ON ASSESSMENT OF STATUS AND PROSPECTS OF MOVEMENTS BIOMECHANICS PRINCIPLES APPLICATION IN DEVELOPMENT OF IMPORT-SUBSTITUTING PRODUCTS AND TECHNOLOGIES FOR MEDICAL REHABILITATION

Full Text

Введение. Основные понятия биомеханики: биомеханика (от греч. bios - жизнь и mechane - машина, орудие; син.: животная механика, биотехника, физиологическая механика), отдел общей физиологии, изучающий развитие, строение и деятельность двигательного аппарата животных и человека (Большая медицинская энциклопедия, 1970). Из этого определения следует, что задачей биомеханики является исследование механического движения биологических объектов и сред. Биологический объект или, в широком смысле, живая система включает в себя целостные организмы, обитающие в земных условиях в воде, в воздухе, на земле. Биологическая среда - это жидкости, газы, двигающиеся в сосудах (кровь, лимфа, воздух в легких, пища в желудке, кишечнике и т.д.). Движения человека - одно из сложнейших явлений в мире. Они сложны не только потому, что в его двигательной деятельности очень непросты функции органов движения, но и потому, что в ней отражается его сознание как функция наиболее высокоорганизованной материи - мозга. Объект исследования биомеханики - действия человека как системы взаимно связанных движений и положений его тела. В принципе же к биомеханике следует относить все проявления механического движения в живых организмах. В норме человек производит не просто движения, а всегда действия (Н. А. Бернштейн); они ведут к известной цели, имеют определенный смысл. Поэтому человек выпол няет их активно, целенаправленно,управляя ими, причем все движения тесно взаимосвязаны - объединены в системы. В активном сохранении положения, как и в активных движениях, участвуют мышцы. Следовательно, человек совершает двигательные действия посредством активных движений и сохраняя при необходимости взаимное расположение тех или иных звеньев тела [1, 2]. Область изучения биомеханики - механические и биологические причины возникновения движений и особенности их выполнения. Учитывая сложность движений человека, в биомеханике исследуют и механическую и биологическую их стороны, причем обязательно в тесной взаимосвязи. Поскольку человек выполняет всегда осмысленные действия, его интересует, как можно достичь цели, насколько хорошо и легко это получается в данных условиях. Таким образом, биомеханика человека изучает также, какой способ и какие условия выполнения действий лучше и как овладеть ими. Биомеханика разделяется на: 1) механику развития, 2) механическую анатомию и 3) физиологию движений. Общая задача биомеханики состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели. Любое изучение движений направлено на то, чтобы помочь лучше выполнять их. Таким образом, общая задача биомеханики сводится к оценке эффективности способов выполнения изучаемого движения. При таком подходе сопоставляют то, что есть в движе- 36 Технологии восстановительной медицины и медицинской реабилитации ниях, с тем, что требуется. Биомеханика исследует, «каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести рабочее применение»,- писал акад. А.А. Ухтомский. Рабочий эффект измеряется тем, как используется затраченная энергия. Для этого определяют, какие силы совершают полезную работу, каковы они по происхождению, когда и где приложены. Частные задачи биомеханики состоят в изучении движений человека в двигательной деятельности и изучении приводимых им в движение физических объектов, а также в изучении результатов решения двигательной задачи и условий, в которых оно осуществляется. Без понимания истории возникновения и развития биомеханики, невозможно изучать современное состояние этой науки о движении и ее практические аспекты. Рассмотрим основные этапы развития биомеханики. Начало биомеханики, как науки, следует отнести к XVI в. (Leonardo da Vinci); первый трактат по биомеханике (Borelli, De motu animalium) вышел в Лейдене в 1679 г. Ранний период биомеханики, длившийся, приблизительно до середины Х!