CC BY
7
УДК 616.839-009.11
В.Ф. НИКОЛАЕВ, О.Л. БЕЛЯНИН, В.А. БОЛЬШАКОВ, Т.Н. БУРОВ, A.C. ДРОБАХА
Федеральный научный центр реабилитации инвалидов им. Г.А. Альбрехта, г. Санкт-Петербург
Принципы конструирования активных ортезов верхней конечности при вялых параличах
Контактная информация:
Николаев Вениамин Фёдорович — зам. директора института протезирования и ортезирования по научной работе Адрес: 195067, Санкт-Петербург, ул. Бестужевская, д. 50, e-mail: pko09_903@mail.ru
Цель исследования — изыскание принципов конструирования активных ортезов руки при различных формах вялых парезов и параличей для самообслуживания инвалидов.
Материал и методы. На основе анализа источников литературы (276 неврологических и 24 ортопедических) и определения характера неврологического и биомеханического дефицита функций верхней конечности у 31 инвалида с различными формами и степенями выраженности вялых парезов определялись нарушения ее двигательных синергий при решении тестовых задач самообслуживания. Выделена минимальная группа операций и действий жизнедеятельности, обеспечивающих самостоятельное существование инвалида.
Доступность операций исследовалась на стенде-имитаторе нагрузок с протоколированием возможности (0; 1) и качества их выполнения с балльной оценкой от 0 до 5 баллов. Параметрическими критериями качества действий были: зональная достижимость (± Z) объекта, развиваемое усилие (FкГ^) кисти и затраты на управление (+ U) по избыточности длины (+ AL) траекторий движений. Время выполнения (Тс) измеряли секундомером. Оценка эффективности действий проводилась по системе нормативов их структур и времени выполнения. Электроактивность сохранных мышц регистрировалась по схеме отведения: от трапециевидной мышцы до мышц тенара и гипотенара кисти. Исследовалась структура ЭМГ, ее амплитуда и мощность.
Результаты. Признаками разделения активных ортезов по группам является сохранность мышц плечевого пояса и плеча, группы предплечья и кистевой группы с их разделением по плечевому, локтевому и лучезапястному суставам. В зависимости от уровня поражения нарушаются либо операции схвата и удержания кистью и ее «мелкой» моторики при относительно сохранной способности к манипулированию всей рукой, либо, наоборот, снижается способность манипулирования рукой при сохранной функции кистевого схвата. Снижения оценочных параметров очень разнообразны у всех инвалидов. Электроактивность сохранных мышц при парезах деструктивна, но достаточна по мощности и может быть использована для управления активным ортезом руки.
Выводы. Сформулированные 7 принципов позволяют построить индивидуальный активный ортез верхней конечности при различных видах вялых парезов. Электроактивность сохранных мышц руки деструктивна, но достаточна по мощности и может быть использована для управления ее активным ортезом. Использование сигналов с других групп мышц трудоемко и малоэффективно.
Ключевые слова: верхняя конечность, вялые парезы, параличи, активные ортезы, принципы конструирования, электроактивность мышц.
(Для цитирования: Николаев В.Ф, Белянин О.Л., Большаков В.А., Буров Г.Н., Дробаха А.С. Принципы конструирования активных ортезов верхней конечности при вялых параличах. Практическая медицина. 2022. Т. 20, № 4, С. 75-80)
DOI: 10.32000/2072-1757-2022-4-75-80
V.F. NIKOLAYEV, O.L. BELYANIN, V.A. BOLSHAKOV, G.N. BUROV, A.S. DROBAKHA
Federal Scientific Center for Rehabilitation of the Disabled named after G.A. Albrekht, Saint Petersburg
Principles of constructing active orthoses of upper extremity in flaccid paralyses
Contact details:
Nikolayev V.F. — Deputy Director on research of the Institute of Prosthetics and Orthotics Address: 50 Bestuzhevskaya St., Saint Petersburg, 195067, e-mail: pko09_903@mail.ru
The purpose — to identify the cardinal principles of constructing active ortheses of a hand for self-service of invalids with different forms of flaccid paresis and paralyses.
Material and methods. Based on the analysis of literature sources (276 neurological and 24 orthopedic) and determining the nature of neurological and biomechanical deficit of the upper limb function, we identified breaches of motor synergy during self-service test in 31 invalids with different forms and degrees of flaccid paresis and paralyses of the upper limb. The minimum group of operations and actions in vital activity was identified, which provides independent existence of an invalid.
Accessibility of operations was researched on a stand-simulator of loads estimating the possibility (0; 1) and quality of their execution with scores 0 to 5. The parametric criteria of the action quality were: zonal reachability of the object (± Z), developed dinamometric effort of the hand (FN) and control cost (+ U) measured by the excess length of motion (+ AL). The execution time Ts was measured with a stopwatch. The efficiency of operations and actions was estimated with the standards of their structures and execution time. Electroactivity of the intact muscles was registered with a reference pattern: from the trapezium muscle to thenar and hypothenar of the hand. The structure? Amplitude and capacity of EMG were measured.
