Текст книги "Стабилометрия, вертикальная поза человека в современных исследованиях. Обзор"

III. К системе оценки стабильности и управляемости вертикальной позы человека

Излагаемые в этом разделе некоторые теоретические и практические новшества связаны с нашими находками и опытом последних лет. К этому, полагаем, можно отнести: 1) новые аспекты в анализе стабильности и управляемости позы человека на стабилоплатформе; 2) оригинальное устройство для измерений параметров стабильности и управляемости позы; 3) новое программное обеспечение с оригинальным автоматическим анализом данных. К первому. Разработка способа, проверка физиологической состоятельности и анализ показателей, а также конкретная реализация тестов (разработка методик) – в соавторстве с С. С. Гроховским, получены патенты РФ на изобретения: RU 2456920, RU 2476151 и RU 2530767. Ко второму. Разработка устройств для стабилометрии проводилась С. С. Гроховским, Р. И. Лущиковым и кандидатом технических наук Н. И. Прохоровым, с нашим методическим участием. Получены патенты РФ на полезную модель RU 144682, RU 152606. К третьему. Совместно с С. С. Гроховским и А. В. Доброродным разработано программное обеспечение STPL – Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013610968 – для исследования широкого спектра фундаментальных и прикладных тематических проблем.

Перейдём к более подробному изложению конкретных результатов и примерам.

Разработан новый способ анализа стабильности и управляемости позы человека в различных тестах (процедурах) на стабилоплатформе, основанный на расчёте механической работы, совершаемой в процессе миграции центра давления человека на опору, в плоскости опоры. В физиологическом смысле параметры механической работы для вертикального положения тела при отсутствии патологии связаны преимущественно с качеством управления – стабильностью позы или же точностью, плавностью и экономичностью движений. Это соответствует физическому смыслу: если тело массой m, движется со скоростью, тогда значение мгновенной кинетической энергии тела вычисляется на каждом регистрируемом участке траектории по стандартной формуле:

При этом величина механической работы, совершаемой телом массой m при смещении его центра давления между двумя последовательными позициями в плоскости опоры, соответственно, будет равна:

Количество выполненной работы (затраченной энергии) выражается в единицах Международной Системы Единиц, в Джоулях (Дж). Соответственно, при числе n проведенных дискретных измерений, это количество работы можно рассчитать по формуле:

В данном случае речь идёт об определенной части всей механической энергии, требуемой для регуляции позы – только той части, которая связана с взаимодействием опорных конечностей и плоскости опоры, вызывает смещение центра давления. Таким образом, при проведении стабилометрического исследования может быть получена количественная оценка, условно говоря, «энергозатратности» спокойного вертикального стояния, удержания или, например, какого-либо изменения позы. В практической реализации (алгоритм управляющей программы) расчёт показателя учитывает число дискретов, зависящее от длительности процедуры и частоты дискретизации устройства, а также определение ширины полосы пропускания и нормирование по массе.

Полезные свойства нового показателя можно проиллюстрировать следующим упрощенным примером. Доброволец с нарушением функции зрения (близорукость), но не имеющий никакой иной патологии, с массой тела 84.2 килограмма. При последовательной записи стабилометрических показателей в спокойном вертикальном стоянии в течение 51 секунды с открытыми и 51 секунды закрытыми глазами получены следующие результаты:

скорость общего центра давления при открытых глазах: 7.31 мм/с;

скорость общего центра давления при закрытых глазах: 7.00 мм/с;

площадь статокинезиограммы при открытых глазах: 63.15 мм²;

площадь статокинезиограммы при закрытых глазах: 65.26 мм².

Различия значений для показателя «скорости» с открытыми и закрытыми глазами составили примерно 4%, а для «площади» – 3%. Физиологический смысл показателя «скорость центра давления» идентичен другому часто применяемому показателю «длина статокинезиограммы», так как «скорость» рассчитывается путём деления длины пути статокинезиограммы на время регистрации. То есть, чувствительность всех вышеуказанных параметров к изменению важной для поддержания равновесия сигнализации (включение и выключение зрения) в данном примере была сопоставима. Работа по перемещению центра давления в плоскости опоры составила, соответственно, 3.56 Дж и 3.08 Дж. Различие значений нового показателя, характеризующее его чувствительность, составило здесь, таким образом, около 15%. То есть, в данном примере «чувствительность» нового показателя оказалась примерно в 4 раза выше, чем у площади статокинезиограммы и скорости миграции центра давления.

