Исследование показателей баллистограммы вертикальной стойки методом компьютерной стабилометрии у детей с ортопедической патологией

Полный текст

Введение Вертикальное положение тела является итогом эволюции человека в филогенезе, оно предполагает преодоление силы земного притяжения и сопровождается колебаниями тела в трех плоскостях - фронтальной (ось X), сагиттальной (ось Y), и вертикальной (ось Z) [1-3]. Многие отечественные и зарубежные исследования посвящены изучению баланса вертикальной стойки методом стабилометрии в норме и при различной патологии по известным методикам и алгоритмам во фронтальной и сагиттальной плоскостях, например, средние значения координат проекции центра тяжести тела человека, площадь статокинезиграммы и некоторые другие [4-18]. Однако, к настоящему времени не полностью раскрыты вопросы в изучении показателей баланса в вертикальной плоскости - баллистограммы, в литературе есть лишь отдельные публикации [19, 20]. При этом некоторые авторы указывают на необходимость дальнейшего изучения этого параметра [21, 22]. Таким образом, выявление особенностей баллистограмм с применением математического анализа и разработка алгоритмов количественной оцен ки параметров, у детей с ортопедической патологией, в настоящее время являются весьма актуальными. Цель Провести исследование показателей баллистограммы вертикальной стойки методом компьютерной стаби-лометрии у детей с ортопедической патологией с целью повышения эффективности диагностики. Материал и методы исследования Проведено обследование 118 детей в возрасте от 14 до 18 лет (средний возраст 15,6±1,9 лет), наблюдающихся по поводу различных ортопедических заболеваний. В зависимости от класса заболеваний по Международной классификации болезней 10 пересмотра, пациенты разделены по группам: 1-я группа (n=16): лордоз (М 40.3, M 40.4, M 40.5); 2-я группа (n=20): кифоз 1-2 степени (М 40.0, M40.1, M 40.2); 3-я группа (n=20): сколиоз 1 степени (М 41.1, M 41.2); 4-я группа (n=14): плоскостопие 1 степени (М 21.4); 5-я группа (n=24): неосложненные стабильные компрессионные переломы грудного отдела позвоночника 14 Организационно-методические основы восстановительной медицины и медицинской реабилитации Вестник восстановительной медицины № 4^2018 Тип А1 (S 22.0, S 22.1). Наличие сопутствующей патологии сердце, легких, неврологических, психических заболеваний являлись критериями исключения. Классификацию патологии осанки проводили по Staffel (1889), определением степени сколиоза и кифоза по способу J. Cobb, степень сколиоза определяли по Д.В. Чаклину, определение степени компрессионных переломов по Magerl с соавт. (1994). Диагностику степени плоскостопия проводили по рентгенограмме с определением угла и высоты продольного свода. Контрольную группу составили здоровые дети (n=24) - 6 группа. Всем пациентам проводилось полное клиническое обследование с обязательным проведением стаби-лометрического исследования на аппарате «Стаби-лан-01» (производство ЗАО ОКБ «Ритм» г. Таганрог, регистрационное удостоверение от 07 октября 2010 № ФСР 2010/08958). Данный аппарат позволяет исследовать колебания вертикальной стойки посредством регистрации положения, отклонений и других характеристик проекции общего центра тяжести на плоскость опоры. Стабилометрическое исследование проводили в специальном помещении достаточной площади и соответствующим освещением. Обследуемых детей помещали на платформу босиком в «Европейской позиции» - пятки вместе, носки разведены под углом в 30 градусов. Время регистрации стабилографиче-ского сигнала не менее 20 секунд. Регистрировались показатели, полученные в двух тестах: стабилографи-ческая проба, при которой исследуемый находится в вертикальной стойке и смотрит прямо с фиксированным взором; тест «Минешь», при котором необходимо отклонением своего тела сохранять равновесие таким