Приволжский исследовательский медицинский университет (ПИМУ)
Технологии виртуальной реальности в комплексной медицинской реабилитации пациентов с детским церебральным параличом
Карякин Н.Н., Шейко Г.Е., Воловик М.Г., Белова А.Н.
Россия, г. Нижний Новгород
РЕЗЮМЕ
Обзор посвящен вопросам применения технологий виртуальной реальности (ВР) в медицинской реабилитации пациентов с детским церебральным параличом (ДЦП). Обобщены современные данные касательно использования ВР в восстановлении двигательных, координаторных функций, а также коррекции других расстройств, сопутствующих двигательным нарушениям у пациентов с ДЦП. Анализ работ, представленных в отечественной и зарубежной литературе, показывает, что в настоящее время нельзя однозначно говорить об эффективности ВР в реабилитации пациентов с ДЦП. Это связано с рядом методологических недостатков проанализированных работ (небольшой размер изучаемой выборки, отсутствие контроля результатов в отдаленный период). Тем не менее использование технологий ВР с целью улучшения различных функций у пациентов с ДЦП является перспективным методом медицинской реабилитации.
Ключевые слова: виртуальная реальность, реабилитация, детский церебральный паралич.
Virtual reality technologies in complex medical rehabilitation of patients with cerebral palsy
Karyakin N.N., Sheiko G.E., Volovik M.G., Belova A.N.
Privolzhskiy Research Medical University
18/1, Verkhne-Volzhskaya Emb., Nizhny Novgorod, 603155, Russian Federation
ABSTRACT
The review highlights the issue of applying virtual reality (VR) technologies in medical rehabilitation of patients with cerebral palsy (CP). This review generalizes the current evidence on the use of virtual reality in restoration of motor and coordination functions, as well as in correction of other diseases associated with motor disorders in patients with CP. The analysis of national and international research shows that at present it is impossible to speak unambiguously about the efficiency of VR in rehabilitation of patients with CP. This is explained by some
H Шейко Геннадий Евгеньевич, e-mail: sheikogennadii@yandex.ru.
methodological shortcomings of the analyzed works (small size of the studied samples, lack of control over the results in the long term). However, the use of VR technologies for improving various functions in patients with CP is a promising method of medical rehabilitation.
Key words: virtual reality, rehabilitation, cerebral palsy.
ВВЕДЕНИЕ
Детский церебральный паралич (ДЦП) относится к группе стабильных нарушений движения и поддержания позы, ведущих к двигательным дефектам, вследствие непрогрессирующего повреждения и (или) аномалии развивающегося головного мозга у плода или новорожденного ребенка [1-3]. ДЦП представляет актуальную проблему современной медицины, так как является основной неврологической причиной детской инвалидности во всем мире, затрагивающей семью, образование и социальную жизнь ребенка [4]. Распространенность ДЦП составляет 2-3,6 случая на 1 000 детей [5]. Грамотный выбор методов и сроков реабилитации позволяет социально адаптировать детей с данной патологией и улучшить прогноз их двигательного и психического развития [2].
На данный момент существует множество методов медицинской реабилитации больных с ДЦП, эффективность которых зависит от реабилитационного потенциала пациента, а также комплекса подобранных процедур [6]. Среди основных реабилитационных мероприятий на данный момент выделяют следующие: ортезирование; физическая реабилитация (массаж, лечебная гимнастика, аппаратная ки- незиотерапия, роботизированная механотерапия), в том числе основанная на принципе биологической обратной связи; хирургические ортопедические вмешательства на конечностях; хирургическая коррекция деформаций позвоночника у детей с ДЦП; бо- тулинотерапия [7]. Основной целью в реабилитации больных ДЦП является помощь ребенку в достижении максимально возможного уровня физической, когнитивной, психологической и социальной независимости [2].
Тем не менее сохраняется актуальность разработки и внедрения новых эффективных и безопасных методов реабилитации больных с ДЦП, нацеленных на восстановление двигательной активности. При этом крайне важно использовать методы лечения, которые будут не только эффективными, но интересными для детей, вызывать вовлеченность пациента в процесс реабилитации, что, несомненно, должно сказаться и на результате [8]. Мотивация и активное участие детей в процессе реабилитации играют ключевую роль [9].
В настоящее время все большую популярность приобретают технологии виртуальной реальности (ВР), которые, по различным данным, способны значительно улучшить результаты реабилитационного лечения [10, 11]. Технология ВР является компьютерной симуляцией реальной среды и призвана обеспечить чувство присутствия с помощью 3D-изображе- ния и анимации, а также позволить взаимодействовать с различными объектами данной среды [12, 13].