Статистическое изучение свойств нового показателя осуществлялось нами в сравнении с известными [26] «длиной статокинезиограммы» (L) и «площадью статокинезиограммы» (S), при спокойном вертикальном стоянии человека с открытыми и закрытыми глазами. Среди отличительных особенностей нового показателя, обозначаемого в разработанной программе как «A», выявлена его более высокая чувствительность, чем у традиционно применяемого показателя «длина статокинезиограммы», обусловленная учетом сложной траектории центра давления за время исследования при расчёте для «A», тогда как для «длины» это не учитывается. Также достигается большая устойчивость и однозначность индекса «A» в сравнении с показателем «S».

Проведено 200 измерений с участием 10 здоровых добровольцев. Из них 100 измерений по 30 секунд с открытыми глазами и 100 – с закрытыми, всего по 20 коротких этапов для каждого испытуемого, выполняемых на протяжении 10 дней, в одинаковых условиях, по 2 разных последовательных измерения в день.

Рассмотрим свойства выборки всех значений показателей «L», «S», «A» в данном наблюдении. Построен неориентированный граф – рисунок 1. Разным цветом выделены 6 кластеров, соответствующих исследуемым попарным показателям, полученным при открытых и закрытых глазах испытуемых.

Здесь реальные значения показателей представлены через различия (близости) в пространстве графа. Более чётко различающиеся кластеры для показателя «А», на наш взгляд, соответствуют его большей однозначности при смене состояний и устойчивости – то есть, более надежной передаче характеристики состояний и меньшему числу случайных влияний. Наоборот, наименьшая устойчивость к случайным влияниям показателя «S» отображается, по нашему мнению, как некоторое «размытие» соответствующего кластера и наличие «побочных» связей.

Новый показатель «А» также хорошо зарекомендовал себя в тестах с биоуправлением.

Рисунок 1. Граф парных значений исследуемых показателей «L», «S» и «A», построенный по алгоритму Force Atlas. Пояснения в тексте.

В случае использования тестов типа «мишень» [210], результат может оцениваться по степени выполнения инструкции испытуемым – например, успешность регуляции позы соответственно качеству управления отображаемой на обращенном к испытуемому экране метке его центра давления.

На рисунке 2 представлены варианты применения тестов данного типа в спорте и в клинике.

Рисунок 2. Тест с биоуправлением по опорной реакции в процессе тренировки спортсменов-стрелков для индивидуального экспресс-контроля (слева) и подготовка к проведению теста в клинике (справа). Варианты программного обеспечения, условий, организации и практического выполнения процедуры, оригинальное оборудование.

В случае равенства результата (по формальному качеству выполнения инструкции – результату управления меткой), различия в показателе, связанном с энергозатратностью процесса, могут указывать на различные стратегии достижения обусловленного инструкцией результата, или же на разное функциональное состояние. В данном случае новый показатель можно связать с характеристикой стратегии управления позой, выражающейся в оценке точности и экономичности управления. При этом определение известных показателей, как например, «площади статокинезиограммы», может оказаться ошибочным или не информативным выбором, тогда как показатель «А» оказывается чувствительным к изучаемому фактору и меняющимся не случайно.

Результаты, представленные на рисунке 3, базируются на 120 измерениях, выполненных в серии минутных тестов типа «мишень» (с биологической обратной связью по опорной реакции) с участием 6 практически здоровых курящих добровольцев, в течение 10 дней, по 2 измерения в день – непосредственно до и после привычного курения (описание в разделе 2.3.2). Опубликовано в журнале «Наркология» [211].

Добровольцы кодировались буквенным кодом: BB, BO, VG, MT, OG, ST. Все испытуемые одинаково добросовестно следовали инструкции в течение всего наблюдения. Для добровольца BB медиана всех значений показателя до курения составила 2.7 Дж, квартили – 2.5 и 3.1 Дж; для BO – 2.5 (2.2;2.6); для VG – 2.8 (2.6;2.8); для MT – 1.9 (1.8;2.7); для OG – 1.6 (1.4;1.9); для ST – 1.2 (1.1;1.5) Дж. В процессе повторяющихся ежедневных тестов у всех добровольцев наблюдалось небольшое снижение показателя «энергозатрат». Вероятно, это можно объяснить влиянием обучения, тренировки. Однако возможное влияние обучения на результаты исследования нивелировалось тем, что для оценки воздействия привычного сеанса курения проводилось внутрииндивидуальное сравнение значений показателя до и после курения – то есть, возможное обучение должно было проявляться как до курения, так и после. Медианы всех значений показателя «А» после курения: BB – 5.5 (4.7;5.8); BO – 4.0 (3.9;4.8); VG – 5.2 (4.9;6.9); MT – 4.1 (3.3;4.8); OG – 2.5 (2.2;2.9); ST – 1.8 (1.6;2.0).

