Исследование регуляции двигательной нагрузки тренинга с визуальной обратной связью у пациентов с диабетической полинейропатией.

Тренинги с визуальной обратной связью являются достаточно новым средством в медицинской реабилитации пациентов с диабетической полинейропатией [1], требующим дополнительного изучения. Цель применения подобных тренингов может связываться с существующей проблемой баланса тела у этой категории пациентов [2] и, соответственно, со снижением риска падений [3]. Полагаем, что это возможно обосновывать вероятным положительным влиянием упражнений с визуальной обратной связью в вопросах, обычно касающихся баланса тела у больных сахарным диабетом (СД), например, распределения нагрузки на стопы [4], контроля в голеностопном и коленном суставах [5], перестройки сенсорных потоков [6]. Предположения о синергии постуральных и зрительных процессов при выполнении визуальных задач в вертикальной позе — в модели когнитивного постурального контроля [7], на наш взгляд, могут быть также связаны с объяснениями вероятной пользы тренингов баланса с визуальной обратной связью. При этом исследования интерфейсов «человек-машина» могут свидетельствовать о большей роли проприоцептивной сигнализации в сравнении cо зрительной для реабилитационных целей [8, 9]. Опыт, связанный с медико-биологическим обеспечением космических полетов, демонстрирует важную роль сигнализации от стоп в поддержании осанки [10]. С учетом этих и других известных нам сведений проводилось наблюдение за пациентами с диабетической нейропатией, предполагая, что в сенсорной организации вертикальной позы у них есть специфические особенности, обусловленные болезнью. Ранее на здоровых молодых добровольцах [11] было установлено, что изменение передаточной функции («чувствительности») в задаче с визуальной обратной связью является ключевым фактором, влияющим на результат выполнения, связанный с удержанием максимально стабильной вертикальной позы и слежением за визуальной целью. Однако возможные различия влияний изменения глубины обратной связи в задаче с визуальной обратной связью у здоровых добровольцев и пациентов с возможными изменениями вследствие периферической нейропатии остаются малоисследованными. Наличие технических средств для нацеленного изменения передаточной функции [12] визуальной обратной связи, на наш взгляд, тем самым предоставляет дополнительные возможности для повышения эффективности двигательной реабилитации, различных человеко-машинных интерфейсов за счет понимания (осознанного подбора) наиболее адекватных параметров обратной связи. Использование опорных реакций (силовая платформа) в рамках задачи управления позой с целью достижения результата управления по визуальному каналу представляло собой наиболее удобную, на наш взгляд, модель типа двигательно-когнитивной задачи [13], позволяющей при изменении параметров обратной связи получить достаточную дифференциацию результатов для их четкой оценки.

ЦЕЛЬ

Целью наблюдения было исследование влияний ступенчатого изменения глубины обратной связи в двигательно-когнитивной задаче с визуальной обратной связью по опорной реакции на результат ее выполнения.

МЕТОДЫ

Дизайн исследования

Обсервационное одноцентровое одномоментное выборочное с контролируемыми условиями нерандомизированное наблюдение.

Критерии соответствия

В исследование были включены мужчины от 45 до 70 лет, с длительностью заболевания СД более 2 лет, подтвержденным клинико-функциональными и инструментальными методами диагнозом «диабетическая сенсомоторная полинейропатия нижних конечностей», показателями гликированного гемоглобина (HbA1c) от 6 до 11% (на фоне проводимой терапии), наличием письменного информированного согласия пациентов на участие в исследовании.

Критерии исключения из исследования: стенокардия напряжения 3–4 функционального класса (ФК), ­полинейропатии другой этиологии, психические заболевания, HbA1c>11%, выраженные трофические нарушения нижних конечностей (синдром диабетической стопы выше 0 стадии по Wagner F.W. [14]).

Условия проведения

Исследование проводилось в отделении лечебной физкультуры Главного военного клинического госпиталя имени академика Н.Н. Бурденко.

Продолжительность исследования

Наблюдение выполнялось в одну серию в начале курса стационарного лечения.