Хв., характеризуется, с одной стороны, механистическим априоризмом, с другой - собиранием весьма грубых и часто ошибочных наблюдений. В этом периоде устанавливаются элементарные механические положения, относящиеся к общей физиологии: применение закона рычага к элементарной костно-мышечной системе, понятие о центре тяжести тела и первые попытки его локализации, учение о сердце, как нагнетательной машине и т.п. Этот период завершается работами братьев Вебер (W. и Е. Weber), работавших над распределением центров тяжести частей тела и выпустивших большую монографию о механике ходьбы (1836 г.), ныне уже совершенно устаревшую. Отсутствие аппаратуры и методов исследования задержало развитие биомеханики до второй половины Х!Хв., когда вопросы изучения движений явились одним из самых энергичных побудителей к развитию моментальной фотографии, позднее - кинематографии, с одной стороны (Anschtitz, Магеу), пневматической передачи к записывающим приборам - с другой. Возникновение новых методов объективной регистрации движений с точностью, далеко превосходящей точность непосредственного аблюдения, обеспечило возможность дальнейшего развития биомеханики. К этому времени относятся работы Ма-рея и, особенно, важные исследования лейпцигской школы биомеханики - Брауне и Фишера (Braune, О. Fischer), положившие начало циклограмметрии, с применением ее к изучению ходьбы. К этому же периоду следует отнести получившую свое завершение в руках А. и Р. Фик и Штрассера (А. и R. Fick и Н. Strasser) и др. теорию сочленений животного организма и учение о строении и механике костных звеньев (Kuhlmann, Лесгафт, Варавин и др.). Кино- и циклографическая регистрация движений в начале ХХв. приобрела почти исключительно научно-прикладной характер и почти исчезла из обихода лабораторий общей физиологии, заняв видное место в изучении физического труда, спорта, быстрейших видов профессиональных движений (стенотипия, пианизм), а в военное время-в протезной технике. Лишь в последнее время снова возобновляется чисто исследовательский интерес к биомеханике и к Вестник восстановительной медицины № 2^2017 Э О О О О О О О О О О О О О О О с о о о о о о с о о ^ о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о с с о Jwww. n eü rö Cör. Г U - с • 5 0 0 0 0 0 0 0 0 О О О О О О О О У о о о о о с 30ÇO00O00000O0O00O0 0O00C '*•. ГЧ Ґ1- -. «-Ч Г*' Ґ~, Ґ\ Ґ-. Ґ-. Ґ\ Ґ\ Ґ-: Г'к ' \ Ґ--. Ґ' Технологии восстановительной медицины и медицинской реабилитации 37 Вестник восстановительной медицины №2 ^2017 объективному изучению физиологии движений. Третий период развития биомеханики, находящийся и сейчас еще в начальной стадии, может быть начат с упомянутых выше методологических работ О. Фишера и продолжается исследованиями Е. Фишера, В. Штейнгаузена, Р. Дюбуа-Реймон, Р. Граммеля, (W. Steinhausen, R. Du Bois-Reymond, R. Grammel), H. Бернштейна и др. Этот период характеризуется стремлением максимально уточнить измерения движения изучаемых объектов. В частности, значительные исследования в области биомеханики были проведены в МВТУ им. Н.Э. Баумана - Лазарев Петр Петрович [1878 - 1942]. Лазарев П.П. - один из пионеров современной биофизики. Он создал стройную физико-химическую теорию возбуждения (ионная теория возбуждения), вывел единый закон раздражения и разработал теорию адаптации применительно ко всем органам и к центральной нервной системе. Материалы и методы. Использовались материалы, полученные в результате клинических исследований применения методов реабилитации больных с различными нарушениями опорно-двигательного аппарата при его патологиях или при нарушениях деятельности ЦНС, применяемые методики и медицинские изделия, описанные в работах Скворцова Д.В, Ивановой Г.Е., Скворцовой В.