете осей вращения в суставе. А угол между осями вращения в суставе, D расстояние между осями вращения, z1w и z2w положение и 1w и 2w ориентация осей вращения в суставах относительно датчиков системы регистрации, размещенных на соседних фалангах.

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].

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).

(1)

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

 Среднее значение и стандартное отклонение суставной-2

 Среднее значение и стандартное отклонение суставной скорости,-3

 Среднее значение и стандартное отклонение суставной скорости,-4

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; TMC 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.



Pages:   || 2 | 3 |
 


Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.