Физиологические механизмы восстановления двигательных функций верхних конечностей у пациентов детского возраста, страдающих детским церебральным параличом, с применением комплекса «неинвазивный интерфейс мозг-компьютер – экзоскелет кисти» с использованием биологической обратной связи.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-15-20035

НазваниеФизиологические механизмы восстановления двигательных функций верхних конечностей у пациентов детского возраста, страдающих детским церебральным параличом, с применением комплекса «неинвазивный интерфейс мозг-компьютер – экзоскелет кисти» с использованием биологической обратной связи.

Руководитель Власенко Сергей Валерьевич, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" , Республика Крым

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-309 - Восстановительная медицина, лечебная физкультура, курортология и физиотерапия

Ключевые слова дети, детский церебральный паралич, реабилитация, неинвазивный интерфейс «мозг-компьютер», экзоскелет кисти

Код ГРНТИ76.29.60

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Среди заболеваний нервной системы главной причиной детской инвалидности является детский церебральный паралич (ДЦП). Для клинической картины заболевания характерным является нарушение двигательной функции, связанное с неправильным развитием статокинетических рефлексов, патологией тонуса, парезами. Также нередко при ДЦП наблюдаются различные когнитивные и психические расстройства. В связи с разнообразием генеза и клинических проявлений ДЦП, существующие медикаментозные и физиотерапевтические методы помощи таким детям оказываются не всегда эффективными. Особую актуальность в настоящее время приобретают методы реабилитации с применением биологической обратной связи (БОС), роботизированных устройств и интерфейсов мозг-компьютер, поскольку такие методы позволяют активизировать природные физиологические ресурсы головного мозга ребенка. Анализ данных литературы показал, что экспериментальные работы по использованию экзоскелетов, управляемых сигналом ЭЭГ, в том числе с использованием классификаторов сигналов ЭЭГ, основанных на искусственных нейронных сетях, в реабилитации детей с синдромом ДЦП в настоящее время остаются единичными, а комплексный анализ нейрофизиологических механизмов реабилитации отсутствует. В связи с этим целью настоящего проекта является комплексный анализ механизмов реабилитации двигательных нарушений с применением комплекса «неинвазивный интерфейс мозг-компьютер (НИМК) – экзоскелет кисти» у детей, страдающих ДЦП. Пациенты будут выполнять задание – кинестетически представлять раскрытие кисти руки. Программа-классификатор комплекса при соответствующих изменениях паттерна ЭЭГ запускает сигнал обратной связи. В процессе тренировок с технологией НИМК-экзоскелет кисти пациенты будут воображать раскрытие кисти, а обратная связь при этом будет предъявляться визуально изменением цвета на мониторе компьютера и кинестетически с помощью экзоскелета, реализующего данное движение. Планируется провести нейрофизиологическое и нейропсихологическое исследование механизмов, лежащих в основе восстановления двигательных функций детей с ДЦП, прошедших сеансы нейрореабилитации с применением комплекса НИМК – экзоскелет кисти руки. Не менее, чем у 80 таких пациентов будет оценено изменение сенсомоторных ритмов ЭЭГ и активности мышц (ЭМГ); нейропсихологических показателей, характеризующих уровень развития двигательной сферы ребенка; динамика когнитивных показателей (уровень владения речью, показатели произвольного внимания); динамика нейротрофических факторов в периферической крови. Планируется провести исследование, направленное на создание классификатора сигналов ЭЭГ, построенном с применением искусственных нейронных сетей и глубокого машинного обучения. Следующим шагом будет создание программного обеспечения для обработки данных ЭЭГ, фильтрации, децимации с последующей нарезкой фрагментов ЭЭГ в обучающую выборку для нейронной сети, которая, в дальнейшем, будет использоваться для создания нейросетевого классификатора. В зависимости от эффективности курса нейрореабилитации пациенты будут разделены на группы (высокий, средний и низкий уровень эффективности лечения; высокая или низкая степень изменения сенсомоторных ритмов ЭЭГ). Статистическая обработка данных будет проводиться преимущественно с использованием регрессионного и многофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). Это позволит впервые выявить влияние различных факторов на восстановление двигательной активности пациентов, установить характер взаимосвязей между перестройкой электрической активности головного мозга, и показателями активности мышц, концентрацией нейротрофических факторов в периферической крови и нейропсихологическими показателями в процессе лечения. Изменения функциональной связанности нейронных ансамблей различных отделов коры головного мозга будут изучены с помощью оценки степени когерентности ритмов ЭЭГ в разных отведениях. Контрольная группа будет представлена пациентами, проходящими курс восстановительного лечения с использованием стандартных методов без применения сеансов нейрореабилитации с включением комплекса «неинвазивный интерфейс мозг-компьютер – экзоскелет кисти» (30 человек). Сравнение нейропсихологических показателей у детей контрольной и экспериментальной групп будет проводиться с использованием ANOVA. Результаты впервые проведенного комплексного анализа механизмов нейрореабилитации станут основой для разработки и оптимизации наиболее действенных программ и алгоритмов лечения пациентов детского возраста с диагнозом ДЦП с учетом эффективности двигательного, когнитивного, эмоционального звеньев реабилитационного процесса, показателей перестройки паттерна биоэлектрической активности мозга (ЭЭГ), электромиограммы (ЭМГ), ряда нейротрофических факторов и их взаимодействия. Поскольку у детей, страдающих ДЦП, часто наблюдаются задержки в развитии речевой сферы, будет также впервые выявлено, как влияет прохождение курса нейрореабилитации, направленного на улучшение подвижности кисти руки, на развитие речи у таких пациентов. Полученные данные позволят уточнить динамическую локализацию процессов, обусловливающих связь между развитием моторики верхних конечностей и уровнем развития когнитивных функций, включая, рецептивную и экспрессивную речь.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ларина Н.В., Гордиенко А.И., Корсунская Л.Л., Химич Н.В. Роль нейротрофических факторов в процессе реабилитации детей с детским церебральным параличом Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика (год публикации - 2022)

