А.В. Алпатов1, М.С. Ашапкина2

1, 2 Рязанский государственный радиотехнический университет им. акад. В.Ф. Уткина (г. Рязань, Россия)

1,2 МИП ООО «БИОТЕХПРОДАКТС» (г. Рязань, Россия)

Постановка проблемы. Карантинные ограничения, вызванные пандемией, повысили значимость дистанционных технологий в области фитнеса, домашних тренировок, в том числе для оказания медицинских услуг в тех областях, где это клинически оправдано. Долгое время врачи-реабилитологи подчеркивали значимость домашней реабилитации в поствосстановительный период. Пациентам настойчиво рекомендовали проведение регулярных занятий для восстановления подвижности суставов после травм и перенесенных болезней. Полноценное выполнение упражнений в дистанционном режиме невозможно без специальных технических средств-тренажеров, обеспечивающих дозирование нагрузки и контроль двигательной траектории сустава при выполнении упражнений. Авторами статьи был реализован ряд мобильных приложений под общим названием «Нефитнес», которые содержат комплексы упражнений, используют датчики движения смартфона для контроля факта и правильности выполнения упражнений и передают всю информацию в онлайн-кабинет врача-реабилитолога. Первые апробации системы «Нефитнес» в рамках совместного проекта с НИИ неотложной детской хирургии и травматологии показали, что требование наличия смартфона у пациента и необходимость его крепления на конечности резко сужают круг и возраст потенциальных пользователей. Использование трекеров активности в виде браслетов также не решает проблему, поскольку они являются только датчиками, а весь контроль осуществляется мобильным приложением.

Цель работы – разработка концепции и реализация носимого прибора, способного во время выполнения упражнений самостоятельно, без активного участия смартфона, отслеживать правильность выполнения упражнений и использовать вибротактильную обратную связь для коррекции правильности в реальном масштабе времени. 

Такая реализация носимого устройства позволит обеспечить корректное следование предварительно заданным врачом протоколам выполнения восстановительных упражнений для повышения объективности и достоверности удаленного контроля.

Результаты. Для управления вибромоторами носимого прибора команда проекта «Нефитнес» интегрировала в алгоритм расчета метрик правильности дополнительный блок обратной связи. В данном алгоритме взаимоувязаны три канала управления: управление порядком и ритмом выполнения упражнений; определение направления движения по данным инерциальных датчиков; управление вибромотором в заданной ориентации. С использованием ранее разработанного алгоритма на основе метода DTW и учетом индивидуального порогового коэффициента выполняется сравнение с шаблоном правильной траектории упражнения, вычисляются метрики соответствия и по пороговым коэффициентам формируется балльная оценка правильности движения. Браслет носимого прибора сигнализирует через голосовое управление или вибротактильный интерфейс информацию о корректности траектории движения. При отклонении от заданного движения вызывается срабатывание вибромотора в оппозитном направлении, как бы уводя конечность от неправильной траектории. Таким образом, у пациента формируется устойчивое восприятие направления движения.

Практическая значимость. В рамках проводимой авторами работы по реализации системы поддержки удаленной реабилитации был разработан и запатентован «Способ реабилитации и восстановления двигательной активности под аудиовизуальным самоконтролем». Применение данного способа дает возможность обеспечения персональной калибровки и учета индивидуальных физиологических особенностей пациента, а также возможность самоконтроля правильности выполнения восстановительных упражнений без присутствия тренера. Данный результат достигается за счет согласованной работы портативного устройства регистрации двигательной активности, устанавливаемого на теле пациента, на котором в режиме реального времени обеспечивается отображение соответствия анимированного изображения шаблона и анимированного движения части тела пациента.

Алпатов А.В., Ашапкина М.С. Носимое устройство для домашней физической реабилитации с вибротактильной обратной связью // Биомедицинская радиоэлектроника. 2021. Т. 24. № 4. С. 107–112. DOI: 10.18127/j15604136-202104-14

1. Алпатов А.В., Ашапкина М.С., Валиуллина С.А., Новосёлова И.Н. Дистанционная физическая реабилитация в позднем периоде для подростков после травм позвоночника на основе смартфона // Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. Т. 23.  № 3. С. 75–84.
2. Ashapkina M.S., Alpatov A.V., Sablina V.A., Kolpakov A.V. Metric for Exercise Recognition for Telemedicine Systems. Proceedings 2019 8th Mediterranean Conference on Embedded Computing, MECO 2019 – Budva. 2019. P. 668–671.
3. Ashapkina M.S., Alpatov A.V., Sablina V.A. Smartphone-based Systems for Knee Joint Physical Rehabilitation. Proceedings 2020 9th Mediterranean Conference on Embedded Computing, MECO 2020 – Budva. 2020. P. 726–729.
4. Dobbelstein D., Henzler P., Rukzio E. Unconstrained Pedestrian Navigation based on Vibro-tactile Feedback around the Wristband of a Smartwatch. CHI EA '16. 2016. P. 2439–2445.
5. Gabriele Spinay, Guannan Huangy, Anouk Vaesyy, Martijn Spruityy, Oliver Amfty. COPDTrainer: A Smartphone-based Motion Rehabilitation Training System with Real-Time Acoustic Feedback. UbiComp’13. 2013. P. 598–606.
6. Ашапкина М.С., Алпатов А.В. Разработка метрик для распознавания физических упражнений в системах удаленной реабилитации // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2018. № 66(1). С. 139–146.