Possibilities of using biomechanical human motion capture systems in medical rehabilitation (review)

Full Text

Список сокращений

БП ― болезнь Паркинсона

ДЦП ― детский церебральный паралич

ПСМТ ― позвоночно-спинномозговая травма

РС ― рассеянный склероз

СЗД ― система захвата движений

IMU (Inertial Measurement Unit) ― инерциальный измерительный модуль

ВВЕДЕНИЕ

За последние два века растущий спрос медицины на точные методы фиксации движений человека привёл к значительному прогрессу в сфере биомеханики [1]. Первые исследования по количественному изучению локомоций человека начались в первой половине XIX века [2–4]. Так, братья Вебер в 1837 году представили работу по оценке пространственных и временных параметров движений человека [2]. В конце 80-х годов XX века математик Отто Фишер и анатом Вильгельм Браун опубликовали результаты исследования, в котором были предложены способы определения момента силы и расхода энергии при движениях в суставах конечностей [5]. В целом методики исследования движений человека претерпели множество изменений по мере развития технологий [6]. Первые исследования в данной сфере включали применение фотоаппаратуры и силовых платформ для изучения кинетики ходьбы [3, 4]. Современные же методы видеоанализа основаны на использовании компьютерных систем со сложным программным обеспечением, способным детально и точно фиксировать различные локомоторные показатели [1].

Биомеханический анализ движений является наиболее точным бесконтактным инструментальным методом исследования локомоций человека и всё чаще находит своё применение в медицинской реабилитации пациентов с различными заболеваниями [1, 7]. Исследователи в области биомеханики стремятся стандартизировать параметры движений человека, которые могут быть в дальнейшем понятны, сопоставимы и доступны для всего научного сообщества [7]. Системы захвата движений (СЗД) человека являются перспективным для клинического применения инструментом оценки и контроля корректного выполнения движений, а также выявления факторов риска травматизма, однако применяются в основном только в научных исследованиях [1, 8]. Разработка и внедрение биомеханических СЗД в клиническую практику помогут врачам определять наилучшие решения при планировании медицинской реабилитации и тем самым будут сокращать время восстановления пациентов [1, 9].

Цель данной статьи ― представление современных данных о методиках захвата движений, а также обзор мировой литературы, посвящённой изучению применения технологий захвата движений в медицинской реабилитации пациентов с заболеваниями нервной системы.

ТЕХНОЛОГИИ И ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА

Современные технологии захвата движений основаны на различных принципах работы, в зависимости от которых выделяют следующие основные типы систем: оптико-электронные, электромагнитные, инерциальные и ультразвуковые [9].

Оптико-электронные измерительные системы

Захват движений в оптико-электронных измерительных системах основан на технологии компьютерного анализа видеоизображений движений обследуемого и выполняется дистанционно без использования кабельной связи регистрирующего устройства с объектом исследования [10]. Оптико-электронные измерительные системы делятся на два типа — маркерные и безмаркерные. Маркерные оптико-электронные измерительные системы ввиду высокой точности считаются золотым стандартом захвата движения. Маркеры крепятся на определённые анатомические точки тела человека в соответствии с костными ориентирами исследуемого. Существуют стандарты, регламентирующие терминологию, систему координат (оси) и костные ориентиры, для определения границ сегментов тела и размещения маркеров (рис. 1) [11, 12].

 

Рис. 1. Положение маркеров и трёхмерная модель человека, построенная программой Simi Motion (Германия).

 

Различают активные маркеры, излучающие свет и требующие источник питания, и пассивные маркеры, прикрепляемые к телу и отражающие свет, генерируемый вблизи объектива видеокамеры (рис. 2–4). Видеокамера, в свою очередь, используется для вычисления положения маркеров в трёхмерном пространстве [1]. Данные, получаемые от маркеров и видеокамер, передаются в компьютер, где на основании конкретной компьютерной модели проводится обработка информации: движения реального объекта анимируются, формируется отчёт, позволяющий проанализировать угловые и линейные кинематические характеристики изучаемых движений [12, 13].

 

Рис. 2. Активные (слева) и пассивные (справа) маркеры системы видеоанализа Simi Motion (Германия).

 

Рис. 3. Пример размещения активных маркеров системы видеоанализа Simi Motion (Германия) на обследуемом.

