Игровое устройство для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями

Изобретение относится к области игровых тренажеров и к области медицины. Игровое устройство содержит снабженный клавиатурой (3) управляющий микроконтроллер (1) с энергонезависимой памятью, который выполнен с возможностью обеспечения биологической обратной связи ребенка с игровым объектом (8). Управляющий микроконтроллер (1) связан с устройством (13) ввода, выполненным в виде по меньшей мере одного входного датчика, и с игровым объектом (8). Входные датчики могут быть выполнены, например, в виде датчиков (15) контакта. Игровой объект (8) может быть выполнен в виде компьютера (9), работающего в игровом режиме или в режиме видеопллера (11) или в виде аудиопллера (12). Управляющий микроконтроллер (1) с клавиатурой (3), а также отдельные элементы устройства (13) ввода и источник питания преимущественно объединены в одном корпусе прибора «PlayWalk». Управляющий микроконтроллер (1) содержит программный блок (4) изменения и индикации режимов и параметров обработки, соответствующие выходы которого соединены со входами последовательно включенных программного блока (5) опроса входных сигналов, программного блока (6) обработки входных сигналов и принятия решения и программного блока (7) управления игровым объектом (8). При работе игрового устройства реализуются принцип биологической обратной связи для упражнения двигательных навыков у детей с неврологоческими нарушениями и высокая мотивированность детей к реабилитации. Это расширяет функциональные возможности игрового устройства и повышает эффективность реабилитационного процесса. 8 з.п. ф-лы. 2 ил.

Полезная модель относится к области игровых тренажеров, а также к области медицины и может использоваться для восстановления двигательных функций детей с неврологическими нарушениями.

Известны различные реабилитационные и тренировочные устройства, выполненные на основе механических тренажеров, которые могут дополнительно содержать электронные блоки управления и связанные с ними размещаемые на теле пациента датчики (например, SU 1802718 A3, 1993; RU 107940 U1, 2011; RU 2240851 C1, 2004; US 20060270528 A1, 2006; EP 0187457 A2, 1986). Однако они, как правило, сложны и громоздки, а эффективность развития физических способностей пользователей или реабилитации пациентов недостаточно высока. В особенности это относится к детям, для которых такие устройства мало приспособлены и не учитывают психологию ребенка.

Известно игровое реабилитационное устройство, содержащее горизонтальную платформу, снабженную узлом, реагирующим на отклонение платформы от горизонтали, и элементом, создающим неустойчивое положение платформы, а также связанную с этими узлом и элементом игровую приставку (RU 2008102407 А, 2009). Наличие игровой приставки позволяет использовать эффект игровой мотивированности реабилитационных упражнений, что особенно важно для пациентов - детей. Однако для коррекции многих патологических состояний детей такое устройство недостаточно эффективно, поскольку требует наличия двигательных реакций, которые дети с ограниченными двигательными возможностями могут и не воспроизвести.

Известна также игровая приставка для тренажера, содержащая игровой манипулятор, соединенный с датчиками движения и с блоком обработки и выдачи информации (RU 98336 U1, 2010). Такое устройство дополняет механический тренажер и повышает стимулирование пользователя к тренировкам. Однако оно также неэфективно для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями по той же причине.

