Model NWU

Artykuł jest częścią większego tekstu pod tytułem - "Model neurorehabilitacji wspomaganej urządzeniami medycznymi", który jest dostępny w całości, w postaci PDF

Propozycja modelu neurorehabilitacji wspomaganej urządzeniami (NWU)

Neurorehabilitacja wspomagana urządzeniami medycznymi to wszystkie metody terapeutyczne, diagnostyczne i pomiarowe wykorzystujące urządzenia medyczne mające zastosowanie w neurorehabilitacji ośrodkowego układu nerwowego. Pod pojęciem neurorehabilitacji autorzy rozumieją zarówno rehabilitację neurologiczną jak i neuropsychologiczną (poznawczą), a więc dotyczącą wszystkich funkcji ośrodkowego układu nerwowego: zarówno funkcji wykonawczych, poznawczych, jak i czuciowych, ruchowych, językowych oraz dotyczących snu, emocji i uzależnień. Model NWU można również wykorzystać w neuroterapii rozumianej jako terapia zaburzeń i chorób neuropsychiatrycznych, takich jak zaburzenia afektywne, zaburzenia lękowe, w tym zaburzenia obsesyjno- kompulsyjne oraz ADHD, AD etc. Za metody neurorehabilitacyjne w ramach proponowanego modelu, autorzy uznają tylko te metody, które wykorzystują, bazują lub indukują procesy neuroplastyczne w mózgu i/lub rdzeniu. Model NWU powstaje zatem z połączenia dwóch podejść terapeutycznych – terapii medycznych wykorzystujących sprzęt medyczny oraz terapii bazujących na zjawisku neuroplastyczności. Model NWU zakłada wykorzystanie tych dwóch koncepcji w ramach neurorehabilitacji. Założeniem modelu jest stwierdzenie, że jedyną skuteczną formą neurorehabilitacji OUN jest trening uczenia się (uczenie motoryczne, reedukacja chodu, trening poznawczy etc.), a więc w ramach NWU należy stosować trening uczenia ze wspomaganiem sprzętowym. Odpowiednie urządzenia medyczne, właściwie skonfigurowane i kontrolowane mają za zadanie wspomagać proces treningowy poprzez optymalizację (poprawa dokładności i precyzji wykonywanych zadań) oraz wzrost intensywności oddziaływania procedur treningowych na OUN. Spośród różnych terapeutycznych urządzeń medycznych, które wspomagają, indukują lub bazują na procesach neuroplastyczności można wyodrębnić dwie technologie - interfejsów nerwowych i biofeedback. Autorzy zaklasyfikowali również roboty rehabilitacyjne (w tym egzoszkielety) sterowane za pomocą NI lub wykorzystujące zjawisko BFDB jako element systemów NI i BFDB. Natomiast te roboty rehabilitacyjne, które nie posiadają interfejsu nerwowego lub funkcji biofeedbacku nie należą do opisywanego w tej pracy modelu neurorehabilitacji.

Ryc.6

Ryc.6. System oznaczony przerywaną linią oznacza organizm Pacjenta; kolorem szarym oznaczono wybrane podsystemy organizmu człowieka; kolorem niebieskim oznaczono systemy urządzeń medycznych i ich sprzężenia; Symbol oznacza węzeł sumacyjny; NI_STIM – urządzenie med., interfejs nerwowy stymulujący (ang. stimulation neural interfaces); Roboty REH - roboty rehabilitacyjne sprzężone z interfejsem nerwowym (neurorobotyka) lub urządzeniem biofeedback; BFDB – urządzenia biofeedback; NI_REC - urządzenie med., interfejs nerwowy rejestrujący/pomiarowy (ang. recording neural interfaces); R – receptor, np. system wzrokowy, słuchowy; UN – układ nerwowy (obwodowy i ośrodkowy); E - efektor, np. mięśnie; d – sygnały oddziałujące na Pacjenta, pochodzenia zewnętrznego; i – suma sygnałów zwrotnych (generowanych przez Pacjenta bezpośrednio lub wtórnie za pomocą urządzeń) i pochodzenia zewnętrznego; p – sygnały percepcyjne generowane przez receptory; k – sygnały sterujące pochodzące z OUN; b - wewnętrzne sygnały zwrotne między efektorem a receptorem, np. aktywacja receptorów miotatycznych Golgiego; o - sygnały generowane przez Pacjenta, oddziałujące ze środowiskiem zewnętrznym; o' – zewnętrzne/pozaustrojowe sygnały zwrotne, np. wzrokowa informacja o położeniu kończyny; r1, r2 – sygnały generowane przez układ nerwowy i/lub efektorowy Pacjenta, odczytywane przez moduły pomiarowe urządzeń NI_REC i/lub BFDB; u1 – sygnały zastępczego sprzężenia zwrotnego generowane przez urządzenia NI_REC i/lub BFDB; u2 – suma zewnętrznych sygnałów zwrotnych pochodzących bezpośrednio od Pacjenta i zastępczych, przetworzonych przez urządzenia NI_REC i/lub BFDB; s1, s2, s3 – sygnały generowane przez NI_STIM lub roboty reh. oddziałujące na systemy receptorowe (głównie mechanoreceptory skórne), nerwowe i/lub efektorowe; u3 – sprzężenie między modułami pomiarowymi i stymulującymi pozwalające na sterowanie urządzeniami (np. interfejsy bimodalne ETS/BCI-FES lub egzoszkielety sterowane sygnałami sEMG lub EEG)

