ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ Katedra biomedicínské techniky
TÝMOVÝ PROJEKT
2012
Vít Vršník
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta biomedicínského inženýrství Katedra biomedicínské techniky
Akustická stimulace v systému virtuální reality Týmový projekt
Vedoucí projektu: Ing. Adam Bohunčák Student: Vít Vršník
leden 2012
Abstrakt Tato práce si klade za cíl prozkoumat možnosti využití 3D akustické zpětné vazby ke zlepšení posturální stability pacientů s poruchami vestibulárního ústrojí. Základem této práce je podrobné seznámení se s danou problematikou, od pochopení základních principů funkčnosti vestibulárního a sluchového ústrojí, až po rešerši již provedených výzkumů v oblasti akustické zpětné vazby. Praktickou částí práce je seznámení se s vybavením potřebným k danému tématu. Cílem práce je navrhnout vhodnou aplikaci prostorového zvuku jako prostředku biologické zpětné vazby pro laboratoř virtuálních aplikací na Albertově.
Abstract This thesis aims to explore the possibilities of using 3D acoustic feedback for improving postural stability of patients with disorders of the vestibular system. The basis of this work is a detailed introduction to the issues, from understanding the basic principles of the functionality of the vestibular and auditory organs, to search already conducted research in the field of acoustic feedback. Practical part is introduction with the equipment needed on this topic. The goal is to design a suitable application of surround sound as a means of biological feedback for Lab of virtual applications on Albertov.
Poděkování Chtěl bych touto cestou poděkovat Ing. Adamovi Bohunčákovi, za odborné vedení, věnovaný čas a hodnotné rady, které mi během vytváření této práce velmi pomohly.
- ii -
Prohlášení Prohlašuji, že jsem týmový projekt s názvem Akustická stimulace v systému virtuální reality vypracoval(a) samostatně a použil(a) k tomu úplný výčet citací použitých pramenů, které uvádím v seznamu přiloženém k závěrečné zprávě. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu §60 Zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V ……………. dne ………………
……………………. podpis
- iii -
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 1 1. Prostorová orientace .............................................................................................................. 2 1.1. Rovnovážné ústrojí ....................................................................................................... 2 1.2. Sluch ............................................................................................................................. 3 1.3. Vnímání zvuku ............................................................................................................. 3 1.3.1. Binaurální slyšení .............................................................................................. 3 1.3.2. Zdánlivý zdroj zvuku ......................................................................................... 4 1.4. Posturální stabilita ........................................................................................................ 5 1.4.1. Poruchy rovnováhy ............................................................................................ 6 1.4.2. Klinické vyšetření stability ................................................................................ 6 1.5. Biologická zpětná vazba .............................................................................................. 6 2. Současný stav řešení ............................................................................................................ 8 2.1. Audio biofeedback (ABF) ............................................................................................ 8 2.2. Výzkumy využívající ABF .......................................................................................... 9 3. Použité metody .................................................................................................................. 10 3.1. Pracoviště virtuálních aplikací na Albertově ............................................................. 10 3.1.1. Stabilometrická plošina ................................................................................... 11 3.1.2. 3D prostorový zvukový systém ....................................................................... 11 4. Praktická část ..................................................................................................................... 12 4.1. Schéma akustické zpětné vazby ................................................................................. 12 4.2. Ovládací program zvukové soustavy ......................................................................... 13 Závěr......................................................................................................................................... 14 Seznam použité literatury ......................................................................................................... 15 Samostatné přílohy ................................................................................................................... 17
- iv -
Seznam použitých zkratek 3D
- (Three-dimensional) trojdimenzionální prostor
ABF
- (Audio-biofeedback) systém využívající zvukovou zpětnou vazbu
A/D
- (analog/digital) převodník analogového signálu na digitální
AS
- (Area of Support) oporná plocha
BS
- (Base of Support) oporná báze
BVL - (bilateral vestibular loss) bilaterální vestibulopatie COG - (Centre of Gravity) průmět těžiště do roviny oporné báze COM - (Centre of Mass) těžiště COP
- (Centre of Pressure) centrum tlaku (centrální nožní tlak)
dB
- (decibel) jednotka intenzity zvuku
EEG
- elektroencefalogram
EMG - elektromyogram IID
- (Interaural intensity diference) interaurální intenzitní rozdíl
ITD
- (Interaural time diference) interaurální časový rozdíl
kHz
- jednotka frekvence
PD
- (Parkinson’s disease) Parkinsonova nemoc
PDA - (Personal digital assistant) osobní digitální pomocník RMS - (root mean square distance) střední kvadratická vzdálenost TUG - (The Time Up-and-Go) čas testu během kterého pacient vstal ze židle, poodešel, vrátil se a opětovně si sedl
-v-
Úvod Rovnováha je u člověka zajištěna součinností více smyslových systémů. Hlavní roli zde hraje rovnovážné ústrojí a zrak. Nejsou to však jediné smysly, kterými naše tělo vytváří analýzu prostoru v centru rovnováhy. Dalším smyslem, který svými informacemi přispívá do systému zpravujícího nás o aktuální pozici našeho těla v prostoru, je sluch. Sluch poskytuje našemu mozku mnoho informací, například o směru, ze kterého zvuk vychází, či o rychlosti pohybujícího se akustického zdroje. U pacientů s poškozením vestibulárního aparátu může být zvuková informace důležitým pomocníkem při rehabilitaci. V několika výzkumech již byly zkoumány možnosti použití akustické zpětné vazby ke zlepšení stability těchto pacientů a jejich výsledky byly velmi dobré. Úkolem této práce je navrhnout aplikaci, která by využívala 3D akustické zpětné vazby k rehabilitaci pacientů s poruchami vestibulárního ústrojí a ověření její funkčnosti. Akustická zpětná vazba již byla v minulosti využívána v rámci výzkumů [1], [2], [3], [5] ke zlepšení stability různě postižených pacientů. Dosud však v této oblasti nebylo testováno využití 3D prostorové akustické stimulace.
