МЕТОД И УСТРОЙСТВО ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ МЫШЦ ПРИ ПАТОЛОГИЧЕСКОЙ ХОДЬБЕ
А.С. Витензон, А.М. Буровой
Центральный НИИ протезирования и протезостроения
127486, Москва, ул. Ивана Сусанина, д. 3, тел. (095) 488-40-70, E-mail: csrpi@cityline.ru
В течение длительного времени проблема восстановления двигательных функций сводилась к применению различных методов лечебной физкультуры (ЛФК), физиотерапии и протезирования.
В результате двадцатипятилетних углубленных клинических и биотехнических исследований в институте разработаны метод и устройства искусственной коррекции движений (ИКД), предназначенные для медицинской реабилитации большого контингента больных с нарушениями опорно-двигательной системы.
Метод ИКД. Сущность метода ИКД состоит в применении многоканальной электростимуляции (ЭС) мышц в точном соответствии с естественной программой возбуждения и сокращения мышц в двигательном акте. Благодаря этому в процессе многодневной тренировки повышается жизнедеятельность мышц, корректируются нарушенные движения и вырабатывается приближенный к норме двигательный стереотип. Физиологической предпосылкой формирования правильного стереотипа под влиянием ИКД является установленная нами нейрофизиологическая закономерность: локомоторные центры становятся восприимчивыми к афферентным коррекционным воздействиям лишь в фазы возбуждения мышц в двигательном цикле.
Далее нами показано, что помимо ранее упомянутой терапевтической функции (усиления работы мышц и выработки стереотипа) метод ИКД имеет диагностическую и прогностическую функции.
Диагностическая функция состоит в распознавании дефицита мышечной функции (ДМФ) при ходьбе, его степени и фазы проявления в цикле.
Прогностическая функция тесно связана с предыдущей: эффективная коррекция движений во время пробного сеанса ЭС мышц при ходьбе дает основание для благоприятного прогноза.
Установлено также, что метод ИКД имеет значительные преимущества перед ЛФК и ЭС в покое, благодаря высокой избирательности, точности воздействия и эффектам быстрого восстановления координации движений.
До последнего времени, судя по зарубежным публикациям, единственными объектами применения функциональной электрической стимуляции (ФЭС) являлись спастические параличи конечностей вследствие заболеваний или поражений головного и спинного мозга. Авторы этих исследований полагали, что утраченные функции центральной нервной системы можно в известной степени заменить искусственной системой управления.
Такой подход резко суживал область применения метода и средств ИКД, ограничивая ее лишь некоторыми неврологическими заболеваниями.
В институте развита и широко апробирована новая идея применения систем ИКД. Согласно этой концепции, основным показанием к назначению ИКД является ДМФ любого происхождения, приводящий к нарушению биомеханической структуры двигательного акта, например, ходьбы человека. При этом, как нами установлено, ДМФ может иметь как органический (абсолютный), так и функциональный (относительный) характер. В первом случае он связан непосредственно с поражением нервно-мышечных структур, во втором - с изменением функционирования мышц вследствие нарушения биомеханических условий их работы.
Благодаря этой концепции значительно расширяется сфера применения метода ИКД: практически она распространяется на пять областей медицины: неврологию, нейрохирургию, травматологию, ортопедию и протезирование, однако не исключена возможность ее применения в других медицинских дисциплинах (ангиологии и кардиологии).
Реализация метода ИКД складывается из пяти основных операций.
Выбор корректируемых движений и стимулируемых мышц, определяющий их наиболее рациональную комбинацию. Выдвинуты три основные принципа выбора: энергетический (применение наименьшего числа, но наиболее эффективных коррекций), синдромологический (независимость коррекционных воздействий от этиологии и патогенеза заболеваний) и динамический, в соответствии с которым в первую очередь к ЭС должны быть привлечены мышцы-разгибатели нижних конечностей и туловища, обеспечивающие устойчивость тела и локомоторную функцию при ходьбе, а лишь затем мышцы-сгибатели, имеющие коррекционную функцию. Предложена оригинальная классификация коррекционных воздействий: основные, дополнительные и вспомогательные.
Установление вида и параметров ЭС мышц. На основе биотехнических исследований определены следующие параметры стимулирующих импульсов (СИ): последовательность СИ прямоугольной формы (однофазных и бифазных) с частотой следования до 50 - 60 Гц, длительностью от 20 до 255 мкс, амплитудой до 60 - 70 В (или силой тока до 255 мА). Приведенные параметры обеспечивают в пределах комфортной (безболевой) зоны достаточный коррекционный эффект.
Определение алгоритма временной программы ЭС мышц в течение цикла. В результате электромиографических исследований установлен электромиографический профиль мышц тела человека, что позволило построить временную программу ЭС в соответствии с фазами возбуждения и сокращения мышц в локомоторном цикле при разных темпах ходьбы. Во всех вариантах построения временной программы для согласования ЭС с фазами шага использованы датчики, регистрирующие угловые перемещения в суставах нижних конечностей.
