An outlook of early rehabilitation of stroke patients using VR technologies

Full Text

Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ

Основная цель реабилитации ― улучшение качества жизни и возможность самостоятельного обслуживания.

Исходя из нормативных документов и методических рекомендаций, у пациента с острым нарушением мозгового кровообращения (ОНМК) реабилитация должна начинаться как можно раньше. Реабилитационные мероприятия чаще всего занимают длительное время не только из-за глубокого двигательного дефицита, но зачастую вследствие потери интереса пациента к занятиям и/или дефицита человеческих и технических ресурсов. Основной задачей ранней реабилитации являются раннее начало, улучшение качества и количества реабилитационных процедур. M. Iosa и соавт. [1] было высказано предположение, что сочетание реабилитационного протокола с использованием новых технологий, таких как робототехника, интерфейсы мозг–компьютер (биологическая обратная связь), неинвазивные стимуляторы мозга (транскраниальная магнитная стимуляция), носимые устройства для анализа движений (смартфоны и планшеты), даёт оптимальное решение для реабилитации когнитивных и моторных функций. Не все пациенты с ОНМК, находящиеся в отделении реанимации, получают ранние реабилитационные мероприятия в полном объёме: с учётом тяжести состояния (уровень сознания, гемодинамические и лабораторные показатели) программа восстановления ограничивается зачастую только позиционированием в кровати и мероприятиями по уходу.

ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ: НОВЕЙШИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ДОСТИЖЕНИИ ОСНОВНЫХ ЦЕЛЕЙ РЕАБИЛИТАЦИИ

Среди всех новейших технологий виртуальная реальность (virtual reality, VR) может быть мощным и перспективным инструментом для достижения основных целей реабилитации [2]. Экспериментально было доказано, что реабилитация, основанная на VR-технологиях, способна воссоздавать реалистичное восприятие и соответствующую реакцию у пациента, за счёт чего улучшалось качество проведения когнитивной и моторной реабилитации с наименьшими затратами [3]. Однако успех VR-реабилитации зависит в большинстве своём от технологий и методик, используемых врачами.

При метаанализе 24 исследований по реабилитации пациентов с ОНМК с применением VR-технологий было выявлено, что физическая терапия с виртуальной реальностью не хуже и не лучше, чем обычная физическая терапия, однако её применение может улучшить результаты комплексного лечения пациентов с инсультом при отсутствии стандартных методов реабилитации, таких как кинези- и механотерапия. Доказано также, что виртуальная реальность является безопасным и эффективным методом реабилитации для улучшения не только моторной функции конечностей, но и когнитивной функции головного мозга в повседневной активности пациентов, перенёсших ОНМК [3].

В настоящее время исследования по VR-реабилитации неоднородны из-за отсутствия стандартизированного программного и аппаратного обеспечения VR-терапии [3]. Нет единой методики проведения VR-реабилитации. Например, в клинических исследованиях под руководством J.A. Kleim [4] и Y.M. Kim [5] VR-технологии применялись у пациентов с унилатеральным игнорированием. В VR и контрольной группах, в зависимости от нейропластичности головного мозга, был предоставлен одинаковый объём воздействия, что соответствует принципам интенсивности, повторения и времени [4]. В методиках VR-реабилитации возможно обеспечение обратной связи, например визуальной и тактильной [5], слуховой и вербальной [5]. Тем не менее в исследовании Y.M. Kim [5] в заданиях VR было задействовано больше активных движений (например, вращение верхней конечности и туловища), чем в задании J.A. Kleim [4], где задача заключалась в нажатии набора клавиш для управления положением аватара при переходе улицы. Кроме того, ни в одном из 23 исследований по применению VR-реабилитации не указана точная продолжительность сеанса (в минутах), но известно, что в среднем проводилось 13 сеансов у одного пациента. Кроме того, необходимо учитывать, что во всех рассмотренных исследованиях использовалась неиммерсивная VR, что может влиять на ощущение присутствия и потенциальные результаты.

Таким образом, использование VR-технологий в реабилитации пациентов с постинсультным унилатеральным игнорированием является перспективным подходом по сравнению с традиционными методами реабилитации за счёт расширения ограниченных возможностей данных методов. Виртуальная реальность даёт возможность демонстрации реалистичных типов сцен и участия в функциональной деятельности, которые в реальной жизни пациенту выполнять небезопасно. VR-реабилитация хорошо мотивирует пациента, а уровень сложности можно градировать в зависимости от тяжести унилатерального игнорирования.