Celem systemu składającego się z urządzeń i podsystemów organizmu Pacjenta (Ryc.6) jest maksymalizacja skuteczności procesu treningowego poprzez oddziaływanie urządzeń na układ nerwowy i/lub efektorowy Pacjenta oraz poprzez dodanie dodatkowych (zastępczych) pętli sprzężenia zwrotnego (tory r1, r2, u1, u2 oraz i, p. k tworzą pętle zastępczego biologicznego sprzężenia zwrotnego). System oznaczony przerywaną linią na Ryc.6 zawiera jedynie niektóre, najważniejsze dla modelu, podsystemy organizmu Pacjenta.

Model NWU proponuje wykorzystanie odpowiednio przeszkolonego specjalisty (fizyka medycznego, inżyniera biomedycznego, fizjoterapeuty, neuropsychologa etc.) do sterowania procesem terapeutycznym, wykorzystującym omawiane urządzenia. Jakościowy model4 przedstawiony na Ryc.6 zawiera systemy, które mają swoje fizyczne reprezentacje w postaci urządzeń lub organów człowieka. Łącząc urządzenia z wiedzą i procedurami, możemy przedstawić metasystem (Ryc.7), w którym elementy diagramu oznaczają nie tylko poszczególne materialne elementy systemu, ale również niematerialne składowe omawianych technologii (wiedza, procedury/procesy). Specjaliści (S1 i S2) oddziałują poprzez właściwe im technologie na Pacjenta (sprzężenia i', k'; Ryc.7), natomiast za pomocą torów sterujących (i, k; Ryc.7) - regulują i kontrolują proces terapeutyczny. Za pomocą sprzężeń pomiarowych (o, o'; Ryc.7) otrzymują dane, dzięki którym, po odpowiednim przetworzeniu, mogą efektywnie sterować urządzeniami. Dane pomiarowe mogą być uzyskiwane za pośrednictwem różnych technologii. Począwszy od subiektywnych kwestionariuszy, klinimetrii i psychometrii po obiektywne biopomiary (głównie sygnały elektrodiagnostyczne).

Ryc.7

Ryc.7. Kolorem niebieskim oznaczone są sprzężenia i elementy systemu specyficzne dla modelu NWU; kolorem ciemno-szarym oznaczono sprzężenia dot. klasycznych technik neurorehabilitacyjncyh (fizjoterapia, trening poznawczy); przerywaną linią oznaczono system zawierający wybrane podsystemy organizmu Pacjenta oraz technologie interfejsów nerwowych i biofeedback; Tech.IN – technologie interfejsów nerwowych; Tech.BFDB – technologie biofeedback; Tech.FIZJO – klasyczne metody fizjoterapeutyczne (kinezyterapia); Tech. NPSYCH – klasyczne metody rehabilitacji neuropsychologicznej; P – Pacjent; S1 – specjalista 1 (fizjoterapeuta, neuropsycholog, psychoterapeuta); S2 – specjalista 2 (fizyk/inżynier biomedyczny lub wyspecjalizowany fizjoterapeuta, neuropsycholog, psychoterapeuta); i' - oddziaływanie technologii fizjoterapeutycznych lub neuropsychologicznych na Pacjenta; o – dane o stanie Pacjenta; głównie biopomiary, elektrodiagnostyka; o' - podzbiór danych "o" : wywiad, klinimetria/psychometria; i - sprzężenie sterujące technologiami fizjoterapeutycznymi lub neuropsychologicznymi; k – sprzężenia sterujące technologiami NI i BFDB; k' - oddziaływanie technologii IN i BFDB na Pacjenta; y – komunikacja interpersonalna lub wymiana danych medycznych między specjalistami S1 i S2.

