The concept of the use of artificial correction of movements in orthopedics, traumatology and prosthetics

Full Text

В течение долгого времени ортопеды и травматологи концентрировали свое внимание на восстановлении костного аппарата конечностей или туловища. Примерно такую же цель — воспроизведение внешней структуры движения — преследовало протезирование. Однако нередко оказывалось, что после самых удачных оперативных вмешательств и оптимального протезирования полная реабилитация больных затягивалась на длительные сроки. Можно предположить, что причиной этого феномена являлся недостаточный учет состояния мышечного компонента опорно-двигательного аппарата. И хотя после оперативных вмешательств всегда прибегали к консервативному лечению (лечебной физкультуре, физиотерапии, тренировке с обратными связями), желаемой эффект нередко не достигался.

В настоящей статье для реабилитации больных с последствиями повреждений и заболеваний опорно-двигательного аппарата предлагается принципиально новый метод — искусственная коррекция движений (ИКД) посредством программируемой электростимуляции (ЭС) мышц при ходьбе.

Материал и методы

Для обоснования метода ИКД у 10 здоровых испытуемых при помощи количественной электромиографической методики и электроподографии исследовался ЭМГ-профиль мышц при ходьбе; кроме того, у 5 из них исследовалось изменение электрической активности (по натуральной и интегрированной ЭМГ) при внесении кратковременных возмущений в биомеханическую структуру ходьбы [7]. Метод ИКД посредством ЭС мышц в виде сеансов длительностью от 30 до 60 мин был применен у трех групп больных: инвалидов, передвигающихся на протезе голени (42 человека), больных с I—II степенью сколиотической болезни (35), больных с несрастающимися переломами и псевдоартрозами костей голени (38). У всех больных исследовались параметры ходьбы с помощью электроподографии, электрогониографии, электродинамографии и количественной электромиографии.

Результаты и обсуждение

Метод искусственной коррекции движений и его физиологическое обоснование

На основании изучения ЭМГ-профиля мышц и опытов с внесением кратковременных возмущений в биомеханическую структуру ходьбы с регистрацией ответных изменений электрической активности мышц были установлены следующие факты:

• при ходьбе существует центральная иннервационная программа, сформированная с участием многих отделов головного и спинного мозга; однако в ее основе у животных и человека лежит деятельность интраспинального механизма шагательных движений, который задает циклическую последовательность работы мышц [2, 6];
• в иннервационной программе каждой мышцы следует различать периоды, соответствующие возбуждению и торможению мотонейронного пула; при этом в периоде возбуждения можно выделить две зоны — М и У, характеризующие соответственно регулярную волну максимальной активности и нерегулярную волну умеренной активности (рис. 1);
• устойчивость максимальной волны активности в зоне М определяется, по-видимому, совокупным действием генератора локомоторных движений, циклическими супраспинальными влияниями (распространяющимися по рубро-, ретикуло-, вестибулоспинальным путям) и различной, прежде всего проприорецептивной, афферентацией от конечности. Усиление активности в зоне У зависит от афферентных воздействий;
• афферентные факторы при ходьбе могут изменять начало, длительность и степень активации мышц, а также трансформировать и самый рисунок электрической активности, смещая ее максимум из одной фазы в другую (из зоны М в зону У); эти изменения возможны лишь в пределах запрограммированного периода возбуждения.

 

Рис. 1. Зоны электрической активности мышц в течение локомоторного цикла. М — максимальная активность, У — умеренная активность, Н — низкоамплитудная активность; 1 — икроножная мышца,2 — передняя большеберцовая,3 — наружная широкая,4 — полусухожильная. Под графиками — подограмма (обозначения фаз шага): а — пятка, б — стопа, в — носок, г — перенос). Здесь и на остальных рисунках: по оси абсцисс — время (в % от длительности двойного шага), по оси ординат — средняя электрическая активность (в мкВ).