По данным метаанализа эффективности интерактивного виртуального обучения было показано повышение мотивации пациентов, а также улучшение стимуляции когнитивных способностей, таких как аттентивно-мнестические функции и визуально-пространственное познание, что привело к улучшению бихевириальных (поведенческих) способностей у пациентов с ОНМК [6]. Создание положительного опыта обучения позволяет продлить реабилитационные сеансы [7]. Используя принцип реабилитации от «простого к сложному», при помощи VR можно постепенно моделировать жизненные ситуации без риска получения травм, и тем самым подготавливать пациента к более сложным упражнениям в реальной среде [7, 8].

С точки зрения нейрофизиологии, у пациентов с ОНМК при использовании VR-технологий происходит стимуляция нейропластичности головного мозга с помощью задействования холинергического и дофаминергического нейротрансмитторных путей [9]. Исследования H.F. Bagce и соавт. [10] установили связь между когнитивными и двигательными функциями, подчёркивая положительное влияние когнитивных функций на моторную реабилитацию, особенно когда физическая терапия начинается с VR-технологий и проводится в виртуальной среде.

В ранних исследованиях применения VR-реабилитации выявлены такие факторы, как удобство взаимодействия [11], чувство контроля пользователя, реалистичность задачи, продолжительность воздействия [12], социальные (например, взаимодействие с аватарами) [13] и системные (например, более широкое поле зрения, мультимодальное взаимодействие, погружение в образ от первого лица, устройства обратной связи и т.д.) факторы [10], которые должны быть учтены при разработке VR-интервенции для усиления чувства погружения и предчувствия и, возможно, улучшения общего терапевтического эффекта.

ХРОМОТЕРАПИЯ КАК СОСТАВЛЯЮЩАЯ РЕАБИЛИТАЦИИ ПРИ ПОМОЩИ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ

Для оптимизации процесса VR-реабилитации и с целью улучшения стимуляции триггерных зон локомоции был проведён анализ нейрофизиологических исследований по восприятию цвета и звуковых раздражителей. Выявлено, что люди различаются по своим цветовым предпочтениям, однако, как показали исследования S.E. Palmer и соавт. [14], синий цвет является самым предпочтительным, тогда как жёлто-зелёный ― наиболее неприятным. Кроме того, если построить график зависимости предпочтений от вариаций оттенка, обнаруживается систематическая кривая предпочтения оттенка, которая неуклонно повышается по мере того, как оттенки становятся более синими и менее жёлтыми, хотя существует также некоторое взаимодействие с лёгкостью и насыщенностью (например, насыщенный жёлтый цвет нравится больше, чем тёмно-жёлтый).

Эта модель цветовых предпочтений остаётся относительно стабильной на протяжении долгого времени. Например, такие предпочтения были выявлены в самых ранних исследованиях цветовых предпочтений, проведённых ещё в XIX веке [14]. Кроме того, несмотря на некоторые культурные различия в кривой предпочтения оттенков, некоторые аспекты цветовых предпочтений являются «универсальными» [15]. Однако ни одно из исследований не позволяет на 100% определить области мозга, которые более активны, когда люди видят цвета, которые им нравятся, и области мозга, реагирующие на цвета, которые им неприятны [16]. Например, орбитофронтальная часть коры и миндалины связаны с суждениями о цветовой гармонии, хотя этот процесс отличается от определения цветовых предпочтений [17]. Передняя медиальная префронтальная часть коры и ретросплениальная кора более активны, когда люди говорят о предпочтениях в цвете, по сравнению с суждениями о сходстве цветов [18].

В исследовании на здоровых добровольцах было показано, что вне зависимости от интенсивности цветопередачи и цветовой схемы, а также предпочтений испытуемого происходит активация задней теменной коры в обоих полушариях и распространяется от прекунеуса в заднюю поясную извилину. В свою очередь, для распознавания и вербального обозначения цвета происходит активация нейронов в нижнелатеральной затылочной коре, затылочной фузиформной, парамедиальной и прецентральной извилинах левой лобной области, в то время как насыщенность и контрастность активируют сначала среднюю линию в обоих полушариях с передачей нейронного импульса через прекунеус в затылочную долю. И чем ярче цвет, тем больше активируется лобная доля в области клиновидной кости (рис. 1,2) [16, 19–21].

 

Рис. 1. Цветовосприятие головного мозга [19].

Примечание. Цифровые обозначения: 7 ― 7-е поле по Бродману, вторичная сенсорная область (получение информации от органов зрения, её обработка и управление движениями тела в ответ на визуальные стимулы); 19 ― 19-е поле по Бродману, вторичная визуальная область (трёхмерное зрение позволяет обнаруживать изменения в интенсивности света и связывать зрительные стимулы с памятью, сохраняет воспоминания в форме изображения); 23 ― 23-е поле по Бродману, лимбическая область коры головного мозга (развитие эмоций); 28,34 ― 28-е и 34-е поле по Бродману, обонятельная кора (стимулирует восстановление воспоминаний от восприятий определённых запахов, контроль движения тела) [20].