образом, чтобы, удерживать маркер в центре мишени на мониторе. Математическому анализу и дальнейшей интерпретации подвергались данные баллистограммы, характеризующие модуляцию сил давления общего центра тяжести тела в вертикальной стойке на стабилографи-ческую платформу по Z оси. Следует подчеркнуть, что в данном случае исследовались не физические перемещения общего центра тяжести тела в вертикальной плоскости, а модуляция веса тела, т. е. произведение его массы на ускорение свободного падения, собственными ускорениями групп мышц, которые увеличивают или уменьшают общую результирующую [3]. С точки зрения математической модели баллистограмма, является одним из видов колебаний - динамический хаос и отличается нерегулярными, похожими на случайные процессы изменения динамических переменных во времени, нами проведен математический анализ данных с вычислением следующих показателей [23, 24]: 1. Стандартное отклонение сигнала (кг) - показатель рассеивания значений случайной величины относительно её математического ожидания. 2. Коэффициент вариации (%) - показатель, отражающий различие значений какого-либо признака у разных единиц совокупности за один и тот же промежуток времени. 3. Ранг (кг) - разница между минимальным и максимальным величинами признака. 4. Показатель Хёрста - мера, используемая в анализе временных рядов. Эта величина уменьшается, когда задержка между двумя одинаковыми парами значений во временном ряду увеличивается. 5. Энтропия (биты) - интегративная мера изменчивости в поведении траекторий системы. 6. Средняя частота (Гц) - среднее число колебаний, совершаемых за единицу времени. 7. Средняя амплитуда (кг2) - среднее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия. 8. По результатам, полученных в двух пробах определяли: 9. Отношение стандартных отклонений. 10. Разница энтропий (биты). 11. Разница средних частот (Гц) 12. Отношение средних амплитуд. Статистическую обработку данных проводили с помощью программы «Stat. Soft. Inc.»: дисперсионный анализ с LSD-тестом, кластерный анализ методом Варда по коэффициентам корреляции Пирсона, дискриминантный анализ. Использовали вычислительные и графические возможности редактора электронных таблиц Excel. Статистически значимое различие величин считали при р<0.05. Результаты исследования и их обсуждение. Баллистограмма дает интегральную оценку баланса тела и представляет собой более сложное образование, чем для колебаний во фронтальной или сагиттальной плоскости, и включает в том числе информацию о дыхательном акте, состоянии сократительной функции миокарда (частота колебаний от 1 до 1,5 Гц). Колебания в вертикальной плоскости частотой в 5 Гц связанны с постоянным перемещением массы до 0,3 кг и обусловлены деятельностью крупных мышечных массивов, активных в вертикальной стойке, каковыми являются мышцы-разгибатели нижних конечностей и туловища, т. е. антигравитационные группы мышц [22]. Нами проанализирован весь спектр колебаний на частотах до 10 Гц и выше. В таблице 1 представлены средние значения показателей баллистограммы по группам по результатам стабилогра-фический пробы. Как видно из таблицы, показатели баллистограммы (стабилографический тест) при сравнении с группой здоровых детей стандартное отклонение и ранг больше у детей с кифозом на 55,3% и 35,7% соответственно, у детей со сколиозом 1 степени ранг больше на 113%, показатель Хёрста меньше у детей с кифозом на 17% и детей со сколиозом на 0,09%, энтропия больше у детей с кифозом на 4,5%, меньше на 7,8% у детей с лордозом и на 10,3% у детей с компрессионными переломами грудного отдела позвоночника, средняя частота меньше на 9,9% у детей с кифозом, средняя амплитуда в группе детей с кифозом больше на 125%, коэффициент вариации ни в одной группе не имел статистически значимых различий по сравнению с группой здоровых детей. Средние значения