 

Рис. 4. Видеоанализ ходьбы с оценкой движений в левой нижней конечности с использованием активных маркеров, построенный программой Simi Motion (Германия).

 

Безмаркерный метод захвата движений основан на анализе взаимного расположения неоднородных частей изображений объекта на последовательных кадрах. Главным недостатком данного метода является требование более сложной обработки получаемых данных и, как следствие, более дорогостоящего программного обеспечения [14].

Вне зависимости от наличия или отсутствия маркеров в ходе регистрации положения исследуемого сегмента тела в пространстве необходимо, чтобы одновременно работало несколько видеокамер. Они должны располагаться под различными углами таким образом, чтобы объект исследования всё время находился в пределах их видимости [15]. В современных СЗД обычно реализована возможность построения любых двух- и трёхмерных многозвенных моделей исследования, позволяющих отображать интересующие исследователя сегменты локомоторного аппарата. Однако трёхмерные СЗД являются более востребованными [15, 16].

Электромагнитные измерительные системы

Основной принцип действия электромагнитных измерительных систем заключается в вычислении положения и ориентации датчиков движения с помощью электромагнитных волн, идущих от датчика к базовой станции [17]. Электромагнитные измерительные системы способны обеспечивать большие объёмы захвата, но являются менее точными в отличие от оптико-электронных СЗД, так как для определения положения датчиков не требуется прямой видимости [17]. Применение электромагнитных измерительных систем сопряжено с рядом ограничений: высокая стоимость, вес и габариты оборудования, низкая помехоустойчивость, повышенная чувствительность к феромагнетикам, препятствиям и погодным условиям, а также невозможность использования в помещении [18–20].

Инерциальные измерительные системы

Одним из самых современных методов захвата движений является инерциальный. Особенностью данного метода является то, что все движения человека записываются с помощью инерциальных измерительных модулей (Inertial Measurement Unit, IMU), которые содержат датчики для измерения частоты вращения. Использование инерциальных датчиков даёт возможность оценивать величины вращающих моментов в суставах, а также силу реакции опоры при ходьбе. Дополнительные программы позволяют рассчитывать затрачиваемую при этом механическую энергию [21]. Наиболее распространёнными датчиками, используемыми в IMU, являются гироскопы, магнитометры и акселерометры. Недостатком инерциального метода видеоанализа является его меньшая точность в сравнении с оптико-электронными методами слежения. Однако IMU не требуют наличия базовой станции и видеокамер (поэтому среди остальных СЗД выигрывают в мобильности), а также способны регистрировать очень быстрые движения [21].

Ультразвуковые измерительные системы

Принцип работы ультразвуковых систем локализации заключается в вычислении положения движущегося объекта с помощью ультразвуковых волн. При этом датчики располагаются на движущемся реальном объекте, а приёмники образуют антенну (в некоторых системах датчики и приёмники меняются местами). Всякий раз, когда датчик посылает сигнал, его принимают статичные сенсоры, измеряющие время между отправлением и приёмом сигнала. По времени задержки сигнала рассчитываются расстояния между излучателями и приёмниками. По полученным расстояниям вычисляют трёхмерные координаты объекта. Ультразвуковые системы оценки движений человека имеют хорошую точность измерения координат и углов, но поскольку такие системы работают на основе использования физических свойств ультразвука, они обладают некоторыми недостатками. Во-первых, это необходимость прямой видимости между излучателями и приёмниками, поскольку посторонние предметы являются хорошими поглотителями или рассеивателями ультразвука. Во-вторых, отмечается снижение точности при изменении температуры или порывах ветра. Необходима также точная калибровка приёмников. Кроме того, направленность ультразвука может приводить к помехам при работе с динамичными измерениями [22].

ТЕХНОЛОГИИ ЗАХВАТА ДВИЖЕНИЙ В МЕДИЦИНСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ

В медицине технологии захвата движений используют для изучения локомоций человека в норме и при патологии, а также для оценки эффективности реабилитационных мероприятий [1, 23, 24]. Современные технологии анализа движений человека способны помочь клиницисту в проведении персонализированного диагностического процесса и планировании медицинской реабилитации у пациентов с инсультом [23, 24], болезнью Паркинсона (БП) [25, 26], детским церебральным параличом (ДЦП) [27, 28], позвоночно-спинномозговой травмой (ПСМТ) [29, 30], рассеянным склерозом (РС) [31–33], а также при других заболеваниях нервной системы [34–36]. В настоящее время перед исследователями и врачами стоит задача выявления таких параметров, характеристик движений при той или иной патологии, которые можно было бы учитывать для значимого повышения качества медицинской реабилитации [37].

