Оценка постуральной симметрии с использованием фазовых аппроксимаций последующих траекторий ЦД

Tomasz Łukaszewicz , Zenon Kidoń , Dariusz Kania & Krystyna Pethe-Kania

Резюме

В данной работе представлен метод оценки постуральной симметрии, реализующий так называемую последующую контрольную постурографию. Метод сводится к оценке сходства фазовой аппроксимации траектории следования центра давления (ЦД) против часовой стрелки и зеркального отражения относительно оси ОУ фазовой аппроксимации, соответствующей траектории следования ЦД по часовой стрелке. Применимость представленного подхода была проверена на данных, собранных в группе из 30 пациентов, проходивших реабилитацию после тотального эндопротезирования тазобедренного сустава. Наблюдаемая разница между значениями предложенного коэффициента постуральной симметрии, полученными в конце и в начале программы реабилитации, была статистически значимой (p < 0,001). Эти значения, однако, не показали достоверной корреляции со значениями коэффициентов постуральной симметрии, рассчитанными в статической постурографии. Отсутствие значимых корреляций между коэффициентами подтверждает тезис о том, что новый метод оценки постуральной симметрии количественно определяет симметрию осанки с точки зрения динамических механизмов, которые не проявляются в случае статической постурографии. В качестве основного преимущества обсуждаемого здесь подхода можно выделить возможности для оценки постуральной симметрии в динамических условиях с использованием относительно недорогой постурографической платформы с одной пластиной.

Ключевые слова: биомедицинская обработка сигналов, оценка постуральной симметрии, постурография, последующая постурография, тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава

Введение

Существует ряд диагностических методов, которые можно использовать для обнаружения и оценки постуральных аномалий человеческого тела. Наиболее популярными из них являются методы 2D и 3D визуализации, включающие анализ статических изображений или видеозаписей, рентгенографию (в том числе компьютерную томографию) или магнитно-резонансную томографию (МРТ) обследуемого (Bullock и Harley 1972; Robinson и др. 1993; Cargill и др. 2007; Steffen и др. 2010; Silveira Furlanetto и др. 2016). Количественную оценку изменений в выравнивании сегментов тела также можно осуществить с помощью так называемых оптоэлектронных измерительных систем (Masso и Gorton 2000). Среди самых простых и относительно недорогих методов диагностики можно выделить методы с использованием гониометров, инклинометров и измерительных лент (Hansson и др. 2001; Fortin и др. 2011). В последние годы все больше внимания уделяется диагностике, проводимой с помощью акселерометров и гироскопов, прикрепленных к определенным частям тела человека (Wong и др., 2007; Godfrey и др., 2008). Заслуживают внимания и так называемые сенсорные ткани, которые можно интегрировать с предметами одежды, что позволяет наблюдать за движением определенных частей тела (De Rossi и др., 2000; Scilingo и др., 2003; Wong и др., 2007). Аномалии двигательных функций организма также можно обнаружить с помощью систем электромагнитного слежения (Pearcy и Hindle, 1989; Bull и др., 1998; Finley и Lee, 2003; Wong и др., 2007). В этом случае движения испытуемого, совершаемые в искусственно созданном магнитном поле, вызывают изменение электродвижущей силы, наводимой в приемниках, прикрепленных к выделенным сегментам тела. Другим диагностическим подходом, который может дать ценную информацию о двигательных функциях человеческого тела, является электромиография, т. е. диагностика электрической активности мышцы. Этот метод с помощью правильно размещенных электродов позволяет регистрировать моменты активации мышц и измерять интенсивность их сокращений (Straker и Mekhora 2000; Miljkovic и др. 2011). Еще одним методом, который может применяться для неинвазивной оценки механизма контроля осанки и который лежит в основе исследования, представленного далее в этой статье, является постурография (Nashner и Peters, 1990; Biswas, 1996; Opara и Preibisch, 2001; Visser и др., 2008; Дуарте и Фрейтас, 2010; Пете-Кания, 2012; Лу и др., 2013; Лукашевич и др., 2015; Блащик, 2016). Термин «постурография» относится к комплексу диагностических методов, позволяющих оценить механизмы контроля осанки и поддержания равновесия тела человека. Этот вид диагностики сводится к анализу траекторий центра давления (постурографических траекторий) человека, стоящего на специализированной измерительной платформе. ЦД представляет собой точку, в которой действует результирующая вертикальная сила реакции опорной поверхности обследуемого субъекта (Дуарте и Фрейтас, 2010; Лукашевич, 2018).