И., других авторов, сети Интернет [3-16]. Результаты и обсуждение. Биомеханика, как раздел биофизики, зародилась в связи с развитием физических и биологических наук. В настоящее время успехи этих наук сказываются и на развитии биомеханики. В свою очередь, физические и биологические науки могут обогащаться данными биомеханики о физике живого. Изучение биомеханических систем открывает новые пути для понимания анатомического строения и физиологических функций двигательного аппарата. В биомеханических исследованиях могут применяться методы смежных наук, определяющие области ее применения: 1) медицинская биомеханика: протезирование и про-тезостроение, травматология и ортопедия, лечебная физическая культура и кинезиотерапия, авиационная, космическая и морская медицина, криминалистика, 2) инженерная биомеханика: роботостроение и манипуляторы, механотерапия и экзоскелетоны, инженерная психология, эргономика, 3) биомеханика спорта: теория и методология физической культуры, психология спорта, физиологиия спорта, врачебный контроль, биомеханика видов спорта (рациональность и эффективность спортивной техники, развитие и совершенствование двигательных качеств, возрастные и квалификационные стандарты спортивной техники, особенности строения и функции тела спортсмена и т.д.) [17-23]. Биомеханическая система характеризуется: 1. двигательной деятельностью, 2. энергообеспечением двигательной деятельности, 3. управлением двигательными действиями. При движениях в биомеханической системе происходят деформации: позная - перемена позы как взаимного расположения звеньев под действием внутренних и внешних сил; Позная деформация и есть, собственно говоря, те движения, которые необходимы для решения двигательной задачи. На работу по перемещению звеньев тела энергия затрачивается эффективно. мышечная - изменения длины и поперечника мышц при их сокращении и растягивании, напряжении и расслаблении (изменения сократительных и упругих элементов при возбуждении и нагрузках); внутренняя - смещение мягких и жидких тканей при ускорениях, что вызывает появление внутренних сил инерции и трения. Биомеханические системы получают механическую энергию благодаря приложению внешних сил, а также в результате превращения в мышцах внутренней химической энергии в механическую. Переменные мышечные силы действуют в переменных условиях внешнего воздействия и внутренних сопротивлений, возникающих в самой биомеханической системе [1-3]. Существенной проблемой является диагностика нарушений двигательной функции и определение динамики её развития. Для исследования функции движения и опоры применяются инструментальные двигательные тесты: ходьба и исследование баланса в вертикальной стойке. С середины 70-х годов ХХ века в области исследования походки формируется набор необходимых первичных параметров и соответствующих им методов исследования (Витензон А.С., 1983; Клиническая биомеханика, 1980; Янсон Х.А., 1975; Inman V.T., Ralston H.J., Told F., 1981; Murray M.P, 1967; Whittle M.W., 1991; Winter D.A., 1991) - это: регистрация временных, кинематических характеристик и реакций опоры. Для исследования баланса в вертикальной стойке применяется метод стабиломе-трии - метод регистрации положения и колебаний проекции общего центра масс на плоскость опоры с помощью стабилометрической платформы. Для метода ста-билометрии определены технический и методический стандарты (Bizzo G. et al., 1985; Kapteyn T.S. et al., 1983). В последние годы значительное внимание уделяется анализу проведения реабилитационного процесса посредством диагностики состояния функциональных систем человека с помощью технических средств реализации биологической обратной связи (БОС). Изучение изменения биоэлектрической активности мышц при выполнении пассивного, активно-пассивного и активного движения позволит определить проблемы в организации двигательной активности и определить первоочередные задачи для терапевтического воздействия, выбрать более эффективный режим тренировки [3-6]. Биомеханические методы используются непосредственно в процессе лечения. Имеются два основных направления. Метод искусственной коррекции движений (Витензон А.С. с соавт., 1999), где биомеханические параметры походки применяются для проведения электрической стимуляции мышц синхронно с максимумом их естественной активности. И метод тренировки функции равновесия с БОС от стабилометрических параметров (Афанасьева Е.В., 2004; Жаворонкова Л.А. с соавт., 2003; Gagey P.M., Weber B., 1995). Использование данных методов ограничивалось аппаратными и методическими возможностями (Скворцов Д.