Biophysical preconditions for applying magnetic and electrical stimulation of bone tissue at the rehabilitation activities in traumatology

Full Text

Введение Одним из физиотерапевтических методов, применяемых в травматологии является магнитотерапия. Сложность биофизической интерпретации воздействия магнитных полей на биологические структуры, обусловленная тем, что энергия магнитного поля много меньше тепловой энергии биологических тканей человека [1], длительное время не позволяла проводить широкие клинические исследования. Вместе с тем, учеными, в том числе и российскими (Прессман А.С., Холодов Ю.А. и др.), в теоретических и экспериментальных работах доказывалась возможность воздействия магнитных полей, даже слабой интенсивности (с индукцией до 30 мТл), на биологические структуры с учетом их специфики и сложной иерархической организации. Появились работы, описывающие положительные клинические эффекты при применении как постоянных, так и переменных магнитных полей слабой интенсивности (Жуков Б.Н. и др.). Авторы [1] на основании анализа работ в области физической химии, биофизики выдвинули гипотезу о возможности воздействия слабых электромагнитных полей на биологические структуры, обладающие биоэлектрическими свойствами (жидкокристаллическими, пьезоэлектрическими, сегнетоэ-лектрическими). В медицинских публикациях появились статьи о положительных результатах применения магнитотерапии в травматологии (Демецкий А.М.). В Московском высшем техническом училище (МВТУ) им. Н.Э. Баумана под руководством профессора Лощи-лова В.И. были организованы работы (Герцик Г.Я.) по исследованию слабых магнитных полей на процессы регенерации костных тканей в эксперименте. Работы проводились на базе экспериментальной лаборатории по применению низкочастотной ультразвуковых методов хирургии Центрального института травматологии и ортопедии (ЦИТО) им. Н.Н. Приорова (Шепелева И.С., Топоров Ю.А.). Методики исследований включали воздействие постоянным, низкочастотным (от 0,1 Гц до 10 Гц) полем с индукцией от 5 мТл до 10 мТл на травмированные костные ткани экспериментальных животных (кролики) с последующим биохимическим и морфоло гическим исследованиями. В различных экспериментах варьировалось время воздействия от 1 минуты до 15 минут. Достоверных изменений в ходе проведения экспериментальных исследований (в течение месяца) обнаружено не было. С учетом имеющихся гипотез о возможности системного воздействия магнитным полем указанных параметров на все системы организма, в том числе, на нервную, были проведены исследования в Институте неврологии АН СССР с использованием тех же параметров аппаратуры для магнитотерапии и тех же биологических объектов исследования [2]. Статистически значимых результатов не было получено и в этом случае. Вместе с тем, клинические исследования [3], также проводимые с использованием аппарата опытной серии, обеспечивающим вышеуказанные параметры воздействия, дали положительные результаты при терапии травматических повреждений, сопоставимые с результатами, полученными другими исследователями - клиницистами. Перспективы применения данного метода при реабилитации больных с нарушениями двигательной активности вследствие повреждений опорно-двигательного аппарата следуют из возможности применения бесконтактного воздействия на травмированные ткани, простых и надежных применяемых технических решений. При этом, как правило, магнитотерапия в таких случаях не имеет противопоказаний, комфортна как для пациента, так и для обслуживающего персонала, не требует значительных финансовых затрат, удобна и безопасна как при эксплуатации, так и при техническом обслуживании. Устройства для магнитотерапии, в основном, мобильны и могут легко сопрягаться с реабилитационными комплексами, что и обуславливает необходимость проведения дальнейших исследований в этом направлении с учетом имеющихся гипотез о механизмах воздействия [1]. Другим методом, предлагаемым для повышения эффективности реабилитационных мероприятий в травматологии, является электростимуляция. Несмотря на то, что имеются экспериментальные и клинические иссле-дования, подтверждающие возможность 58 Обзоры, лекции, доклады, исторические очерки Вестник восстановительной медицины № 3^2016 и целесообразность электрической стимуляции костных тканей при различных видах переломов в травматологии, в том числе, с применением дополнительных физиотерапевтических методик [4-6], физические процессы воздействия тока на костные ткани остаются