Method for objective movement detectection in the shoulder joint

Full Text

Введение Основным проявлением постинсультных неврологических расстройств, обуславливающих инвалидизацию больных, является нарушение двигательной функции. Важным фактором ограничения качества жизни пациентов является выраженное снижение функции верхней конечности. Это нарушение уменьшает трудовую деятельность, затрудняя процесс самообслуживания, и кардинально изменяет качество жизни больного. Двигательные нарушения проявляются гемиплегией или гемипарезом. Исследование подвижности и амплитуды движения верхней конечности в плечевом суставе является важным диагностическим критерием в восстановлении её функции. Плечевой или, правильнее, плечелопаточный сустав (articulatio-gleno-humeralis) - самый подвижный сустав тела, обладает обширной экскурсией движений - отведением, приведением, сгибанием, разгибанием, вращением (ротация) кнаружи и внутрь. Большая свобода движений обусловлена формой плечевого сустава и особенностями анатомического строения плечевого пояса. В связи с вышеизложенным, объективное исследование движений в плечевом суставе представляет определённые трудности. Изолированную амплитуду движений в каждом суставе и причины ограничения движений определяют исследованием пассивных движений руки с одновременной пальпацией области плечевого сустава. Измере ние по нейтральному 0-проходящему методу с помощью гониометра позволяет более точно определить градусы и амплитуду движений (Чирсков М.Я., 1954). Анатомическая позиция плеча - свободно свисающая вдоль туловища рука, принимается за начальное положение при измерении, а головка плечевой кости - 0° градусом трёх основных осей пространства. Поперечная ось, лежащая во фронтальной плоскости, показывает движения сгибания и разгибания, осуществляемые в сагиттальной плоскости. Переднезадняя ось, лежащая в сагиттальной плоскости, показывает движения отведения (движение верхней конечности по направлению от туловища) и приведения (движение верхней конечности по направлению к туловищу), которые реализуются во фронтальной плоскости. При оценке ротационных движений плеча рука отводится до 90° и сгибается в локтевом суставе так, чтобы ось предплечья была перпендикулярна фронтальной плоскости (Kapandzhi A.I., 2009). Плечо: отведение-приведение руки - 180°-0-40° (отведение сверх 90° совершается при присоединении наружной ротации и скольжения лопатки по грудной клетке). Разгибание-сгибание - 40°-0-170° (конечное сгибание совершается с присоединением вращательного движения руки и скольжения лопатки). Наружная-вну-тренняя ротация плеча при согнутом локте нар-рот. / вн.рот. - 60°-0-95°. С ростом технологий были разработаны цифровые угломеры. Измерения оказались более точные, быстрые, 8 Функциональная диагностика и диагностические технологии в восстановительной медицине, способы резервометрии Вестник восстановительной медицины № 3^2014 не требующие дополнительных настроек (Brosseau L., Tousignant M.,1997). Сравнение цифрового и браншевого угломера на движениях в плечевом суставе, показало более точные результаты (приблизительно на 8 градусов во всех отведениях) с помощью цифрового гониометра (Kolber M.J., Vega F., 2011). Каждое измерение угломерами выполняется поочерёдно, только в одной плоскости и зависит от субъективного мнения исследователя. Данные методы просты и не требуют дополнительных приспособлений, однако не дают точную информацию о диапазоне и характере движения-нарастании или убывании, времени движения, стабильности-нестабильности сустава и мышечного включения. Для исследования всех нюансов и качественного контроля активного диапазона движения используют точные методы регистрации. Метод пространственной регистрации посредством видеоанализа (Wade D.T. 1992; Braido P., Zhang X. 2004) позволяет получить полную картину движения во всех плоскостях и провести точный контроль биомеханических параметров, что очень важно у пациентов после инсульта (Baets L, Jaspers E., 2013). Это позволяют оценить не только движение плеча, но и вращательные движения лопатки (Hardwick D.D., Lang C.E., 2011). Основа метода видеоанализа - регистрация исследуемого объекта с помощью многих видеокамер и специальных маркеров, находящихся на теле человека, с последующим построением модели скелета и вычислением углов движения в суставах. Преимуществом такого метода является независимость от мнения исследователя, наличие полной пространственной картины, малый вес маркеров и другого оборудования, носимого обследуемым и самое важное - точная пространственная картина исследуемых движений. Однако метод имеет и ряд недостатков, затрудняющих получение важной информации. Сюда относятся длительное