Физкультура

Спецификация оборудования для тренировки ходьбы на тредмилле с поддержанием веса тела: техническая записка

Michael S. Wilson, MS; Huma Qureshy, MS; Elizabeth J. Protas, PhD; S. Ann Holmes, MD; Thomas A. Krouskop, PhD; Arthur M. Sherwood, PhD
VA Medical Center, Houston, TX; Baylor College of Medicine; Texas Woman's University, Houston

Резюме. Тренировка ходьбы на тредмилле с поддержанием веса (Supported Treadmill Ambulation Training - STAT) - это новый вид терапии для восстановления ходьбы у больных с повреждением спинного мозга или другой дисфункцией верхнего мотонейрона. Программа STAT включает одновременное поддержание части веса тела больного и тренировку ходьбы на тредмилле. STAT с успехом применялась для улучшения походки больных во многих научных исследованиях, но до сих пор не вошла в широкую клиническую практику. Цель данной статьи - обобщить практическую, клинически значимую информацию об этом методе, чтобы устранить барьеры к его применению. В статье описаны технические требования к тредмиллу, системе поддержки веса тела (body weight support - BWS) и подвесной системе (harness). Рассматривается также эргономика рабочего пространства, так как врачу-инструктору необходим удобный доступ к ногам пациента в процессе тренировки. Конкретные рекомендации были разработаны на основе клинического опыта, изучения антропометрических таблиц и приложения технических принципов. Данные нормативы должны облегчить безопасное и эффективное применение нового терапевтического метода с минимальными затратами на оборудование.

Ключевые слова: тренировка ходьбы, реабилитация, повреждение спинного мозга, инсульт.

Введение

Восстановление ходьбы является важнейшей, но часто не достижимой, целью большинства больных с повреждением спинного мозга или другой дисфункцией верхнего мотонейрона. Разрабатывая новые виды лечения, исследователи начали ставить под вопрос сложившиеся представления о восстановительном потенциале спинного мозга. Один из таких новых методов - это тренировка ходьбы на тредмилле с поддержанием веса (Supported Treadmill Ambulation Training - STAT), которая включает одновременное поддержание части веса тела больного и тренировку ходьбы на тредмилле. Участвуя в таких тренировках, многие больные значительно улучшили свою способность к ходьбе (1-3).

Проведенные ранее исследования показали, что млекопитающие, например кошки, поддаются тренировке, улучшающей их ходьбу на тредмилле, даже после полной перерезки спинного мозга (4,5). Кошки, которых заставляли ходить на тредмилле, увеличили максимальную скорость ходьбы в восемь раз, в то время как те, которые не участвовали в такой тренировке, - только в три раза (4). Эти результаты свидетельствовали, что спинной мозг обладает способностью к обучению, и побудили исследователей начать тренировки на тредмилле людей с повреждением спинного мозга или другими дисфункциями верхнего мотонейрона.

Wernig, Nanassy и Muller обнаружили, что положительные результаты такой тренировки могут сохраняться длительное время (1). Они распределили больных по шкале от нуля до пяти, основываясь на их способностях к передвижению (таблица 1). Более высокие оценки давались больным с большей функциональной способностью к независимому передвижению. Пациенты с оценками от нуля до двух считались "зависимыми" от инвалидной коляски, а с более высокими оценками - "независимыми". Была отобрана группа хронических больных, которые начинали STAT-терапию позже, чем через 6 месяцев после травмы, и "острая" группа, в которой тренировку на тредмилле начинали сразу же после стабилизации состояния больного. Из 35 хронической больных 25 до начала тренировок были зависимыми от инвалидной коляски. К концу 3-месячного курса лечения, только 5 пациентов остались в группе зависимых от инвалидной коляски. При последующем обследовании больных, произведенном в срок от 6 месяцев до 6 лет после окончания терапии (в среднем 20 мес.), также только эти 5 пациентов оставались зависимыми от инвалидной коляски

Таблица 1. Функциональная шкала способности к передвижению, по Wernig и соавт. (1).

На рисунке 1 показано распределение хронических больных по вышеприведенной шкале перед STAT-терапией, после нее и при следующем обследовании (1).

Рисунок 1. Результаты STAT для хронических больных, по Wernig A., Nanassy A., Muller, S. Maintenance of locomotor abilities following Laufband (treadmill) therapy in para- and tetraplegic persons: follow-up studies (1).