Описание медицинского вмешательства

На рис. 1 представлена общая схема наблюдения, включавшая 9 этапов, выполнявшихся в одну сессию, с предварительным инструктажем и обучением выполнению упражнения «Круг» на силовой платформе с визуальной обратной связью. Испытуемый в шумоизолированном помещении, без обуви, располагался вертикально, стоя на поверхности силовой платформы, руки свободно вдоль тела, взгляд перед собой — на экран, располагавшийся на расстоянии 1,5 м на уровне глаз, стопы по разметке силовой платформы.

Рис. 1. Условная схема проведения наблюдения.

Этапы 3–7 (тренинг «Круг» в штатной программе) представляли собой задачу по удержанию на экране метки общего центра давления испытуемого в центре круглой мишени (рис. 1). Отличия этапов — пошаговое увеличение глубины обратной связи (изменение передаточной функции, «чувствительности» силовой платформы) на каждом последующем этапе, с шагом в 10% от условно «нормального» значения, принятого за 100%, задаваемого алгоритмом штатной программой STPL. Изменение значения передаточной функции здесь — изменение масштаба отображения движения общего центра давления испытуемого с сохранением размера целевой области по отношению к экрану. Так как меняется масштаб, то меняется и скорость прохода метки общего центра давления из одной точки к другой. Иными словами, можно говорить о повышении либо снижении чувствительности силовой платформы, что приводит к изменению условий управления меткой. Между этапами, за исключением 1–2 и 8–9, испытуемый отдыхал в течение минуты, сидя на стуле. Очередной этап начинался с задержкой в 8 с в целях предупреждения возможных ориентировочных реакций и реакций на смену положения тела. Команды подавались автоматически, в штатном программном обеспечении. Процедура выполнялась с учетом применяемой пациентами корректировки зрения — в прописанных офтальмологом очках, кому это требовалось.

Основной исход исследования

Основными результатами исследования были интегральный параметр статокинезиограммы Аv, вычисляемый как показатель суммарной энергоемкости статокинезиограммы, измеряемый в Джоулях, деленный на время наблюдения в секундах, а также показатель внешнего результата при выполнении тренинга: баллы — число, отражающее количество дискретных удержаний метки центра давления в мишени с учетом глубины обратной связи (чувствительности платформы), рассчитанной штатной программой прибора.

Дополнительные исходы исследования

Дополнительно оценивалась динамика соотношений интегрального параметра статокинезиограммы Аv (мДж/с) при открытых и закрытых глазах как условная оценка роли зрения в сенсорном обеспечении вертикальной позы.

Методы регистрации исходов

Оценка качества поддержания вертикальной позы и результатов тренингов с применением биологической обратной связи выполнялась с помощью силовой платформы ST-150 («Мера-ТСП», Россия), имеющей ­свидетельство о регистрации средства измерений в РФ RU.C.39.004.A N 41201 и регистрационное свидетельство Министерства здравоохранения РФ № ФСР 2010/07900, с штатным программным обеспечением STPL — коды GMDN: 43114 Balance/mobility management system platform, 43115 Balance/mobility management system application software. В процедуре с управлением меткой общего центра давления по визуальному каналу обратной связи оценивалось число регистрируемых (дискретных) удержаний метки общего центра давления в целевой зоне за период, согласно алгоритму штатной программы STPL, соответствующее результату выполнения инструкции испытуемым. В частности, в данном наблюдении оценивался параметр статокинезиограммы, учитывающий связь ее формообразующих факторов с величиной и направлением возмущающего воздействия, по общей формуле:

 ,

где параметр соотносился с суммарной энергоемкостью статокинезиограммы, которая была равна сумме «энергозатрат», вычисленных на каждом элементарном отрезке статокинезиограммы за время исследования. Данный параметр является исключительно характеристикой статокинезиограммы, который рассчитывается с использованием измеренных значений координат общего центра давления на плоскость опоры, и при этом более точно и однозначно оценивает траекторию общего центра давления испытуемого, чем, например, традиционная длина статокинезиограммы [15].

Этическая экспертиза

Данное исследование было одобрено комитетом по этике при ФГКУ «Главный военный клинический госпиталь имени академика Н.Н. Бурденко» МО РФ (протокол № 172 заседания комиссии по этике от 24 июля 2015 г.).