Применение технологий захвата движений при инсульте

Особенности ходьбы пациентов, перенёсших инсульт, характеризуются уменьшением скорости, нарушением кинетических и кинематических профилей, патологической асимметрией и увеличением энергозатратности двигательного акта [38–41]. Асимметричность параметров шага во многом зависит от развившихся различий пространственно-временных и кинематических характеристик между поражённой и здоровой стороной, мышечной силы и опороспособности паретичной конечности [42, 43].

Анализ движений с использованием технологий захвата движений является наиболее точным методом количественной оценки результатов восстановительного лечения пациентов, перенёсших инсульт, и зачастую применяется в качестве референтного метода [21]. Так, в исследовании F. Feuvrier и соавт. [21] маркерная СЗД Vicon (Великобритания) использовалась в качестве золотого стандарта в сравнении с инерциальными системами измерения. Стоит заметить, что инерциальные СЗД показали высокую сопоставимость своих результатов в сравнении с маркерной СЗД в оценке эффективности электрической стимуляции мышц нижних конечностей у пациентов с парезом стопы после перенесённого инсульта.

СЗД применяются для подбора и калибровки ортезов, используемых пациентами, перенёсших инсульт [44, 45]. В исследовании T. Kobayashi и соавт. [45] с помощью СЗД проводилась настройка ортеза голеностопного сустава, используемого для коррекции нарушений походки после инсульта. Всего в исследование было включено 9 пациентов. Кинематические и кинетические данные суставов нижних конечностей регистрировались во время ходьбы на беговой дорожке с помощью трёхмерной маркерной СЗД Vicon (Великобритания). Было выявлено, что постепенная корректировка ортеза в сторону тыльного сгибания стопы значительно изменила объём движений в голеностопном и коленном суставах и повлияла на моменты силы коленного сустава при ходьбе у пациентов, перенёсших инсульт.

Использование роботизированных экзоскелетов является новой технологией для восстановления функции ходьбы у пациентов, перенёсших инсульт. Оценка эффективности применения экзоскелета в медицинской реабилитации также производится с использованием СЗД [46, 47]. Например, в исследовании C. Swank и соавт. [47] оценивались пространственно-временные, кинематические характеристики походки и показатели мышечной активности до и после одного сеанса ходьбы в экзоскелете у 6 пациентов после инсульта. Кроме того, изучалась кинематическая симметрия между больной и здоровой конечностями. В исследовании была использована маркерная СЗД Vicon (Великобритания), включающая 10 видеокамер и синхронизированная с 6 динамометрическими платформами с одновременной регистрацией поверхностной электромиографии с мышц нижних конечностей. Полученные результаты видеоанализа после тренировки в экзоскелете продемонстрировали снижение проявлений дисфункции походки у пациентов с последствиями инсульта.

Помимо походки, с помощью СЗД изучаются движения верхних конечностей и туловища у пациентов, перенёсших инсульт [48, 49]. Например, в исследовании G.M. Hansen и соавт. [48] с помощью маркерной СЗД Qualisys (Швеция) оценивался объём движений лопатки, плеча, предплечья, туловища и таза при выполнении двух упражнений у 17 пациентов с инсультом. Результаты исследования продемонстрировали, что выбранные трёхмерные кинематические измерения являются точным и надёжным методом оценки конкретных движений плеча у пациентов с инсультом (табл. 1) [48].

