Опорно-двигательной системы

2.3.1. Физические параметры опорно-двигательного аппарата (ОДА)

и методы их определения.

В последнее десятилетие в отечественной восстановительной медицине стали использоваться новые технологии диагностики и реабилитации пациентов с врожденными и приобретенными заболеваниями опорно-двигательной и нервной систем. Наиболее прогрессивным методом восстановительного лечения двигательных патологий, который отличается максимальной активизацией собственных резервов организма, является метод биологической обратной связи (БОС).

Принцип биологической обратной связи при реабилитации пациентов с двигательной патологией основан на постоянном контроле двигательных параметров (временных, кинематических, силовых, электрических и др.) в процессе лечения, что позволяет:

1. Целенаправленно воздействовать на те области органов и систем, которые прежде всего нуждаются в восстановлении их функций, а не тратить время и силы, полагаясь на метод «проб и ошибок». Это особенно актуально для двигательных патологий, так как даже опытный врач не сможет визуально определить характер и глубину большинства патологических изменений опорно-двигательного аппарата человека. Постянно корректировать степень (и, возможно, локализацию) воздействия на те или иные области с целью максимально приблизить функцию ходьбы к физиологической норме. Это необходимо делать, так как разные пораженные области восстанавливаются с разной интенсивностью.

2. Оценить результативность выбранного способа лечения и при необходимости скорректировать или изменить его.

Исходя из того, что, используя метод БОС, необходимо проводить регистрацию различных двигательных параметров, технические средства его реализующие совмещают в себе два режима:

1. режим диагностический;

2. режим реабилитации,

так как в обоих режимах производится регистрация двигательных параметров.

При восстановлении двигательных функций ходьбы роль механизма обратной связи играют различные методы клинического анализа движений (КАД), чувствительность которых позволяет регистрировать необходимые двигательные параметры и выдавать результаты измерений в режиме реального времени (синхронно с движениями пациента).

Роль КАД в восстановительной медицине трудно переоценить. Двигательная патология и ее степень практически не может быть реально определена физическим обследованием пациента с помощью органов чувств или рутинными инструментальными методами. Для этого необходимы специальные технические средства.

Например, движения в суставах. Врач может оценить относительно правильно только пассивную амплитуду движений в суставе посредством измерения ее гониометром – аналогом транспортира с двумя браншами. Будет излишне думать, что это и есть исчерпывающая информация. Уже амплитуда активных движений у больного может существенно отличаться от пассивной. И если амплитуду еще можно попробовать измерить, то обнаружить сам характер движения – его нарастание, убывание, торможение, переход при блокаде в другую плоскость или переключение на другие сегменты тела или нестабильность сустава – в определенных положениях и движениях уже совершенно невозможно. И это несмотря на то, что весь процесс носит визуально обнаруживаемый характер. Но человеческие органы чувств не в состоянии корректно донести данную информацию. На этом пути и происходит заблуждение и самообман врача. Достаточно посмотреть на гониограмму (график изменения амплитуды движения в суставе от времени на рисунке 1.1), например тазобедренного сустава, чтобы понять – глаз не в состоянии уловить такие изменения и такие отличия.

Если человеческий глаз заблуждается относительно не очень быстрых и не так уж сложно изменяемых движений в суставах и сегментах тела, то, что можно сказать о внутренней структуре движения, включении мышц в двигательный акт, которое происходит с чередованием активного действия и расслабления (рисунок 1.2). Вся эта информация находится вне органов чувств. С другой стороны, именно от нее зависит определение не предполагаемого, а реального характера двигательной патологии.

Комплекс, о котором пойдет речь ниже, направлен на восстановление двигательных функций у пациентов, нуждающихся в активной реабилитации – это больные с различного рода ортопедической, суставной, неврологической, нейромышечной патологией и другими заболеваниями центральной и периферической нервной систем, которые приводят к двигательным патологиям ходьбы. Данные категории больных имеют высокий реабилитационный потенциал и нуждаются в проведении активных лечебных мероприятий.

В качестве активного метода восстановления в данном комплексе используется электромиостимуляция, производимая во время ходьбы пациента по беговой дорожке.

Патологии в опорно-двигательном аппарате человека могут быть различной природы (ортопедо-травмотологической, неврологической, терапевтической и т.д.), но их всех объединяет наличие нарушения различного рода двигательных функций.