во многом изученными недостаточно. Анализ биофизических механизмов взаимодействия электрического тока с костными тканями может послужить основой выбора и коррекции параметров электростимуляции остеосинтеза. Для объективизации анализа необходимо учесть электрические свойства костных тканей и их динамику. Фундаментальные классические экспериментальные исследования [7] показали, что в сухой препарированной кости при динамических нагрузках регистрируются электрические потенциалы, что характеризует наличие пьезоэлектрического эффекта. Аналогичные явления обнаружены Бассетом и Беккером в гидратированной кости [7]. В 1968 году была высказана гипотеза о том, что обнаруженная электрическая активность костной ткани может быть основой восстановления костных тканей при создании переменных механических напряжений, что хорошо согласуется и с действующими в настоящее время методиками кинезо- и механотерапии, обеспечивающих, ускорение реабилитационного процесса в случае травм, связанных с повреждениями костных тканей за счет создания дополнительных перемещений конечностей, вызывающих, соответственно, и переменные механические напряжения в костных тканях. Логично предположить, что и в этом случае переменные механические напряжения, вызывают возникновение пьезоэлектричества в кости, стимулируя, таким образом, согласно гипотезе, выдвинутой Бассетом, Кокраном и Павлюком, процесс регенерации костных тканей. Соответственно, по мнению авторов данной статьи, выбор параметров кинезо- и механотерапии должен учитывать контроль регенерации костных тканей, как один из параметров, характеризующих эффективность процессов кинезо- и механотерапии. Кроме того, частотные параметры указанных процедур могут определяться частотными параметрами пьезоэлектричества в костных тканях, которые по данным [8], находятся в низкочастотном диапазоне и близки к 1 Гц, характеризуются передаточной функцией, соответствующей модели кости, которая автором рассматривается как механоэлектрический преобразователь. Наиболее эффективна по данным клинических исследователей [7] перестройка костных тканей с учетом параметров биоэлектрических процессов, происходящих в кости, особенно, в детском возрасте, что, по мнению авторов данной работы, должно учитываться специалистами при оценке и планировании тактики лечения пациентов различных возрастных групп с применением реабилитационных методов механотерапии. Теоретические и экспериментальные исследования послужили основой для выдвижения гипотезы о возможности стимулирования регенерации костных тканей с путем воздействия на них электрическим током или полем с параметрами, соответствующими естественным биоэлектрическим процессам [9]. Исследования биофизических параметров воздействия на костные ткани с целью увеличения эффективности остеосинтеза с разработкой соответствующих методик и аппаратов были проведены в (80-90)-х годах в МВТУ им. Н.Э. Баумана, МП «ТЕХНОМЕД» (Азаронак В.А., Невский Д.И., Герцик Г.Я.). Исследования проводились на базе травматологического отделения ДГКБ № 13 им. Н.Ф. Фила това, травматологического отделения ДГКБ № 7 (Шеин В.Н.) в соответствии с решением Комитета по новой медицинской техники Министерства здравоохранения России. Целью исследований была оптимизация методики воздействия электрическим током при остеосинтезе для увеличения эффективности регенеративных процессов в костных тканях. Анализ медицинских исследований (Шеин В.Н.) выявил, что показаниями для данного метода являются: • остеодистрофические идиопатические процессы в костях (болезнь Лагга-Калве Пертеса, болезнь Осгуда-Шлаттера, юношеский апифизеолиз головки бедренной кости); • посттравматические аваскулярные процессы и заболевания; • переломы длинных трубчатых костей с осложненным течением (замедленная консолидация, ложные суставы); • повреждения костей в зонах с дефицитным кровоснабжением для профилактики аваскулярных осложнений. Методика исследований включала оперативное хирургическое вмешательство с использованием соединительных токопроводящих травматологических электродов-спиц, к которым подключался стабилизированный источник тока с регулируемыми частотой и амплитудой воздействия в диапазоне 1 Гц +/- 30% при скважности 2+/-30%. Амплитуда воздействия - от 5 мкА до 20 мкА при изменении нагрузки от 0,1 до 300 (кОм). Проведенные предварительные исследования показали возможность ускорения регенерации костной ткани и необходимость выделения зон электростимуляции, требовавшее усовершенствование