Из известных устройств наиболее близким к предложенному является игровое устройство для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, содержащее логический блок согласования и соединенные с ним игровой объект и выполненное в виде по меньшей мере одного входного датчика устройство ввода, размещенное с возможностью получения соответствующего входного сигнала от ребенка (RU 2061508 С1, 1996). В этом устройстве логический блок согласования выполнен в виде соединенного с соответствующим входным датчиком блока усиления, блока выпрямления и фильтрации, компаратора и согласующего устройства, при этом к инвертирующему входу компаратора подключен потенциометр, задающий напряжение, соответствующее величине порога биоэлектрической активности. Игровой объект выполнен в виде компьютера, к которому подключен манипулятор. При возникновении превышающего установленный порог входного сигнала (например, в виде электромиограммы), поступающий на вход компьютера логический сигнал запускает игровой режим и ребенок (пациент) может управлять компьютерной игрой посредством манипулятора. Если биоэлектрический сигнал меньше пороговой величины, то компьютерная игра останавливается и управление ею становится невозможным. Для запуска компьютерной игры ребенку необходимо произвести действие, направленное на изменение биоэлектрической активности, например, напрячь определенную мышцу. Это позволяет проводить функциональную коррекцию расстройств функций у детей с врожденной и приобретенной патологией опорно-двигательного аппарата, коррекцию осанки и др. Игровой принцип при этом обеспечивает мотивированность ребенка процедурой и позволяет преодолевать определенные нагрузки, неизбежно связанные с коррекцией патологического состояния.

Однако функциональные возможности такого устройства и эффективность реабилитации ограничены, что связано с отсутствием возможности варьирования параметрами двигательной задачи, а также ограниченностью характера критерия остановки игры, который заключается в снижении биоэлектрической активности ниже установленного порога и не связан непосредственно с состоянием двигательного аппарата. Такое устройство не позволяет, например, исправлять паттерн ходьбы. Использование такого устройства возможно преимущественно в условиях клиники или реабилитационного центра, в домашних же условиях оно затруднено.

Задачей, решаемой полезной моделью, является создание игрового устройства для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в расширении функциональных возможностей такого игрового устройства и повышении с его помощью эффективности реабилитационного процесса.

Это достигается тем, что в игровом устройстве для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, содержащем логический блок согласования и соединенные с ним игровой объект и выполненное в виде по меньшей мере одного входного датчика устройство ввода, размещенное с возможностью получения соответствующего входного сигнала от ребенка, логический блок согласования выполнен в виде снабженного клавиатурой управляющего микроконтроллера с энергонезависимой памятью, выполненного с возможностью обеспечения биологической обратной связи ребенка с игровым объектом, при этом управляющий микроконтроллер содержит программный блок изменения и индикации режимов и параметров обработки, соответствующие выходы которого соединены со входами последовательно включенных программного блока опроса входных сигналов, программного блока обработки входных сигналов и принятия решения и программного блока управления игровым объектом. Игровой объект может быть выполнен в виде компьютера, который может быть настроен на игровой режим или режим видеоплеера, а также в виде аудиоплеера. В качестве входных датчиков могут быть использованы датчики положения, датчики контакта, датчики электрической активности или силоизмерительные датчики.

Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.

На фиг.1 показана структурная блок-схема предложенного игрового устройства, на фиг.2 - структурная блок-схема управляющего микроконтроллера.

Игровое устройство для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями содержит логический блок согласования, выполненный в виде управляющего микроконтроллера 1 с энергонезависимой памятью (субблок 2) и снабжен клавиатурой 3. Управляющий микроконтроллер 1 содержит программный блок 4 индикации режимов и параметров обработки. Соответствующие выходы этого блока соединены со входами последовательно включенных программного блока 5 опроса входных сигналов, программного блока 6 обработки входных сигналов и принятия решений и программного блока 7 управления игровым объектом 8. Входящий в состав игрового устройства игровой объект 8 может быть выполнен в виде соединенного с управляющим микроконтроллером 1 компьютера 9, который может быть настроен на игровой режим и соответственно включать компьютерную игру (субблок 10) или настроен на режим видеоплеера 11 (может использоваться и соединенный с компьютером 9 отдельный видеоплеер 11). Игровой объект 8 может быть выполнен в виде соединенного с управляющим микроконтроллером 1 аудиоплеера 12. Связь управляющего микроконтроллера 1 с компьютером 9 может быть выполнена беспроводной. Игровое устройство содержит также устройство 13 ввода, выполненное в виде по меньшей мере одного входного датчика. В качестве таких датчиков могут быть использованы датчики 14 положения (угловые датчики), например, на основе потенциометров, датчики 15 контакта, например, в виде отдельных кнопок пленочной клавиатуры, датчики 16 электрической активности, например, на основе усилителя биопотенциалов и накожных электродов для регистрации электромиограмм, и силоизмерительные датчики 17, преимущественно на основе тензорезисторов. Управляющий микроконтроллер 1 с энергонезависимой памятью, клавиатура 3 и отдельные элементы устройства ввода 13, например, усилитель биопотенциалов и тензоусилители могут быть конструктивно объединены в одном корпусе и выполнены в виде отдельного прибора, снабженного автономным источником питания и соответствующими разъемами и индикаторными элементами.