-1-
1. Prostorová orientace Během dlouhého vývoje se u člověka vytvořil důmyslný komplex poskytující prostorovou analýzu z informací z několika smyslových orgánů. Patří mezi ně zrak, rovnovážné ústrojí, propriocepce (receptory umístěné ve svalech a šlachách) a také sluch. [15] Všechny tyto informace se vyhodnocují a zpracovávají v centru rovnováhy v mezencefalonu, které poté řídí posturální rovnováhu přes centrální nervovou soustavu. K dosažení rovnováhy je však zapotřebí neustálá výměna informací mezi jednotlivými částmi tohoto komplexu. V této kapitole se zaměříme na funkci rovnovážného a sluchového ústrojí, přiblížíme problematiku vnímání zvuku a objasníme pojmy: posturální stabilita a biologická zpětná vazba. Všechny tyto části jsou důležité pro pochopení dalších souvislostí a je nutné se s nimi seznámit.
1.1. Rovnovážné ústrojí Rovnovážné ústrojí poskytuje stálou a uvědomělou orientaci člověka v prostoru. Nachází se v kostěném labyrintu (labyrinthus osseus) vnitřního ucha a skládá se z blanitého labyrintu (labyrinthus membranaceus) a tří polokruhových kanálků (ductus semicirculares). Tento orgán slouží k vjemu polohy a pohybu. Skládá se ze dvou částí: statického a kinetického čidla. Receptory statického čidla jsou uloženy ve vejčitém a kulovitém váčku (utriculus a sacculus) blanitého labyrintu a podávají informaci o poloze a počátku pohybu těla. Kinetické čidlo má receptory umístěné v ampulích polokruhovitých kanálků (cristae ampullares). V každé ampuli se nacházejí dvě na sebe kolmé vrstvy vláskových buněk
(stereocilie), které jsou ponořeny do želatinózní hmoty. Ta obsahuje volně pohyblivé drobné krystalky uhličitanu vápenatého (statolity, či otolity). Při lineárním pohybu hlavy se začnou hýbat i statolity, které tlačí na stereocilie na povrchu smyslových buněk, čímž dochází k jejich podráždění. Fyzikální podnět se pak ve smyslových buňkách přeměňuje v nervový vzruch, který je poté VIII. hlavovým nervem předáván dál. Kinetické čidlo tedy detekuje pohyb na základě lineárního zrychlení. [6] Vzruchy z těchto receptorů jsou vedeny do mozkového kmene a poté dále do mozkové kůry. Vše se poté zpracovává v již zmíněném centru rovnováhy, které je propojeno s kosterními a očními svaly, mozečkem a mozkovou kůrou obou hemisfér. Je tak řízeno například napětí kosterních svalů, které je nezbytné pro stabilní vzpřímenou polohu.