показателей баллистограммы в исследуемых группах при проведении теста «Мишень», представлены в табл. 2. В таблице продемонстрированы различия показателей в сравнении с группой здоровых детей, так стандартное отклонение больше на 70% у детей с лордозом, на 35,2% у детей с кифозом, на 188% у детей с плоскостопием, коэффициент вариации больше у детей с лордозом на 92,7% и плоскостопием на 341%, ранг меньше на 85,4% у детей с кифозом, на 187% в группе с лордозом, показатель Хёрста больше на 41,3% в группе детей с лордозом, на 9,7% с плоскостопием и на 14% с компрессионными переломами позвоночника, энтропия меньше на 22,8% в группе детей с лордозом, на 9,7% с плоскостопием и на 14% с компрессионными переломами грудного отдела позвоночника, средняя частота меньше на 19,3% у детей с лордозом, на 14,6% у детей с кифозом, на 2% со Организационно-методические основы восстановительной медицины и медицинской реабилитации 15 Вестник восстановительной медицины № 4^2018 Таблица 1. Показатели баллистографии, стабилографическая проба. № Параметры 1 группа Лордоз (n=16) 2 группа Кифоз (n=20) 3 группа Сколиоз (n=20) 4группа Плоскостопие (n=14) 5 группа Компрессионные переломы позвоночника (n=24) 6 группа Здоровые дети (n=24) 1 Стандартное отклонение 0,044±0,017 0,073±0,016* 0,047±0,014 0,040±0,014 0,049±0,028 0,047±0,01 2 Коэффициент вариации 0,136±0,053 0,122±0,025 0,118±0,025 0,117±0,047 0,114±0,027 0,122±0,037 3 Ранг (макс-мин) 0,443±0,208 0,562±0,123* 0,884±0,205* 0,378±0,157 0,555±0,505 0,414±0,086 4 Показатель Хёрста 0,361±0,071 0,296±0,064* 0,304±0,085* 0,324±0,084 0,382±0,105 0,360±0,080 5 Энтропия 2,704±0,204* 3,068±0,156* 2,817±0,460 2,767±0,268 2,630±0,406* 2,935±0,251 6 Средняя частота 5,062±0,237 4,611±0,332* 5,049±0,312 4,982±0,461 5,039±0,530 5,122±0,318 7 Средняя амплитуда 0,011±0,007 0,027±0,012* 0,012±0,007 0,009±0,007 0,016±0,023 0,012±0,005 * - статистически значимые различия (p<0.05) по отношению к 6 группе (здоровые дети) Таблица 2. Показатели баллистограммы, тест «Мишень» 5 группа 1 группа 2 группа 3 группа 4 группа Компрессион- 6 группа № Параметры Лордоз Кифоз Сколиоз Плоскосто ные переломы Здоровые дети (n=16) (n=20) (n=20) пие (n=14) позвоночника (n=24) (n=24) 1 Стандартное отклонение 0,087±0,079* 0,069±0,019* 0,052±0,013 0,147±0,184* 0,103±0,167 0,051±0,016 2 Коэффициент вариации 0,264±0,191* 0,116±0,025 0,136±0,044 0,605±0,931* 0,244±0,376 0,137±0,078 3 Ранг (макс-мин) 1,160±0,892* 0,748±0,700* 0,460±0,243 0,496±0,253 0,544±0,344 0,404±157 4 Показатель Хёрста 0,376±0,093* 0,338±0,181 0,308±0,108 0,388±0,210* 0,335±0,078* 0,266±0,048 5 Энтропия 2,156±0,639* 2,788±0,496 2,564±0,572 2,522±0,403* 2,398±0,591* 2,796±0,146 6 Средняя частота 4,125±1,213* 4,363±0,784* 5,006±0,562 4,820±0,934 4,999±0,542 5,112±0,651 7 Средняя амплитуда 0,066±0,119* 0,048±0,055* 0,014±0,007 0,010±0,007 0,029±0,041 0,014±0,008 * - статистически значимые различия (p<0.05) по отношению к 6 группе (здоровые дети) сколиозом, на 5,7% у детей с плоскостопием, на 2,2% с компрессионными переломами позвоночника, средняя амплитуда больше на 371% у детей с лордозом и на 332% у детей с кифозом. Показатели баллистограммы, полученные по результатам проведения двух тестов представлены в таблице 3. Как видно из таблицы при сравнении показателей с группой здоровых детей, отношение стандартных отклонений больше на 8% в группе детей с кифозом, меньше на 28% у детей с плоскостопием, разница энтропий больше на 290% в группе с лордозом, разница средних частот больше на 8418% в группе детей с лордозом, отношение средних амплитуд ни в одной группе статистически значимо не отличалось. Интерпретируя полученные данные в шести группах детей с различной ортопедической патологией, выявлены следующие закономерности стабилометрической баллистограммы: в первом тесте, т.