Технологии ВР берут начало своего применения в 1950-х гг., как правило, с развлекательной целью. В середине 1960-х гг. потенциал их использования был признан исследователями из самых разных областей, в том числе в медицине [14]. В дальнейшем технологии ВР показали положительные результаты в лечении акрофобии [15], зуда [16], болевых синдромов
, посттравматического стрессового расстройства, депрессии и бессонницы [18]. Также был выявлен высокий потенциал ВР в реабилитации пациентов с ДЦП [19], у детей с расстройствами аутистического спектра [20-22], пациентов с болезнью Паркинсона [23], Альцгеймера [24] и рассеянным склерозом [25]. Высокая эффективность технологии ВР в медицинской реабилитации обусловлена достижением эффекта погружения, что позволяет отвлечь внимание пациента от боли, дискомфорта, снизить тревожность или неудовлетворенность лечением [26].
Ощущение погружения в ВР обеспечивается с помощью использования очков, специальных шлемов, проекторов, перчаток с сенсорами, а также языка кодирования Virtual Reality Modeling Language (VRML), предназначенного для описания трехмерных изображений. Участие или погружение пациента в ВР может быть реализовано в следующих вариантах: активном, когда пользователь управляет виртуальным образом (аватаром) или конкретным объектом; пассивном, когда производится просмотр видеороликов без активного управления [27]. ВР в отличие от других форм визуализации (видеоигры, телевидение) позволяет взаимодействовать с различными объектами в реальном времени [28].
Пользователь в искусственно созданной виртуальной среде может почувствовать опыт, аналогичный событиям и действиям в реальной жизни [29]. Пациент может видеть, ощущать объекты и события, манипулировать ими и перемещать их в виртуальном пространстве. Таким образом создается «эффект присутствия» [30]. Наибольшая эффективность применения ВР с позиций доказательной медицины выявлена при восстановлении функции ходьбы [31] и манипулятивной функции верхней конечности [32], что достигается за счет создания виртуальной среды, максимально приближенной к реальной, а также формирования мотивации к активному участию пациента в реабилитационных мероприятиях [32, 33]. Именно активное вовлечение пациента в процесс тренировки в виртуальной среде, в ходе которой можно осознавать и исправлять свои ошибки при выполнении движений, позволяет достичь высоких результатов в обучении больного двигательным навыкам [34, 35]. ВР-тренировка способствует эффективному оттачиванию движений в том контексте, в котором они должны применяться в жизни благодаря трем ключевым элементам, необходимым для улучшения моторных функций: повторение стимуляции, сенсорная обратная связь, мотивация пациентов [26, 35].
Восстановление двигательного дефицита при использовании ВР в нейрореабилитации связано с активизацией механизмов пластичности мозга, в том числе с изменениями в первичной сенсомоторной коре и дополнительной двигательной области [35, 36]. Это знание позволяет расширять спектр нозологий, при которых с помощью ВР удается достигнуть значимых результатов [37, 38].
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВР-ТЕХНОЛОГИЙ В НЕЙРОРЕАБИЛИТАЦИИ У БОЛЬНЫХ С ДЦП
Одним из перспективных направлений в коррекции двигательных и сопутствующих нарушений у пациентов с ДЦП является использование ВР в качестве дополнительного способа реабилитации [39]. Применение ВР у детей с ДЦП быстро набрало популярность, поскольку компьютерные технологии являются мотивирующими для детей и молодежи [40]. Стоит заметить, что недостаточная мотивация может помешать пациенту раскрыть свой функциональный потенциал [9, 41]. ВР позволяет выполнять сложные движения в безопасной среде, предоставляет возможность активного обучения [2, 9].
Ряд исследований указывает на положительное влияние ВР на реорганизацию мозговых структур, нейропластичность, двигательные способности пациента, зрительную перцепцию, социальные особенности поведения и личностные качества [2, 19, 42]. Положительная особенность применения ВР заключается в том, что учитывается реальная ежедневная деятельность пациента [43].
Существует множество различных систем ВР, среди них Virtual Rehab, Caren, Nirvana, Tyromotion, MiTii и др. Одной из самых распространенных является система Virtual Rehab - реабилитационная платформа, использующая коммерчески доступные сенсоры Microsoft Kinect и Leap Motion, а также технологию видеоигр, предназначенную для восстановления двигательных функций конечностей. ВР-те- рапия с применением сенсоров Microsoft Kinect и Nintendo Wii доказала свою эффективность в улучшении выполнения физических упражнений и повышении физической активности [44].