В., 2008). На современном этапе развития биомеханики применяются лаборатории анализа движений, которые представляют собой единый комплекс различных устройств для биомеханического анализа, что позволяет количественно описать любое движение, благодаря анализу кинематических, кинетических, видео и электромиографических данных, поступающих от различных устройств [3-8, 11-15]. Механотерапия достаточно часто включает комплексные индивидуальные занятия пациента с применением методик кинезотерапии и лечебной физкультуры. Современные технологии медицины (эндопротезирование суставов, артроскопия) и разработанные инновационные высокотехнологичные медицинские изделия для механотерапии позволяют начинать реа 38 Технологии восстановительной медицины и медицинской реабилитации Вестник восстановительной медицины № 2^2017 билитационные мероприятия практически в начале послеоперационного периода. Во время курса пассивной механотерапии при реализации двигательной активности за счет энергии аппарата суставы пациента как бы «привыкают» к движениям и, когда пациент уже делает движения сам, то они уже не так затруднительны для него [17-19]. В реабилитационной и восстановительной медицине находят применение роботизированные комплексы механотерапии. Среди множества известных видов механотерапевтических аппаратов наибольшими возможностями и значительным преимуществом по сравнению с «обычной, неаппаратной» практикой восстановления обладают роботизированные устройства. Регламентированные по времени, дозировке, биомеханике движения занятия с роботом позволяют строго контролировать нагрузки и добиться клинико-функциональной эффективности с минимальным риском микроповреждений. Современные роботизированные устройства с инсталлированным диагностическим блоком обеспечивают объективную оценку кинематических и динамических характеристик движения, что в сочетании с измерением объема выполненной работы создают условия для осуществления контролируемого процесса реабилитации. К настоящему времени в реабилитации получили широкое распространение робототехнические средства, обеспечивающие тренировку или замещение локомоторных и манипуляционных функций [9, 10, 20]. В РФ на рынке высокотехнологичного оборудования для реабилитации в основном лидируют зарубежные фирмы. Роботизированные системы: 1. восстановления функции ходьбы (Lokomat, RT600), 2. активно-пассивные тренажеры восстановления движений нижних и верхних конечностей (THERA-Vital, MOTOmed), 3. тренажеры для восстановления подвижности суставов (Kinetec, Artromot), 4. комплексы для восстановления равновесия и баланса - стабило и баланс платформы (Balance-Trainer, Biodex), 5. мультисуставные тренажерные истемы (Con-Trex, Primus). В ряде случаев такие системы являются дорогостоящими и требующими сложного технического обслуживания. С учетом санкций остро стоят вопросы разработки, производства и внедрения в клиническую практику отечественных изделий. Частично проблемы импортозамещения отражены в [24]. Затрудняет производство и внедрение в практику также высокий уровень риска инвестиций в инновационные высокотехнологичные медицинские изделия, нестабильность российского рынка высокотехнологичных медицинских изделий, в основном определяемая нестабильностью финансирования здравоохранения для их закупки, длительность сроков включения инновационных технологий, соответственно и медицинских изделий, в стандарты оснащения лечебно-профилактических учреждений, малые объемы потребления, что, соответственно, увеличивает сроки окупаемости (более 5 лет) высокотехнологичных изделий. Практика показала, что разработка изделия длится не менее 1-2 лет (без учета клинических испытаний), регистрация медицинского изделия 1 год, выход на запланированные объемы производства и продажи не менее 2 лет. Чрезмерно высока ставка кредитов на развитие бизнеса - около 20% и сложности с его оформлением. Существенной проблемой является и длительный, и затратный процесс регистрации новых изделий, внесение изменений в технические условия при необходимости модернизации уже существующих систем. Недостаточное развитие в России производства элементной базы, контрактного мелкосерийного производства заставляет производителя заказывать комплектующие и изготовление некоторых узлов за границей, что ведет к увеличению расходов предприятия медицинской промышленности и себестоимости