Существует множество коэффициентов, количественно определяющих различные аспекты траекторий ЦД, например, длина траектории ЦД, площадь, охватываемая траекторией, среднее отклонение ЦД от центра траектории (Дуарте и Фрейтас, 2010; Лукашевич, 2018). Эти коэффициенты могут быть ценными источниками информации о механизмах постурального контроля человеческого тела. Как правило, мы можем выделить 3 основных типа постурографии: статическая, динамическая и постурография с визуальной обратной связью (Шамвей-Кук и др., 1988; Дуарте и Фрейтас, 2010; Лукашевич, 2018; Лукашевич и др., 2019). Во время статической постурографии испытуемый свободно стоит на измерительной (постурографической) платформе в вертикальном положении. В этом виде диагностики отсутствуют детерминированные внешние раздражители, которые могли бы дестабилизировать позу испытуемого.

Во время обследования измерительное оборудование регистрирует так называемую статическую траекторию/траектории ЦД (рис. 1) (Дуарте и Фрейтас, 2010; Пете-Кания, 2012; Лукашевич и др., 2015). Диагностика статической постурографии может проводиться как с открытыми, так и с закрытыми глазами.

Динамическая постурография вводит механические и визуальные стимулы, вызывающие корректировку положения тела обследуемого (Nashner и Peters, 1990; Biswas, 1996). Оборудование, используемое для проведения такого рода диагностики, намного дороже, чем ресурсы, необходимые в случае статической постурографии. Это связано с тем, что динамические постурографические исследования осуществляют вращение/перемещение опорной плоскости, а также наклон кабины, окружающей измерительную платформу (Nashner и Peters, 1990; Biswas, 1996). Траектории ЦД, зарегистрированные в этом типе постурографии, предоставляют ценную информацию о работе человеческого тела в динамических условиях.

В случае постурографии с визуальной обратной связью применяется только визуальная стимуляция (Лукашевич, 2018). Этот вид постурографии можно классифицировать как компромисс между статическими и динамическими исследованиями и обычно его можно реализовать с помощью измерительной платформы, предназначенной для статической постурографии (Lukaszewicz и др. 2019).

Последующая постурография, которой посвящена данная статья, представляет собой разновидность постурографии с визуальной обратной связью, при которой обследуемый раскачивает свое тело в соответствии с круговыми стимулами, визуализируемыми на экране компьютера (Lukaszewicz, 2018; Łukaszewicz и др., 2019). Во время диагностической процедуры испытуемому предъявляются два четко окрашенных маркера. Одним из них является стимул, последовательно движущийся по часовой стрелке и против часовой стрелки – по одному полному кругу в каждом направлении. Другой отражает текущее положение ЦД (центра давления) обследуемого. Задача испытуемого при проведении диагностики — сбалансировать свое тело таким образом, чтобы маркер ЦД следовал за маркером, представляющим стимул.

Рисунок 2 иллюстрирует примерные траектории CoP по часовой стрелке и против часовой стрелки, сопровождаемые траекториями соответствующих стимулов. Следует отметить, что записи каждой траектории ЦД предшествует переходная фаза, в которой стимул плавно приближается к точке начала процесса записи.