Проверка с помощью критерия Вилкоксона (рисунок 3) показала, что у всех добровольцев после курения наблюдалось статистически значимое увеличение «энергозатрат» на выполнение теста. Аналогичная проверка для изменения площади статокинезиограммы (S) не выявила значимых изменений показателя у 4 испытуемых из 6. Иными словами, применение показателя площади в данном случае оказалось малоинформативным.

Рисунок 3. Статистическая значимость динамики показателей «S» и «A» у здоровых добровольцев в стабилометрическом тесте типа «мишень» вследствие сеанса привычного курения. Критерий Вилкоксона. Пояснения в тексте.

Таким образом, новый показатель («А») у добровольцев оказался более чувствительным к влияющему фактору (здесь – сеансу привычного курения), и менее подверженным случайным колебаниям в условиях биоуправления, чем площадь статокинезиограммы.

Моделью, включающей изменения уровня центральной регуляции вертикальной позы, также может служить состояние пациентов после церебрального инсульта на разных этапах реабилитации. В этой связи, отношение нового показателя к качеству центрального управления вертикальной позой, было исследовано на пациентах с церебральным инсультом – то есть, с верифицированным нарушением центральной регуляции функции – до и после соответствующих этапов медицинской реабилитации.

Наблюдение проводилось в рамках профильной лечебной работы неврологического стационара кандидатом медицинских наук М. В. Романовой, доктором медицинских наук Е. В. Исаковой и доктором медицинских наук С. В. Котовым, при нашем участии [209, 212—214].

Всего было проведено 432 измерения (до и после, с открытыми и закрытыми глазами) в трёх выборках пациентов общим числом 108, при прохождении курса реабилитации: 1) в остром периоде (28 человек); 2) раннем (40 человек); 3) позднем (40 человек). Оценивалась динамика состояния пациентов по стандартным шкалам – NIHHS, Bohannon, Perry, Berg Balance Scale, Столярова, Rankin. Улучшение состояний пациентов по данным разных шкал во всех выборках было статистически значимым – проводилось попарное сравнение значений до и после лечения для всех шкал с помощью критерия Вилкоксона с использованием метода статистического моделирования Монте-Карло. Для всех выборок расчетная значимость составила <0.000…. Иными словами, соответствующее улучшение двигательных способностей пациентов по завершению курса во всех выборках было подтверждено, в том числе, с помощью стандартных клинических шкал и доказано статистически.

На рисунке 4 представлена динамика изменений по Berg Balance Scale, в процентах, от начала к завершению этапов реабилитации, рассчитанная по выборочным характеристикам. Здесь качество (способность) центральной регуляции вертикальной позы, с учётом фактического состояния пациентов, возрастало от периода острой к периоду поздней реабилитации.

Такой косвенный вывод, или же другой – вывод о снижении нейропластичности по мере отдаления от события (острого нарушения мозгового кровообращения), или же вывод о достижении «плато» в контексте восстановления, или же их сочетание, можно сделать, учитывая две тенденции: во-первых, улучшение состояния пациентов к финишу каждого этапа; во-вторых, снижение различий между стартовыми и финишными значениями шкалы.

Рисунок 4. Процент (%) улучшения оценки по Berg Balance Scale от стартовых значений к финишным в разных выборках пациентов на этапах острой, ранней и поздней реабилитации, и, уменьшение различий между стартовыми и финишными оценками в зависимости от этапа – медианы и квартили выборочных значений. Указан коэффициент детерминации (R²) линейного тренда медиан. Пояснения в тексте.

Соответственно, из логики практического лечения, также следует, что состояние пациентов на этапе поздней реабилитации, без учёта необратимых дефектов, скорее будет лучше, чем на предыдущих.

Таким образом, следовало ожидать и статистически значимого улучшения показателей стабильности вертикальной позы по данным стабилометрии. Все пациенты проходили двухфазный стабилометрический тест – 30 секунд спокойного стояния с открытыми глазами и 30 секунд с закрытыми, вначале (после вертикализации для острого периода) и по окончании курса лечения. В таблице 1 представлены результаты попарного сравнения выборочных показателей с помощью критерия Вилкоксона с использованием метода статистического моделирования Монте-Карло.