 

Таблица 1. Исследования с использованием систем захвата движений у пациентов, перенёсших инсульт

Table 1. Studies using motion capture systems in stroke patients

Источник	Цель исследования	Число участников, n / Средний возраст, лет	Система захвата движений	Выводы
Kobayashi и соавт. [45], 2019	Изучение влияния ортеза голеностопного сустава на изменение кинематики и кинетики суставов нижних конечностей во время походки у лиц, перенёсших инсульт	10/58±13	Маркерная оптико-электронная Vicon (Великобритания)	Корректировка ортеза в сторону тыльного сгибания стопы значимо изменила объём движений в голеностопном и коленном суставах, что повлияло на моменты силы коленного сустава при ходьбе
Swank и соавт. [47], 2020	Сравнение пространственно-временных, кинематических характеристик походки и показателей мышечной активности до и после одного сеанса ходьбы в экзоскелете	6/44,7±14,6	Маркерная оптико-электронная Vicon (Великобритания)	Тренировка в экзоскелете снижает проявления дисфункции походки у пациентов с последствиями инсульта
Hansen и соавт. [48], 2019	Оценка трёхмерных кинематических измерений движений плеча у пациентов с инсультом со сниженной функцией плеча	17/62,5±10,4	Маркерная оптико-электронная Qualisys (Швеция)	Выбранные трёхмерные кинематические измерения являются точным и надёжным методом оценки конкретных движений плеча у пациентов с инсультом

 

Применение технологий захвата движений при болезни Паркинсона

Клиническая оценка двигательных нарушений при БП в ходе осмотра врача может быть очень субъективной и некорректной, особенно при невыраженной симптоматике. СЗД потенциально могут предоставить более объективные и количественные данные оценки движений пациентов с БП [25, 26]. Пилотное исследование S. Das и соавт. [25] продемонстрировало, что количественные измерения, полученные из данных захвата движения, выявляют существенные различия между лёгкими и тяжёлыми симптомами заболевания. Исследователи пришли к выводу, что технология захвата движения потенциально может быть точным, надёжным и эффективным инструментом для сбора статистических данных о двигательных нарушениях, связанных с БП. Это в свою очередь позволило бы разработать более эффективные способы медицинской реабилитации пациентов с нейродегенеративными заболеваниями [25].

В исследовании E. Růžička и соавт. [26] проведено сравнение субъективной и количественной оценки брадикинезии у 22 пациентов с БП с использованием бесконтактной СЗД Optitrack-V120 (США). Данная установка позволила провести анализ отдельных компонентов брадикинезии. Было показано, что снижение амплитуды и максимальной скорости пальца руки при постукивании о поверхность являются наиболее отличительными признаками двигательных нарушений у пациентов с БП в сравнении с контрольной группой условно здоровых добровольцев. Несмотря на полученные результаты, авторы также пришли к выводу, что требуется проведение более крупных исследований с включением большего числа пациентов и оценкой более широкого спектра показателей движений.

В другом исследовании V. Jakob и соавт. [50] подтвердили техническую валидность инерциальных датчиков Portabiles-HCT GaitLab-System (Германия) для анализа походки в сравнении с трёхмерной маркерной СЗД Simi Motion (Германия). В исследование было включено 37 пациентов с БП и 14 условно здоровых добровольцев в группы сравнения. Параметры походки сравнивались между обеими СЗД после выполнения стандартизированного теста ходьбы. Результаты исследования продемонстрировали, что инерциальная СЗД предоставляет надёжные сенсорные параметры походки. Кроме того, обе СЗД сопоставимо фиксируют значимую разницу между пациентами с БП и участниками контрольной группы (табл. 2) [50].

 

Таблица 2. Исследования с использованием систем захвата движений у пациентов с болезнью Паркинсона

Table 2. Studies using motion capture systems in patients with Parkinson’s disease

Источник	Цель исследования	Число участников, n / Средний возраст, лет	Система захвата движений	Выводы
Růžička и соавт. [26], 2016	Сравнение субъективной и количественной оценки брадикинезии у пациентов с болезнью Паркинсона (БП) при постукивании пальцем	22 (БП)/48–82 22 (контрольная группа)/41–82	Маркерная оптико-электронная Optitrack-V120 (США)	Система захвата движения позволила провести независимый анализ отдельных компонентов брадикинезии, демонстрируя снижение амплитуды и максимальную скорость пальца как наиболее сильного параметра в дифференциации пациентов с лёгкой и умеренной БП от группы условно здорового контроля
Jakob и соавт. [50], 2021	Сравнение параметров ходьбы, измеренных с помощью мобильной сенсорной инерциальной системы анализа походки и оптико-электронной системы захвата движения в качестве референтного метода	37 (БП)/70,8±9,3 14 (контрольная группа)/72,2±28,8	Инерциальная Portabiles-HCT GaitLab-System (Германия)/ Маркерная оптико-электронная Simi Motion (Германия)	Носимые инерциальные датчики генерируют достоверные параметры ходьбы и, следовательно, могут быть использованы для клинической оценки двигательных нарушений у пациентов с БП