-2-
1.2. Sluch Sluch, jakožto jeden ze smyslů, umožňuje zpracovávat zvukové vjemy z okolního prostředí a tím mimo jiné přispívá k celkové orientaci člověka v prostoru. Hlavní část zpracovávacího procesu probíhá v Cortiho orgánu, který je umístěn v blanitém hlemýždi. Blanitý hlemýžď je vazivová, slepě uzavřená trubička stočená do tvaru ulity a obsahuje tekutinu – endolymfu. Nalézá se společně s rovnovážným ústrojím v kostěném labyrintu vnitřního ucha. Mezi kostěným labyrintem a blanitým hlemýžděm se nachází tekutina – perilymfa. [6] Perilymfa přenáší vlnění ze středního ucha do endolymfy v hlemýždi. Rozkmitaná endolymfa rozechvívá bazální membránu blanitého hlemýždě a rosolovitou membránu (mebrana tectoria) v Cortiho orgánu. Na tuto membránu těsně přiléhají konce vláskových buněk (stereocilií). Pohyb bazální a rosolovité membrány ohýbá vlásky a tím dochází k jejich podráždění. Velikost vychylování membrán se liší podle frekvence vibrací zvukového zdroje a má zásadní význam pro rozlišování tónů. Při podráždění vláskových buněk vzniká nervový vzruch, který je veden VIII. hlavovým nervem do mozkového kmene a poté do sluchového centra ve spánkovém laloku mozkové kůry
1.3. Vnímání zvuku Zvuk je periodické chvění molekul, jehož frekvenční rozsah a hlasitost je lidský sluch schopen vnímat. Zdravý člověk je schopen slyšet zvuky o rozsahu 16 - 20 kHz. S věkem horní zvuková hranice slyšitelnosti klesá až k 5 kHz. [8] Zvuk, který vnímáme, může být z hlediska analyzování okolního prostoru dvojího druhu: monoaurální a binaurální. Monoaurální slyšení nepřináší žádné prostorové informace, jde o zvuk který je vnímán pouze jedním uchem (např. telefonování) a veškerá prostorová analýza závisí pouze na sluchové paměti a směrové charakteristice ušního boltce. Zato binaurální slyšení je vnímáno
oběma ušima a hraje v prostorové sluchové orientaci zásadní roli. [8]
1.3.1. Binaurální slyšení Binaurální slyšení je způsobeno vnímáním zvuku ze dvou detektorů (uší). Je-1i zdroj zvuku umístěn přímo v ose před posluchačem, je úhel i dráha po které přiletí zvuk do levého i pravého ucha totožná. Obě uši tak získávají vjem o stejné hlasitosti, zabarvení i fázovém zpožděním. Sluchový orgán pak vyhodnotí, že zdroj zvuku je před posluchačem. Je-li však zdroj zvuku mimo osu je dráha, úhel i fáze zvuku v každém uchu rozdílná. Sluchový orgán na -3-
to pak reaguje tím, že ze vzájemného poměru hlasitosti, barvy zvuku a fázových rozdílů vyhodnotí směr, ze kterého zvuk přichází. Rozdíl doby, za kterou zvuk urazí vzdálenost mezi oběma ušima, se nazývá interaurální časový rozdíl (ITD = Interaural time diference), rozdíl intenzit zvuku dopadajícího do obou uší se pak nazývá interaurální intenzitní rozdíl (IID = Interaural intensity diference). Oba tyto parametry jsou pro člověka důležité pro lokalizaci přicházejícího zvuku. [9], Nejpřesněji dokáže člověk lokalizovat zvuk ve vodorovné rovině před sebou. Je-li zdroj zvuku za či nad posluchačem, je lokalizace podstatně horší. Lépe lze lokalizovat vyšší zvuky (od 1 kHz výše) s komplexní harmonickou (i neharmonickou) složkou (např. puls, šum), než zvuky nižší (do 1 kHz), které mají složku jednoduchou (např. sinusovku). [14] Pokud došlo vlivem nehody či nemoci ke zhoršení či úplné ztrátě sluchu na jednom uchu, není již posluchač této přesné prostorové lokalizace zvuku schopen. Binaurální slyšení přináší i mnoho jiných výhod. Například při něm dochází k centrálnímu zesílení zvuků (asi o 3 dB oproti poslechu monoaurálnímu), tento jev se nazývá binaurální sumace. Dále vede binaurální slyšení k lepší srozumitelnosti řeči [16], což je důležitý aspekt pro pacienty používající monoaurální korekci naslouchátkem.
1.3.2. Zdánlivý zdroj zvuku Umístíme-li dva reproduktory do stejné vzdálenosti před posluchače souměrně od předozadní osy, budou obě uši dostávat zvuk po stejné dráze (ve stejném čase) a se stejnou intenzitou, zabarvením a fází. Sluchový orgán tedy vyhodnotí, že zdroj zvuku se nachází přímo před posluchačem v ose, přestože zde žádný zdroj není. Vznikne tak zdánlivý zdroj zvuku. Ten se může libovolně pohybovat v rovině před posluchačem, budeme-li jeden či druhý reproduktor zesilovat či zeslabovat. Podobného efektu můžeme dosáhnout, umístíme-li dva reproduktory za posluchače, přestože lokalizace zdrojů zvuků vycházejících z místa za posluchačem není tak přesná. Pokud tedy umístíme čtyři reproduktory do rohů čtverce, v jehož těžišti stojí posluchač, můžeme ovládáním hlasitosti jednotlivých reproduktorů umístit zdánlivý zdroj zvuku do jakéhokoliv úhlu kolem posluchače.