Статистический анализ

Принципы расчета размера выборки. Многократное измерение характеристик пациентов, согласно принятой схеме исследования, определило реальный общий объем в 243 (как 9-кратное тестирование 27 пациентов) и реальный объем выборки при выполнении двигательно-когнитивного тренинга в 135 (как 5-кратное тестирование 27 пациентов). Отсюда достигалась заданная мощность исследования β=0,80 при уровне значимости α=0,05 в группе из 27 пациентов (получены выборки для анализа — общая 243 и непосредственно связанная с двигательно-когнитивной нагрузкой 135), согласно подходу о достижении требуемых характеристик мощности за счет многократных повторяемых измерений в одной группе [16].

Методы статистического анализа данных. Вычисления и подготовка таблиц — в стандартных программах MS Excel 2010 и IBM SPSS Statistics 21. Использовались расчетные показатели, указанные выше. Различия между парными выборками — критерий Вилкоксона. Факторный анализ — методом главных компонент, с вращением варимакс, с оценкой меры выборочной адекватности по Кайзеру–Мейеру–Олкину. Проверка типа распределения — одновыборочный критерий Колмогорова–Смирнова. Принятый уровень значимости 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Объекты (участники) исследования

27 пациентов с диабетической полинейропатией. Все пациенты получали лечение согласно современным стандартам.

Основные результаты исследования

На рис. 2 представлена обобщенная характеристика результатов пациентов выборки при выполнении заданий. Выраженные изменения показателя наблюдались при повышении глубины обратной связи более чем на 20% принятого за условно нормальное значение. При этом статистически значимые различия показателя наблюдаются уже на этапе наблюдения 4 по сравнению с 3 (p=0,009), а также в последующем (p<0,05), по критерию Вилкоксона. При повышении глубины обратной связи происходит снижение контроля управления задачей, проявляющееся в увеличении интерквартильного размаха показателя от 103 до 110 на этапе 4 до размаха от 32 до 86 на этапе 6 и от 29 до 79 на этапе 7.

Рис. 2. Групповая характеристика (медиана, 1-й и 3-й квартили) изменений результата управления в задаче с визуальной обратной связью по опорной реакции при увеличении глубины (в %). Интерполирующие кривые — кварта-полиномы с коэффициентом детерминации 1.

На этапах 3 и 4 у пациентов выборки значения показателя результативности выполнения заданий были высокими (рис. 2), что обусловило специфический вид распределения значений, отличный от нормального. С увеличением глубины обратной связи на этапах 5–7 значения показателей распределялись иначе, тест Колмогорова-Смирнова указывал на нормальное распределение. В этой связи факторный анализ проводился для этапов 5–7. Мера выборочной адекватности 0,8 и уровень значимости критерия сферичности Бартлетта p<0,001. Полная объясненная дисперсия указывает на наличие единственного значимого фактора — собственное значение 2,5. Интерпретация выделенного фактора как изменения глубины обратной связи, на наш взгляд, является единственно возможной. В качестве дополнительной проверки был проведен корреляционный анализ (р Спирмена) на наличие возможных взаимосвязей между исходными параметрами контроля позы пациентов (табл. 1) и достигнутыми результатами на этапах 5–7, который указал на отсутствие значимых корреляций.

Таблица 1. Параметры статокинезиограммы пациентов выборки с открытыми и закрытыми глазами на этапах 1, 2 и 8, 9 соответственно

Дополнительные результаты исследования

В табл. 1 представлены индивидуальные значения выбранного показателя на этапах наблюдения 1, 2, 8 и 9. Значения показателей у пациентов имели статистически значимые отличия при спокойном стоянии с открытыми глазами на этапах 1 и 8 (до и после выполнения задач с визуальной обратной связью, p<0,001) и, аналогично, с закрытыми глазами на этапах 2 и 9 (p<0,001). В обоих случаях показатель преимущественно увеличивался относительно этапов 1 и 2. При сравнении соотношений показателя с открытыми и закрытыми глазами (на этапах 1, 8 и 2, 9) не наблюдалось значимых различий, что может являться оценкой неизменного в процессе наблюдения влияния зрения на контроль вертикальной позы.

Нежелательные явления

Нежелательных явлений отмечено не было.