Результаты лечения 41 пациентов в остром периоде аналогичны. Перед началом тренировок 37 из них были в группе зависимых от инвалидной коляски. После терапии только восемь больных остались в этой группе. При следующем обследовании, только шесть человек оставались в группе зависимых от инвалидной коляски.

Успех программы STAT зависит от многих факторов: точного выполнения пациентом протокола тренировки, наличия квалифицированных инструкторов и соответствующего оборудования. Одна из причин того, что STAT не внедрена в клиническую практику - это разногласия среди специалистов относительно оборудования, необходимого для успешной тренировки пациентов. В данной статье предпринята попытка выработать стандарты оборудования, применяемого для STAT-терапии.

Методы исследования

Критерии отбора больных

Предварительные исследования, проведенные с тремя пациентами в Госпитале для ветеранов в Хьюстоне, Tехас, дают объективные данные для оценки успеха STAT. Три пациента участвовали в STAT-терапии в течение 12 недель, 5 дней в неделю. Добровольцы были выбраны среди хроническим больных с повреждением спинного мозга или больных, недавно перенесших инсульт. Для участия в программе пациенты должны были удовлетворять критериям, гарантировавшим безопасность и максимальную эффективность терапии. Необходимо, чтобы больные имели уровень движений нижних конечностей, достаточный для поддержания тела в вертикальном положении, и достаточную силу рук (от трех баллов и выше для трицепсов с обеих сторон).

Только больные категории C или D по шкале классификации повреждения спинного мозга American Spinal Injury Association (ASIA) подходили для исследования. Исключались больные без двухсторонних рефлексов с Ахилловых сухожилий и сухожилий четырехглавых мышц бедра, так же, как и больные с выраженной спастичностью, мешающей стоянию.

Среди пациентов, перенесших инсульт, отбирались те, которые были способны стоять и сделать по крайней мере один шаг без помощи, но не способны ходить со скоростью большей, чем 36 м/мин.

В данном исследовании все три добровольца были пациентами с повреждением спинного мозга.

Более детальные критерии отбора больных доступны в литературе.

Показатели, оцениваемые в процессе тренировки: скорость, дальность, эффективность ходьбы

В начале курса тренировки система поддержки веса удерживает около 40 процентов веса тела больного (хотя есть пациенты, способные начинать и с меньшего). По мере прогресса этот процент уменьшался. Больные переводились на ходьбу по неподвижной поверхности как можно скорее. Прогресс пациентов в скорости, дальности и эффективности ходьбы оценивался каждые 4 недели.
Скорость ходьбы определялась делением расстояния, пройденного за 5 мин, на время. Дальность ходьбы - максимальное расстояние, пройденное за 5 мин. Эффективность определялась в исчислении энергозатрат, измеряемых в мл кислорода, потребляемого на кг массы тела.

Спецификация оборудования

Обязательные характеристики STAT были выработаны приложением общих инженерных принципов к данным, полученным от врачей и исследователей. Рекомендуемые характеристики оборудования: тредмилла, системы поддержки веса тела (body weight support - BWS) и подвесной системы (harness) - были определены путем опроса специалистов, изучения литературы и антропометрических таблиц.

Тредмилл (бегущая дорожка)

Тредмилл является неотъемлемой частью программы STAT для пациентов с дисфункцией верхнего мотонейрона. Не все модели тредмилла эффективны в данном конкретном применении. Подходящий для STAT-терапии тредмилл должен работать с очень малой скоростью и допускать ее увеличение с небольшим приростом. Минимальная скорость тредмилла, использованного Wernig и соавт. (7), была 0.1 км/ч. В Госпитале для ветеранов в Хьюстоне, Техас, тренировки больных осуществлялась в диапазоне скоростей тредмилла от 0.3 км/ч до 1.3 км/ч. Рекомендуемый шаг приращения скорости - 0.15 км/ч.

