Дети-инвалиды

Искусственное управление движениями при ходьбе больных. А.С.Витензон

Принципиально иное применение имеет ЭСМ при искусственном управлении (ИУ) движениями, предназначенном для восстановления уже не отдельных мышц, а целостных двигательных актов.
Суть метода ИУ заключается в том, чтобы посредством электростимуляции усилить сокращение мышц в фазы их естественного возбуждения и таким образом осуществить коррекцию неправильно выполняемых движений при ходьбе. Из этого следует, что основным показанием к назначению метода ИУ является дефицит мышечной функции (ДМФ), приводящий к нарушению биомеханической структуры локомоторного акта.
По сравнению с традиционными приемами коррекции движений, используемых в ЛФК, ИУ имеет определенные преимущества: коррекционный эффект достигается вовлечением в двигательный акт небольшой группы мышц, коррекция реализуется в нужную фазу двигательного цикла, интенсивность сокращения мышц прямо не зависит от условий передвижения.
В отличие от ЭСМ в покое ИУ позволяет: 1) осуществить совместное искусственное и естественное сокращение мышц; 2) провести дифференцированную тренировку только тех групп мышц, которые необходимы для выполнения данного двигательного акта; 3) органически связать тренировку мышц с координацией движений путем наложения амплитудно-временных программ ЭСМ на соответствующие программы их возбуждения в течение двигательного цикла; 4) получить тренировочный эффект в условиях, близких к физиологическим.
Метод ИУ имеет три основные функции, которые могут быть обозначены как: диагностическая, прогностическая и терапевтическая (Н.И.Кондрашин и соавт., 1983). Диагностическая функция ИУ базируется на возможности устранения дефекта движения с помощью приложения добавочных мышечных сил, вызванных электрическим воздействием. С этой целью производят пробную ЭСМ в те фазы шага, в которых наблюдается нарушение движения, предположительно связанное с ДМФ при ходьбе. Нормализация движения во время электростимуляции становится прямым указанием на недостаточность работы соответствующих мышц. Таким способом удается разграничить двигательные дефекты, обусловленные ДМФ, от других видов двигательных нарушений. Однако с помощью ИУ можно установить не только фазу проявления ДМФ в двигательном цикле, но и степень мышечной недостаточности. О последней судят по той интенсивности электрического раздражения, которая необходима для получения сокращения мышцы, вызывающего отчетливый коррекционный эффект.
Прогностическая функция ИУ тесно связана с диагностической: о благоприятном исходе тренировки мышц можно говорить лишь в том случае, когда уже при предварительном испытании удается в значительной мере уменьшить ДМФ путем применения электрических воздействий небольшой интенсивности.
Однако самой важной функцией является терапевтическая. Она предусматривает решение трех задач: повышение функциональных свойств ослабленных мышц, коррекцию неправильно выполняемых движений, выработку двигательного стереотипа, в той или иной степени приближающегося к норме.
Повышение функциональных свойств ослабленных мышц при ИУ происходит в процессе коррекционной тренировки при ходьбе. Особенность этой тренировки заключается в том, что электростимуляции подвергаются только мышцы с недостаточной функцией, что для их возбуждения используются средней интенсивности раздражения, выбираются соотношения интервалов работы и покоя мышц, свойственные нормальной ходьбе человека. Кроме того, эта тренировка способствует улучшению координации двигательного акта, поскольку ИУ обеспечивает сокращение мышц и связанную с ним афферен- тацию именно в те фазы шага, когда отмечается естественное возбуждение и сокращение мышц при ходьбе.
Коррекция движений при ходьбе предполагает выполнение трех условий: выбора управляемых элементов ходьбы (корректируемых движений и стимулируемых мышц), определения временной программы ЭСМ в течение шага и способа ее задания, установления амплитудной программы ЭСМ, т.е. вида и параметров электрических стимулирующих сигналов.
Выбор корректируемых движений и стимулируемых мышц опирается на следующие принципы: 1) получение наибольшего биомеханического эффекта при ходьбе путем коррекции наименьшего числа движений; 2) использование однозначных приемов коррекции при исходном характере двигательных нарушений, так называемый синдромологический подход к выбору управляемых элементов ходьбы; 3) первоначальное восстановление силовых, а затем уже коррекционных компонентов локомоторного акта.