Работа игрового устройства основана на реализации принципа биологической обратной связи (biofeedback) /БОС/ для упражнения двигательных навыков у детей с неврологическими нарушениями (ДЦП, постэнцефалит, постинсульт и т.д.). При этом учтены особенности мотивации ребенка, который более готов к участию в игре, нежели к физическому тренингу. Это позволяет обеспечить эффективную реабилитацию за счет активной эмоциональной и физической вовлеченности ребенка в реабилитационный процесс. Игровое устройство, включающее прибор с управляющим микроконтроллером 1, соответствующие датчики и компьютер 9 за счет простоты в обращении и системы непосредственного контроля движений ребенка позволяет ребенку самостоятельно эффективно корректировать собственные движения, что расширяет функциональные возможности устройства и повышает эффективность реабилитационного процесса, позволяя, например, применять игровое устройство в домашних и любых благоприятных для ребенка условиях для реабилитации широкого класса двигательных нарушений. Это позволяет использовать игровое устройство ежедневно и ввести практику наработки новых движений в повседневную жизнь ребенка, что особенно важно с точки зрения двигательной реабилитации.

Микроконтроллер 1 является ядром игрового устройства. Для его настройки - выбора режимов работы и параметров алгоритма управления используется клавиатура 3. Для хранения его настроек используется его энергонезависимая память (субблок 2). При функционировании игрового устройства входящий в состав управляющего микроконтроллера 1 программный блок 4 изменения и индикации режимов и параметров обработки опрашивает состояние элементов управления прибора (состояние клавиатуры 3), изменяет необходимым образом режимы и параметры обработки, обеспечивает отображение (на передней панели прибора) значения выбранных параметров и записывает эти значения в энергонезависимую память управляющего микроконтроллера 1. Программный блок 5 опроса входных сигналов вводит показания тех датчиков устройства 13 ввода, которые используются в выбранном режиме работы. Программный блок 6 обработки входных сигналов и принятия решений сравнивает временную последовательность входных сигналов с шаблоном, заданным при выборе режима и параметров обработки. Если входной сигнал соответствует заданному шаблону, то через программный блок управления 7 подается сигнал на игровой объект 8, разрешающий компьютерную игру, просмотр или прослушивание. В противном случае игровой объект 8 блокируется. Программные блоки 4, 5, 6, 7 могут быть реализованы программными средствами с соответствующими алгоритмами.