Fig. 1. Color perception of the brain [19].

Note: Digital designations: 7 ― Brodmann area 7, secondary sensory, receiving and processing information from the organs of vision, control over body movements in response to visual stimuli; 19 ― Brodmann area 19, secondary visual area: 3D vision provides detecting changes in the illumination intensity and relating the visual stimuli to the memory (stores memories in the visual form); 23 ― Brodmann area 23, a limbic part of the brain cortex, development of emotions; 28,34 ― Brodmann area 28,34, olfactory cortex, stimulates restoration of the perception of certain smells, control over body movement [20].

 

При влиянии целенаправленного визуального раздражителя происходит активация большой части сети пассивного режима работы мозга, включающей в себя вентромедиальную префронтальную область коры, дорсальную медиальную префронтальную кору и заднюю поясную кору, а также прилегающий прекунеус, латеральную теменную кору (приблизительно 39-е поле Бродмана), энторинальную кору (заднемедиальная, средняя темпоральная кора, медиальная префронтальная кора и угловая извилина) [21]. На данный момент известно, что сеть пассивного режима работы мозга отвечает за восприятие и когнитивные способности человека [16, 22].

 

Рис. 2. Восприятие головного мозга при насыщенности и конт- растности цвета [19].

Примечание. Стрелками указаны связи между глазами и основными областями мозга, участвующими в процессе зрительного внимания (лобными полями глаз и задней теменной корой), которые направляют пространственное внимание; и верхнее двухолмие, которое контролирует как движения глаз, так и скрытое переключение внимания [21].

Fig. 2. Brain perception of the color saturation and contrast [19].

Note: The arrows point to the connections between the eyes and basic areas of the brain participating in the process of visual attention: frontal areas of the eyes and posterior parietal cortex, which direct the spatial attention; and the superior colliculus, which controls both eye movements and covert attention shifting [21].

 

Полученные данные по цветовосприятию активно используются в реабилитации с использованием сенсорных комнат, где за счёт использования хромотерапии происходит коррекция нервно-психической деятельности [23]. Однако данный метод можно также использовать на втором и третьем этапах реабилитации пациентов с ОНМК. В исследовании по применению хромотерапии у здоровых добровольцев было показано, что использование зелёного, жёлтого, оранжевого и красного цветов улучшает когнитивные способности человека [24].

ВОЗМОЖНОСТИ МУЗЫКАЛЬНОЙ ТЕРАПИИ В КАЧЕСТВЕ КОМПОНЕНТА РЕАБИЛИТАЦИИ C ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТЬЮ

Наряду с хромотерапией активно используется музыкальная терапия у пациентов с заболеваниями центральной нервной системы [25]. Методы музыкальной терапии способствуют устранению когнитивных, сенсорных и моторных дисфункций, возникающих в результате данных заболеваний нервной системы человека. Особенность музыкальной терапии заключается в стимуляции сенсорных, моторных, перцептивно-когнитивных и эмоциональных зон коры головного мозга [26]. Современные клинические исследования показывают, что музыкальная терапия обладает большим терапевтическим эффектом при нейрореабилитации [25, 27–29]. Данные улучшения возможны, поскольку музыка активирует не только слуховые области, но и практически все нейрональные сети головного мозга, такие как инсулярная, дорсальная фронтопариетальная, сеть пассивного режима работы мозга и др. [30–34]. Исследования методом функциональной магнитно-резонансной томографии показали, что прослушивание полифонической музыки задействует двусторонние височные, лобные и теменные нейронные цепи, лежащие в основе различных форм внимания, рабочей памяти, семантической и синтаксической обработки, а также образного мышления [35, 36]. У здоровых людей при прослушивании приятной музыки временно улучшались показатели в тестах на пространственно-временные способности [37], внимание [38], беглость речи [39] и креативность [38]. Слуховая стимуляция музыкой временно улучшала показатели в тестах на автобиографическую память у пациентов с деменцией [40] и в тестах на зрительное внимание у пациентов c ОНМК [41]. В частности, при прослушивании любимой музыки пациентами с инсультом по 1–2 часа в день в течение 2 месяцев значительно улучшаются внимание, вербальная память, чем у пациентов, которые слушали аудиокниги или проходили стандартную реабилитационную терапию [42]. Более того, большинство музыкальных произведений также содержали тексты, что играет решающую роль в восстановлении когнитивных функций. К примеру, пациенты с афазией повторяют и вспоминают больше слов из новых песен, когда поют, чем когда говорят по слуховой модели [43]. Тот факт, что прослушивание музыки, особенно с текстами, связан с активностью более широкой и билатерально распределённой нейронной сети, чем прослушивание только текстового материала [44], также объясняет наблюдаемое превосходство музыкальной стимуляции над чисто вербальной стимуляцией, особенно у пациентов с поражением левого полушария [45]. Помимо влияния на познание и настроение, прослушивание музыки дополнительно стимулирует как периинфарктные области в повреждённом полушарии, так и области в контралатеральном ― здоровом ― полушарии, которые обычно демонстрируют повышенную пластичность на данном этапе восстановления [46, 47]. Данные по нейропластичности подтверждены пока только в экспериментах на животных, где было показано, что музыка улучшает функции слуховой коры, обучение и память [48–51], увеличивая нейрогенез в гиппокампе [50], изменяя экспрессию глутаматного рецептора GluR2 в слуховой коре и передней поясной извилине [52], тем самым повышая уровень нейротрофического фактора мозга в гиппокампе [53] и гипоталамусе [51], а также уровень рецептора тирозинкиназы B (TrkB) и рецептора нейротрофического фактора мозга в коре головного мозга [49]. Изменение передачи глутамата в периинфарктной зоне [54] и повышение уровня нейротрофического фактора мозга [55] являются важнейшими механизмами нейропластичности, способствующими восстановлению после инсульта.