В соответствии с этими принципами преимущественным объектом ЭСМ должны быть мышцы-разгибатели, работа которых направлена на перемещение тела и создание его устойчивости при ходьбе. Восстановление силовых компонентов следует осуществлять сверху вниз, начиная с разгибателей и отводящих мышц бедра (большой и средней ягодичных мышц) и переходя далее к разгибателям коленного и голеностопного суставов — четырехглавой мышце бедра и трехглавой мышце голени. Лишь после нормализации деятельности этих мышц необходимо улучшать работу мышц-сгибателей, выполняющих при ходьбе в основном вспомогательную функцию коррекции движений и положений отдельных сегментов конечности, например подъем стопы в переносный период, замедление движения голени при приземлении ноги и т.п. Отсюда также следует необходимость первоочередной коррекции движений в опорный период и последующей коррекции в переносный период шага.
Использование этих принципов применительно к ходьбе больных ДЦП означает, что главным объектом коррекции являются установочные деформации в суставах, формирующие сгибательную позицию ног в опорный период шага. Как известно, именно это порочное положение нижних конечностей вызывает искажение кинематического и динамического рисунков ходьбы, значительное повышение ее энергетической стоимости. Для нормализации позовой характеристики ходьбы могут быть использованы различные приемы: электростимуляция мышц-разгибателей тазобедренного, коленного и голеностопного суставов. Однако для большинства больных ДЦП оптимальной является коррекция движений в тазобедренном суставе в первые две трети опорного периода посредством одновременной стимуляции большой и средней ягодичных мышц. Такая коррекция обеспечивает не только выпрямление ноги в течение большей части опорного периода, а также ее отведение и наружную ротацию, но и значительное уменьшение раскачиваний туловища относительно фронтальной и сагиттальной плоскостей.
Более ограниченный эффект дает коррекция движений в коленном суставе в конце переносного и первой половине опорного периода путем стимуляции четырехглавой мышцы бедра: при этой коррекции достигается выпрямление ноги в конце переносного периода и в опорный период шага, но остаются внутренняя ротация и приведение бедер, колебания туловища.
Еще реже возникает необходимость в коррекции движений в голеностопном суставе посредством стимуляции трехглавой мышцы голени в середине опорного периода: в результате этой коррекции уменьшается сгибание ноги в опорный период и усиливается отталкивание стопой от опоры.
После нормализации позовой характеристики ноги в опорный период целесообразно улучшение движений в переносный период шага. На первый план здесь выступает коррекция разгибания стопы в конце опорного и в течение переносного периодов посредством стимуляции передней большеберцовой мышцы. Благодаря этой коррекции улучшается подъем стопы в начале переносного периода и следующий шаг начинается с опоры на пятку, а не с носка.
Меньшее значение имеет коррекция сгибания в коленном суставе в переносный период посредством стимуляции мышц-сгибателей голени в конце опорного и в начале переносного периодов шага: такая коррекция способствует увеличению амплитуды сгибания в суставе и, следовательно, облегчению переноса ноги. При наличии ре- курвации в суставе стимуляция данных мышц показана и в первой половине опорного периода.
Таким образом, на основании клинико-биомеханического анализа наиболее предпочтительными коррекциями движений при ходьбе больных ДЦП следует считать коррекцию разгибания и отведения в тазобедренном суставе и тыльного сгибания в голеностопном суставе.
Эти коррекции могут осуществляться как раздельно, так и в разных сочетаниях. При гемипаретической форме ДЦП и спастической диплегии во многих случаях целесообразна комбинация обеих коррекций соответственно на одной или двух ногах.