Наибольшее значение для жизнедеятельности человека является ходьба, как основной двигательный акт. Ходьба, как и любой другой двигательный процесс, должна подчинятся двум основным требованиям: осуществлять возможность самостоятельного передвижения в выбранном направлении и обеспечивать при этом расход минимального количества энергии. Другое требование – скорость передвижения – должна соответствовать или максимально приближаться к имеющейся задаче. Наличие патологического функционирования сустава, сегмента или всей конечности приводит к включению компенсаторных механизмов, которые позволяют оптимизировать соотношение скорость-энергия.

В зависимости от глубины патологии компенсаторные механизмы могут включать различные уровни. Первой к изменившимся условиям ходьбы начинает адаптироваться пораженная конечность. При потере данной конечностью опорной функции она принимает среднефизиологическое или вынужденное положение. При сохранении опорной и двигательной функции начинается процесс развития компенсаторных механизмов. В компенсаторный процесс могут вовлекаться все суставы пораженной конечности. Одна из типичных реакций – снижение общей амплитуды движений в суставах больной конечности по сравнению с нормой и здоровой конечностью. При невозможности компенсации повышения энергетических затрат на относительно малом уровне только с использованием функциональных возможностей конечности происходит вовлечение здоровой конечности, что позволяет сохранить желаемую скорость передвижения при допустимом расходе энергии.

Современный клинический анализ движений включает в себя три основных двигательных теста, используемые для исследования:

· ходьба;

· основная стойка;

· произвольные циклические движения в суставах и сегментах тела.

Ходьба является генетически древней, хорошо автоматизированной, циклической локомоцией, которая, что немаловажно, включает действие всего опорно-двигательного аппарата. Таким образом, можно исследовать функцию всей опорно-двигательной системы, используя ходьбу как основной двигательный тест.

Поскольку на любую патологию организм отвечает попыткой компенсировать изменение функции с наименьшим ущербом для организма, то двигательная функция подчиняется тем же закономерностям. Ниже приведены параметры ОДА, которые доступны для проведения диагностических клинических исследований походки с кратким описанием возможных патологических изменений [1].

Временные параметры:

· Скорость ходьбы имеет только одну степень свободы как индикатор патологического процесса – снижение.

· Частота шага имеет две степени свободы реагирования на патологию – снижение и увеличение. Увеличение частоты шага выбирается как механизм компенсации при фатально короткой длине шага.

· Время цикла шага. Наиболее распространенная реакция на патологию – увеличение времени цикла шага (см. рисунок 2.2.2.1.).

· Период опоры и переноса. Обычный тип реагирования со стороны внутренней временной структуры цикла шага – увеличение периода опоры и уменьшение периода переноса (см. рисунок 2.2.2.1.).

· Период двойной и одиночной опоры. Типичная реакция – увеличение периода двойной опоры и уменьшение периода одиночной опоры (см. рисунок 2.2.2.1.).

Силовые параметры:

· Вертикальная составляющая реакции опоры – это сила, с которой ступня давит на поверхность

· Продольная составляющая реакции опоры. Общая закономерность – уменьшение амплитуд переднего и заднего толчка.

Кинематические параметры:

· Длина шага может реагировать на патологию только в сторону снижения, более короткого шага.

· Ширина шага. Типичная реакция – увеличение, что дает повышение устойчивости. Ширина шага может и уменьшаться, что указывает на патологию либо тазобедренного сустава, либо приводящих мышц бедра.

· Угол разворота стопы. В норме оси сгибания-разгибания коленного и голеностопного суставов ротированы (повернуты) кнаружи. Поэтому необходимы адаптивные движения приведения-отведения и ротационные.

· Движения сгибания-разгибания в суставах. Наиболее типичная реакция со стороны кинематики суставов – тотальное уменьшение амплитуд.

Электрические параметры:

· Биоэлектрическая активность мышц. Известно, что мышца сокращается под действием электрических импульсов, приходящих из центральной нервной системы по нервным окончаниям. Таким образом, в процессе сокращения мышцы можно регистрировать суммарную составляющую ЭДС, спроецированную на поверхность тела пациента (см. рисунок 2.2.2.4). Чаще всего при патологии имеется тенденция к уменьшению биоэлектрической активности мышц, но возможен и обратный вариант (нейропатологические процессы).

Важным показателем также является симметрия всех вышеперечисленных параметров (кроме скорости ходьбы, частоты шага и времени цикла шага) для правой и левой ноги. Если параметры, регистрируемые на одной ноге, в значительной степени отличаются от соответствующих параметров на другой ноге, то это уже говорит о патологических изменениях походки, т.к. включаются компенсаторные механизмы и организм пытается распределить нагрузку в большей степени на более здоровую сторону.