 

Полученные данные имеют чрезвычайно важное значение не только для анализа нормального и патологического ЭМГ-профиля мышц при ходьбе, но и для базисного определения временных программ фазовой ЭС. Последняя в двигательном акте должна осуществляться только в зоне М, что соответствует нормальному иннервационному стереотипу локомоции, так как активность мышц в зоне У является результатом подстройки нервных процессов к патобиомеханическим условиям ходьбы. Следовательно, ЭС мышц в зоне У будет лишь способствовать закреплению ненужного патологического стереотипа движений. Основополагающим принципом ИКД является полное и точное соответствие естественной и искусственной программ работы мышц в двигательном акте. Поэтому ИКД представляет собой разновидность фазовой ЭС мышц:

• фазовая ЭС мышц обеспечивает биомеханическую целесообразность ИКД, поскольку не нарушает обычную программу ходьбы, а лишь исправляет те ее элементы, которые оказались ослабленными в результате дефицита функции отдельных мышц;
• этот вид ЭС позволяет получить плавность результирующего движения благодаря наложению синхронного сокращения двигательных единиц, вызванного электрическим стимулом, на их естественную асинхронную деятельность;
• при такой ЭС создается возможность непосредственной коррекции двигательных, в частности локомоторных, центров, поскольку в фазы активности мышц эти центры становятся восприимчивыми («открываются») к афферентным влияниям, которые сопровождают движения и электростимуляцию [1].

ИКД при ходьбе имеет три основные функции: терапевтическую, диагностическую и прогностическую [3]. Главная терапевтическая функция заключается в улучшении функционального состояния мышц, коррекции неправильно выполняемых движений, в выработке и поддержании навыка ходьбы, приближающегося к норме. Основным показанием к назначению ИКД является дефицит мышечной функции (ДМФ), приводящий к нарушению биомеханической структуры ходьбы. Он может быть абсолютным (органическим) или относительным (функциональным). Диагностическая функция ИКД состоит в распознавании ДМФ (его степени и фазы). Она основывается на улучшении биомеханических параметров ходьбы под влиянием коррекционных воздействий. Эта функция может быть исследована путем сравнения моментов мышечных сил, вычисленных с помощью математического моделирования, при обычной и корректированной ходьбе. Прогностическая функция определяется при пробном сеансе ИКД: по эффекту коррекции движений можно судить о дальнейшем течении реабилитационного процесса.

Реализация ИКД предполагает выполнение пяти основных операций [4]:

• выбор корректируемых движений и стимулируемых мышц, базирующийся на трех принципах: энергетическом — достижение наибольшего биомеханического эффекта при патологической ходьбе путем коррекции наименьшего числа движений; синдромологическом — использование однозначных приемов коррекции при сходном характере двигательных нарушений; динамическом — первоначальное восстановление силовых компонентов ходьбы, а именно функции мышц-разгибателей, направленной на перемещение тела человека в пространстве и обеспечение его устойчивости, и последующее улучшение функции мышц- сгибателей, выполняющих коррекцию движений;
• определение амплитудной программы ИКД: применяется последовательность прямоугольных импульсов тока с амплитудой 20-250 мА, длительностью 20-250 мкс, частотой следования 40-70 Гц и длительностью пачки импульсов 0,4-0,6 с;
• установление временной программы ИКД, заключающейся в ЭС в фазы, соответствующие зоне М ЭМГ-профиля мышц; программа задается с помощью датчиков опоры или угловых перемещений: цикл ходьбы принимают за 100%, а фазы стимуляции программируют в процентах локомоторного цикла, обеспечивая таким образом подстройку прибора к разному темпу передвижения больных;
• выбор параметров электродов для ЭС и их расположения на теле человека: используются эластичные электроды с токопроводящим углеродистым слоем, электроды прикрепляются манжетками в двигательной области мышц;
• определение режима ЭС при ходьбе (интенсивности ЭС, длительности сеанса и продолжительности курса). За сеанс больной проходит расстояние от 0,5 до 2 км; сеансы проводятся ежедневно, кроме выходных дней, курс рассчитан на 10-20 сеансов в зависимости от тяжести двигательных расстройств.