Также важно, чтобы тредмилл мог работать с малой скоростью, не останавливаясь. Любой тредмилл может застрять и остановиться при достаточном сопротивлении, особенно на малой скорости. Тредмилл должен быть достаточно мощным, чтобы преодолевать силу трения из-за веса пациента, внутреннее трение и любое дополнительное сопротивление, производимое больным. Пациенты могут добавить некоторое сопротивление, держась за поручни, но это сопротивление будет в значительной степени нейтрализовано уменьшением веса с помощью системы поддержки веса тела. Следовательно, общее сопротивление из-за пациента будет ниже, чем произведение веса тела на коэффициент трения. Если этот коэффициент трения, величина внутреннего трения и радиус колеса тредмилла известны, можно вычислить необходимый вращающий момент.

Даже не зная этих характеристик и не прибегая к каким-либо вычислениями, можно использовать быстрый и доступный тест, чтобы определять эффективность данного тредмилла. Положите на поверхность тредмилла груз (для сопротивления) и затем установите скорость, равной 0.3 км/ч. Тредмилл должен быть способным переместить неподвижный груз массой 140 кг, эквивалентный максимальному весу пациентов в 115 кг плюс предел погрешности 20 процентов.

Длина поверхности тредмилла должна быть достаточной, чтобы пациент мог сделать нормальный большой шаг с небольшим запасом (если больной оступится), ширина - удобной для больного. Минимальные размеры: длина 150 см и ширина 60 см. Длина основывается на соотношении средней длины двойного шага и длины ноги, равном 1.57 (8). Если субъект, высотой 2 м, имеет длину ноги 53% его высоты (106 см) (7), длина его двойного шага должна быть около 166 см. Деля ее на два, чтобы вычислять длину шага, получаем 83 см. Добавляя 30 см длины стопы, получаем общую длину 113 см. Оставив 10 см, чтобы помешать соскальзыванию ног пациента, и добавив 20 процентов для безопасности, получим рациональную рекомендуемую длину 150 см.

Ширина тредмилла не должна быть чрезмерной, так как ноги пациента должны быть доступны для манипуляций врача-инструктора. Максимальная приемлемая ширина тредмилла будет зависеть от размеров тела врача, того, на чем он сидит, и походки пациента. Минимальная ширина 60 см позволяет пациенту стоять со стопами, расставленными на ширину плеч (в 95% антропометрических измерений ширина плеч равна 50 см (9)), и допускает запас в 20% (10 см) для удобства. Хотя более широкий тредмилл дает некоторые преимущества (если он не используется для особого контингента больных), рекомендуется, чтобы ширина тредмилла была не более 75 см. Эта ширина позволяет инструктору (даже женщине) дотянуться до пациента (рисунок 2). Инструктор должен иметь функциональную амплитуду около 50 см (9), позволяющую без усилий дотянуться до середины тредмилла.

Рисунок 2. Доступ врачей-инструкторов к ногам пациента на тредмилле.

Тредмилл должен иметь поручни, помогающие пациенту удерживать равновесие, дисплей, показывающий скорость движущейся поверхности, и возможность экстренной остановки при необходимости. Кроме того, идеальный тредмилл должен быть оснащен пандусом для подъема инвалидной коляски.

Важным аспектом является доступность ног пациента действиям врача-инструктора. Идеальный тредмилл должен быть снабжен подъемником, чтобы поднимать движущуюся поверхность на высоту, наиболее подходящую для работы врача. Однако в большинстве учреждений потолки не достаточно высокие, чтобы разместить поднимающийся тредмилл с пациентом и системой поддержки веса. Если высота потолка меньше, чем 11 футов (3,35 м), подъемником придется пожертвовать. Тем не менее, врач не должен слишком наклоняться, чтобы помогать больному. С каждой стороны движущейся поверхности тредмилла должно быть достаточно места (около 25 см) для того, чтобы врач мог сидеть. Должна быть также предусмотрена опора для спины врача во время его манипуляций с ногами пациента.

Система поддержки веса тела (body weight support - BWS)

Поддерживающая система позволяет уменьшить нагрузку на ноги пациента. Она должна удерживать до 40 процентов веса тела пациента. Кроме того, система поддержки веса тела (BWS), должна также предотвратить травму пациента при падении. Чтобы удержать человека от падения, необходимо обеспечить поддержание веса, большего, чем веса тела. Система BWS также должна допускать достаточное для нормальной ходьбы вертикальное смещение центра тяжести пациента, но не позволять пациенту потерять равновесие. 5 см вертикального смещения достаточны для нормальной ходьбы (10). Исследование 25 здоровых мужчин и 25 здоровых женщин определило среднее смещение как 2.7+/-0.6 см для женщин и 3.7+/-0.9 см для мужчин (11). Используя большую цифру (3.7, мужчины) и добавляя два среднеквадратичных отклонения, получаем величину 5.5 см, которая может быть использована, как максимум смещения по вертикали для нормальной походки. Хотя человек мог бы, несомненно, двигаться и с большим вертикальным смещением, чем 5.5 см, эта походка должна быть признана неправильной и, следовательно, не является целью тренировки. Таким образом, система BWS должна допускать вертикальные смещения не более 5.5 см.