Results. Active orthoses are divided into groups according to the preservation of the shoulder girdle, the forearm and the wrist muscles and the corresponding joints. Depending on the level of the lesion, either the hand grasping and holding and motor skills are disrupted, with a relatively preserved ability to manipulate the arm, or, conversely, the ability to manipulate the arm decreases with the preserved function of the hand grip. The reductions in the estimated parameters are very diverse for the disabled people. The electroactivity of the preserved muscles in paresis is destructive, but it is sufficient in capacity and can be used to control the active orthosis of the hand.
Conclusions. The formulated seven principles make it possible to build an individual active orthosis of the upper limb for various types of flaccid paresis. The electroactivity of the preserved hand muscles is destructive, but sufficient in power and can be used to control the active orthosis. Using signals from other muscle groups is laborious and ineffective.
Key words: upper limb, flaccid paresis, paralysis, active orthoses, principles of construction, electroactivity of muscles.
(For citation: Nikolayev V.F., Belyanin O.L., Bolshakov V.A., Burov G.N., Drobakha A.S. Principles of constructing active orthoses of upper extremity in flaccid paralyses. Practical medicine. 2022. Vol. 20, № 4, P. 75-80)
У больных с вялыми парезами и параличами (ВПП) верхних конечностей (ВК) пассивные ортезы (ПО) применяются с целью профилактики контрактур и деформаций вК, коррекции патологических установок, а также с целью разработки движений в суставах и повышения уровня жизнедеятельности инвалида. Это требует эффективных технических средств реабилитации (ТСР) и, в частности, активных ортезов (АО) ВК.
Неврологические и биомеханические ограничения (дефицит) функций при ВПП ВК многообразны и достаточно сложны. По тяжести поражения и степени нарушения функций ВК больных с ВПП делят на три группы: с легкой и средней степенью и с тяжелыми, часто с двусторонними поражениями всей ВК и с нарушениями функции плечевого пояса. Первая и последняя группы нуждается только в ПО. Поэтому принципы конструирования АО ВК определяются, прежде всего, оценкой вида, уровня и степени функционального дефицита, остаточной функциональности ВК и возможностей компенсации нарушений с помощью ТСР при сохранных звеньях. Эффективность АО зависит также и от нейродина-мических, психомоторных и ментальных свойств инвалида, а выбор конструкции АО ВК является персонифицированным с подробной диагностикой.
Попытки создания АО ВК проводились и раньше [1]. Восстанавливались функции сгибания / разгибания локтевого сустава и пястно-фаланго-вых суставов кисти. Использовались реверсивные компактные электродвигатели и тягово-толкающие жесткие приводы. Управляющим сигналом служила электроактивность сохранных мышц [2]. Использование же других групп мышц, не включаемых естественно в данную моторную синергию, создавало трудности в обучении управлением АО ВК и часто оказывалось неэффективным.
Целью исследования является изыскание принципов конструирования АО ВК при различных формах вялых парезов для реализации операций самообслуживания инвалидов.
Задачи:
- проанализировать данные литературы для определения возможности использования ПО как основы АО;
- провести группировку больных по характеру неврологического и биомеханического дефицита в результате пареза ВК;
- исследовать деструкцию и изменения параметров основных действий вК при решении некоторых задач самообслуживания у инвалидов с ВПП ВК.
Материал и методы
На основе анализа источников литературы (276 неврологических и 24 ортопедических) рассмотрены существующие формы пассивных ортезов как механической основы для создания АО ВК. У 31 инвалида с различными формами и степенями выраженности вялых парезов определялись нарушения формирования двигательных синергий ВК при решении тестовых задач [3], а также их доступность. Выделена минимальная группа из двух операций жизнедеятельности: взятие и поднесение ко рту стакана для питья, его возврат в исходное положение и тяга рукояток.
Доступность операций исследовалась на стенде-имитаторе рабочих нагрузок с протоколированием возможности (0; 1) и качества их выполнения пораженной конечностью с балльной оценкой от 0 до 5 баллов, где 5 — нормативное выполнение по всем параметрам, 0 — полная невозможность выполнения, 1-4 — выполнение с ограничениями по параметрам различной степени. Параметрическими критериями качества операций были: зональная достижимость (± Z мм) цели при норме 650-700 мм, развиваемое динамометрическое усилие ^кГ) при норме транспортируемого одной рукой в рабочей зоне груза до 1000 г и затраты на управление (+ и) по избыточной длине (+ ДL%) траекторий движений при норме не более 2-3% [8]. Время выполнения операций (Тс) фиксировалось секундомером и составляло для первой — 7,82 с и для второй — 1,8 с.