Медицинские противопоказания к назначению ИКД практически такие же, как при ЭС в покое, однако учитывается состояние сердечно-сосудистой системы и нервно-психической сферы больных.

Процесс реабилитации больных состоит из трех этапов. Первый этап — обследование на диагностическом комплексе с целью оценки степени, фазы ДМФ и уточнения параметров коррекционных воздействий. Второй этап — проведение курсов ИКД в стационаре, предполагающее выбор реабилитационных программ ходьбы — по горизонтальной поверхности, по лестнице или упражнений на велоэргометре. Первая программа обязательна для всех больных, вторая и третья — только для больных со средней и легкой степенью двигательных расстройств. Третий этап — использование портативных корректоров движения в домашних условиях.

Для проведения коррекции движений в нашем центре разработаны три вида технических устройств: диагностический комплекс, восьмиканальный корректор движений, управляемый от ПЭВМ, и портативный двухканальный корректор движений [4].

Биомеханическая и электрофизиологическая оценка результатов ИКД

1. ИКД при ходьбе инвалидов на протезе голени

Под наблюдением находились 32 инвалида с культей голени в средней трети. У инвалидов с культей голени понижение силы и электрической активности усеченных мышц голени составляет 66-70%, мышц бедра — 30-40%, тазового пояса — 15-20% (по сравнению с сохранившейся нижней конечностью). Следовательно, речь идет о ДМФ усеченной трехглавой мышцы голени, четырехглавой мышцы бедра и большой ягодичной мышцы.

В соответствии с этим применялась одно-, двух, трехканальная коррекция движений путем ЭС упомянутых ослабленных мышц на стороне ампутации. Курс состоял из 15 ежедневных сеансов коррекции длительностью 45-60 мин. Проведение курса коррекционной тренировки при ходьбе на протезе голени дало следующие результаты: 1) повышение функциональных способностей ослабленных мышц усеченной конечности — прирост силы и максимальной электрической активности в среднем на 30-50% по сравнению с исходным уровнем; 2) уменьшение кинематической и динамической асимметрии, т.е. асимметрии угловых перемещений и опорных реакций обеих ног, выравнивание работы мышц протезированной и сохранившейся конечностей; 3) снижение энерготрат на 14%. При этом изменялся и ЭМГ-профиль мышц: уменьшались максимумы электрической активности сохранившейся конечности и, наоборот, возрастали максимумы активности мышц протезированной конечности. Все это свидетельствует о том, что под влиянием коррекционной тренировки формируется новый, более близкий к норме иннервационный стереотип ходьбы на протезах (рис. 2).

 

Рис. 2. ЭМГ-профиль мышц-разгибателей протезированной (А) и сохранившейся (Б) нижних конечностей инвалидов при ходьбе на протезе голени до (пунктирная линия) и после (сплошная линия) курса ИКД. 1 — икроножная мышца,2 — наружная широкая,3 — прямая мышца бедра,4 — средняя ягодичная,5 — большая ягодичная. Под графиками — подограмма.

 

2. ИКД при ходьбе у больных с I-II степенью сколиоза

Исследовались две группы больных: с С-образной формой сколиоза (14 человек) и с S-образной формой (21). В первой группе средняя величина общего угла искривления позвоночника и ротации позвонков была равна соответственно 16±1,4 и 10±1,0°. Во второй группе величина общего угла искривления первичной дуги составляла 16±1,3°, вторичной дуги — 11±0,8°, величина ротации позвонков по первичной дуге равнялась 10±0,6°.

Инструментальными исследованиями были выявлены: 1) увеличение вращательных движений таза и плечевого пояса в 1,5 раза относительно нормы; 2) снижение электрической активности мышц спины при максимальном усилии и при ходьбе; 3) асимметрия активности паравертебральных мышц с явным преобладанием ее на выпуклой стороне искривления позвоночника; 4) нарушение локомоторного стереотипа (у одной трети больных диффузная активность в течение цикла).