 

Авторы вышепредставленных исследований делают вывод, что разработка и применение СЗД в оценке двигательных функций у пациентов с БП помогут выяснить, насколько объективно получаемые параметры отражают ответ на лечение и реабилитацию, а также оценить прогрессирование заболевания [26, 50].

Применение технологий захвата движений при детском церебральном параличе

Реабилитация пациентов с ДЦП требует системного подхода и динамичной оценки достигаемых результатов [27]. В последние годы появляется всё больше научных работ, посвящённых изучению биомеханических нарушений локомоции у пациентов с ДЦП [27, 28, 51, 52]. В работе C.R. Simão и соавт. [28], где приняли участие 20 детей с гемиплегической формой ДЦП, была проведена оценка влияния одной тренировки на беговой дорожке с дополнительной нагрузкой на кинематические параметры походки. Данные биомеханики движений были получены с использованием маркерной СЗД Qualisys (Швеция); оценка проводилась до и после тренировки. По результатам исследования, после тренировки отмечалось увеличение диапазона движений в коленном, тазобедренном и голеностопных суставах паретичной конечности, что в целом может способствовать улучшению походки. По данным других исследований, посвящённых биомеханической оценке движений с использованием СЗД, в целом ходьба пациентов с ДЦП характеризуется сниженной скоростью, меньшей длиной шага и диапазоном движений в суставах конечностей в сравнении с условно здоровыми детьми [27, 53].

Кроме биомеханического изучения походки, в мировой научной литературе можно найти исследования по видеоанализу движений верхних конечностей у пациентов с ДЦП [54–57]. Например, в исследовании M.C. Klotz и соавт. [54] проведён анализ ограничений объёма движений верхних конечностей у 15 взрослых пациентов с гемиплегической формой ДЦП в сравнении с группой 15 условно здоровых участников. С помощью маркерной СЗД Vicon (Великобритания) оценивались повседневные бытовые движения верхних конечностей. Результаты исследования показали снижение супинации на 45° паретичной конечности в сравнении с контрольной группой. Наиболее выраженное снижение объёма движений верхней конечности у пациентов с ДЦП отмечалось при супинации и пронации предплечья. Кроме того, были выявлены корреляционные связи между результатами видеоанализа и оценкой по шкале классификаций мануальных способностей для детей с церебральным параличом (Manual Ability Classification System, MACS) (табл. 3) [54].

 

Таблица 3. Исследования с использованием систем захвата движений у пациентов с детским церебральным параличом

Table 3. Studies using motion capture systems in patients with cerebral palsy

Источник	Цель исследования	Число участников, n / Средний возраст, лет	Система захвата движений	Выводы
Simão и соавт. [28], 2019	Оценить влияние тренировок на беговой дорожке с дополнительной нагрузкой на нижние конечности на кинематические параметры походки у детей с детским церебральным параличом (ДЦП)	20/12±3,3	Маркерная оптико-электронная Qualisys (Швеция)	Тренировка ходьбы на беговой дорожке с дополнительной нагрузкой на нижние конечности способна изменить походку у пациентов с ДЦП. Увеличение сгибания тазобедренного сустава в фазе переноса позволило увеличить подъём паретичной стопы, что может способствовать улучшению функции походки в целом
Klotz и соавт. [54], 2013	Оценка влияния ограничений диапазона движений верхней конечности у взрослых с ДЦП на повседневную активность и определение потенциальных механизмов компенсации	15 (ДЦП)/28 15 (контрольная группа)/-	Маркерная оптико-электронная Vicon (Великобритания)	Наиболее выраженное снижение объёма движений верхней конечности у пациентов с ДЦП отмечалось при супинации и пронации предплечья

 

СЗД позволяют объективно и количественно описывать те или иные нарушения локомоций при ДЦП [51]. Несмотря на это, СЗД до сих пор не используется в рутинной клинической практике для планирования и оценки результатов медицинской реабилитации пациентов с ДЦП, что, вероятно, связано с высокой стоимостью оборудования и отсутствием референсных интервалов для оценки выраженности нарушений.