Należy zwrócić uwagę, że sam fakt sprzężenia Pacjenta z odpowiednimi urządzeniami medycznymi nie jest wystarczający dla sukcesu interwencji neurorehabilitacyjnej. Specjalista S2 (Ryc.7) dokonuje pojedynczych pomiarów sygnałów biomedycznych lub na podstawie wielu sygnałów i danych medycznych tworzy w procesie identyfikacji – model matematyczny [6], którego współczynniki opisują aktualny stan wybranych organów i systemów Pacjenta. Do stworzenia modelu specjalista S2 wykorzystuje znajomość procedur terapeutycznych i wiedzę ogólną (a priori) oraz zmienne Obiektu (a posteriori). Uzyskany model i/lub zbiór informacji służy do sterowania omawianymi urządzeniami poprzez modyfikację zmiennych terapeutycznych, w skład których wchodzą parametry urządzeń i sygnałów przez nie generowanych oraz ilościowe i jakościowe parametry treningowe. Zatem, pośrednio, specjalista S2 wykorzystuje informacje o stanie Pacjenta do kontroli pewnych zachowań i procesów biologicznych, tak aby zmaksymalizować efekt terapeutyczny zastosowanego treningu ruchowego lub poznawczego. Wartości zmiennych obiektu ulegają modyfikacji w czasie trwania terapii, dlatego stan Pacjenta musi być monitorowany (sprzężenia proste "o" i "o'"; Ryc.8), a wartości zmiennych terapeutycznych na bieżąco aktualizowane. Można powiedzieć, że na Pacjenta nie oddziałuje jedynie energia generowana przez urządzenia ale przede wszystkim informacja (co odróżnia interfejsy nerwowe od fizykoterapii) transportowana kanałami "i" oraz "s1", "s2" i "s3" (Ryc.6). Zasadniczą rolą specjalisty S2 jest prowadzenie monitoringu stanu Pacjenta poprzez prowadzenie odpowiednich eksperymentów biopomiarowych, przetwarzanie uzsykanych danych/sygnałów i łączenie otrzymanych wyników z innymi danymi medycznymi (klinimetria, psychometria), programowanie urządzeń i planu treningowego (tutaj we współpracy ze specjalistą S1) oraz tworzenie raportów statystycznych z przebiegów terapii, które zawierają ważne informacje zwrotne, zarówno dla Specjalistów jak i dla Pacjenta.

Specjalistą S1 może być fizjoterapeuta stosujący klasyczne metody rehabilitacji oparte na kinezyterapii lub innych ćwiczeniach ruchowych, neuropsycholog prowadzący trening poznawczy z Pacjentem lub psychoterapeuta prowadzący psychoterapię. Model NWU zakłada współpracę tych specjalistów z fizykami medycznymi lub inżynierami biomedycznymi specjalizującymi się w inżynierii nerwowej lub odpowiednio przeszkolonymi specjalistami z innych dziedzin (w tym fizjoterapeuci, neuropsycholodzy). W niektórych przypadkach specjalista S1 i S2 może być tą samą osobą. Jednak zdaniem autorów najskuteczniejsze będą zespoły złożone z fizjoterapeutów i/lub neuropsychologów działających wspólnie z wyspecjalizowanymi fizykami medycznymi, gdzie Ci pierwsi pełnią rolę specjalistów S1 a drudzy specjalistów S2.

Ryc.8

Ryc.8. Kolorem jasno-szarym oznaczono elementy omówione w diagramie z ryciny 6; grubą, przerywaną linią oznaczono system zawierający podsystemy organizmu Pacjenta i sprzężone z nim urządzenia. System ten sprzężony jest ze specjalistami w taki sposób, że specjalista S1 oddziałuje na cały system, a specjalista S2 na podsystemy wewnątrz tego systemu (oznaczone kolorem niebieskim); NI_STIM – urządzenie med., interfejs nerwowy stymulujący (ang. stimulation neural interfaces); Roboty REH - roboty rehabilitacyjne sprzężone z interfejsem nerwowym lub urządzeniem biofeedback; BFDB – urządzenia biofeedback; NI_REC – urządzenie med., interfejs nerwowy rejestrujący/pomiarowy (ang. recording neural interfaces); R – receptor, np. system wzrokowy, słuchowy; UN – układ nerwowy (obwodowy i ośrodkowy); E - efektor, np. mięśnie; S1 – specjalista 1 (fizjoterapeuta, neuropsycholog, psychoterapeuta); S2 – specjalista 2 (fizyk/inżynier biomedyczny lub wyspecjalizowany fizjoterapeuta, neuropsycholog, psychoterapeuta); i - sygnały i oddziaływania terapeutyczne generowane przez specjalistę S1; również - jednokierunkowy kanał komunikacji interpersonalnej „Specjalista S1 → Pacjent”; o – jednokierunkowy kanał komunikacji interpersonalnej „Pacjent → Specjalista S2”; dane klini- i psychometryczne; specjalista S2 wybiera te sygnały i dane, które są istotne z punktu widzenia zastosowanych technologii; o' - wybrane sygnały i informacje, istotne dla specjalisty S1; również – jednokierunkowy kanał komunikacji interpersonalnej „Pacjent → Specjalista S1”; k1 – sygnały sterujące urządzeniami NI_STIM i/lub Robotami REH.; k2 – sygnały sterujące urządzeniami BFDB i/lub NI_REC oraz sygnały generowane przez podsystemy UN i E organizmu Pacjenta, obiektywne biopomiary (np. aktywność bioelektryczna mięśni, mózgu etc.); specjalista S2 wybiera te sygnały i dane, które są istotne z punktu widzenia zastosowanych technologii; y – dwukierunkowy kanał komunikacji interpersonalnej między specjalistą S1 a S2; y' – jednokierunkowy kanał komunikacji interpersonalnej „Specjalista S2 → Pacjent”.