В данной статье мы концентрируемся на применимости контрольной постурографии в процессе оценки постуральной симметрии у пациентов, проходящих реабилитацию после тотального эндопротезирования тазобедренного сустава. Суть статьи состоит в том, чтобы представить оригинальный метод, позволяющий оценить постуральную симметрию с точки зрения передачи нагрузки на нижние конечности, обусловленной биологической обратной связью. Предложенная мера постуральной симметрии позволяет провести простую оценку взаимной симметрии нагрузки нижних конечностей в сценариях визуальной стимуляции. Результаты, полученные с помощью этого метода, были сопоставлены с результатами статической постурографии.

Результаты

Распределение разницы значений dLR0, полученных в конце и в начале реабилитационной программы, достоверно отличалось от нормального распределения и не было симметричным, в связи с чем проводилась проверка достоверности изменений значений dLR0 в ходе реабилитационной программы.

На рисунке 3 представлены значения коэффициента dLR0, полученные для выборки пациентов, перенесших операцию тотального эндопротезирования тазобедренного сустава, зарегистрированные в последующие дни программы реабилитации. Последующие пары столбцов представляют значения предложенного коэффициента в начале и в конце суточной серии физиотерапевтических процедур. Глядя на рисунок, можно заметить тенденцию к росту dLR0 по мере продвижения программы реабилитации.

На рисунке 4 результаты диагностики, проведенной с использованием предложенного метода оценки постуральной симметрии, полученные в начале и в конце реабилитации после тотального эндопротезирования тазобедренного сустава, сопоставлены с результатами оценок постуральной симметрии, полученными при статической постурографии.

В таблице 1 приведены средние значения и стандартные отклонения использованных коэффициентов. Средние значения во всех случаях больше в конце процесса, что свидетельствует о положительном эффекте реализованной программы реабилитации.

Таблицы 2 и 3 иллюстрируют отсутствие значимых корреляций между dLR0 и мерами симметрии, рассчитанными для статической постурографии, как в начале, так и в конце процесса реабилитации.

Заключение

Идея представленного здесь метода оценки постуральной симметрии сводится к вычислению коэффициента dLR0, количественно характеризующего степень сходства фазовой аппроксимации траектории следования ЦД против часовой стрелки, и зеркального отображения относительно оси ОУ фазовой аппроксимации, соответствующей траектории следования ЦД по часовой стрелке.
Предлагаемая мера постуральной симметрии оценивает сходство осредненных по фазе смещений ЦД, регистрируемых в ответ на зрительные стимулы, по часовой стрелке и против часовой стрелки, взаимно симметричных с точки зрения левой и правой нижних конечностей (симметрия в эталоне).

Результаты статистического анализа значений dLR0, SijDWj, Si DLT j, Si DDT jj, Si DAT jj, полученных в начале и в конце реабилитации после тотального эндопротезирования тазобедренного сустава, подтверждают, что предложенный здесь коэффициент dLR0 количественно определяет некоторые динамические качества постуральной симметрии, не проявляющиеся при статической постурографии.

Обсуждаемый в данной статье диагностический подход позволяет проводить постурографическую оценку постуральной симметрии в присутствии детерминированных зрительных стимулов, прибегая к типичной постурографической платформе с одной пластиной, предназначенной для статической постурографии. Таким образом, метод является относительно дешевым в реализации. Он позволяет оценить взаимную симметрию нагрузки на нижние конечности с точки зрения динамических характеристик осанки и механизмов поддержания равновесия. Стоит отметить, что последующая постурография потенциально может быть реализована даже на современных цифровых напольных весах при наличии компьютера, оснащенного специализированным программным обеспечением.

В дальнейшей исследовательской деятельности авторы данной статьи планируют проверить применимость повторной постурографии в процессе реабилитации лиц с ампутированными конечностями, а также оценку состояния здоровья пациентов с другими состояниями, вызывающими аномалии осанки и способности сохранять равновесие, например, болезнью Паркинсона.