ОБСУЖДЕНИЕ

Большинство врачей и исследователей в понятие реабилитации с VR-технологиями вкладывают преимущественно методику биологической обратной связи (БОС-терапия) в комбинации с методами физической реабилитации, либо VR-терапию со сложным программным обеспечением для стабильных пациентов, находящихся в госпитальном отделении или на втором этапе реабилитации со средним или малым неврологическим дефицитом, в то время как реабилитационные мероприятия стоит начинать у больных, проходящих лечение в отделении реанимации. Однако, как показывает практика, большинство пациентов, находящихся на респираторной и/или вазопрессорной поддержке, из-за тяжести состояния не получают должного объёма реабилитационных мероприятий (чаще всего вследствие нестабильных гемодинамических показателей), что ухудшает исход заболевания и реабилитационный прогноз.

Исходя из знаний о нейропластичности мозга, стоит начинать именно с построения простых цветовых программ, синхронизированных в то же время с аппаратом, стимулирующим нижние конечности. Тем самым раннюю реабилитацию можно будет начинать в первые дни госпитализации вне зависимости от тяжести состояния пациента. Единственным условием для начала VR-реабилитации является спонтанное открытие глаз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С учётом уровня развития VR-технологий, позволяющих моделировать любую ситуацию, а также возможности синхронного воспроизведения музыкальной дорожки с имитацией ходьбы возможно проведение ранней VR-реабилитации у пациентов в острейшем периоде ОНМК, находящихся в отделении реанимации, в том числе в критическом состоянии, минимизируя, таким образом, риск осложнений, травматизации и увеличивая реабилитационный потенциал пациентов с инсультом.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Поисково-аналитическая работа проведена на личные средства авторского коллектива.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. О.В. Рыжова ― разработка дизайна исследования, анализ полученных данных, написание статьи; С.С. Петриков, М.В. Петрова ― разработка и утверждение дизайна исследования, редактирование рукописи; Д.В. Чебоксаров ― оформление результатов исследования, написание статьи; И.В. Саенко, В.С. Суева ― анализ полученных данных, описание и оформление результатов исследования, написание статьи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Conflict of interest. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contributions. O.V. Ryzhova ― search and analytical work, manuscript writing; M.V. Petrova, S.S. Petrikov ― concept and design of the study, manuscript editing; D.V. Cheboksarov ― results of the study description, I.V. Saenko, V.S. Sueva ― analytical work, results of the study description, manuscript writing. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

About the authors

Marina V. Petrova

Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: mail@petrovamv.ru
ORCID iD: 0000-0003-4272-0957
SPIN-code: 9132-4190

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, 777/1 Lytkino, 141534 Moscow region

Olga V. Ryzhova

Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Author for correspondence.
Email: dr.origa@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-7461-4222
SPIN-code: 8980-4019

junior researcher

Russian Federation, 777/1 Lytkino, 141534 Moscow region

Dmitrii V. Cheboksarov

Federal Research and Clinical Center of Intensive Care Medicine and Rehabilitology

Email: dcheboksarov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9462-6423
SPIN-code: 2056-9908
Scopus Author ID: 56741338900
ResearcherId: O-9579-2015

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, 777/1 Lytkino, 141534 Moscow region

Irina V. Saenko

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: isayenko@mail.ru

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Victoria S. Sueva

N.V. Sklifosovsky Research Institute for Emergency Medicine

Email: victoriasueva@gmail.com

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Sergey S. Petrikov

N.V. Sklifosovsky Research Institute for Emergency Medicine

Email: petrikovss@sklif.mos.ru
ORCID iD: 0000-0003-3292-8789
SPIN-code: 7873-3673

MD, Dr. Sci. (Med.), Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files