Применение технологий захвата движений при позвоночно-спинномозговой травме

ПСМТ встречается, как правило, у лиц молодого возраста и влечёт за собой крайне тяжёлые последствия для здоровья [30]. Восстановление двигательных функций после ПСМТ, в частности способности к самостоятельному передвижению, является приоритетной задачей медицинской реабилитации [58]. Выраженность двигательных нарушений у пациентов с ПСМТ зависит от тяжести и локализации повреждения спинного мозга. При ПСМТ могут наблюдаться частичная или полная потеря двигательных функций, а также проводниковые сенсорные нарушения. В настоящее время СЗД активно применяются в исследованиях по оценке результатов медицинской реабилитации у пациентов с ПСМТ, что помогает врачам принимать корректные клинические решения [29, 30].

В исследовании R.J. Triolo и соавт. [29] проводилась оценка влияния стимуляции ягодичных мышц и туловища у пациентов с последствиями травмы шейного или грудного отделов спинного мозга с использованием технологий видеоанализа движений. Всего было включено 8 пациентов (средний возраст 46±9,34 года), которым была проведена имплантация нейростимулятора. Видеоанализ проводился в положении сидя без поддержки спины с использованием маркерной СЗД Vicon (Великобритания). Отражающие маркеры были расположены на лбу, грудине, запястьях, нижних углах лопаток, акромионах, в области остистых отростков СVII и ТVI позвонков и в области крестца. Всего проводилось 5 испытаний со стимуляцией и без, в положении сидя, без движений в течение 5 сек с перерывами между измерениями как минимум 5 мин. Кроме того, выполнялось задание в положении сидя с удержанием на вытянутых руках пластикового контейнера в течение 5 сек на разных уровнях ― 30 и 48 дюймов (76,2 и 121,92 см соответственно). Результаты видеоанализа показали, что стимуляция мышц приводит к значительному увеличению разгибания туловища по сравнению с исходными значениями без стимуляции. Стимуляция вызывает также положительные изменения в среднем наклоне таза и высоте плеч во время спокойного сидения и при удержании предмета. Таким образом, был сделан вывод, что электрическая стимуляция приводит к более устойчивому пребыванию в положении сидя без движений и при бимануальном удержании предмета в сравнении с волевым усилием [29].

Активно изучается эффективность применения не только маркерных, но и инерциальных СЗД у пациентов с ПСМТ [31]. Так, в сравнительном исследовании C. Warner и соавт. [30] проводилась оценка походки 9 пациентов с ПСМТ в сравнении с контрольной группой из 17 условно здоровых добровольцев. Особенности ходьбы участников исследования оценивались на беговой дорожке с использованием инерциальных модулей ZurichMOVE (Швейцария) и маркерной СЗД Vicon (Великобритания) с 10 видеокамерами в качестве золотого стандарта. Основными компонентами инерциальных модулей, которые крепились в области лодыжек участников исследования, являлись трёхосевые акселерометр, гироскоп и магнитометр. Результаты исследования продемонстрировали сопоставимость данных, получаемых с использованием инерциальных модулей и маркерного видеоанализа. Был сделан вывод, что инерциальные СЗД можно использовать в рутинной клинической практике для оценки эффективности восстановления ходьбы пациентов с ПСМТ в связи с их более низкой стоимостью и более простым использованием в сравнении с маркерными СЗД (табл. 4) [30].

 

Таблица 4. Исследования с использованием систем захвата движений у пациентов с позвоночно-спинномозговой травмой

Table 4. Studies using motion capture systems in patients with spinal cord injury