е. при отсутствии внешних возмущений в первой группе отмечались меньшие значения энтропии на 7,8% по сравнению со здоровыми детьми; во второй группе выявлены меньшие значения показателя Хёрста на 17%, средней частоты на 9,9% и большие значения стандартного отклонения на 55,3%, энтропии на 4,5%, средней амплитуды на 125%; в третьей группе отмечали меньшие значения показателя Хёрста на 0,09%, большие значения ранга на 113%; в четвертой группе различий не выявлено; в пятой группе выявлены меньшие значения энтропии на 10,3%. Таким образом, по данным баллистографии без возмущающего воздействия биологической обратной связи постуральный баланс у детей с сколиозом 1 степени сравним со здоровыми детьми, при этом дети с кифозом имели наибольшие отличия, заключающиеся в том, что колебания по вертикальной плоскости имели более «хаотичный» характер. 16 Организационно-методические основы восстановительной медицины и медицинской реабилитации Вестник восстановительной медицины № 4^2018 Таблица 3. Показатели баллистограммы, по результатам 2 тестов № Параметры 1 группа Лордоз (n=16) 2 группа Кифоз (n=20) 3 группа Сколиоз (n=20) 4 группа Плоскостопие (n=14) 5 группа Компрессионные переломы позвоночника (n=24) 6 группа Здоровые дети (n=24) 1 Отношение стандартных отклонений 0,727±0,418 * 1,073±0,179 0,985±0,185 0,707±0,491 * 0,952±0,478 0,993±0,272 2 Разница энтропий 0,547±0,583 * 0,281±0,559 0,219±0,571 0,245±0,347 0,248±0,509 0,140±0,193 3 Разница средних частот 0,937±1,148 * 0,248±0,739 0,029±0,512 0,162±0,650 0,043±0,413 0,011 ±0,562 4 Отношение средних амплитуд 0,669±0,693 1,085±0,529 1,045±0,393 1,015±0,615 1,192±1,014 1,047±0,517 *- статистически значимые различия (p<0.05) по отношению к 6 группе (здоровые дети) По результатам второго теста, который сопровождался возмущающим воздействие биологической обратной связи - удержание курсора в центре мишени, обеспечивающиеся работой антигравитационных мышц туловища и нижних конечностей, следующим образом повлияли на спектральные показатели баллистограммы: в первой группе отмечали меньшие значения ранга на 187%, энтропии на 22,8%, средней частоты на 19,3%, большие значения стандартного отклонения на 70%, коэффициента вариации на 92,7%, показателя Хёрста на 42,3%, средней амплитуды на 371%, таким образом по сравнению со здоровыми детьми отмечался лучший баланс; во второй группе выявлены меньшие значения средней частоты на 14,6% и большие значения стандартного отклонения на 55,3%, ранга на 85,4%, средней амплитуды на 332%, т.е. дети с кифозом при двигательной нагрузке демонстрировали больший «хаос» колебаний по вертикальной оси; в третьей группе различий не выявлено, таким образом плоскостопие не влияло на показатели колебаний по сравнению с группой здоровых детей; в четвертой группе отмечали меньшие значения энтропии на 9,7%, большие значения стандартного отклонения на 188%, коэффициента вариации на 341%, показателя Хёрста на 45,8%; в пятой группе выявлены меньшие значения энтропии на 14%, большие значения показателя Хёрста на 25,9%, таким образом дети с компрессионными переломами грудного отдела позвоночника были более устойчивыми по данным баллистографии, что возможно связано с ношением кор Tree Diagram for 11в Cases Ward's methüd Crtyûlock (Manhattan) distances Рис. 1. Кластерный анализ методом Варда по коэффициенту корреляции Пирсона, с целью обнаружения «схожести» показателей баллистограммы по исследуемым группам (диаграмма) Организационно-методические основы восстановительной медицины и медицинской реабилитации 17 Вестник восстановительной медицины № 4^2018 Таблица 4. Классификационная матрица по группам Лордоз (n= 16) Кифоз (n= 20) Сколиоз (n= 20) Плоскостопие (n= 14) Компрессионные переломы позвоночника (n= 24) Здоровые дети (n= 24) Процент корректной идентификации p*=0.1355 p=0.16949 p=0.16949 p=0.11864 p=0.20339 p=0.20339 Лордоз (n= 16) 