2. Агеева Е.С., Корсунская Л.Л., Ларина Н.В., Бирюкова Е.А., Чуприна Л.А., Гуртовая А.К., Орехова Л.С. Особенности метаболизма и потенциальная роль нейротрофических факторов головного мозга в реабилитационном процессе Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture (год публикации - 2023)

3. Бирюкова Е.А., Орехова Л.С., Павленко В.Б., Бабанов Н.Д., Кезик Е.В. Реабилитация речевых функций у детей с детским церебральным параличом Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского Биология. Химия., Том 8 (74). 2022. № 4. С. 29–39. (год публикации - 2022)

4. Павленко В.Б., Власенко С.В., Орехова Л.С., Бирюкова Е.А. Улучшение речи у детей с ДЦП на фоне реабилитации с применением нейроинтерфейса «мозг–компьютер–экзоскелет кисти» Вестник РГМУ, № 4, с. 66-72 (год публикации - 2023)
10.24075/vrgmu.2023.026

5. Голубова Т.Ф., Власенко С.В., Марусич И.И., Отинов М.Д., Власенко Ф.С., Османов Э.А. Современные подходы к применению роботизированных устройств в комплексе реабилитации детей с ДЦП Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры, Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры 2023, Т. 100, №5, с. 36–44 (год публикации - 2023)
10.17116/kurort202310005136

6. Власенко С.В., Серединская А.И., Отинов М.Д., Бирюкова Е.А., Орехова Л.С., Власенко Ф.С. Влияние комплексного санаторно-курортного лечения с применением роботизированного комплекса «Экзокисть» на восстановление функции верхней конечности Вестник физиотерапии и курортологии, Вестник физиотерапии и курортологии. 2023. Т.29 (1). С.98-98. (год публикации - 2023)

7. Дягилева Ю. О. , Павленко В. Б. , Ларина Н. В. , Корсунская Л. Л. Оценка изменения психологических показателей у детей с ДЦП при реабилитации с использованием комплекса экзоскелета кисти с внешним программным управлением и биологической обратной связью "Юниор" Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Социология. Педагогика. Психология., № 2, Т. 8 (74), С. 156-164. – EDN IAVVEI (год публикации - 2022)