Podstawowe założenie proponowanego modelu widoczne jest na diagramie z Ryc.8, który jest rozszerzeniem wcześniejszego diagramu (Ryc.6) o sprzężenia ze specjalistami (S1 i S2). Koncepcja omawianego modelu NWU polega na oddziaływaniu specjalisty S1, nie bezpośrednio na Pacjenta (P), ale na system złożony z Pacjenta i urządzeń wspomagających proces neurorehabilitacji. Takie podejście pozwala na maksymalizację skutków oddziaływania na Pacjenta. Korzystając z modelu NWU można zwiększyć skuteczność niemal dowolnej interwencji fizjoterapeutycznej, psychoterapeutycznej czy neurorehabilitacyjnej. Wpływ odpowiednio zarządzanego (sterowanego) systemu, oznaczony kolorem niebieskim (Ryc.8), dodaje się do działań generowanych przez specjalistę S1. Taki interfejs człowiek-urządzenia medyczne, optymalizuje i wzmacnia wszystkie procesy uczenia indukowane zewnętrznie przez specjalistę S1 (sprzężenie i; Ryc.8) - poprzez poprawę precyzji, dokładności, zwiększenie intensywności i selektywności oddziaływania na układy Pacjenta.


Bibliografia

  1. Allen S.J., Watson J.J., Shoemark D.K. i in., GDNF, NGF and BDNF as therapeutic options for neurodegeneration, Pharmacology & Therapeutics, 2013.
  2. Błaszczyk J., Modele cybernetyczne wybranych struktur i funkcji układu nerwowego, [w:] Neurocybernetyka Teoretyczna, red. R. Tadeusiewicz, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, 2009.
  3. Casadio M., Tamagnone I., Summa S., Sanguineti V., Neuromotor recovery from stroke: computational models at central, functional, and muscle synergy level, źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23986688 [dostęp: 1.06.2014].
  4. Cudo A., Zabielska E., Bałaj B., Wprowadzenie w zagadnienie interfejsów mózg-komputer, [w:] Studia z Psychologii w KUL, tom 17, s. 189-211, red. Gorbaniuk O., Kostrubiec-Wojtachnio B., Musiał D. i in.
  5. De Miranda M.A., Doggett M.A., Evans T.J., Medical Technology: Contexts and Contend in Science and Technology, źródło: http://people.wku.edu/mark.doggett/MedTechPrimer6.0.pdf [dostęp: 11.10.2016]
  6. Gajda J., Pomiary i identyfikacja w diagnostyce medycznej, [w:] Podstawy inżynierii Biomedycznej. Tom I, red. Tadeusiewicz R., Augustyniak P., Wydawnictwa AGH, Kraków, 2009.
  7. Garczyk A., Namysł J., Wstęp teoretyczny do treningu EMG Biofeedback i ETS w terapii zaburzeń neuromotorycznych po uszkodzeniach ośrodkowego układu nerwowego, [w:] Biofeedback Innowacje, red. Borkowski P., Wydawnictwo Akademii im. Jana Długosza w Częstochowie, Częstochowa, 2015.
  8. Gerven M., Farquhar J., Schaefer R. i in., The Brain-Computer Interfaces Cycle, Journal of Neural Engineering, Wrzesień, 2009.
  9. Giggins O., McCarthy Persson U., Caulfield B. (2013), Biofeedback in rehabilitation, Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 10:60.
  10. Gwiazdowska B., Pawlicki G., Fizyku Medyczny - gdzie twoje miejsce? Historia i perspektywy fizyki medycznej w Polsce, Polish Journal of Medical Physics and Engineering, 2006.
  11. Hess G. (2009), Przekaźnictwo synaptyczne i plastyczność synaptyczna, [w:] Neurocybernetyka Teoretyczna, red. R. Tadeusiewicz, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa.
  12. http://www.ted.com/talks/daniel_wolpert_the_real_reason_for_brains#t-1178711 [dostęp: 11.10.2016]
  13. Jaśkowski P. (2004), Zarys psychofizjologii, Wyższa Szkoła Finansów i Zarządzania, Warszawa.