Оценка эффективности операций и действий проводилась по системе нормативов их структур и времени выполнения [4, 5].
Электроактивность мышц паретичной ВК регистрировалась по схеме отведения: от трапециевидной мышцы надплечья до мышц тенара и гипотенара кисти.
Результаты
На современном этапе развития ТСР для реабилитации больных с ВПП ВК используются две группы ПО: максимальной готовности (стандартные) и индивидуально изготовленные. Ортезы должны быть легкими, не стеснять движения, не сдавливать подлежащие ткани на местах с нарушенной чувствительностью, не нарушать кровообращение в конечности и не создавать перерастяжения пораженной мышцы.
Ортопедический аппарат на ВК — техническое устройство в виде шарнирно-соединенных гильз или манжеток, надеваемое на сегмент или всю ко-
нечность человека для возмещения или восстановления нарушенной функции конечности. Их можно условно разделить на две группы. Первая — фиксирующие, разгружающие, корригирующие используется с целью ограничения движений. Вторая — функциональные, применяются при параличах и парезах.
Функциональные аппараты строят так, чтобы создавать для больной конечности функционально выгодные условия, а выполнение с их помощью движений сопровождалось использованием сохранившихся функций пораженных мышц. Основные виды ортопедических аппаратов на ВК, или ПО, используемые при вялых парезах и параличах представлены на рис. 1-4.
Аппарат-кистедержатель для профилактики контрактур, при отвисающей кисти. Он состоит из металлической шины, на ладонной поверхности нижней трети предплечья и кисти до пястно-фалан-говых суставов и фиксирующих манжеток или гильз на предплечье.
А
Б
Рисунок 2. Аппарат на локтевой сустав, а — шинно-кожаный, б — пластмассовый Figure 2. Devices for an elbow joint, a — splint-leather, b — plastic
Аппарат-кистедержатель для профилактики контрактур, при отвисающей кисти. Он состоит из металлической шины, на ладонной поверхности нижней трети предплечья и кисти до пястно-фалан-говых суставов и фиксирующих манжеток или гильз на предплечье.
Аппарат на локтевой сустав с захватом плеча и предплечья назначается для фиксации локтевого сустава. Обязательна соосность шарниров и центра наружного надмыщелка плеча при движении в локтевом суставе (рис. 2). Больным с параличом мышц плеча и предплечья, кроме дельтовидной и после
повреждения плечевого сплетения, рекомендуется аппарат на всю руку с захватом кисти. При тотальном параличе верхней конечности можно назначать аппарат на всю руку с захватом плечевого сустава (рис. 3).
Ортопедический аппарат с биоэлектрическим управлением (рис. 4) используется для тренировки паретичных мышц. Биоэлектрическое управление осуществляется от биопотенциалов сохранных мышц. При сигнале с одного канала включается привод предплечья. При большей его мощности срабатывает и привод пальцев кисти.
Рисунок 4. Ортопедические аппараты с биоэлектрическим управлением
Figure 4. Orthopedic devices with bioelectric control
Представленные выше примеры конструкций пассивных ортезов (ПО) ВК могут рассматриваться как прототипы более развитых АО (например, ортез на рис. 4).
Исследование доступности операций взятия и поднесения ко рту стакана для питья и его возврат в исходное положение у инвалидов с кистевыми поражениями и поражениями области предплечья показал их способность перемещать ВК в заданную зону с ограничением по времени на 23-27%, увеличением ДL траектории на 28-32% из-за неустойчивости движения в этой фазе и разбросом попадания в целевую зону до 12%. Действие захвата объекта (стакана) было или выполнимым с трудом (с возрастанием его времени на 37-42%, или вовсе невыполнимой. Достижимая зона сокращалась на 27-30%. Балльная оценка качества выполнения операции колебалась от 0 до 3-4.
Для инвалидов с поражением проксимальной группы мышц фаза операции переноса ВК в заданную зону была либо выполнима с трудом при увеличении Тс на 44-46%, либо вовсе невыполнимой. При этом разброс траекторий движения ДL превышал норму на 83-87%, а достижимая зона сокращалась на 33-37%. В то же время действие захвата объекта осуществлялось достаточно успешно с укорочением времени не более чем на 8-12%. Балльная оценка качества выполнения операции также колебалась от 0 до 3-4 баллов.
Тяга рукояток с дозированной силой 1000 г в первой группе с поражением дистального отдела была значительно ограничена по силе F на 46-67% или невозможна. Время выполнения Тс увеличивалось на 27-46% по степени выраженности пареза. По зональному критерию Z отклонения в выполнении операции составили не более 8-12% и определялось конструкцией рычага, но во всех случаях действие было успешным. Разброс траекторий перемещения рукоятки выражался в неравномерности до 23-36% ее движения. Балльная оценка качества выполнения операции также колебалась от 0 до 3-4 баллов.