Следующая задача состоит в определении временной программы ЭСМ и способа ее задания в течение цикла ходьбы. Как правило, фазы ЭСМ соответствуют фазам естественного возбуждения и сокращения мышц при ходьбе. Такими фазами для мышц-разгибателей тазобедренного и коленного суставов являются последняя треть переносного и первые две трети опорного периодов, для трехглавой мышцы голени — вторая треть опорного периода, для мышц- сгибателей бедра и разгибателей стопы — конец опорного и первая половина переносного периодов. Следует, однако, иметь в виду сугубую приблизительность этих фаз, обязательно уточняемых в процессе самого искусственного управления. Временная программа ЭСМ может быть задана принципиально с помощью любого параметра, характеризующего ходьбу человека. При выборе параметра необходимо учитывать следующие требования: 1) параметр должен непосредственно описывать управляемое движение: 2) приращение параметра в рассматриваемую фазу шага должно быть достаточным; 3) вариабельность значений параметра в разных циклах ходьбы должна быть минимальной; 4) измерение параметра должно быть простым, надежным и обеспечивать требуемую точность работы искусственной системы управления (ИСУ).
Этим требованиям наиболее полно отвечают кинематические параметры (углы сгибания и разгибания в суставах), поскольку они отражают движение конечности, имеют достаточный диапазон изменения, мало варьируют в разных циклах ходьбы, поддаются простому и точному измерению. При этом в плане синхронизации временной программы ЭСМ с фазами шага наиболее удобно использовать угловые перемещения в коленном суставе в переносный период и в тазобедренном суставе в оба периода шага, измеряемые с помощью датчиков коленного или тазобедренного угла.
При применении датчика коленного угла момент его срабатывания в фазу разгибания в суставе является общим для возбуждения всех мышц, функционирующих в конце переносного и в первой половине опорного периода (большая и средняя ягодичные мышцы, четырехглавая мышца бедра), а момент срабатывания датчика в фазу сгибания — общим для возбуждения мышц, работающих в конце опорного и первой половине переносного периодов (передняя большеберцовая мышца, сгибатели голени и бедра).
Использование датчика коленного угла позволяет осуществить ЭСМ без введения временной задержки между моментом срабатывания датчика и началом стимуляции. Лишь для возбуждения мышц, активируемых в средней трети опорного периода (трехглавая мышца голени и др.)г Необходима временная задержка 0,3—0,5 в зависимости от темпа передвижения.
В тех случаях, когда невозможно осуществить задание временной программы ЭСМ посредством датчика коленного угла (малый угол сгибания в суставе или примерно равные величины углов сгибания в опорный и переносный периоды), должен быть применен датчик тазобедренного угла. При этом варианте момент срабатывания датчика в фазу сгибания в тазобедренном суставе используется для возбуждения мышц, работающих в первую половину опорного периода, а момент срабатывания в фазу разгибания в суставе — для возбуждения мышц, активирующихся в середине и в конце опорного периода.
Для коррекции движений при ходьбе предложен также датчик положения туловища относительно фронтальной плоскости (А.М.Журавлев и соавт., 1980). Момент срабатывания этого датчика при наклоне в одну сторону служит для возбуждения мышц противоположной стороны, работающих в конце переносного и в первую половину опорного периода шага.
В работах зарубежных авторов в качестве датчика синхронизации ЭСМ с фазами шага широко используется опорный датчик, вмонтированный в стельку. Этот датчик удобен в эксплуатационном отношении, но требут специальной временной программы ЭСМ при изменении темпа ходьбы.
Степень усиления мышечной функции определяется амплитудной программой ЭСМ, т.е. интенсивностью примененного электрического раздражения. В разработанном нами методе в качестве стимулирующего сигнала используется последовательность импульсов тока амплитудой 65 мА, длительностью от 30 до 350 мкс, частотой следования 40—50 Гц. Интенсивность сигнала подбирают индивидуально; сначала устанавливают величину напряжения, дискретно изменяя ее от 30 до 60 В при минимальной длительности импульса 20—30 мкс, затем плавно увеличивают длительность импульса до получения необходимой степени сокращения мышцы. Обычно подбирают такую интенсивность ЭСМ, которая при коротком применении (не свыше 0,6 с) обеспечивает отчетливую коррекцию движений при ходьбе. Более точному подбору амплитудной программы ЭСМ способствует предварительная пробная коррекция движений и специально подобранных поз нижних конечностей при стоянии, имитирующих патологические установки в суставах ног в тех случаях, когда они слабо выражены.