8. Отинов М.Д., Власенко С.В., Агеева Е.С., Бирюкова Е.А., Орехова Л.С., Османов Э.А. , Власенко Ф.С. Динамика содержания нейротрофических факторов в крови больных ДЦП под влиянием дельфинотерапии и занятий на роботехническом комплексе «Экзокисть» Медицинский вестник Северного Кавказа, Медицинский вестник Северного Кавказа. 2023.; 18(4):402-405. (год публикации - 2023)
10.14300/mnnc.2023.18099

9. Павленко В.Б., Власенко С.В., Чуян Е.Н., Кайда А.И., Орехова Л.С., Бирюкова Е.А., Павленко Д.В., Татарис Ш.Э. EEG Sensorimotor Rhythms Dynamics in Children with Cerebral Palsy during the Course of Neurorehabilitation, Depending in the Success of Their Imagination of Movements Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology, Volume 60, pages 1618–1629 (год публикации - 2024)
10.1134/S0022093024040288

10. Власенко С.В., Марусич И.И., Османов Э.А., Власенко Ф.С. Оценка эффективности занятий на роботизированном комплексе «Экзокисть» в системе международной классификации функционирования у больных детским церебральным параличом КРЫМСКИЙ ЖУРНАЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И КЛИНИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНЫ, 2024, т. 14, № 1 (год публикации - 2024)
10.29039/2224-6444-2024-12-1-19-23

11. Павленко Д.В., Татарис Ш.Э., Овчаренко В.В. Применение глубокого обучения в интерфейсах мозг–компьютер для распознавания движений Программные продукты и системы, 2024. Т. 37. № 2. С. 164–169 (год публикации - 2024)
10.15827/0236-235X.146.164-169

12. Кезик Е.В., Власенко С.В., Кайда А.И., Орехова Л.С., Бирюкова Е.А. Связь реактивности сенсомоторных ритмов ЭЭГ с показателями тестов у детей с ДЦП после прохождения тренингов с применением комплекса «Экзокисть-2» Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Биология. Химия., 2024. - Том 10 (76), № 4 (год публикации - 2024)

13. Корсунская Л.Л., Вербенко В.А., Бирюкова Е.А., Орехова Л.С., Двирский А.А. Роль семьи в процессе реабилитации детей с церебральным параличом с применением технологий биологической обратной связи Вестник восстановительной медицины (год публикации - 2025)

14. Павленко В.Б., Власенко С.В., Чуян Е.Н., Павленко Д.В., Орехова Л.С., Бирюкова Е.А. Когерентность ЭЭГ у детей с ДЦП на фоне реабилитации с применением нейроинтерфейса «мозг – компьютер – экзоскелет кисти» Вестник Российского государственного медицинского университета, 2024. №3. С.37 – 43. (год публикации - 2024)
10.24075/vrgmu.2024.020