ОБСУЖДЕНИЕ

Подход к определению «нормального» значения передаточной функции (связанного с чувствительностью, глубиной обратной связи) в данном наблюдении, по нашему мнению, может быть распространен на любые ­системы, с помощью которых осуществляется тренинг с обратной связью с использованием общего центра давления, центра масс, оптических меток на теле, изменения суставных углов конечностей, при условии, что за «нормальное» значение здесь принимается такое, при котором «усредненный» испытуемый выполняет задачу с результативностью, близкой к максимальной. Иными словами, это условие, при котором обеспечивается преимущественно беспрепятственное, реальное управление (достижение заданного результата) испытуемым системы с визуальной обратной связью. Такое обобщение, не зависимое от конкретных настроек системы того или иного производителя, полагаем, может быть полезным в применении или интерпретации применения разных реабилитационных систем с различными алгоритмами и способами организации визуальной обратной связи.

Отдельно следует отметить, что изменение функции управления по визуальной обратной связи в предложенной модели у пациентов с диабетической невропатией принципиально не отличалось от динамики результатов, полученных нами в сходном наблюдении у здоровых добровольцев [11], что может указывать на наличие универсальных закономерностей, сохраняющих свое значение даже при сниженных возможностях испытуемых.

Резюме основного результата исследования

Полученные результаты демонстрируют влияние параметров визуальной обратной связи в двигательно-когнитивной задаче на ее результат, обозначают единственный значимый фактор. По сравнению с данным фактором исходные характеристики пациентов, например, связанные с моторным контролем (здесь — регуляция вертикальной позы), не являются значимыми. В этой связи достижение оптимальной нагрузки и режима проведения реабилитационных тренингов доступно в некотором диапазоне сложности, определяемом исключительно регулируемым внешним параметром.

Обсуждение основного результата исследования

В фундаментальном плане предложенная модель исследования и полученные результаты могут быть полезны в развитии концепций «двойных» задач — в которых процесс выполнения человеком поддержания баланса или ходьбы рассматривается как «двойная» активность, исследуются взаимосвязи двигательных и когнитивных компонентов (например [13, 17, 18]). На наш взгляд, ухудшение управляемости в системе с визуальной обратной связью при усложнении условий восприятия такой обратной связи прямо указывает на важную роль когнитивных компонентов, а также предоставляет новые возможности для исследований.

Интерполирующая кривая (рис. 2) демонстрирует возможность достижения достаточно надежного управления (примерно до 70–80% близкого к максимальному результату, соответствующему условно «нормальному» значению передаточной функции) меткой общего центра давления пациента в диапазоне примерно до 30–35% свыше «нормального». Таким образом, допускается возможность создания различных режимов тренировок, более или менее сложных для пациента, за счет изменения глубины обратной связи. Вероятной, достаточно условной аналогией применения в клинической практике таких разных режимов может быть практика, например, высокоинтенсивных и умеренно интенсивных тренировок в спорте [19]. На наш взгляд, использование режимов различной интенсивности или сложности в тренингах с визуальной обратной связью может повысить их эффективность и тем самым расширить возможности реабилитации.

Ограничения исследования

Использование стандартизованного измерительного оборудования (с установленными метрологическими характеристиками) и описанных методов расчета применявшихся показателей позволяет получить сходные данные, соответствующие состоянию участников наблюдения [11]. В этой связи основным условием для воспроизведения наблюдения является использование измерителя (силовая платформа) с подтвержденными метрологическими свойствами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Глубина обратной связи в двигательно-когнитивных задачах с визуальной обратной связью является ключевой характеристикой, влияющей на результативность выполнения. Регулирование глубины обратной связи в диапазоне, обеспечивающем достаточно результативное выполнение задачи (увеличение примерно до ~35%), может быть полезным для обеспечения дифференциации нагрузок при двигательной реабилитации пациентов в целях повышения эффективности тренировок. Предлагаемая модель двигательно-когнитивной задачи может быть актуальна при исследовании «двойных» задач, где исследуются взаимосвязи двигательных и когнитивных компонентов. Авторы будут благодарны вниманию коллег к предлагаемой работе и конструктивным замечаниям, понимая, что развитие темы повлечет много новых вопросов, требующих дополнительных исследований.