Так как различия в состоянии пациентов от поступления в стационар до выписки проявлялись наиболее ярко в первых двух выборках (на первых этапах реабилитации), то, логично, что и показатели стабилометрии должны были там различаться сильнее – в таблице 1 все исследуемые показатели для первых двух выборок различались статистически значимо при α=0.01. То есть, стандартно вычисляемые длина и площадь статокинезиограммы, а также показатель механической работы центра давления уменьшались к окончанию курса. Однако в периоде поздней реабилитации, когда центральный контроль позы пациентов, вероятно, был надежнее по сравнению с предыдущими периодами, или же, не исключено, было достигнуто индивидуальное «плато» в плане восстановления, статистически значимые различия наблюдались только для показателя «А» при открытых и закрытых глазах, и для «L» при закрытых глазах.

Таким образом, здесь новый показатель «А» оказался более чувствительным и надежным, а также более устойчивым, чем «L» и «S».

Основываясь на идее оценки механической работы центра давления в плоскости опоры, разработаны родственные показатели, например, мощность флуктуаций центра давления, оцениваемая в единицах Международной Системы Измерений – Ватт (Вт).

Таблица 1. Статистическая значимость различий показателей «L», «S» и «A» пациентов в стабилометрическом исследовании до и после курса лечения, с принятым уровнем значимости 0.01. Критерий Вилкоксона. Пояснения в тексте.

Данные показатели применяются в программном обеспечении STPL в практике стабилометрических исследований [209].

Для оценки управляемости позы были разработаны дополнительные стандартизированные (в программном обеспечении) методические приемы, базирующиеся на организации биологической обратной связи по опорной реакции.

Например, принципиальная схема способа на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема двухфазного теста для сравнения параметров управления позой человека в режимах без дополнительного искусственного контроля и с дополнительным искусственным контролем (биоуправлением по опорной реакции). Пояснения в тексте.

Испытуемый для заданного инструкцией управления позой может оценить степень рассогласования между сигнализацией о положении тела от собственных рецепторов и дополнительной сигнализацией, поступающей по искусственному каналу обратной связи, организованному с помощью стабилометрической платформы. В развитие известных тестов типа «мишень» был предложен и запатентован способ RU 2530767, основанный на сравнении параметров двух одинаковых по длительности периодов, в одном из которых испытуемому предъявляется изображение мишени с неподвижной меткой в центре, а во втором движение метки соответствует миграции центра давления испытуемого, с нарастанием чувствительности отображения движений метки, от начала к концу периода (иными словами, передаче информации о всё более малых изменениях положения центра давления). Здесь возможна оценка способности человека использовать дополнительную искусственную сигнализацию для достижения обусловленного инструкцией результата (управления позой) в сравнении с его же способностью к управлению позой без биологической обратной связи.

Таким образом, сочетанная оценка степени достижения результата (здесь – выполнения инструкции) и энергоэффективности управления позой (связанному с параметром «А»), позволяет перейти к простой и одновременно содержательной трактовке выполнения теста испытуемым, условно: «достигнутый результат заданного действия» и «физиологическая цена достигнутого результата».

Например, общая оценка выполнения теста складывается из оценок результативности (R) и энергоэффективности (E) выполнения предъявленной инструкции. При этом, «энергоэффективность» понимается как отношение показателей «А» первой и второй фаз теста, а «результат», например, как среднее значение отклонений метки центра давления от центра заданной инструкцией зоны удержания позы, или, например, время удержания метки в заданной зоне относительно общего времени исследования.

Важным вопросом в корректной оценке управляемости позой в тестах типа «мишень» является возможное влияние обучения, то есть, потенциальная зависимость результата теста от тренированности, навыка испытуемого в выполнении такого теста. В этой связи, понимание как быстро происходит приобретение такого навыка, имеет отдельное значение.

На рисунке 6 проиллюстрирована групповая динамика обучения для варианта теста типа «мишень», а на рисунке 7 – индивидуальная, в этой же группе.

Рисунок 6. Изменение полиномиального тренда (m=4) медиан значений результатов испытуемых в тесте типа «мишень» с учётом начального периода (слева, с 1 по 9 тест) и без учёта начального периода (справа, с 4 по 9 тест). Указано значение коэффициента детерминации (R²). Медианы и квартили.