-4-
1.4. Posturální stabilita Postura znamená aktivní držení segmentů těla proti působení vnějších sil, z nichž se nejvíce uplatňuje síla tíhová. Je zajištěna především aktivitou kosterního svalstva, které řídí centrální nervová soustava. Posturální stabilita je pak tedy schopnost zajistit vzpřímené držení těla a reagovat na změny zevních i vnitřních sil tak, aby nedošlo k nezamýšlenému nebo neřízenému pádu. [10] K pochopení principu stability je potřeba vysvětlit několik pojmů: •
Oporná plocha (Area of Support – AS) je plocha kontaktu podložky s povrchem těla
•
Oporná báze (Base of Support – BS) je část podložky ohraničená nejvzdálenějšími body AS.
•
Těžiště (Centre of Mass – COM) je hypotetický hmotný bod, do kterého je vztažena celková hmotnost těla.
•
Průmět těžiště (Centre of Gravity – COG) je průmět společného těžiště těla do roviny BS.
•
Centrální nožní tlak, centrum tlaku (Centre of Pressure – COP) je působiště vektoru reakční síly podložky
Oporná plocha je přesněji část plochy kontaktu, která je potřebná k vytvoření oporné báze. Jako příklad lze použít bosého stojícího člověka na rovné podložce. Plochou kontaktu jsou bezesporu obě plosky chodidel. Plosky se však nepodílí na přenosu síly mezi podložkou a nohou rovnoměrně. K největšímu zatížení dochází pod částmi chodidel, ve kterých se nachází kosti. Právě tyto části lze považovat za opornou plochu v pravém slova smyslu. [12] Přestože se někdy v literatuře uvádí, že centrum tlaku (COP) je shodné s průmětem těžiště (COG), není to úplně pravda. COP je s COG shodné pouze za předpokladu dokonale tuhého tělesa, kterým lidské tělo není. COP při vzpřímeném postoji osciluje uvnitř oporné báze mnohem více než COG, kvůli kolísající aktivitě svalů bérce a nohy. COP hraje ve stabilometrii důležitou roli, protože je nepřímým indikátorem posturální stability. Pro přehlednost a lepší orientaci bude nadále v práci uváděno COP jakožto centrum tlaku. Podmínkou stability stoje je, že COP je vždy uvnitř plochy oporné báze (BS). Jakmile se z ní vychýlí, dostává se člověk do labilní polohy a zvyšuje tak riziko pádu. Logicky lze tedy nejsnáze udržet stabilní postavení tím, že se co nejvíce zvýší plocha oporné báze (BS), například rozkročením nohou.
-5-
1.4.1. Poruchy rovnováhy Zásadním problémem při udržení posturální stability je porucha rovnovážného ústrojí (viz 1.1). Příznakem takovéto poruchy je pocit závratě, což je subjektivní vjem porušené rovnováhy. Postižený pak trpí iluzí pohybu vlastního těla, či okolního prostředí. V běžné populaci trpí závratěmi až 10 % nemocných, v nejvyšší věkové kategorii udává závrať každý druhý senior. Podle některých analýz se závratě vyskytují zhruba v 16–35 % populace a jsou výrazně závislé na věku. Nejčastěji je závrať způsobena patologií periferního vestibulárního systému, tedy rovnovážného ústrojí. [13] Vyšetření ani rehabilitace takovéhoto pacienta není ani zdaleka jednoduchá a ne vždy úspěšná. V současné době se proto výzkum zaměřuje na rehabilitaci těchto pacientů pomocí různých druhů biologické zpětné vazby (viz 1.5.).
1.4.2. Klinické vyšetření stability Při klinickém vyšetření správnosti funkce vestibulárního aparátu se používá vyšetření prst-nos, pata-koleno, či samotné hodnocení stability stoje například takzvaným Rombergovým testem. Při vyšetření prst-nos se pacient střídavě dotýká ukazovákem svého nosu a prstu vyšetřujícího, jehož poloha se mění. Totéž poté opakuje při zavřených očích. Vyšetření patakoleno probíhá tak, že se pacient bez zrakové kontroly dotýká patou jedné nohy nejdříve kolena a poté bérce své druhé nohy. Rombergův test hodnotí statickou rovnováhu bosého stojícího člověka ve čtyřech polohách. První poloha je základní stoj (mírně rozkročený) při otevřených očích, druhá je ten samý stoj při zavřených očích. Třetí polohou je stoj o zúžené bázi (nohy jsou u sebe) a čtvrtou je stoj o zúžené bázi při zavřených očích. Pozoruje se chvění, kolísání (titubace) a celková nestabilita vyšetřovaného. Jsou-li pozorovány tendence k pádu v určitém směru je Rombergův test pozitivní a je pravděpodobné, že vyšetřovaný trpí nějakým druhem vestibulární poruchy.