Режимы ЭСМ при ходьбе больных ДЦП определяются тяжестью поражения и тесно связанными с ней основными характеристиками локомоции: темпом и длиной шага. При среднем темпе ходьбы больных, когда длительность цикла составляет 1,4 с, средняя продолжительность стимуляции в течение цикла не превышает 0,7 с, а длительность отдыха мышц равна не менее 0,7 с. При ходьбе на расстоянии 1 км при средней длине шага 0,5 м больной получает 1000 стимуляци- онных посылок общей длительностью 500 с, если длительность ЭСМ в течение цикла равна 0,5 с. Несмотря на значительную продолжительность стимуляции, больные практически не утомляются при ходьбе с коррекцией, так как ЭСМ вызывает дополнительное сокращение, обычно не выходящее за пределы средних сокращений мышцы.
Тем не менее больным рекомендуется ходить с коррекцией в течение дня не более 2 км с периодическим отдыхом через каждые 0,5 км. В первые дни тренировки и при значительных нарушениях локомоции ходьба должна быть ограничена до 0,5 км. Общий курс состоит из 20 ежедневных сеансов, после чего желательно или поддерживающее лечение (1—2 сеанса в неделю), или повторный курс не ранее чем через полгода. Во время тренировок, особенно при проведении первого курса, необходимо медицинское наблюдение.
ЭСМ при ходьбе имеет практически те же медицинские показания и противопоказания, что и ЭСМ в покое. Однако коррекционная тренировка при ходьбе предъявляет более жесткие требования к нормализации периферического фона, под которой следует понимать прежде всего устранение спастических контрактур в суставах, и, следовательно, улучшение подвижности в них. Отсюда ясно, что хирургическое вмешательство должно обязательно предшествовать в необходимых случаях курсу ЭСМ, тогда как проведение курса закрепляет позитивные результаты хирургического лечения.
Реализация метода ИУ стала возможной благодаря разработке принципиально новых средств, так называемых корректоров движений КД (Л.А.Савельев, 1973; Г.И.Михайличенко, 1974; Э И.Борисов и соавт., 1977; А.С.Витензон и соавт., 1979, 1980; Kondrashin et al, 1981; Libersoii et al, 1961; Vodovnik et al, 1966; Dimitrijevic et al, 1968; Kraly et al, 1971; Trankoczy et al, 1979; Pirnat, Trankoczy, 1981).
Основные закономерности кинематики и динамики ходьбы при коррекции движений в обоих тазобедренных суставах могут быть проиллюстрированы на одном из примеров.
Больной А-н, 16 лет. Диагноз: спастическая диплегия, преимущественный парез большой и средней ягодичных мышц, подошвенных и тыльных сгибателей стоп. Больной ходит на полусогнутых ногах; движения в коленных суставах, особенно слева, ограничены, отмечаются сагиттальные и фронтальные раскачивания туловища.
Особенности ходьбы этого больного отражают основные черты походки больных ДЦП: резкое увеличение угла сгибания в коленном суставе в начале опорного периода и его уменьшение в переносный период, сдвиг части кинематических кривых для коленного и тазобедренного углов вверх от нулевой линии, что означает сгибательную позицию нижних конечностей при ходьбе, искаженную динамограмму вертикальной и продольной составляющих опорной реакции.
Под влиянием коррекции разгибания в обоих тазобедренных суставах посредством попеременной электростимуляции большой и средней ягодичных мышц с каждой стороны достигается улучшение кинематики и динамики ходьбы: а) увеличиваются углы разгибания и скорости этих движений в коленном и тазобедренном суставах в первой половине опорного периода, что указывает на выпрямление нижних конечностей; б) увеличивается амплитуда движений в проксимальных суставах ног в переносный период; в) происходит нормализация вертикальной составляющей опорной реакции, свидетельствующая о повышении опороспособности нижних конечностей; г) несколько улучшается временная характеристика шага для правой ноги. Наряду с этим клинически отмечено уменьшение сагиттальных и фронтальных колебаний туловища.
В результате курса коррекционной тренировки мышц при ходьбе (20 сеансов) отмечается прирост силы и максимальной электрической активности стимулируемых мышц (50—60%), происходит оптимизация основных характеристик ходьбы (увеличение длины шага, темпа и скорости), улучшение временных, кинематических и электрофизио- логических параметров. Электрическая активность мышц нижних конечностей при ходьбе уменьшается на 17%. Энергозатраты в течение шага снижаются по сравнению с исходным уровнем на 31%.