Игровое устройство может использоваться для выработки активных движений в любых суставах ребенка, а также для исправления паттерна ходьбы. Так, в случае функционирования игрового устройства для обучения ребенка, страдающего неврологическим нарушением (для которого свойственна ходьба на цыпочках), наступать на пятки при ходьбе используются два датчика 15 контакта с опорой, смонтированные в обуви пациента под пяткой, и два датчика 14 положения (коленного угла) для правой и левой ноги. Входные сигналы анализируются на протяжении интервала заданной длительности (преимущественно от 1 до 7 сек). В результате анализа на игровой объект 8 подается разрешающий или запрещающий сигнал, затем анализируется следующий интервал и т.д. до конца процедуры. При этом разрешающий сигнал формируется, если в течение последнего временного интервала были выполнены следующие условия: был зарегистрирован контакт левой пятки с опорой, был зарегистрирован контакт правой пятки с опорой, объем движения левого колена (разница между наименьшим и наибольшим значениями угла) превысил заданную величину, объем движения правого колена превысил заданную величину. Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, то в конце анализируемого временного интервала будет сформирован запрещающий выходной сигнал и автоматически включается режим паузы для игрового объекта 8. Таким образом, ребенок может управлять компьютерной игрой, смотреть фильм или слушать фонограмму только в том случае, если он идет с частотой шагов не меньше заданной, сгибая колени на угол не меньше заданного и при этом наступает на пятки. Возможны различные режимы воспитания опоры на пятки детей, страдающих неврологическими нарушениями с использованием датчиков контакта 15. Например: 1) Воспитывается опора на пятки при ходьбе, когда ребенок идет по беговой дорожке и управляет работой видеоплеера 11 нажатием пяточных кнопок этих датчиков, при этом картинка на видеоплеере 11 через заданное время останавливается и не продолжится, пока ребенок не наступит на любую пятку или поочередно сначала на одну, затем на другую. 2) Воспитывается опора на пятки в положении стоя с использованием компьютерной игры и двух дополнительных кнопочных манипуляторов клавиатуры 3, при этом пяточные кнопки управляют движением игрового элемента (например, автомобиля) вперед, а кнопочные манипуляторы - влево, вправо. Для того, чтобы игровой элемент двигался вперед, ребенку необходимо стоять с опорой на пятки и одновременно он управляет руками движениями игрового элемента влево-вправо, что позволяет отвлечь ребенка от привычки держаться руками за окружающие объекты для дополнительной опоры. 3) Воспитывается опора на пятки во время ходьбы в режиме свободной прогулки (без беговой дорожки) с использованием аудиоплеера 12, при этом игровое устройство в том случае, если нет сигнала от пяточных кнопок, т.е. ребенок идет на мысках, снижает громкость звучания в наушниках до еле различимой и восстанавливает громкость при поступлении соответствующего сигнала о правильной постановке ноги.

Пример выполнения игрового устройства. Игровое устройство содержит снабженный клавиатурой 2 управляющий микроконтроллер 1 марки MSP430F5529 фирмы Texas Instruments, размещенный в корпусе типа G909 фирмы Gainta размерами 105×75×23 мм. В этом же корпусе размещен источник питания в виде батареи типа «Крона» или аккумулятора. Такой прибор на основе управляющего микроконтроллера 1 назван «Play Walk». Его связь с компьютером 9 осуществляется по шине USB, при этом прибор выступает для компьютера 9 в качестве «стандартной клавиатуры». В приборе имеются входы со стороны пациента - кнопки для управления игрой руками, входы для подключения датчиков 15 контакта для включения/блокировки игры (например, пятками), аналоговые входы для подключения правого и левого датчиков 14 положения (например, коленного угла). На корпусе прибора размещены четыре кнопки, позволяющие модифицировать параметры - состав анализируемых входных сигналов и вариант алгоритма обработки сигнала (четыре варианта), генерируемый управляющим микроконтроллером 1 символ для управления игрой (выбор из пяти символов), величину временной задержки на выключение игры, пороговое значение изменения коленного угла (достаточное для продолжения игры). Для индикации выбранных параметров, а также уровня заряда источника питания использован 7-сегментный индикатор и пять отдельных светодиодов. Для возможности работы с аудиоплеером имеются два разъема - для подключения наушников и соединения с выходом аудиоплеера. Игровое устройство с таким прибором и компьютером 9 (с операционной системой Windows 7) прошло практическую апробацию на более 10 пациентах, подтверждающую указанный технический результат при реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями.