Чтобы остановить падение больного, система должна удерживать до 150% веса тела. Из соображений безопасности необходимо удвоить этот вес (до 300%). Используя предел 115 кг для самого тяжелого пациента, система BWS должна быть способной удержать 45 кг (40% веса тела) для тренировки ходьбы и до 345 кг (300%), чтобы предохранить от падения.

Поддерживающая система должна достоверно показывать величину уменьшения веса пациента. Ключевым элементом тренировочной парадигмы STAT является прогрессивное повышение нагрузки на скелетно-мышечную систему, что определяется уменьшением степени поддержки веса тела поддерживающей системой. Определение точного процента поддержки веса тела не так важно, как общая направленность на его уменьшение, хотя воспроизводимость измерений существенна для количественной оценки степени прогресса.

Управление степенью поддержки должно быть доступным для быстрого ее изменения, если пациент работает легко или наоборот устает в течение сеанса тренировки.

Также важно, чтобы система поддерживала подвесную систему (и пациента) в двух точках, удаленных друг от друга на ширину плеч пациента, чтобы добиться более естественного распределения веса, чем при подвешивании в одной точке. Единственная точка подвешивании приводит к чрезмерному вращению и неустойчивости больных с пониженным произвольным постуральным контролем. Подвешивание, не достаточное по ширине, приводит к вращающему эффекту, не свойственному нормальной походке. У 95 процентов мужчин ширина плеч по антропометрическим данным (9) составляет 50 см, таким и должно быть минимальное расстояние между двумя опорами.

Существует два типа поддерживающих систем. Первая - система противовеса, которая сравнительно проста и обеспечивает постоянную степень поддержки веса тела при большой амплитуде вертикального смещения. Недостаток этого метода в том, что инерция противовеса вызывает помехи, особенно заметные, когда пациент подвергается быстрому вертикальному ускорению. Эти большие "толчки" сбивают пациента и мешают терапии. По этой причине, система противовеса не рекомендуется.

Другой вариант - пружинные системы, которые различаются по типу используемой пружины. Эта группа не ограничивается простыми пружинами, но также включает пневматическую, эластическую и другие системы, которые действуют аналогичным образом. Постоянная сила пружины дает возможность сравнительно постоянной степени поддержки веса тела при достаточной амплитуде вертикального смещения тела. Основной недостаток - чувство неустойчивости, о котором говорят пациенты, особенно в начале тренировки. Может потребоваться отдельная система предотвращения падения.

Обычная, подчиняющаяся закону Гука, пружина обеспечит меняющуюся величину поддержки веса, прямо пропорциональную степени растяжения. Увеличение поддержки при растяжении пружины вызывает лучшую ответную реакцию и придает уверенности пациенту. Преимущество этой системы состоит также в более плавном предотвращении падения, так как оно замедлится уже в самом начале из-за повышения тяги вверх. В тот момент, когда специальная система предотвращения падения приводится в действие, импульс пациента уже не будет таким большим, поскольку его скорость уменьшится под действием растянутой пружины. Таким образом, наиболее удачным выбором мы считаем обычную пружинную систему.

Характеристики пружины зависят от веса пациентов. Если вес взрослых колеблется между 45 кг и 115 кг, коэффициент упругости пружины вычисляется следующим образом. Сначала рассчитывают его на самого легкого пациента. Чтобы учесть необходимое вертикальное смещение, когда этот пациент находится на начальном этапе терапии (приблизительно около 10 процентов BWS), пружина должна поддерживать 4.5 кг (44 Н) веса при смещении 5 см. Используя закон Гука, коэффициент упругости пружины получаем равным почти 880 Н/м. Для самого тяжелого больного на любом раннем этапе терапии (40 процентов BWS), пружина должна удержать 46 кг (450 Н) при 5 см смещения. Этого можно достичь растяжением пружины на 50 см. В простой системе, чтобы добиться этого растяжения, необходимо ручной ворот перевести в положение десять к одному, чтобы позволить врачу поднимать или опускать опорную стойку с помощью одной длинной, но мягкой, пружины.