1.5. Biologická zpětná vazba Obecně se biologická zpětná vazba (biofeedback) definuje jako terapeutický postup, který zahrnuje měření osobních fyziologických veličin v reálném čase, které se poté pacientovi vhodnou formou prezentují, tak aby byl schopen tyto hodnoty ovlivnit vůlí a tím se je naučit alespoň částečně ovládat.
-6-
Při biofeedbacku se tedy průběžně snímá signál (EMG, EEG, COP), který je zpracován a následně distribuován pacientovi jako elektrický, obrazový, či zvukový signál. Pacient se učí rozpoznávat změny v tomto signálu a postupně tyto změny kontrolovat. Nejčastější forma biofeedbacku je svalová zpětná vazba (myofeedback) používající snímaný elektromyografický (EMG) signál. Ten je zesílen a následně vrácen zpět do svalu jako stimul. Této metody se využívá k zesílení oslabených svalů po operaci, ale i k relaxaci svalů při bolestech hlavy, zad či zubů. [17] V současnosti se biologická zpětná vazba využívá i k rehabilitaci pacientů s poruchami vestibulárního aparátu. Výzkum se zaměřuje na reprezentaci signálu odpovídajícího poloze COP použitím zrakových [15] či (jako i v našem případě) sluchových podnětů. [1], [2], [3], [5] Další možností využití biologické zpětné vazby k rehabilitaci pacientů s poruchou vestibulárního aparátu je elektrotaktilní stimulace. Pacient je při ní informován o aktuální poloze hlavy pomocí elektrických impulzů stimulujících jeho jazyk (probíhá též na pracovišti na Albertově).
-7-
2. Současný stav řešení V současné době se vlivem akustické zpětné vazby na zlepšení posturální stability zabývá několik studií. [1], [2], [3], [5] Systém využívající akustické zpětné vazby k přenosu informace o aktuální poloze průmětu těžiště do roviny oporné báze se nazývá Audio-biofeedback (ABF).
2.1. Audio biofeedback (ABF) Jak již bylo řečeno, audio-biofeedback je systém, který zprostředkovává biologickou zpětnou vazbu pomocí akustických signálů. Tento systém se skládá z následujících částí: •
akcelerometru, který je připevněn na trupu a měří předozadní (anteroposteriální) a pravolevé (mediolaterální) zrychlení
•
notebooku (či PDA), který získává údaje ze senzoru a zpracovává zvuk
•
sluchátek, která zprostředkovávají přenos zvukových signálů
•
případně může být systém doplněn o stabilometrickou plošinu, která doplňuje či nahrazuje údaje z akcelerometrů
Audio-biofeedback systém funguje na základě stereofonního zvukového signálu, jehož vlastnosti se mění v závislosti na údajích poskytnutých z akcelerometrů. Ty podávají informaci o velikosti a směru vychýlení. Program v počítači tyto informace zpracuje a vyšle zvukový signál, který tuto informaci pacientovi zprostředkuje. Vysílaný signál je tvořen dvěma sinusovými vlnami (jedna pro každé ucho). Výška, hlasitost a pravolevé vyvážení zvuku je uzpůsobeno tak, aby v horizontální rovině reprezentovalo akcelerometrické informace. Například, pokud se pacient pohne dopředu, zvýší tím zrychlení akcelerometru směrem dopředu a zvuk, který slyší je hlasitější a vyšší. Pokud se naopak nahne dozadu, zvýší zrychlení na akcelerometru směrem dozadu a zvuk je hlasitější a nižší. Pokud se pacient pohne doprava, zvýší se hlasitost signálu jdoucího do pravého ucha a sníží hlasitost jdoucí do levého. Pokud doleva, zesiluje se signál v levém uchu a zeslabuje v pravém. [1], [2] Všechny studie, které se problematikou ABF zabývají, prokazují, že její použití napomáhá ke zlepšení posturální stability u zdravých jedinců [1], ale i například u pacientů s Parkinsonovou chorobou [2], progresivní supranukleární obrnou [3] či bilaterální vestibulopatií [5].
