Компьютерная диагностика двигательной активности пальцев руки человека на основе биомеханического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.09, кандидат медицинских наук Гринягин, Иван Владимирович

  • Гринягин, Иван Владимирович
  • кандидат медицинских науккандидат медицинских наук
  • 2011, Москва
  • Специальность ВАК РФ03.01.09
  • Количество страниц 216
Гринягин, Иван Владимирович. Компьютерная диагностика двигательной активности пальцев руки человека на основе биомеханического моделирования: дис. кандидат медицинских наук: 03.01.09 - Математическая биология, биоинформатика. Москва. 2011. 216 с.

Оглавление диссертации кандидат 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.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Математическая биология, биоинформатика», 03.01.09 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) 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.

Похожие диссертационные работы по специальности «Математическая биология, биоинформатика», 03.01.09 шифр ВАК

Заключение диссертации 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.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.