Исследование, включавшее 128 измерений (однофазных тестов типа «мишень») у 21 здорового добровольца (закодированы латинскими буквами на рисунке 7), проводилось нами совместно с кандидатом медицинских наук А. Л. Гусевой, кандидатом медицинских наук С. Д. Чистовым и коллегами в течение 5 недель – от 2 до 9 тестов у разных испытуемых.

По итогам этого исследования можно заключить, что обучение в тесте типа «мишень» происходит быстро.

Рисунок 7. Индивидуальная динамика результативности выполнения инструкции здоровыми добровольцами (буквенные коды) в последовательных тестах. Диаметр кружка соответствует значению результата («успешности»), достигнутого испытуемым в день теста. Число кружков – число тестов. Пояснения в тексте.

После краткого периода обучения результаты теста связаны с иными причинами, например, изменениями функциональных состояний, что обусловливает учёт обучения и выбор условий применения тестов данного типа в зависимости от задач наблюдения.

Последовательные данные о результатах ежедневного выполнения инструкции в новом двухфазном тесте с биоуправлением в течение 30 дней, на примере практически здорового взрослого некурящего предварительно обученного добровольца N с нормальным зрением, представлены на рисунке 8.

Рисунок 8. Средние отклонения метки центра давления от центра «мишени» (R) за 30 секунд биоуправления по опорной реакции, в миллиметрах, у добровольца N, в течение 30 ежедневных тестов. Пояснения в тексте.

Данное 30-дневное мононаблюдение демонстрирует отсутствие какого-либо явного тренда, например, рост или снижение результата, что, при наличии адекватной мотивации испытуемого и отсутствии внешних воздействий во время теста, позволяет связывать результат выполнения инструкции только со сменой функциональных состояний добровольца – соответственно трактовке группового наблюдения, изложенного выше. В данном случае наблюдается видимая вариабельность результатов уже после обучения.

На рисунке 9 представлена динамика значений показателя «A» у добровольца N в течение 30 дней, для двух фаз теста – всего 60 измерений. Здесь при общей вариабельности показателя в границах индивидуального диапазона, чётко наблюдается его повышение под влиянием биоуправления.

В свою очередь, динамика показателей для обеих фаз теста похожа, что, по нашему мнению, указывает на отражение текущего функционального состояния испытуемого в обоих периодах.

На рисунке 10 отображена динамика значений площади статокинезиограммы у добровольца N, аналогично представленному на рисунке 9.

Следует отметить неоднозначность здесь динамики показателя «S»: в отличие от показателя «А», он мог как увеличиваться, так и уменьшаться при переходе в режим биоуправления – при общем тренде к уменьшению значений. То есть, изменение параметра наблюдалось часто и указывало на включение дополнительного фактора регуляции позы, хотя не всегда это указание было однонаправленным.

Иными словами, использование этого показателя имеет недостатки. Соответственно, данные теста типа «мишень», с биоуправлением по опорной реакции, при предварительном обучении, легче интерпретировать, используя только чёткие, однозначные количественные критерии, которые отражают смену функциональных состояний испытуемого – по степени достижения заданного инструкцией результата и, косвенно, его физиологической «цене».

Рисунок 9. Индивидуальная динамика «энергозатрат», связанных с управлением вертикальной позой (показатель «А», Дж) добровольца N в управляемой (красным) и неуправляемой (зеленым) фазах теста. Для полиномиальных трендов (m=6) указаны коэффициенты детерминации (R²).

В настоящем разделе рассматривались данные 942 измерений, выполненных на отечественной профессиональной стабилоплатформе ST-150, с участием 39 здоровых добровольцев (510 измерений) и 108 пациентов после острого нарушения мозгового кровообращения (432 измерения) – в контексте исследования регуляции вертикальной позы человека по энергии его взаимодействия с опорой.

Таким образом, на основе теоретических находок предложен показатель «А», представляющий собой меру механической работы центра давления человека в плоскости опоры, а также связанное с ним семейство показателей (мера мощности, другое).

Рисунок 10. Индивидуальная динамика «площади статокинезиограммы», (показатель «S», в мм²) добровольца N в управляемой (красным) и неуправляемой (зеленым) фазах теста.

В различных моделях управления позой (открытые и закрытые глаза, искусственная обратная связь, изменения центральной регуляции) практически проверены, рассмотрены свойства нового показателя «А» в сравнении с традиционными показателями стабилометрии.

Предложены обоснования преимуществ семейства показателей, основанных на расчёте механической работы центра давления в плоскости опоры, для оценки стабильности и управляемости вертикальной позы человека, что является актуальным в соответствующих методиках с применением стабилоплатформы.