-8-
2.2. Výzkumy využívající ABF Jedny z prvních výzkumů prokazujících, že ABF může být použit k léčbě posturální nestability proběhly v roce 2005 na Boloňské univerzitě (v Itálii) a zároveň na Oregon Health & Science University v Portlandu (v USA) pod vedením Marca Dozza. [1], [5] Při prvním výzkumu byl vyzkoušen přenosný prototyp ABF systému, který vracel informace z akcelerometrů připevněných na trupu měřených osob. Měřeno bylo 8 osob ve věku od 21 do 28 let, které netrpěly žádným neurologickým, sluchovým a vestibulárním postižením. U každé osoby byl desetkrát změřen šedesátisekundový stoj se zavřenýma očima. Pětkrát byla použita akustická zpětná vazba a pětkrát nebyla. Měření s a bez ABF probíhalo u každé měřené osoby v náhodném pořadí. [1] Z naměřených dat vyplynulo, že střední kvadratická vzdálenost centra tlaku (COPRMS) od středu se u všech měřených osob při použití ABF zmenšila celkově o více než 10 %, oproti COP-RMS bez ABF. [1] Druhý výzkum Marca Dozzy proběhl se stejným systémem u pacientů s bilaterální vestibulopatií (BVL). Ta nastává při symetrickém poškození obou rovnovážných ústrojí. Bylo měřeno 9 pacientů (ve věku 38 – 73 let) u kterých byla diagnostikována bilaterální vestibulopatie a 9 normálních zdravých jedinců (ve věku 33 – 71 let) tvořících kontrolní skupinu. [5] U každého účastníka proběhly tři minutová měření při stoji se zavřenýma očima s ABF a tři bez ABF, opět v náhodném pořadí. Výsledky ukázaly, že se střední kvadratická vzdálenost centra tlaku od středu (COP-RMS) při použití ABF u kontrolní skupiny zmenšila o 15,9 % a u skupiny pacientů postižených BVL dokonce až o 23 %. [5] Další výzkum s ABF byl prováděn v roce 2011 v Tel Aviv Sourasky Medical Center v Izraeli pod vedením Anata Mirelmana. Bylo při něm trénováno 7 pacientů s Parkinsonovou chorobou (Parkinson‘s disease - PD) ve věku 59 – 85 let v šestitýdenním programu. Trénink byl zaměřen především na zlepšení stability, ale i na vylepšení běžných denních činností pacientů (např. schopnosti postavit se ze sedu – sit to stand). Program zahrnoval mnoho různých cvičení (s využitím přenosného ABF) u kterých postupně stoupala obtížnost. [2] Jedním z hodnotících parametrů byla doba, kterou pacientovi zabralo vstání ze židle či křesla, poodejití o 3 metry a opětovné navrácení se na místo. Tento parametr byl nazván „The Time Up-and-Go“ (TUG) a bylo na něm sledováno zlepšení po terapiích s ABF. Tento čas se po šestitýdenní terapii zlepšil v průměru o 11%. Podobné výsledky vykazovaly i další sledované parametry. [2]
-9-
3. Použité metody Hlavním úkolem této práce je návrh aplikace akustického signálu jakožto prostředku biologické zpětné vazby k rehabilitaci pacientů v prostředí laboratoře virtuálních aplikací na Albertově. Oproti již zmíněnému systému ABF (který ve všech zmíněných případech využívá pouze sluchátka) je laboratoř vybavena 3D prostorovým zvukovým systémem a stabilometrickou plošinou. Jak je zmíněno v literatuře [2] zpětná vazba pomocí 3D prostorového zvuku může mít větší vliv na zlepšení rovnováhy, než bylo dosaženo s dosud zkoumaným systémem ABF využívajícím pouze sluchátek. Navrhovaná metoda zpětné akustické prostorové vazby je následující. Pacient je postaven na stabilometrickou plošinu (viz 3.1.1), která je umístěna uprostřed zvukového pole vytvořeného soustavou reproduktorů schopných prostorové interpretace zvuku. Pacient stojí se zavřenýma očima (nebo jsou jinak vytvořeny ideální podmínky k eliminování zrakových vjemů) v jednom ze dvou postojů Rombergova testu. Pokud se vychýlí, kterýmkoliv směrem, vychýlí se i jeho centrum tlaku (COP). Tuto informaci zaznamenají akcelerometry v plošině. Softwarový program poté zpracuje tuto informaci tak, aby mohla zvuková soustava vyslat signál z úhlu odpovídajícího směru, kterým se pacient vychýlil. Velikost vychýlení zase udává hlasitost tohoto zvuku. Pacient tento zvuk zachytí a binaurálním slyšením určí, ze kterého směru vychází. Získá tak přesnou představu o tom, kterým směrem a o kolik se nahnul, bez toho aniž by mu tuto informaci poskytovalo rovnovážné ústrojí. Nejdříve je třeba se seznámit se základním vybavením, které je k aplikaci této metody zapotřebí.