Выбор типа, размеров накожных электродов. Разработаны эластичные многослойные электроды, содержащие углеродистую токопроводящую ткань; установлена прямоугольная форма электродов с соотношением сторон 1 : 4¸. Расположение электродов на теле соответствует анатомической локализации мышц.
Поиск рационального режима ЭС при ходьбе. Выяснена средняя интенсивность электрического раздражения мышц, вызывающая прирост на 20 - 25% их произвольного сокращения при ходьбе, выбрано время коррекционной тренировки (40 - 60 мин.), предельное расстояние, проходимое больным с коррекцией движения (2 км), максимальное число ежедневных сеансов (15 - 20 в течение месяца).
Средства аппаратной реализации метода ИКД. На основе метода ИКД разработаны два типа многоканальных корректоров, представляющих собой электронные стимуляторы, обеспечивающие подачу стимулирующих сигналов в соответствующие фазы шага.
В настоящее время в институте завершена разработка не имеющего отечественных и зарубежных аналогов восьмиканального корректора движений, управляемого персональным компьютером. Главное его отличие от ранее применявшейся системы коррекции движений состоит в том, что этот корректор полностью адаптирован к темпу выполняемых движений.
Алгоритм работы корректора состоит в том, что измеряется длительность цикла между экстремальными значениями суставных углов и программируются фазы электростимуляции мышц в % к длительности цикла в соответствии с электромиографическим профилем мышц. Параметры ЭС: последовательность электрических прямоугольных импульсов по восьми каналам частотой 40 - 100 Гц, амплитудой от 30 до 255 мА (дискретность установки 1 мА), длительностью от 20 до 255 мкс (дискретность установки 1 мкс). Точность выполнения временной программы ЭС - 1% цикла предыдущего шага.
Портативные системы предназначены для использования средств ИКД с целью закрепления двигательных навыков, сформированных во время лечения в стационаре.
В 1987г. в ЦНИИПП начат серийный выпуск единственного в нашей стране портативного корректора движений, названного аппаратом ортопедическим АН8-27. Прибор предназначен для коррекции ходьбы больных с парезами ног и инвалидов на протезах нижних конечностей.
В комплект его поставки входят двухканальный портативный электростимулятор, два контактных угловых датчика синхронизации, устанавливаемые в области коленного или тазобедренного суставов, эластичные электроды многоразового пользования, манжеты для фиксации датчиков и электродов на теле больного.
Стимулятор питается от аккумулятора напряжением 9 В. Масса стимулятора 310 г. Габаритные размеры 124 ´ 93 ´ 43 мм.
Результаты реабилитации больных с поражениями и заболеваниями опорно-двигательной системы. К настоящему времени в клинике ЦНИИПП метод ИКД применен с высоким клиническим результатом свыше 4500 больным: при последствиях полиомиелита, при последствиях повреждений спинного мозга на разном уровне, при детском церебральном параличе, при гемипарезе вследствие острого нарушения мозгового кровообращения, при I - II стадиях сколиотической болезни, при остеохондрозе пояснично-крестцового отдела позвоночника, при переломах тел грудных и поясничных позвонков, при переломах костей голени с образованием ложных суставов, у инвалидов с культями голени или бедра, пользующихся протезами нижних конечностей.
Установлено, что за 20-дневный курс лечения удается получить такой восстановительный эффект, который при других способах реабилитации достигается лишь после упорной многомесячной тренировки, особенно при последствиях спинномозговых повреждений. В целом сроки реабилитации могут быть сокращены в 2 - 3 раза. Для домашнего пользования выданы больным после прохождения курса лечения в стационаре 3000 портативных корректоров движений.
С помощью комплекса биомеханических и электрофизиологических исследований получена объективная оценка достигнутых результатов.
Показано, что у больных, получивших лечение с применением метода ИКД, наблюдается два типа изменений: во-первых, повышаются функциональные свойства мышц, во-вторых, нормализуется биомеханическая и иннервационная структура ходьбы. Первое выражается в увеличении силы мышц, повышении их максимальной электрической активности, улучшении кровообращения конечности. О втором свидетельствует:
возрастание основных характеристик ходьбы (темпа, длины шага, скорости);
нормализация временной структуры шага;
приближающийся к норме рисунок движений в основных суставах ноги, уменьшение хромоты, раскачиваний туловища;
возрастание опорной и толчковой функций нижних конечностей;
увеличение активности и упорядочение работы мышц при ходьбе;
снижение энерготрат.
В клиническом плане наблюдается повышение устойчивости и большая выносливость при ходьбе, уменьшение использования опоры на костыли и трости, купирование болевого синдрома при корешковых заболеваниях, нормализация формы позвоночника при сколиозе, более быстрое и полноценное сращение костей голени, улучшение функции тазовых органов при спинномозговых поражениях и другие положительные симптомы.
Метод ИКД имеет широкую перспективу применения в различных областях отечественной медицины для более эффективной реабилитации больных и инвалидов с поражениями и заболеваниями опорно-двигательной системы.