Другие системы, которые, казалось, используют иной механизм, являются часто, по сути, скрытыми пружинными системами. Например, некоторые исследователи с успехом применяли систему лебедки со стальным тросом. Подобно тому, как слабое звено цепи рвется, наиболее эластичный элемент системы растягивается. Использование пружинного измерителя последовательно с тросом позволит устройству функционировать подобно системе пружины. Чтобы добиться нормальной походки, должно быть достаточное растяжение в системе, обеспечивающее вертикальное смещение центра тяжести пациента. Если система не учитывает эти вертикальные смещения, походка будет значительно искажена. Больной еще сможет ходить на тредмилле, так как поверхность движется под ним, но эта неестественная форма походки не является целью терапии.

Подвесная система - подвеска (Harness)

Подвеска должна охватывать грудную клетку, бедра и ягодицы пациента, допуская свободное движение рук и ног. Важно, чтобы она не создавала помех для нормальной ходьбы, так как в этом состоит цель терапии. Подвеска должна быть точно подогнана и не соскальзывать, быть удобной для больного, даже когда осуществляется максимальная поддержка веса. Необходимо избегать сдавления плечевого сплетения пациентов и груди женщин. Подвесная система должна быстро и легко одеваться и сниматься людьми с ограниченной мобильностью. Но наиболее важно, чтобы она обеспечивала прямое положение пациента.

Для локомоторной тренировки в настоящее время применяются многие из имеющихся в продаже модели подвесных систем, но есть и другие альтернативы, например, использование модифицированной подвески для скалолазания.

Мы применяли модель Black Diamond® BOD harness (Salt Lake City, Utah) для поддержки нижней части тела и Black Diamond® vario chest harness (Salt Lake City, Utah) для поддержки торса. Их соединяли одно-дюймовой нейлоновой веревкой, которую также использовали для присоединения к поддерживающей системе (рисунок 3, 4). Поскольку основная часть поддержки в такой комбинации приходится на тазовую область, а к туловищу прилагают силу, необходимую лишь для обеспечения устойчивости, эта позволяет избежать большого давления на плечевое сплетение и грудь женщин, что является недостатком подвески, фиксирующей только грудную клетку.

Рисунок 3. Модифицированная подвесная система (вид спереди).

Рисунок 4. Вид сзади пациента с модифицированной подвеской, соединенной с системой поддержки веса.

Результаты и обсуждение

Оценка скорости, дальности и эффективности ходьбы.

К концу 12-недельного периода тренировки, у каждого пациента улучшились эти показатели (рисунок 5), и эти улучшения, в основном, сохранились в течение 12 недель после тренировки.

Рисунок 5. Скорость и дальность ходьбы и энергозатраты пациентов, по Protas AJ, Holmes SA, Qureshy H, Johnson A, Rodriguez G, Moussavi M, Sherwood. AM. Supported treadmill ambulation training after spinal cord injury (6).

Подробное представление результатов и обсуждение приведены в предшествующей публикации (6).
В таблице 2 перечислены обязательные и рекомендуемые параметры оборудования для достижения оптимального результата STAT-терапии, что описано полностью в разделе Методы.

Таблица 2. Технические требования к оборудованию по программе STAT.

Заключение

Без надлежащего оборудования данный метод восстановления ходьбы у больных с повреждением верхнего мотонейрона может дискредитировать себя и даже оказаться опасным. К тому же, его параметры могут сделать затраты на STAT чрезмерными. Необходимо приложить много усилий, чтобы тредмилл, подвесная система и система поддержки веса были наиболее эффективными для этого приложения. Поскольку не существует специально созданного для этой терапии оборудования, любые выбранные модели должны соответствовать указанным выше техническим требованиям.

Авторы хотели бы выразить свою признательность за помощь проф. Wernig из Боннского Университета, Германия.

В настоящее время завершается перевод книги Harkema S.J. Locomotor training principles and practice. Los Angeles, 2002, в которой детально описана методика локомоторной тренировки на тредмилле с поддержанием веса тела.