3.1. Pracoviště virtuálních aplikací na Albertově Laboratoř virtuálních aplikací se nachází na Společném pracovišti Fakulty biomedicínského inženýrství a 1. Lékařské fakulty Univerzity Karlovy v Praze na Albertově. Aktuálně zde probíhá rehabilitace pacientů s poruchami vestibulárního aparátu. Laboratoř je zvukově odstíněna, takže zde lze vytvořit ideální podmínky pro měření. Ovládání světel je uzpůsobeno tak, aby bylo možno vytvořit téměř absolutní tmu, což je pro měření pomocí zvukových stimulací nejpříhodnější, neboť se tím eliminují zrakové podněty, které mají na stabilitu velký vliv. Potřebným technickým vybavením pracoviště je stabilometrická plošina, na které již probíhá několik výzkumů. Také se zde nachází vybavení pro projekci prostorového obrazu, které však pro naše účely není důležité. Podstatným vybavením je zvukový systém sestávající ze čtyř reproduktorů schopný vytvořit prostorový 3D zvuk.
- 10 -
3.1.1. Stabilometrická plošina Součástí pracoviště virtuálních aplikací na Albertově je i stabilometrická plošina Nintendo WiiFit, využívající knihovnu WiiMote Lib. Její výhodou je finanční dostupnost a její parametry plně vyhovují potřebám stabilometrických měření. Data z plošiny jsou poskytována čtyřmi tenzometrickými snímači, které jsou umístěny na kovovém rámu. Tento rám je uložen uvnitř plastové konstrukce, na které jsou vyznačeny oblasti pro umístění pravé a levé nohy vyšetřovaného. Tenzometrické snímače umístěné v rozích plošiny měří dílčí silové složky (F1, F2, F3, F4), kterými vyšetřovaný působí na plošinu. Centrum tlaku (COP) vyšetřovaného se poté vypočítá pomocí vztahů vycházejících z momentů sil z jednotlivých snímačů vztažených ke středu plošiny. Výsledné umístění průmětu těžiště určují souřadnice xCOP (mediolaterální rovina) a zCOP (anteroposteriální rovina). Tyto výpočty však provádí samotný řídící software plošiny.
3.1.2. 3D prostorový zvukový systém Pro vytvoření zvukového 3D pole použijeme vybavení laboratoře virtuální reality, které tvoří šestikanálová sestava Genius SW-5.1 4000. Celá souprava je v dřevěném provedení a skládá se ze subwooferu a pěti satelitů pokrývajících frekvenční pásmo od 40 Hz do 20 kHz. Celkový výkon soupravy je 100 wattů. Čtyři satelity o rozměrech 160 x 103 x 130 mm jsou rozmístěny v pomyslných rozích obdélníku, v jehož těžišti je umístěna stabilometrická plošina. K vytváření prostorového zvuku využívají knihovnu Microsoft XNA.
- 11 -
4. Praktická část V praktické části této práce jsem se nejprve podrobně seznamoval s technickým vybavením laboratoře virtuální reality na Albertově (viz 3.1). Lze říci, že vybavení této laboratoře plně vyhovuje požadavkům na aplikaci 3D akustické zpětné vazby a jejího následného testování za účelem ověření, zda je tato metoda vhodná k rehabilitaci pacientů s poruchami vestibulárního ústrojí.
4.1. Schéma akustické zpětné vazby Dalším krokem bylo vytvoření blokového schématu stručně popisující princip akustické zpětné vazby v provedení laboratoře na Albertově (viz Obrázek 1).
Obrázek 1: blokové schéma akustické zpětné vazby v 3D prostoru – xCOP a zCOP = souřadnice centra tlaku, I = vzdálenost COP od středu plošiny (přepona nad xCOP a zCOP), φ = úhel, který svírá přepona I s kladnou částí osy z) Nejprve jsou v A/D převodníku signály z jednotlivých tenzometrů převedeny na digitální hodnoty. Z nich poté řídící software plošiny přepočítá aktuální souřadnice centra tlaku (xCOP a zCOP). Tyto hodnoty se ukládají pro zpětnou analýzu a zároveň je program přepočítá na tzv. vektor vychýlení. Ten je dán velikostí (I = vzdálenost COP od středu plošiny (přepona nad xCOP a zCOP) a úhlem (φ), který svírá s kladnou částí osy z (předozadní osy). Tyto hodnoty se také ukládají pro zpětnou analýzu výsledků. Software ovladače zvukové soustavy z těchto hodnot (I, φ) poté určí velikost a směr zvukového signálu pro zpětnou - 12 -
vazbu. Tento signál je poté pomocí 3D zvukové soustavy reprodukován ze směru, kterým se pacient vychyluje. Hlasitost zároveň upozorňuje na velikost tohoto vychýlení.