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В сфере расстройств нервной системы в детском здоровье ведущим фактором, приводящим к детской инвалидности, является детский церебральный паралич (ДЦП). Основными характеристиками клинической картины данного заболевания являются нарушения двигательной функции, обусловленные неправильным формированием статокинетических рефлексов, аномалиями в тонусе мышц и парезами. Кроме того, у детей с ДЦП часто наблюдаются разнообразные когнитивные и психические расстройства. В связи с разнообразием происхождения и клиническими проявлениями ДЦП, существующие медикаментозные и физиотерапевтические методы оказываются не всегда достаточно эффективными. Особую актуальность в настоящее время приобретают методы реабилитации с применением биологической обратной связи (БОС), роботизированных устройств и интерфейсов мозг-компьютер, поскольку такие методы позволяют активизировать природные физиологические ресурсы головного мозга ребенка. Анализ данных литературы показал, что экспериментальные работы по использованию экзоскелетов, управляемых в зависимости от параметров электроэнцефалограммы (ЭЭГ), в реабилитации детей с синдромом ДЦП в настоящее время остаются единичными, а комплексный анализ нейрофизиологических механизмов реабилитации отсутствует. В связи с этим целью настоящего проекта является комплексный анализ механизмов реабилитации двигательных нарушений с применением комплекса «неинвазивный интерфейс мозг-компьютер (НИМК) – экзоскелет кисти» у детей, страдающих ДЦП, создание нейросетевого классификатора ЭЭГ для определения воображаемых движений по сигналам ЭЭГ. Пациенты выполняли задание – кинестетически представлять раскрытие кисти руки. Программа-классификатор комплекса при соответствующих изменениях паттерна ЭЭГ запускает сигнал обратной связи. Обратная связь при этом предъявлена визуально изменением цвета специальной метки на мониторе компьютера и кинестетически – с помощью экзоскелета, реализующего данное движение. Были оценены неврологические и нейропсихологические показатели, а также динамика нейротрофических факторов и когнитивных показателей до и после реабилитации у 30 детей в возрасте от 8 до 18 лет. У исследуемой выборки наблюдалось улучшение повседневной жизненной активности, снижалась выраженность спастики мышц во время совершения сгибательных и разгибательных движений пальцами левой руки, а также запястьем и пальцами правой руки. У детей, прошедших нейрореабилитацию улучшалась двигательная функция как левой, так и правой руки. Также у детей наблюдается улучшение навыков артикуляции, качества произнесения предложений различной сложности. Пройденный курс реабилитации также оказал значимое влияние на когнитивные процессы детей. Так, наблюдается улучшение показателей концентрации внимания, врабатываемости и снижение – утомляемости. Помимо этого, у детей, прошедших курсы нейрореабилитации, изменение динамики нейротрофических факторов указывает на запуск процессов нейропластичности в головном мозге. Отдельно исследовались изменения нейрофизиологических показателей у детей, прошедших реабилитацию с помощью НИМК. Наблюдался рост когерентности ЭЭГ в диапазоне альфа-ритма. Мы предполагаем, что подобное может свидетельствовать об улучшении взаимодействия областей мозга, актуализирующих двигательные образы в памяти и поддерживающих внимание к ним. Помимо этого, наблюдалось снижение уровня когерентности тета- и низкочастотного бета-ритмов при представлении движения правой руки в последнем сеансе, по сравнению с первым. Мы предполагаем, что снижение когерентности тета-ритма может быть расценено как проявление определенных положительных изменений в функционировании неокортекса. Снижение когерентности низкочастотного бета-ритма может быть обусловлено спецификой выполняемой задачи. Вероятно, что в условиях первого сеанса представление движений давалось сложнее и требовало дополнительной активации первичной моторной области. В дальнейшем представление движений происходило с меньшими усилиями, а активация коры была более локальной. Теме исследования посвящена страница на сайте ФГАОУ ВО "Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского" https://cfuv.ru/news/lidery-nauchnykh-innovacijj-v-kfu-pomogayut-detyam-s-dcp-vosstanovit-funkcii-dvizheniya-ruk

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта стали основой разработки комплексной программы медицинской реабилитации для пациентов с детским церебральным параличом в условиях санатория. На данную программу коллективом авторов получено авторское свидетельство на регистрацию базы данных. Таким образом, применение технологии нейроинтерфейс «мозг-компьютер-экзоскелет кисти» впервые было обосновано для комплексного санаторно-курортного лечения и медицинской реабилитации третьего этапа пациентов с ДЦП. На данный момент, на использование РИД «База данных оценки реабилитации двигательных нарушений пациентов с ДЦП» (свидетельство от 02.06.2023 № 2023621802) заключен лицензионный договор с учреждением реального сектора экономики – Автономной некоммерческой организацией «Центр социальной реабилитации «Родник», г. Севастополь. Ведется активное сотрудничество для уточнения режимов применения и оптимального времени дозирования данного фактора. В рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» обосновано создание лаборатории социально-психологической реабилитации «мастерская спокойствия», как основы планируемого Центра социально-психологической реабилитации республики Крым. Основной задачей лаборатории является разработка подходов и комплексных программ реабилитации пациентов с нарушением функций центральной и периферической нервной системы.