время проведения процедуры, сложность обработки первичных параметров, время получения окончательных результатов и высокая стоимость всей аппаратуры. Для системы пространственной регистрации в 2005 году была принята единая система координат (Ge Wu., Frans C.T. van der Helmb, 2005). Были определены пространственные оси вращения и неподвижные части, а так же общая модель плечевого сустава для последующего расчёта кинематических параметров. В последнее время видеорегистрация стала стандартом в исследованиях. Однако этот метод не всегда доступен из-за стоимости оборудования. Существуют и другие технологии оптической регистрации, которые так же позволяют проводить пространственную регистрацию движений (Mitchelson D.L.,1998). Преимущества этого метода в высокой точности и частоте регистрации, и отсутствие необходимости калибровки. Гироскопический метод - метод, хорошо представляющий качественную сторону движения и не требующий внешнего регистрирующего прибора. С помощью современных электронных технологий удалось справиться с главными минусами гироскопических датчиков и увеличить точность регистрации кинематических параметров (Dejnabadi H., Jolles B.M., 2005), а так же добиться сниже ния паразитных шумов и нормализации магнитного поля (Roetenberg D., 2005). Компактность и малоинвазивность метода позволяет использовать его вместе с приборами электромиографии при различных лечебных задачах и тренировках с биологической обратной связью. Ещё одним плюсом этого метода, в рассматриваемом контексте - является отсутствие внешней измерительной системы координат. Она задана в самом датчике и сопряжена с программой регистрации и анализа движения. Исходя из приведённых данных, метод регистрации посредством инерционных датчиков имеет существенные преимущества. С технической позиции этот способ проще, требует значительно меньше времени, и более доступный с финансовой позиции. Кроме этого, метод не требует специального помещения, а оборудование, по сути - портативное. Проведённый анализ показал, что по совокупности применение для объективной регистрации гироскопических инерционных сенсоров представляется более оправданным. Поэтому в данной работе мы поставили задачу разработки методики объективной регистрации движений в плечевом суставе с помощью данной технологии. цель работы Разработка методики объективной регистрации движений в плечевом суставе ориентированой на больных с нарушением мозгового кровообращения в остром периоде. Материалы и методы Исследование проводилось на 15 здоровых испытуемых (8 женщин, 7 мужчин, средний возраст - 23 года) не имевших в анамнезе травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата. Испытуемым в процессе предлагалось выполнять движения сгибания/разгибания, отведения/приведения, до 90 градусов, и наружнюю/внутреннюю ротацию верхними конечностями в плечевых суставах в сагитальной, фронтальной и вертикальной плоскостях соответственно. Ротация верхней конечности по отношению к продольной оси может происходить при любом положении плечевого сустава. Мы используем произвольную ротацию в суставе с тремя осями и тремя степенями свободы. Эту ротацию обычно отсчитывают от нейтрального положения, при котором рука свободно свисает вдоль туловища - положение нулевой ротации. Для измерения амплитуды ротационных движений сгибаем руку в локтевом суставе на 90°, чтобы предплечье лежало в сагиттальной плоскости. В противном случае ротационные движения верхней конечности будут сочетаться с пронацией или супинацией предплечья (Kapandzhi A.I., 2009). Кроме этого, больным с парезом верхней конечности обычно сложно выполнить отведение или сгибание в плечевом суставе, поэтому будет оправдано в этой категории исследовать ротацию в исходном положении верхней конечности. Мы планируем эту схему исследования использовать в последующих работах у больных после нарушения мозгового кровообращения. Она представляется нам оптимальной для пациентов с низкой мышечной силой в плече и невозможностью движения отведения плеча. Функциональная диагностика и диагностические технологии в восстановительной медицине, 9 способы резервометрии Вестник восстановительной медицины № 3^2014 Движения выполнялись по следующей схеме: 1). одновременно двумя руками и 2). каждой рукой по отдельности, в положении сидя (голова установлена по средней линии, с открытыми глазами). Каждое упражнение выполнялось два раза. Движение проводилось свободно, без дополнительных указаний. Для исследования применялся биомеханический сенсор «Trust-M» (компания «Неврокор», г. Москва), который позволяет регистрировать движения и повороты в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях. Описание методики Испытуемым, перед