его продукции. Большую помощь в создании новых приборов оказывает система софинан-сирования ниокр Минпромторга РФ и Фонд содействия развитию малых форм предприятий и др., но затруднительно прогнозирование объемов реализации разработанной продукции ввиду отсутствия в открытом доступе согласованных программ государственных закупок. Несмотря на изложенные проблемы, в России производятся высокотехнологичные медицинские изделия такими компаниями, как «Неврокор», НПФ «СТМ», ОЛМЕ и др. [14-18], в том числе для целей реабилитации и восстановительной медицины, позволяющие замещать или дополнять зарубежные изделия отечественными, увеличивая в целом эффективность реабилитационных программ. Важными и актуальными являются также вопросы формирования и развития кластерных структур [25]. В частности, на современных реабилитационных комплексах возможно проводить инструментальную оценку биомеханической составляющей двигательной патологии для объективизации эффективности проводимого лечения [3-6]. При проведении клинических исследований и разработке реабилитационных комплексов необходимо учитывать взаимосвязь статического и двигательного стереотипов [1, 2]. Клинические исследования [3-8] показали, что любой двигательный акт имеет одновременно два составляющих процесса: условно статический (постуральный) и кинематический. Нарушения в опорно-двигательной системе приводят к изменению как статического так и двигательного стереотипа (нарушению оптимальности контроля вертикальной позы, нарушению походки). Комплексный подход к регистрации и анализу этих данных, позволяет индивидуализировать и объективизировать диагностику и лечение пациентов. При этом важно ответить на вопросы о механизмах ЦНС пациента организации множество отдельных мышц и суставов в координированные функциональные движения, о механизмах выбора из внешней среды вида информации. Инструментальные методы исследований должны помочь врачу исследовать вопрос о том, как информация из окружающей среды и организма пациента используется для выбора тактики и вида движения, качественно и количественно оценить патологию опорно-двигательного аппарата. Значимость в регуляции движений ЦНС подтверждается объективными клиническими исследованиями [3, 4, 14]. Важнейшим механизмом исследования являются методы с введением обратной биологической связи (БОС) двигательной активности и биоэлектрической деятельности мозга, что особенно существенно для использования таких медицинских изделий в образовательной среде при проведении занятий по адаптивной физической культуре со студентами, освобожденными от тяжелых физических нагрузок в связи с нарушениями двигательной активности, которые могут обеспечивать более высокие результаты реабилитации при применении психофизиологических, реабилитационных и физиотерапевтических технологий и адекватных медицинских изделий [6, 10, 13, 15, 19, 26-28]. Значимость исследований и реализации принципов биомеханики движений подчеркивается и развиваемой в настоящее время программе Нейронет [29], основан Технологии восстановительной медицины и медицинской реабилитации 39 Вестник восстановительной медицины №2 ^2017 ной решениях Президента и Правительства РФ [30-35]. Программа включает направление НейроМедтехника. В котором авторы видят перспективным проведение работ по разработке биомеханических технологий и комплексов нейрореабилитации для восстановления после инсульта и травм мозга, которые должны удовлетворять следующим медико-техническим требованиям: обеспечивать эффективность клинического применения, безопасность применения при эксплуатации и техническом обслуживании, в том числе: восстановление локомоторных функций после инсульта, травм мозга или дегенеративных процессах в ЦНС, и тренировку двигательных функций и стереотипов с ипользованием БОС с нейроинтерфейсом в среде виртуальной реальности с локомоторными механотренажерами. Технологии и комплексы могут использовать нейромодуляцию на основе программируемых нейроэлектростимулов для восстановления двигательных функций и стереотипов, обеспечивать применение методик пассивной и активной механотерапии верхних и нижних конечностей, обладать возможностью