Оборудование для ВР отличается высокой стоимостью и сложностью, что предопределяет использование данных систем только в условиях клиники. Тем не менее разрабатываются игровые системы для домашнего пользования: Tyromotion Pablo для тренировки кисти и пальцев; Tymo для тренировки равновесия и силы; The Interactive Rehabilitation Exercise System (IREX) с технологией погружения и контроля жестов; системы You Grabber и You Kicker для тренировки движений верхней и нижней конечностей. Превращение лечения в игру повышает внимание ребенка к выполнению тех или иных упражнений по сравнению с обычным лечением [45, 46] и, что особенно важно, с возможностью использования ВР-технологий на дому [47].
В настоящее время активно разрабатываются и внедряются в реабилитационную практику игры с использованием ВР для пациентов с ДЦП, которые будут терапевтически релевантными и в то же время интересными для самих пациентов [48]. Во многих исследованиях применения ВР в реабилитации детей с ДЦП оценивается эффективность в зависимости от достигаемой цели: восстановление функции верхней и (или) нижней конечности, постурального контроля и равновесия; улучшение физической подготовки и тренировка сердечно-сосудистой системы [42, 49].
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВР-ТЕХНОЛОГИЙ В ВОССТАНОВЛЕНИИ ФУНКЦИИ ВЕРХНЕЙ КОНЕЧНОСТИ У ПАЦИЕНТОВ С ДЦП
Одной из наиболее приоритетных задач восстановления бытовой и социальной активности пациентов с ДЦП является улучшение базовых моторных навыков верхней конечности, таких как способность координировать движения двух рук, достигнуть объект и манипулировать им [50]. двигательный церебральный паралич расстройство
J.W. Yoo и соавт. провели исследование, в котором оценивали эффективность использования биологической обратной связи с применением ВР по электромиографии (ЭМГ-биофидбэк) у пациентов (п = 18) с различными формами ДЦП (средний возраст (9,5 ± 1,9) года) для улучшения функции верхней конечности. Все пациенты с ДЦП проходили один 30-минутный сеанс ЭМГ-биофидбэк, а затем через 1 нед еще один 30-минутный сеанс ЭМГ-биофидбэк и ВР. Результаты оценивали по ряду тестов: диапазон движения локтевого сустава, тест «коробка и кубик», сила бицепса. После применения ЭМГ-биофидбэка совместно с ВР выявлялось статистически значимое улучшение по всем тестам (р < 0,05). Данное исследование является первым клиническим испытанием, которое продемонстрировало эффективность применения ЭМГ-биофидбэк совместно с ВР у пациентов с ДЦП для улучшения функции верхней конечности [51].
G. Acar и соавт. изучили эффективность применения ВР (Nintendo Wii) для улучшения функции верхней конечности у пациентов с гемипаретиче- ской формой ДЦП (n = 30) с уровнем двигательных нарушений I--II по Международной шкале классификации моторных функций пациента (Global Motor Function Classification System, GMFCS). Пациенты были разделены на две группы по 15 человек в зависимости от получаемого комплекса реабилитационных мероприятий. В первой группе (средний возраст (9,5 ± 3,0) года) выполнялось традиционное неврологическое лечение (30 мин) с применением технологии ВР (теннис, бокс, бейсбол - по 5 мин каждая). Во второй группе (средний возраст (9,7 ± 2,9) года) - только традиционное неврологическое лечение (45 мин).
Все пациенты получали 45-минутное лечение два раза в неделю в течение 6 нед. Функция верхних конечностей до и после лечения оценивались c помощью теста навыков верхней конечности (Quality of Upper Extremity Skills Test, QUEST), функционального теста кисти Джебсона - Тейлора (Jebsen-Taylor Hand Function Test), детского теста ABILHAND и Меры функциональной независимости (Pediatric
Functional Independence Measure (self-care)). Результаты исследования продемонстрировали более выраженное улучшение функции верхней конечности у пациентов с гемиплегической формой ДЦП, которым применялось традиционное неврологическое лечение совместно с ВР [52].
Кроме того, был проведен ряд пилотных исследований, где была определена высокая эффективность использования систем ВР в улучшении функции верхней конечности у пациентов с гемиплегической формой ДЦП [47, 53]. Одной из наиболее популярных систем для восстановления функции верхней конечности и планирования движений является программа MiTii (move it to improve it - двигайся, чтобы стать лучше), использующая интерактивную компьютерную игру, которая управляется с помощью движений кистей и тела. Система предусматривает дистанционную настройку и проверку прогресса, а также возможность придать серии игр индивидуальный характер. В настоящее время в университете Квинсленда (Австралия) проводятся рандомизированные клинические испытания системы ВР MiTii для оценки эффективности в улучшении функции верхней конечности, а также для того, чтобы глубже понять центральные нейроваскулярные механизмы, обусловливающие изменения функций верхней конечности, планирования движений и исполнительной функции [54].