конструкции электродов, что на том этапе исследований оказалось сложной техно-логической задачей. По мнению авторов целесообразно так же уточнение параметров воздействия. Вышеприведенные результаты исследований, выявившие частичное противоречие между теоретическими положениями физики и биофизики, экспериментальными результатами и результатами клинического применения методик физиотерапии (на примере маг-нитотерапии и электростимуляции костных тканей при нарушении двигательной активности) в травматологии, показали необходимость повышения организационноэкономической составляющей исследований. В работе [10] показано, что наиболее эффективно будет проведение таких исследований в интегрированных структурах в сфере медицины и медицинской техники. Авторы полагают, что такая организация позволит повысить эффективность исследований за счет синергии взаимодействия предприятий медицинской промышленности и медицинских лечебно-профилактических учреждений. Анализ показал целесообразность кооперации предприятий в форме кластерных структур. Вместе с тем, необходимо более четкое определение кластеров, функционирующих в сфере медицинской промышленности и здравоохранения основной миссией которых является разработка, производство и внедрение в клиническую практику наукоемких, инновационных, высокотехнологичных медицинских изделий, которые в большинстве своем требуют биотехнического подхода (Анохин П.К., Ахутин В.М., Попечителев Е.П., Лощилов В.И., Щукин С.И.). Наиболее полно будут представлены цели и задачи формирования такого кластера определением «Био-Медико-Технический-Кластер» (БМТ - К), Обзоры, лекции, доклады, исторические очерки 59 Вестник восстановительной медицины № 3^2016 отражающим целесообразность и необходимость проведения в структуре кластера исследований биофизической и биологической и составляющих, обеспечивающих эффективность разрабатываемой биотехнической системы в клинике, включающей взаимосвязи предприятия медицинской промышленности с лечебно-профилактическими учреждениями системы здравоохранения (рис. 1). В сфере медицины и медицинской промышленности, целесообразно создание кластеров, основанных на конкурентно-партнерских отношениях, непосредственных взаимосвязях с потребителями, юридической, производственной и финансовой самостоятельности участников, возможности участия государства в формировании и функционировании кластера (М. Портер, Л.И. Абалкин, В.С. Осипов, Е.М. Рогова, А.И. Балашов и др.), единства регионов функционирования кластеров, что, в условиях существующего информационного пространства не является определяющим и существенным. Анализ предложенной модели показывает целесообразность ее применения и для повышения эффективности исследований и разработок в области разработки и внедрения реабилитационных и физиотерапевтических методик в травматологии с учетом имеющего опыта сотрудничества МВТУ им. Н.Э. Баумана и ЦИТО им. Н.Н. Приорова, обеспечившего внедрение клиническую практику методов и аппаратов ультразвуковой хирур гии, проведение комплексных исследований биомеханики костных тканей (Волков М.В., Николаев Г.А., Лощи-лов В.И., Шепелева И.С., Веденков В.Г., Топоров Ю.А. и др.), изучение возможности применения в практике травматологии и ортопедии методов физиотерапии с целью повышения эффективности реабилитации больных с патологией или повреждениями костных тканей, обуславливающие нарушение двигательной активности человека, требующее применения реабилитационных мероприятий в травматологии. Выводы: • применение методов физиотерапевтического воздействия при реабилитации в травматологии на примере магнитотерапии и электростимуляции в соответствии с основными физическими положениями о биоэлектрических явлениях в костных тканях возможно и целесообразно; • процессы, характеризующие физиотерапевтическое воздействие магнитными и электрическими полями, могут быть использованы при выборе параметров механотерапии и определении эффективности реабилитации с использованием методик электростимуляции; • при проведении исследований целесообразна их организация с использованием кластерной теории взаимодействия участников исследований. Рис. 1. Функциональная модель «Био-Медико-Технического Кластера» - БМТ-К. 60 Обзоры, лекции, доклады, исторические очерки

About the authors

Yu. G Gertsik

Moscow State Technical University n.a. N.E. Bauman

Email: ygerzik@bmstu.ru

G. Ya Gertsik

Moscow State Technical University n.a. N.E. Bauman

References

Supplementary files