Все больные отмечают увеличение устойчивости при ходьбе, уменьшение скованности движений, меньшую утомляемость и в связи с этим возможность пройти большее расстояние, притом с более высокой скоростью. Этот эффект длится от полугода до года, после чего начинает постепенно уменьшаться.
Особое значение приобретает метод ИУ движениями после хирургического лечения больных ДЦП: он способствует формированию нового двигательного стереотипа на фоне частично нормализованной биомеханики ходьбы. Многочисленные наблюдения показывают, что в этом случае реабилитация больных происходит значительно быстрее и является более эффективной.
Нормализация сагиттальных колебаний туловища возможна в результате лечения, в том числе хирургического. Эти колебания во многом зависят от фиксированного наклона таза кпереди, обусловленного спастической контрактурой мышц-сгибателей тазобедренного сустава: подвздошно-поясничной, прямой мышцей, напрягающей широкую фасцию бедра. В этой биомеханической ситуации анормальные колебания туловища в сагиттальной плоскости являются, по-видимому, компенсаторным механизмом, способствующим локомоции. Уменьшение этих патологических колебаний туловища достигается с помощью хирургических вмешательств, направленных на высвобождение таза из фиксированного наклона кпереди. Наиболее эффектной оказалась операция низведения прямой мышцы бедра.
Значительно труднее нормализовать фронтальные колебания туловища. Они обусловлены, во-первых, нарушением силового баланса мышц в области тазобедренного сустава, обеспечивающих движения во фронтальной плоскости — приводящих и отводящих мышц бедра, в связи с чем часто отмечается положительный симптом Тренделен- бурга; во-вторых, слабостью мышц спины, которые ограничивают перемещение общего центра тяжести во фронтальной плоскости — реберно-подвздошной, сакроспинальной, средней и большой ягодичных мышц. Если при ходьбе в норме колебания туловища во фронтальной плоскости не превышают +5", у значительной части больных ДЦП они увеличены, достигая в тяжелых случаях +30". Эти движения обусловлены дистонией и силовым дисбалансом мышц туловища и тазового пояса. Произвольная коррекция этих колебаний самим больным невозможна в силу существующей двигательной патологии.
В связи с этим нами (А.М.Журавлев с соавт.. 1982) был разработан электрический ортез коррекции патологических фронтальных движений туловища при ходьбе. В комплект ортеза входят: портативный 2- канальный электростимулятор, две пары электродов, датчик фронтальных наклонов туловища. Электростимулятор вырабатывает серии электрических импульсов амплитудой, регулируемой дискретно от 25 до 70 в с максимальной средней и мгновенной мощностями соответственно до 0,12 и 30 ВА, период и длительность импульсов, задержка и продолжительность стимуляции регулируются плавно в диапазонах 10—25 мс, 30—300 мкс, 0—0,5 с и 0,2—2,0 с соответственно. Стимуляция индуцируется звуком.
Тканые электроды устанавливаются в клинически обусловленных комбинациях на мышцы: четырехглавую, среднюю ягодичную и широчайшую мышцу спины. Датчик фронтальных наклонов туловища содержит два регулируемых замыкателя, реагирующих на наклоны относительно горизонтали и устанавливается на спине больного. При наклонах больше установленного значения датчик вызывает срабатывание соответствующего канала электростимулятора и возбуждение мышц.
Курс лечения состоит из 20 сеансов, каждый продолжительностью до 1,5 часов ходьбы по ровной местности с пятиминутными перерывами через 15 минут для отдыха и проверки настройки ортеза.
Непосредственный эффект при включении ортеза выражается в отчетливом визуальном уменьшении колебаний туловища во фронтальной плоскости при ходьбе и исчезновении симптома Тренделен- бурга, улучшении рисунка ходьбы. Зарегистрировано уменьшение колебаний туловища в среднем на 50%. Повышение устойчивости, улучшение биомеханических параметров ходьбы, облегчение ходьбы и ощущение больным двигательного комфорта, достигнутые после курса лечения, сохранялись, постепенно снижаясь, на протяжении полугода.