10 0 0 0 4 2 62,5% Кифоз (n= 20) 0 18 0 0 2 0 90% Сколиоз (n= 20) 0 0 14 0 0 6 70% Плоскостопие (n= 14) 0 0 2 6 2 4 43% Компрессионные переломы позвоночника (n= 24) 0 0 4 0 16 4 67% Здоровые дети (n= 24) 0 0 0 0 0 24 100% Всего n= 118 10 18 20 6 24 40 74,5% Примечание. "р -вероятность идентификации ортопедической патологии по данным баллистографии. сетов. По результатам двух тестов выявлены отношения показателей без и с воздействием возмущающей силы, так в первой группе отмечали меньшие значения отношения стандартных отклонений на 72,6% по сравнению со здоровыми детьми, что вновь свидетельствовало об особенностях баланса у детей с лордозом, большие значения разницы энтропий на 290%, разницы средних частот на 8418%; в четвертой группе выявлены меньшие значения отношения стандартных отклонений на 28%. Таким образом, в ответ на возмущающее воздействие биологической обратной связи постуральный баланс по данным баллистографии у детей с ортопедической патологией имел большие отличия. При этом в группе детей со сколиозом колебания в вертикальной плоскости не отличались от здоровых детей. Возможно, полученные данные свидетельствуют о влиянии на показатели баллистограммы особенностей анатомии и функций отдельных звеньев локомоторной системы у детей с различной ортопедической патологии и требуют дальнейшего исследования. Нами проведен кластерный анализ методом Варда по коэффициенту корреляции Пирсона, с целью обнаружения «схожесть» показателей баллистограммы по исследуемым группам (рис. 1). Как видно из дендрограммы, пациенты группируются в достаточно плотные группы по показателям баллистограммы, что свидетельствует о возможной идентификации ортопедической патологии. Показатели баллисто-графии позволили сформировать классификационную матрицу идентификации ортопедической патологии у детей (табл. 4). Как видно, из представленной таблицы, идентификация ортопедической патологии у детей или ее отсутствие по данным баллистографии возможна в 90% при кифозе, в 70% при сколиозе 1 степени, в 100% у здоровых детей, в 66,6% при компрессионных переломах грудного отдела позвоночника, в 62,5% при лордозе и в 43% при плоскостопии. Таким образом, результаты проведенного исследования, показывают высокую вероятность идентификации ортопедической патологии у детей по данным баллисто-графии, что в свою очередь позволит повысить эффективность диагностики. Настоящая работа требует дальнейшего изучения влияния отдельных особенностей ортопедической патологии по показатели баллистографии. Выводы Результаты исследования свидетельствуют о том, что показатели баллистограммы вертикальной стойки методом компьютерной стабилометрии позволяют выявить особенности постурального баланса и мышечной активности у детей с ортопедической патологией. Применение результатов исследования в практической деятельности дает возможность повысить эффективность диагностики, а также могут быть использованы для оценки эффективности медицинской реабилитации при ортопедической патологии у детей сопровождающейся постуральными нарушениями. 18 Организационно-методические основы восстановительной медицины и медицинской реабилитации Вестник восстановительной медицины № 4^2018

Об авторах

Н. Р Нигамадьянов

Государственное бюджетное учреждение здравоохранения «Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии ДЗМ» Департамента здравоохранения г. Москвы

Email: motokniga@mail.ru
Москва, Россия

М. Б Цыкунов

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Москва, Россия

В. И Лукьянов

Государственное бюджетное учреждение здравоохранения «Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии ДЗМ» Департамента здравоохранения г. Москвы

Москва, Россия

Г. Е Иванова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова» Министерства здравоохранения РФ

Москва, Россия

Список литературы

Дополнительные файлы