подключения к линейке модернизированных механотерапевтических нагрузочных модулей, в том числе - тредмилов с регулируемыми нагрузочными параметрами. Исходя из задач, сформулированных в Программе, в процессе клинических исследований це-лесообразно реализовать сценарии БОС в среде виртуальной реальности с игровым компо-нентом при синхронизация игровых сценариев БОС с функциями локомоторных тренажеров, использовать для визуализации БОС как монитора 2Д, так и шлем виртуальной реальности совмещаемый с треккером движений, управлять игровым персонажем виртуальной реальности посредством биоуправления с нейроинтерфесом, обеспечивать дистанционное включение и регулировку исполнительных механизмов тренажерных модулей путем биоуправления через нейроинтерфейс, включать неинвазивный нейроинтерфейс нового поколения по активности когерентных связей, ритмов, амплитуд ЭЭГ с возможностью подключения сторонних библиотек с математическими алгоритмами обработки нативной ЭЭГ, возможностью использования в нейроинтерфейсе как «сухих» электродов регистрации электрической активности мозга так и стандартной системы ЭЭГ «10-20» с гелевым токопроводящим слоем. Технология и комплекс должны обеспечивать возможность мониторинга состояния пациента по параметрам ЭЭГ и двигательной активности (объему движений) пациента в течение всего времени проведения процедуры, активности мышц и треморов в течении всего времени прове-дения процедур, создание банка данных для хранения и анализа результатов лечебных процедур, персонализацию пациентов и выполняемых ими процедур, включать систему для дистанционного мониторинга пациентов через локальную сеть или через глобальную сеть Интернет. В программе [29] подчеркивается возможность стимулирования роста внутреннего спроса на продукцию Нейронет до 50 млрд. рублей к 2020 году и доли отечественных продукции не менее 75%. Формируется спрос со стороны государства и компаний с государственным участием, который является катализатором развития смежных с Нейронет сегментов рынка, в частности разрабатывается и запускается государственная программа диагностики, профилактики лечения и реабилитации людей с заболеваниями нервной системы. В [29] отмечается, что спрос на продукцию сегмента «НейроМедтехника» будет формироваться как в государственных, так и в частных медицинских учреждения, при реализации мер по оснащению учреждений новейшим эффективным оборудованием. Наибольший объем поддержки предоставлен в рамках ФЦП "Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу" (1,2 млрд. руб.), Российским научным фондом (1 млрд. руб.) и в рамках "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы" (0,9 млрд. руб. в рамках текущей и предшествующей программ) с приоритетным развитием работ, содержащих инновационные патентоспособные решения [35]. Выводы: 1. Уровень современного здравоохранения в настоящее время позволяет решать многие вопросы реабилитации пациентов с ограниченной двигательной активностью при применении принципов биомеханики движений. 2. Особенно актуальным является применение инстру ментальных методов биомеханики движений в лечебно-диагностическом процессе реабилитации больных с патологией опорно-двигательного аппарата и нарушениями деятельности ЦНС. 3. Наряду с внедрением в практику здравоохранения высокотехнологичных импортных медицинских изделий для реабилитации, производство которых в настоящее время в России отсутствует, необходимо оказывать содействие отечественным структурам, в том числе, кластерным, в продвижении на рынок российских высокотехнологичных импортозамещающих медицинских изделий. 4. Необходимо используя положения о синергии кластерных структур шире использовать их возможности для участия в конкурсах Минпромторга, Фонда развития малых предприятий и программы Нейронет. 5. Интеллектуальная собственность, содержащаяся в реализ

About the authors

G. E Ivanova

RNIMU n.a. N.I. Pirogov

Moscow, Russia

D. V Ishutin

LLC "Neurocor"

Email: dility@yandex.ru
Moscow, Russia

Y. G Gertsik

MSTU n.a. N.E. Bauman

Moscow, Russia

R. Sh Ishutina

LLC "Neurocor"

Moscow, Russia

G. Y Gertsik

LLC "Cybernetic World"

Moscow, Russia

References

Supplementary files