В настоящее время имеются следующие стандартные методы клинического анализа движений (КАД) с использованием ходьбы как базового двигательного теста [17]:

· подометрия – измерение временных характеристик шага;

· гониометрия – регистрация кинематических характеристик движений в суставах и сегментах тела;

· функциональная электромиография – регистрация поверхностной ЭМГ (электромиография, осуществляемая с поверхности тела пациента).

· динамометрия – регистрация реакции опоры.

Подометрия. Методика позволяет регистрировать контакт с опорой четырех основных зон стопы: пяточная, головки первой и пятой плюсневых костей и носка стопы. Для этой цели используются специальные стельки со встроенными датчиками давления (тензодатчики), которые расположены в четырех основных зонах стопы (перечислены выше).

В отличие от распространенной в отечественных исследованиях в 60-80-х годах двухконтактной подометрии, четырехконтактная позволяет регистрировать, кроме базовых временных параметров (рисунок 2.2.2.1.), характеристики переката как в сагиттальной, так и во фронтальной плоскостях.

Необходимо отметить, что четырехконтактная подометрия стала в настоящее время общим стандартом для клинических исследований. Пример ряда основных временных параметров, получаемых при обследовании пациента, приведен в таблице 2.2.2.1. [1]

Таблица 2.2.2.1

	ЦШ	ПО	ПП	ДО	ПДО	ВДО	ОО	НВД	ПДО	ВДО
с	%	%	%	%	%	%	%	с	с
5% Среднее 95% Левая Правая	1,00 1,20 1,40 1,52 1,51	61,6 62,1 62,7 68,6 61,8	37.5 37,9 38,3 31,4 38,2	16,8 25,8 31,8 30,6 31,4	6,4 12,9 19,5 17,0 14,1	6,4 12,9 19,5 13,7 17,3	35,4 37,4 39,4 37,9 30,5	45,0 50,0 55,0 54,9 44,5	0,06 0,15 0,27 0,26 0,21	0,06 0,15 0,27 0,21 0,26

ЦШ – цикл шага, ПО – период опоры, ПП – период переноса, ДО – суммарный период двойной опоры, ПДО – первый период двойной опоры, ВДО – второй период двойной опоры, ОО – период одиночной опоры, НВД – начало периода второй двойной опоры. Параметры даны в секундах (с) и процентах (%) от времени ЦШ. Верхние три ряда параметров – нормативы (нижняя, средняя и верхняя границы нормы), ниже – результаты по каждой нижней конечности.

Временные параметры позволяют провести точную диагностику наличия хромоты, в том числе и в ее доклиническом выражении, диагностировать изменения ритмичности походки, определить различные типы нарушения процесса переката стопы по опоре. Клинически очень важные характеристики опорного периода и периодов двойной опоры позволяют установить функциональное состояние нижних конечностей. При сложной двусторонней патологии эти параметры определяют не только асимметрии функции, но и функционально более «успешную» сторону и детализируют фазы движения, которые наиболее критичны для выполняемой функции.

Рисунок 2.2.2.2

Гониометрия. При гониометрии происходит синхронизированная по времени регистрация кинематических характеристик движений в суставах и сегментах тела (сгибания-разгибания, отведения-приведения и ротации). Для этой цели используются оптоэлектронные трехкомпонентные датчики угла движения в суставе. На рисунке 2.2.2.2 представлен вид такого гониометра в составе аппарата «Стимул -2» производства фирмы МБН.

Несмотря на кажущуюся очевидность и визуальную определяемость движений в суст сегментах тела, человеческий глсостоянии реально определить структуру этих движений как дл маховых амплитудных движени малых амплитуд.

Врач может оценить относите правильно только пассивную амплитуду движений в суставе посредством измерения ее гониометром – аналогом трансп

На рисунке 2.2.2.3 показан примерный вид гониограмм тазобедренного (сверху) и коленного (снизу) суставов. Вертикальные прямые, проходящие через обе гониограммы, показывают длительность цикла шага (цикл ходьбы – ЦХ).

Длительность между любыми одинаковыми экстремумами гониограмм также равна длительности цикла шага. Такое исследование движений в суставах уже позволяет проводить точную диагностику двигательной патологии, обнаружить те изменения, о которых не может рассказать пациент и которые в отсутствии соответствующих технических средств не может обнаружить и врач. Поэтому гониометрия является одним из важнейших объективных исследований в клиническом анализе движений.