Проводился 15-дневный курс коррекционной тренировки: ЭС были подвергнуты крестцово-остистые и ромбовидные мышцы с обеих сторон позвоночника, однако интенсивность стимуляции была более значительной для мышц, расположенных на выпуклой стороне искривления. После курса ИКД отмечено следующее:

• коррекция общего угла искривления у больных с С-образным сколиозом составила 29%, уменьшение угла ротации — 23%, индекс стабильности вырос с 0,65 до 0,81; у больных с S-образной формой сколиоза коррекция первичной дуги равнялась 21%, вторичной дуги — 27%, уменьшение угла ротации — 28%, индекс стабильности возрос с 0,66 до 0,78;
• электрическая активность мышц при максимальном усилии у больных с С-образным сколиозом повысилась в 1,5 раза, причем более значительно — на вогнутой стороне; у больных с S-образным сколиозом рост активности мышц на выпуклой стороне искривления составил 25%, на вогнутой — 65%;
• при обеих формах сколиоза повысилась средняя активность паравертебральных мышц в течение шага;
• нормализовался ЭМГ-профиль мышц: вместо диффузно распределенной активности в течение цикла появились, как в норме, остроконечные максимумы активности мышц в конце опорной фазы шага (рис. 3).

 

Рис. 3. ЭМГ-профиль крестцово-остистых мышц при ходьбе больных сколиозом I-II степени до (пунктирная линия) и после (сплошная линия) курса ИКД. А — выпуклая сторона искривления позвоночника, Б - вогнутая; 1-5 — номера пациентов. Под графиками — подограмма.

 

3. ИКД при ходьбе у больных с несросшимися переломами и ложными суставами костей голени

Под наблюдением находились 38 больных, преимущественно молодого возраста, со сроками несращения от 8 до 20 мес. Основной патологии сопутствовали контрактуры коленного и голеностопного суставов разной степени выраженности — от умеренного ограничения движений в 5-15° до значительного, когда амплитуда движений в коленном суставе не превышала 10-15°, в голеностопном — 5-7°. До курса ИКД у больных отмечалась резкая временная, кинематическая и динамическая асимметрия, на стороне поражения электрическая активность большинства мышц была резко снижена и нивелирована.

Под влиянием 25-30-дневного курса ИКД в условиях фиксации костных отломков (большей частью методом внеочагового остеосинтеза) произошло улучшение функционального состояния мышц и нормализация биомеханической и иннервационной структуры ходьбы [5]: 1) повысился коэффициент ритмичности ходьбы с 0,62 до 0,92; 2) увеличилась амплитуда движений во всех суставах пораженной конечности в среднем в 2,5 раза; 3) возросли экстремальные значения опорных реакций пораженной ноги в 2,2 раза; 4) нормализовался ЭМГ-профиль мышц — электрическая активность за цикл ходьбы повысилась для пораженной конечности на 86%, для интактной — на 29%; при этом отмечено возрастание максимальной активности мышц при незначительном росте минимальной активности (рис. 4).

 

Рис. 4. ЭМГ-профиль мышц при ходьбе больных с несросшимися переломами костей голени до (пунктирная линия) и после (сплошная линия) курса ИКД. А — пораженная конечность, Б — интактная конечность; 1 — передняя большеберцовая мышца,2 —- икроножная,3 — наружная широкая,4 — полусухожильная,5 — большая ягодичная. Под графиками — подограмма.

 

Таким образом, под влиянием ИКД восстанавливался не только внешний, но и внутренний стереотип движений.

About the authors

A. S. Vitenzon

Federal Scientific and Practical Center for Medical and Social Expertise and Rehabilitation of the Disabled

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

K. A. Petrushanskaya

Federal Scientific and Practical Center for Medical and Social Expertise and Rehabilitation of the Disabled

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files