Источник	Цель исследования	Число участников, n / Средний возраст, лет	Система захвата движений	Выводы
Triolo и соавт. [29], 2013	Определить влияние стимуляции парализованных ягодичных и паравертебральных мышц у пациентов с последствиями травмы шейного или грудного отделов спинного мозга	8/46±9,34	Маркерная оптико-электронная Vicon (Великобритания)	Стабилизация парализованного туловища с помощью электрической стимуляции может положительно повлиять на устойчивое пребывание в положении сидя без движений и позволить прикладывать бóльшие усилия к объектам в окружающей среде
Warner и соавт. [30], 2021	Оценка походки пациентов с позвоночно-спинномозговой травмой (ПСМТ) с помощью инерционных датчиков, прикреплённых к обеим лодыжкам	9 (ПСМТ)/59,6±7,4 17 (контрольная группа)/27,6±2,9	Инерциальная система ZurichMOVE (Швейцария)/ Маркерная оптико-электронная Vicon (Великобритания)	Благодаря устойчивости инерциальной системы к различным скоростям ходьбы и точности по сравнению с золотым стандартом измерения предложенный алгоритм подходит для мониторинга ежедневного клинического режима и оценки ходьбы пациентов с ПСМТ

 

Результаты представленных исследований демонстрируют высокую актуальность применения СЗД с целью оценки нарушений движений и результатов медицинской реабилитации у пациентов с ПСМТ.

Применение технологий захвата движений у пациентов с рассеянным склерозом

Двигательные нарушения, особенно походки, являются одной из основных причин инвалидизации пациентов с РС [59, 60]. Через 15 лет после установления диагноза РС половине пациентов требуется помощь при ходьбе, а 10% вынуждены пользоваться инвалидной коляской [59]. СЗД активно применяются с целью оценки локомоций у пациентов с РС, поскольку нарушения координации и походки имеют первостепенное значение в медицинской реабилитации пациентов с данной патологией [31–33].

L. Filli и соавт. [31] представили результаты сравнительного исследования походки 37 пациентов с РС и 20 условно здоровых добровольцев с использованием трёхмерной маркерной СЗД Vicon (Великобритания) с 14 инфракрасными видеокамерами. Для оценки кинетических параметров на теле участников размещали по 29 маркеров. Трёхмерный анализ походки проводился, когда участники ходили босиком в течение не менее 30 сек на беговой дорожке со своей индивидуальной устойчивой скоростью. Кинематический анализ выявил выраженные ограничения в движении коленного и голеностопного суставов, повышенную вариабельность и асимметрию походки наряду с нарушением динамической устойчивости у пациентов с РС. Наиболее показательным параметром походки, отличающим пациентов от контрольной группы с точностью 83,3%, был сниженный диапазон движений в коленном суставе. На основе иерархического кластерного и компонентного анализа были выявлены три основных патологических паттерна походки: спастически-паретическая, атаксическая и неустойчивая походка. Последующие обследования через 1 год показали ухудшение функции ходьбы, особенно у пациентов со спастически-паретической походкой [31].

В другом исследовании S. Güner и соавт. [32] провели оценку влияния стелек с супинатором на характер походки у 10 пациентов с РС в сравнении с группой из 10 условно здоровых добровольцев. Трёхмерный анализ походки был выполнен с использованием СЗД Vicon (Великобритания) с 6 инфракрасными видеокамерами и набором из 15 маркеров. Силы воздействия на поверхность измерялись с помощью двух динамометрических платформ Bertec (США), которые были размещены в середине 10-метровой дорожки. Результаты исследования показали, что у пациентов с РС наблюдалось улучшение ритма и скорости ходьбы при использовании стелек. Углы сгибания бедра и колена в сагиттальной плоскости были увеличены при использовании стелек, а подошвенное сгибание голеностопного сустава было меньше по сравнению с ходьбой босиком (табл. 5) [32].

 

Таблица 5. Исследования с использованием систем захвата движений у пациентов с рассеянным склерозом

Table 5. Studies using motion capture systems in patients with multiple sclerosis

Источник	Цель исследования	Число участников, n / Средний возраст, лет	Система захвата движений	Выводы
Filli и соавт. [31], 2018	Изучение патологии походки у пациентов с рассеянным склерозом (РС) с использованием комплексного 3D-анализа походки и клинических тестов ходьбы	9 (РС)/48,6±10,3 17 (контрольная группа)/48,8±10,1	Маркерная оптико-электронная Vicon (Великобритания)	Выявлены выраженные ограничения в движении коленного и голеностопного суставов, повышенная вариабельность и асимметрия походки наряду с нарушением динамической устойчивости у пациентов с РС
Güner и соавт. [32], 2018	Определить влияние стелек с супинатором на характер походки у пациентов с РС, имеющих соматосенсорные нарушения	10 (РС)/34,9±6,8 10 (контрольная группа)/33,8±3,2	Маркерная оптико-электронная Vicon (Великобритания)	Стельки с супинатором влияют на цикл походки, но не оказывают положительного влияния на нарушения походки. Стельки могут усилить подошвенную сенсорную обратную связь в ногах во время ходьбы за счёт коррекции поперечного свода стопы