Функциональная электромиография. Немаловажной для исследований патологий двигательной активности является также информация о биоэлектрической активности мышцы. Такое исследование позволяет получить точную информацию о внутренней структуре движения. Так, например, если мышца имеет стойкое изменение фазовой активности (в сравнении с нормой) – аномальную фазовую активность, то ее нельзя стимулировать обычными методами, тренировать и т.д. Таким способом можно сделать патологически работающую мышцу еще сильнее и получить отрицательный функциональный результат.

Для проведения электромиографии применяется специализированный миограф с предварительным усилением сигнала непосредственно на отводящем электроде. Далее производится первичная обработка сигнала: выпрямление и сглаживание. Для этого в процессе обработки применяются следующие приемы:

· первый этап – детектирование и выпрямление сигнала с помощью двухполупериодного выпрямителя; в результате этого процесса происходит инвертирование всех колебаний определенной полярности и получение ЭМГ-колебаний одной полярности (рисунок 2.2.2.4, А и Б);

· второй этап – фильтрация (сглаживание) сигнала с помощью низкочастотного фильтра, результатом чего и является огибающая ЭМГ (рисунок 2.2.2.4, В)

Метод огибающей ЭМГ, приведенный к циклу движения, стал общепринятым стандартом в клиническом анализе движений. Поэтому конечный этап обработки это нормирование ЭМГ к циклу шага или циклу другого движения и усреднение биоэлектрической активности за несколько циклов. В результате отчет содержит профиль биоэлектрической активности мышцы в цикле шага в ее сравнении с соответствующей нормой (рисунок 2.2.2.5) [1].

Динамометрия. В качестве регистрирующего прибора используется трехкомпонентная динамометрическая платформа, позволяющая измерять, прилагаемое к ее поверхности усилие по вертикальной, продольной и поперечной (по отношению к направлению ходьбы) составляющим, а также регистрировать координату равнодействующей прилагаемого усилия (рисунок 2.2.2.6).

Динамометрия позволяет выявить силовую составляющую движения. Это глобальная динамическая характеристика всего тела человека, в которой находят свое индивидуальное отражение процессы, происходящие в различных ее отделах. Как и другие биомеханические показатели, динамометрия относится к тем физиологическим данным (развиваемые усилия, силовые взаимодействия в опорно-двигательной системе), которые невозможно определить с помощью других методов или посредством органов чувств.

На рисунке 2.2.2.7 показан результат регистрации силовых составляющих реакции опоры (тонкая линия – усредненная норма, толстая – регистрируемые данные), по которому врач может судить о двигательных патологиях данного пациента. В данном случае можно увидеть, что динамическая опороспособность правой нижней конечности существенно снижена, но достигает величины веса тела пациента; величина переднего и заднего толчков уменьшена (видно из продольной составляющей реакции опоры) и т.д. [1]

Стандартное биомеханическое исследование больного предполагает одновременное использование всех методик. Так, при исследовании походки необходимо синхронно проводить регистрацию временных характеристик шага, кинематики движений в суставах, функциональной ЭМГ и реакции опоры.

2.3.2. Системы для реабилитации и диагностики ОДА.

Система Lokomat

Система Lokomat - роботизированный реабилитационный комплекс для восстановления навыков ходьбы.

Базисная модель системы Lokomat состоит из блока Lokomat (системы роботизированной коррекции походки) и блока Lokobasis (системы, поддерживающей тело). Они используется в комбинации с тредмилом (беговая дорожка) системы Woodway. При ортопедической коррекции походки позиции могут регулироваться. Ноги пациента управляются согласно предварительно запрограммированным образцам физиологической походки. Компьютерное управление позволяет проводить индивидуальную коррекцию различных параметров походки.

Система Lokomat использует высококачественные двигатели (приводы), управляемые компьютером, которые интегрированы в ортопедический аппарат коррекции походки для каждого тазобедренного и коленного суставов. Датчики силы в соединениях точно измеряют взаимодействие пациентом с системой Lokomat. Приводы точно синхронизированы со скоростью движения тредмила. Эта чувствительная система обеспечивает точное соответствие между скоростью ортопедических движений и скоростью передвижения тредмила.

Для достижения подобия физиологической походки с помощью программного обеспечения производиться управление углом сгибания в тазобедренных и коленных суставах в реальном режиме времени. Чтобы гарантировать точное выполнение предопределенного образца походки, каждое из этих четырех соединений постоянно контролируется программой системы Lokomat.