4.2. Ovládací program zvukové soustavy K ovládání a vyzkoušení zvukové soustavy jsme v jazyku C# (Microsoft Visual C# 2010) vytvořili program, který funguje na platformě Microsoft .NET Framework 4.0. Tento program vytváří rotující zdánlivý zdroj zvuku, který obíhá kolem středu zvukového pole. (viz P1) Tímto programem jsme ověřili správnost vyvážení všech satelitů a celkovou schopnost soustavy vytvořit akustickou prostorovou iluzi. Můžeme jej zároveň využít jako ovladače zvukové soustavy při vytváření programu pro aplikaci akustické zpětné vazby.
- 13 -
Závěr Cílem této práce bylo seznámit se s problematikou akustické zpětné vazby při rehabilitaci pacientů s poruchami vestibulárního ústrojí a navrhnout jakým způsobem by se tato metoda dala aplikovat v laboratoři virtuální reality na Albertově. Daná problematika byla do hloubky prostudována především v pracích zahraničních autorů a byl navržen způsob, jakým by se tento princip dal aplikovat v 3D zvukovém poli. Dále jsme byli podrobně seznámeni s vybavením laboratoře virtuální reality na Albertově a došli jsme k závěru, že je dostačující pro provedení daného experimentu. V neposlední řadě jsme navrhli program vhodný k ovládání zvukové soustavy a díky kterému jsme byli schopni ověřit její funkčnost a schopnost vytvořit iluzi prostorového zvuku, což jsou nezbytné předpoklady k aplikaci zmíněné metody. Doufáme, že dané téma bude dále rozvíjeno v rámci bakalářské práce a navrhovaná aplikace bude použitelná k léčbě pacientů s vestibulárními poruchami.
- 14 -
Seznam použité literatury [1]
DOZZA, M., et al. Influence of a portable audio-biofeedback device on structural properties of postural sway. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2005. volume 2, p. 13
[2]
MIRELMAN, A., et al. Audio-biofeedback training for posture and balance in patients with Parkinson's disease. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2011. volume 8, p. 35
[3]
NICOLAI, S., et al. Improvement of balance after audio-biofeedback. A 6-week intervention study in patients with progressive supranuclear palsy. Zeitschrift für Gerontologie und Geriatrie, 2010. Volume 43, p. 224-8
[4]
MELZER, I., et al. Postural stability in the elderly: a comparison between fallers and non-fallers. Age and Ageing, 2004. volume 33, p. 602-7
[5]
DOZZA, M., et al. Audio-Biofeedback Improves Balance in Patients With Bilateral Vestibular Loss. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 2005. volume 86, p. 1401-3
[6]
DOKLÁDAL, M., PÁČ, L. Anatomie člověka III. Systém kožní, smyslový a nervový. Brno: Vydavatelství Masarykovy Univerzity, 1995. 285 s. ISBN 80-210-1169-6
[7]
MILIÁNOVÁ, E. Tinnitus. Brno, 2008. 123 s. Diplomová práce. Masarykova univerzita, Pedagogická fakulta.
[8]
SEDLÁČEK, K. Základy audiologie. 1.vyd. Praha: SPN, 1956.
[9]
HAVLÍK, R. Binaurální slyšení. Spol s.r.o. Stadnik a Partner.
[10] TRZOS, M. Popis a reprezentace dvourozměrných zvukových scén ve vícekanálových systémech reprodukce zvuku. Brno, 2009. 61 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. [11] HOLIBKOVÁ, A., LAICHMAN, S. Přehled anatomie člověka. Olomouc, 2004. 140 s. Univerzita Palackého v Olomouci. ISBN-10: 80-244-1480-5 [12] VAŘEKA, I., VAŘEKOVÁ, R. Kineziologie nohy. Olomouc, 2009. 181 s. Univerzita Palackého v Olomouci. ISBN 978-80-244-2432-3 [13] SKÁLA, B. Závrativé stavy. Praha, 2008. 18 s. Společnost všeobecného lékařství ČSL JEP. ISBN: 978-80-86998-29-9 [14] NOVOTNÝ, O. Psychoakustická měření binaurálních vlastností lidského sluchu. Brno, 2010. 53 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. - 15 -
[15] KLEJCHOVÁ, P. Měření subjektivní vertikály v systému virtuální reality. Kladno, 2011. 87. s. Bakalářská práce. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta biomedicínského inženýrství [16] HAVLÍK, R. Vliv binaurálního slyšení na srozumitelnost řeči při použití kompetitivního šumového signálu. Brno, 2010. 100 s. Disertační práce. Lékařská fakulta Masarykovy univerzity [17] TICHÁČEK, A. Biologická zpětná vazba v terapii. Brno, 2008. 61 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií.
- 16 -
Samostatné přílohy 1. Příloha P1 – vzhled aplikace určené k ovládání zvukové soustavy
- 17 -