прохождением исследования, подробно объяснялись все подробности и последовательности исследования. Исследование проводилось без верхней одежды. На верхние конечности в районе верхней трети плеча в месте наибольшего приближения плечевой кости к коже плотно накладывались двусторонние ленты «Велкро», удерживающие гироскопические датчики. Датчики располагались с наружной стороны плеча, относительно оси ординат. Грудной датчик крепился с помощью крестообразной ленты, плотно прилегающей к телу. Располагался по средней линии тела над мечевидным отростком. Исследование производится сидя на стуле без спинки, руки опущены вдоль тела свободно, ноги находятся на ширине плеч. Выполняется три последовательных блока движений в трёх плоскостях по два повторения - сначала двумя руками одновременно, затем каждой в отдельности. Во время всех движений обследуемый не отрывает стопы от пола. Обследуемому назывался порядок выполнения движений. Собственно движения выполнялись индивидуально (Рис. 1). Аналогично таковым производятся асимметричные движения сначала одной конечностью, потом другой. Регистрация и последующая первичная обработка данных выполнялась в собственном программном пакете «TrustMotion». На каждое движение в программе строилась индивидуальная гониограмма. На графике отмечались максимальная амплитуда «А» в градусах и её время достижения «Т%» в % от цикла движения. Значения амплитуд и соответствующих им частот копировались в таблицу. Статистическая обработка выполнена в Microsoft Excel методами стандартной вариационной статистики с расчётом среднего значения «М» и среднеквадратического отклонения «а». Рис. 1. Обследуемый с фиксированными сенсорами перед обследованием. Движение сгибания выполнялось на угол 90 градусов (по ощущениям обследуемого). Рис. 2. Движение сгибания двух рук. Движение отведения двух рук. Рис. 3. Движение отведения двух рук. Движение ротации выполнялось из вертикального положения плеча. Рис. 4. Движение ротации (обе руки). 10 Функциональная диагностика и диагностические технологии в восстановительной медицине, способы резервометрии Вестник восстановительной медицины № 3^2014 Результаты и их обсуждение Результаты исследования сгибания-разгибания, отведения-приведения, до 90 градусов, и наружняя-внутрен-няя ротация верхними конечностями в плечевых суставах в сагитальной, фронтальной и вертикальной плоскостях представлены в таблицах ниже. Движения сгибания (таблица 1) близки по амплитуде (левая-правая) и фазе, обе тяготеют к 50% цикла. При этом амплитуда сопутствующих движений - отведения-приведения превышает основную, а ротационных примерно в два раза ниже основной амплитуды. Данная закономерность сохраняется и для асимметричных движений одной рукой. В этом случае амплитуда основного движения незначительно снижается (отличия статистически недостоверны р>0,05). Движения отведения (таблица 2) близки по амплитуде (левая-правая) и фазе, обе тяготеют к 50% цикла. При этом амплитуда сопутствующих движений - сгибания-разгибания примерно в 4 раза, а ротационных примерно в 2 раза ниже основной амплитуды. Аналогичная закономерность сохраняется и для асимметричных движений. Движения ротации (таблица 3) близки по фазе (левая-правая), обе тяготеют к 50% цикла. При этом амплитуда сопутствующих движений - сгибания-разгибания примерно в 5 раз, а отведения-приведения примерно в 4 раза ниже основной амплитуды. Данная закономерность сохраняется и для асимметричных движений. Нами предложена методика объективной регистрации движений в плечевом суставе. Данная методика ориентирована для проведения исследований у больных, после перенесённого церебрального инсульта. В силу этого обстоятельства ротационные движения регистрируются в вертикальном (естественном) положении плеча. Полученные пилотные нормативные данные показывают, что в силу специфики данного сустава при движении сгибания на 90 градусов (по ощущению обследуемого), реальные движения находятся в гораздо меньших границах 64-67 градусов. Но, сопутствующие ему движения отведения-приведения превышают основные и достигают 71-75 градусов. При этом сопутствующие движения ротации находятся в пределах 35-39 градусов. Таким образом, движения сгибания, по сути, являются сложным пространственным движением. Асимметричные движения имеют меньшую амплитуду по основному направлению и большую по сопутствующим. Этот феномен был отмечен в работе (Булатова М.