  14. Kossut M., Synapsy i plastyczność mózgu, źródło: http://fundacjarozwoju-nauki.pl/res/Tom1/Nauka%20swiatowa%20i%20polska%5B1%5D. Rozdzial%2009.pdf [dostęp: 1.06.2014].
  15. Krakauer J.W. (2006), Motor learning: its relevance to stroke recovery and neurorehabilitation, „Current Opinion in Neurology”, nr 19, s. 84–90.
  16. Mazur M. (1999), Cybernetyka i charakter, Wyższa Szkoła Zarządzania i Przedsiębiorczości im.Bogdana Jańskiego, Warszawa.
  17. Merzenich M.M., Van Vleet T.M., Nahum M., Brain plasticity-based therapeutics, Frontiers In Human Neuroscience, 2014.
  18. Ojanguren E.I., Kostic M., Bejarano N.C., Keller T., Workshop on Transcutaneous Functional Electrical Stimulation, [w:] Emerging Therapies in Neurorehabilitation II, red. Pons J.L, Raya R., González J., Springer International Publishing, 2016.
  19. Purves D., Augustine G.J., Fitzpatrick D. i in., Neuroscience, 2nd edition, źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10799/ [dostęp: 11.10.2016]
  20. Pąchalska M. Rehabilitacja neuropsychologiczna. UMCS, Lublin, 2008.
  21. Razavi S., Nazem G., Mardani M., Neurotrophic factors and their effects in the treatment of multiple sclerosis, Advanced Biomedical Research, 2015.
  22. Tadeusiewicz R., Biocybernetyka, Wydawnictwa Zakładu Narodowego im. Ossolińskich i Polskiej Akademii Nauk, Wrocław, 1988.
  23. Tadeusiewicz R., Izworski A., Majewski J.: Biometria, Wydawnictwa AGH, Kraków, 1993.
  24. Tadeusiewicz R.: Neurocybernetyka Teoretyczna, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2009.
  25. The Neurobiology of Neurofeedback, Wikipedia-Books, źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Book:The_Neurobiology_of_Neurofeedback [dostęp: 11.10.2016]
  26. Thomson M., Thomson L. (2012), Neurofeedback, Biomed Neurotechnologie, Wrocław.
  27. Wang W., Collinger J.L, Perez A.M. i in., Neural Interface Technology for Rehabilitation: Exploiting and Promoting Neuroplasticity, źródło: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2788507/ [dostęp: 11.10.2016]
  28. Wolpaw R.J, Winter Wolpaw E., Brain-Computer Interfaces: Principles and Practice, Oxford University Press, New York, 2012
  29. Zawada J.: Wybrane zagadnienia z podstaw metrologii, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2002.

Przypisy

  1. Sama proteza dłoni nie jest interfejsem nerwowym ani neuroprotezą. Neuroprotezą jest system zastępujący elementy układu czuciowego. Wg autorów neuroproteza oddziałująca mechanicznie na układ człowieka należy do interfejsów HMI/HCI, a ze względu na funkcję/cel do technologii wspomagających (AT).
  2. Zdaniem autorów, neurofeedback formalnie należy do biofeedbacku fizjologicznego. Zastosowane rozdzielenie neurofeedbacku od biofeedbacku ma wymiar czysto praktyczny, polegający na odróżnieniu sygnałów pochodzących z mózgu od innych sygnałów fizjologicznych.
  3. Podział zaproponowany przez Giggins i in. 2013 [9]
  4. Modele jakościowe sprowadzają się do opisu przepływu informacji za pomocą diagramów (schematów blokowych) i, w przeciwieństwie do modeli ilościowych, nie wykorzystują matematycznego opisu zjawisk, przez co są znacznie bardziej ogólne i nie pozwalają na precyzyjną analizę zachowania się systemu [2]. Modele jakościowe mają wartość przede wszystkim edukacyjną i w tym aspekcie są lepsze niz modele ilościowe ponieważ pozwalają na łatwiejsze zrozumienie procesów zachodzących w obrebie systemu który modelują.