 

M. Coca-Tanya и соавт. [59] суммировали результаты 12 исследований, полученные с помощью СЗД, и сделали вывод, что у пациентов с РС наблюдается снижение скорости и длины шага, увеличение длины двойного шага во время ходьбы. Отмечается также уменьшение разгибания бедра в фазу опоры, уменьшение сгибания колена в период переноса, уменьшение тыльного сгибания лодыжки в начале шага и уменьшение подошвенного сгибания лодыжки во время фазы перед замахом [59].

Персонализированные профили походки, сформированные с использованием СЗД, могут быть многообещающим инструментом для стратификации пациентов и разработки индивидуальных программ медицинской реабилитации. На сегодняшний день можно сделать вывод, что СЗД могут считаться критериальным стандартом в оценке двигательных нарушений у пациентов с РС, поскольку способны предоставлять объективные кинетические и пространственно-временные данные, которые крайне важны для мониторинга прогрессирования заболевания и результатов медицинской реабилитации [33, 59, 60].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Большую значимость для современной медицинской реабилитации представляет разработка методов оценки динамики двигательных нарушений в ходе проведения медицинской реабилитации.

В настоящее время в исследованиях, посвящённых изучению локомоций при неврологических заболеваниях, активно используются маркерные оптико-электронные и инерциальные технологии захвата движений. Электромагнитные и ультразвуковые системы измерения, напротив, не нашли на текущий момент своего применения в оценке двигательных нарушений у неврологических пациентов, вероятно, в связи с рядом технических ограничений. Тем не менее современные технологии захвата движений имеют значительные перспективы развития, что связано с совмещением процедур регистрации и анализа кинематических и силовых характеристик, синхронизации получаемых данных с результатами иных методов исследований.

По мере развития технического прогресса всё больше внимания уделяется совершенствованию программного и технического обеспечения технологий захвата движений, а также созданию портативных и более доступных инструментов. Особую роль захват движений приобретает в связи с активизацией разработок роботизированных медицинских устройств и систем. Таким образом, системы захвата движений дают возможность получать важную для клинициста объективную информацию, уточняющую характер нарушений моторики при различных заболеваниях нервной системы, а также контролировать динамику восстановления.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источник финансирования. Обзор выполнен в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Г.Е. Шейко ― разработка концепции работы, поисково-аналитическая работа, написание текста статьи; А.Н. Белова ― разработка концепции работы, редактирование текста статьи; Н.Н. Рукина ― поисково-аналитическая работа, написание текста статьи; Н.Л. Короткова ― редактирование текста статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

ADDINIONAL INFORMATION

Funding source. The review was carried out as part of the implementation of the strategic academic leadership program “Priority 2030”.

Competing interests. The authors declare no apparent or potential conflicts of interest related to the publication of this article.

Author contribution. G.E. Sheiko ― development of the review concept, search and analytical work, writing the text of the article; A.N. Belova ― development of the review concept, editing the text of the article; N.N. Rukina ― search and analytical work, writing the text of the article; N.L. Korotkova ― editing the text of the article. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

About the authors

Gennadii E. Sheiko

Privolzhsky Research Medical University

Author for correspondence.
Email: sheikogennadii@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0402-7430
SPIN-code: 8575-1319

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Anna N. Belova

Privolzhsky Research Medical University

Email: anbelova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9719-6772
SPIN-code: 3084-3096

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Natalia N. Rukina

Privolzhsky Research Medical University

Email: rukinann@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0719-3402
SPIN-code: 5028-4577

MD, Cand. Sci. (Med.), Senior Research Associate

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Nadezhda L. Korotkova

Privolzhsky Research Medical University; The First Sechenov Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: korotkova-home@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7812-1433
SPIN-code: 8709-8397

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

Russian Federation, Nizhny Novgorod; Moscow

References

Supplementary files