А.; 2013). Таблица 1. Данные по движению - сгибание (обе руки, только правая, только левая). Лев-Сг Пр-Сг Лев-Отв Пр-Отв Лев-Рот Пр-Рот 1 Ісірсімеїр A t% A t% A t% A t% A t% A t% Сгиб. М 66,8 53,9 63,8 54 74,8 50,2 71,2 48,4 38,7 44,4 34,6 54 обе а 14,3 14,5 11,9 8,8 23,8 8,2 19,9 4,4 18 14,3 23,5 18,2 Сгиб. М 4,1 52,6 61,7 51,9 4,4 52,9 85,8 47,8 5,1 52,3 36,9 57,2 Пр. а 2,5 13,5 12,9 11,4 2,1 13,8 19,8 7 1,6 16,7 21,9 20,2 Сгиб. М 64,5 53,8 4,5 49,6 79,1 48,1 4,2 42,7 45,7 51,8 5,2 51,1 Лев. а 14,8 13,8 2,3 12,5 17,3 7,3 2,3 12,2 20,7 13 2,8 19,3 Таблица 2. Данные по движению - отведения (обе руки, только правая, только левая). Лев-Сг Пр-Сг Лев-Отв Пр-Отв Лев-Рот Пр-Рот 1 І<ір<ІМЄір A t% A t% A t% A t% A t% A t% Отвед. М 22 48 18 42,7 84,7 47,8 79,5 46,8 57,2 50,7 36,5 65,1 обе а 7,8 20,2 6,7 17,1 11,3 4 8,4 2,9 19,8 14,4 13,3 15,5 Отвед. М 6,7 50,7 16,8 48 2,4 51,2 81,8 49,5 7,7 45,9 37,2 59,1 Пр. а 1,8 9,2 7,8 22,1 0,9 17,2 8,1 4,5 3,1 13 15,9 17,4 Отвед. М 28,4 52,2 7,4 50,1 86,8 49,9 3,2 46,9 63,7 49,9 7,7 48,1 Лев. а 9,4 18,8 2,3 6,5 9,5 5,1 1,4 14,2 23,1 12,6 4,1 12,7 Таблица 2. Данные по движению - отведения (обе руки, только правая, только левая). Лев-Сг Пр-Сг Лев-Отв Пр-Отв Лев-Рот Пр-Рот A t% A t% A t% A t% A t% A t% Рот. М 11,1 56 9,6 57,9 12,4 48,1 12,3 49,2 50,7 50,4 44,7 51,9 обе а 6,1 20,7 6,5 19,1 5,8 20,1 6,5 19,8 17,5 9,1 13,1 13,5 Рот. М 2,3 54,6 8,3 51,1 3,2 50,2 12,6 45,9 5,5 46,7 47,1 47 Пр. а 1,2 20 4 18,4 2,5 10,8 7,6 20,3 4,2 9,1 12 6,6 Рот. М 8,2 55,6 2,5 53 8,7 49,2 3,6 57,6 45,5 51,7 5,8 50,6 Лев. а 3,7 22,8 1,1 19,1 4,5 23,2 2,1 15,3 14,7 7,6 4,4 12,4 Функциональная диагностика и диагностические технологии в восстановительной медицине, 11 способы резервометрии Вестник восстановительной медицины № 3^2014 Движения отведения-приведения так же не являются изолированными, но в отличие от движения сгибания-разгибания максимальная амплитуда развивается по основному направлению движения. Следующим за ним следуют движения ротации и наименьшая амплитуда -сгибания. Аналогичная закономерность имеет место для ротационных движений. Для всех основных движений мы получили закономерность, когда максимум амплитуды наступает в половине фазы движения. Данная закономерность является базовой для здорового человека независимо от того, какое движение и каким сегментом производится. Данный феномен был так же отмечен при исследовании движений комплекса «Баланс» в группе здоровых лиц (Булатова М.А.; 2013). Предложенный метод регистрации движений в плечевом суставе может представлять интерес для врачей ЛФК, неврологов, ортопедов-травматологов и других специалистов. В отличие от более простых методов он позволяет получить объективную информацию о движении во времени и пространстве. При этом информация носит точный количественный и качественный характер. Полученные нами данные согласуются с работой (El-Zayat B.F. et all; 2011). Объём полученной информации позволяет комплексно и разносторонне оценить каждое движение, его пространственные характеристики. Пространственная регистрация более информативна, чем измерение с помощью однокомпонентных акселерометров (Uswatte G. et all; 2005). А минимальное количество датчиков с хорошей точностью на основе более высоких частотах делает процедуру исследования намного удобнее (Hyde R.A. et all; 2008). С точки зрения клинициста, может быть ценным то, что данный метод не требует массивного или объёмного оборудования. Весь комплект может поместиться в обычной сумке вместе с компьютером. Золотой стандарт для данного вида исследований - видеоанализ требует не только дорогостоящего оборудования и специально оснащённого помещения для данной методики (не менее 20 м2), но и занимает значительно больше времени для получения итогового результата. Так видео регистрация требует около 20 минут на собственно запись исследования и около часа на последующую обработку и анализ данных. Такой результат, может быть приемлем только для специальных научных исследований. В рутинной клинической практике такие трудозатраты не оправданы. Предложенный метод позволяет примерно за 8-12 минут получить полный отчёт по результатам исследования. Выводы 1. Методика исследования с помощью гироскопических датчиков характеризуется удобством, простотой и портативностью применяемого оборудования 2. Полученные нормативные параметры могут служить ориентиром при оценке показателей при использовании данной методики. 3. Любое движение в плечевом суставе, которое воспринимается как изолированное, имеет существенные амплитуды движений в сопутствующих плоскостях. 4. Произвольное циклическое движение в норме имеет максимум амплитуды в половине фазы движения.

About the authors

G. E Ivanova

«Russian National Research Medical University n.a. N.I. Pirogov»

D. V Skvortsov

«Russian National Research Medical University n.a. N.I. Pirogov»

Email: dskvorts63@mail.ru

S. N Kaurkin

«Russian National Research Medical University n.a. N.I. Pirogov»

References

Supplementary files