Пример использования игрового устройства. Ребенок Т. 5 лет с диагнозом спастическая диллегия с умеренно выраженной спастичностью. Начиная с одного года жизни проходил направленное на восстановление двигательных функций лечение в различных реабилитационных центрах. Однако преодолеть привычный стереотип хождения на мысках (т.е. опоры при ходьбе только на передние отделы стоп) не удалось. Для воспитания правильного стереотипа ходьбы с опорой на полную стопу использовано игровое устройство. Занятия проводились в течение пяти недель. Тренировки совпали по времени с поездкой в другую страну и успешно проводились в самых различных условиях - туристической прогулки, в отеле, в спортивном центре и т.д. Это делалось намеренно с целью переноса навыка ходьбы в разнообразные социальные условия. Использовалось три режима функционирования игрового устройства: 1) Упражнения активных движений в голеностопном суставе - на активное тыльное сгибание стопы в положении сидя в режиме БОС-управления компьютерной игрой 3-4 раза в неделю по 90-120 минут. 2) Упражнения на выработку стереотипа опоры на полную стопу (на пятку) при ходьбе в режиме БОС-управления просмотром мульипликационного фильма на портативном компьютере 1 при ходьбе на беговой дорожке 2-3 раза в неделю по 60-90 минут с учетом пауз для отдыха. 3) Упражнение на выработку стереотипа опоры на полную стопу в режиме БОС-управления работой mp3 аудиоплеера 12 в условиях прогулки с поддержкой за одну руку (парк, городская улица, отель, торговый центри др.) 5-6 раз в неделю в течение 45-60 минут. В результате упражнений была достигнута биомеханическая коррекция ходьбы в части опоры на стопу. При этом значительно увеличилось количество активных дорсальных сгибаний стопы (при игре на компьютере 9 в течение 1,5 часа ребенок выполнял правильные движения в течение всего времени игры с периодичностью 20-30 движений в минуту попеременно каждой ногой). Увеличилась пройденная с опорой на полную стопу дистанция, например, в режиме прогулки с аудиоплеером 12 со 150 до 800 метров.

Игровое устройство для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, выполненное в соответствии с полезной моделью, обладает более широкими функциональными возможностями по сравнению с известными аналогичными устройствами. Оно обеспечивает реализацию повышенной мотивированности ребенка процедурой и эффективности коррекции функций у таких детей. Игровое устройство может эффективно использоваться для выработки (воспитания) активных движений в голеностопных, коленных, тазобедренных, лучезапястных, локтевых и плечевых суставах, а также для формирования правильного паттерна ходьбы.

1. Игровое устройство для реабилитации детей с ограниченными двигательными возможностями, содержащее логический блок согласования и соединенные с ним игровой объект и выполненное в виде по меньшей мере одного входного датчика устройство ввода, размещенное с возможностью получения соответствующего входного сигнала от ребенка, отличающееся тем, что логический блок согласования выполнен в виде снабженного клавиатурой управляющего микроконтроллера с энергонезависимой памятью, выполненного с возможностью обеспечения биологической обратной связи ребенка с игровым объектом, при этом управляющий микроконтроллер содержит программный блок изменения и индикации режимов и параметров обработки, соответствующие выходы которого соединены со входами последовательно включенных программного блока опроса входных сигналов, программного блока обработки входных сигналов и принятия решения и программного блока управления игровым объектом.

2. Игровое устройство по п.1, отличающееся тем, что игровой объект выполнен в виде компьютера.

3. Игровое устройство по п.2, отличающееся тем, что компьютер настроен на игровой режим.

4. Игровое устройство по п.2, отличающееся тем, что компьютер настроен на режим видеоплеера.

5. Игровое устройство по п.1, отличающееся тем, что игровой объект выполнен в виде аудиоплеера.

6. Игровое устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве входных датчиков использованы датчики положения.

7. Игровое устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве входных датчиков использованы датчики контакта.

8. Игровое устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве входных датчиков использованы датчики электрической активности.

9. Игровое устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве входных датчиков использованы силоизмерительные датчики.