Во второй группе с поражением проксимального отдела ВК эта операция по критерию F-тяги была ограничена на 72-84%, выполнялась с трудом или также была невозможна, хотя действие захвата и удержания рукояти выполнялось достаточно успешно со снижением F показателя на 38-75% в соответствии со степенью пареза. Время выполнения Тс увеличивалось на 37-86% по степени выраженности пареза. По зональному критерию Z отклонения в выполнении операции составили более 38-82% в соответствии со степенью пареза и выражались в неравномерности тяги до 33-67% во всем диапазоне движения. Балльная оценка качества выполнения операции также колебалась от 0 до 3-4 баллов.
Ортезирование в этих случаях будет основываться на принципах замещения утраченных или ослабленных, нарушенных функций с зональным разделением и приоритетами в соответствии с целевым назначением ортеза. Реализация сложных операций жизнедеятельности (самообслуживание, пользование городским транспортом и др.) основывается на принципе достаточных оптимальных синергий. Он обеспечивает должную координацию движений сегментов ортеза и минимизацию энер-гозаторат.
Электромиографические показатели активности сохранных мышц во всех группах отличались большой степенью разброса как по структуре ЭМГ, так и
по ее параметрам.
На рис. 5 представлены варианты электроактивности сохранных мышц при развитии парезов разной степени выраженности.
Как видно из приведенных электрограмм, активность паретичных мышц колеблется от близкой к норме до сильно деструктурированной и со значительным снижением амплитуды и мощности до 0 мкВ. Следует, однако, заметить, что возможно их преобразование в однополярный сигнал управления. Такой сигнал уже может использоваться и для пропорционального управления, и для запуска «вшитых» в микропроцессоры программ управления двигателями ортеза.
Обсуждение
Существующие пассивные ортезы определены как базовые механические конструкции для создания управляемых АО при вялых парезах верхней конечности.
Классификационные группы инвалидов с вялыми парезами — группа с нарушениями функций проксимального и группа нарушений дистального отделов относительно локтевого сустава наиболее точно определяют стратегию создания АО ВК.
Характер неврологического и биомеханического дефицита функций верхней конечности у инвалидов с вялыми парезами ВК определяет и нарушения формирования двигательных синергий при решении тестовых задач самообслуживания.
Выделенные операции и действия по своей структуре являются сложными синергиями и входят в состав многих целевых операций жизнедеятельности.
Во всех случаях конструкция АО осуществляется на основе принципа замещения нарушенных функций по целевому назначению. В первом варианте действия основаны на принципе достаточных минимальных синергий. Во втором — на принципе адаптации параметров моментов в шарнирах ортеза к моторной ситуации в механизме. В обоих случаях действует принцип пофазового приоритета групп.
Рисунок 5. Электроактивность мышц паретичной конечности Figure 5. Electroactivity of muscles of the paresis extremity
Выводы
Сформулированы основные принципы построения активных ортезов верхней конечности при вялых парезах и параличах:
- использование существующих конструкций пассивных ортезов как базовых для создания активных;
- классификационная группа нарушений проксимального или дистального отдела руки относительно локтевого сустава — основа выбора конструкции АО ВК;
- необходимость персонификации ортеза по свойствам инвалида;
- замещение утраченных функций без нарушения остаточных функций;
- создание ортеза многоцелевого назначения;
- функциональные приоритеты действий в структуре операций самообслуживания;
- минимизация конструкции и управления за счет реверсивных приводов;
- уровневое управление на базе микропроцессоров от пускового биосигнала.
Существующие средства пассивного ортезирова-ния при вялых парезах верхней конечности могут
использоваться как базовые конструкции для создания активных ортезов.
Для задач ортезирования инвалидов с вялыми парезами выделены классификационные группы: с нарушениями функций проксимального и дисталь-ного отделов верхней конечности относительно локтевого сустава.
Литература
1. Технология протезно-ортопедических изделий: учебное пособие по специальности «Протезное производство» / под. ред. к.т.н. А.П. Кужекина. — М., Легпромбытиздат, 1985. — С. 292-295.
2. Конструкции протезно-ортопедических изделий: учебное пособие для техникумов / под ред. к.т.н. А.П. Кужекина. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. — С. 159-205.
3. Шошмин А.В., Белянин О.Л., Хазова И.В. и др. Тесты для комплексной оценки профессиональных возможностей инвалидов в труде: методические материалы. — СПб.: НЦЭПР им. Г.А. Альбрехта, 2004. — 21 с.
4. Белянин О.Л. Доступность элементов физического труда инвалидам после одноэтапного двухстороннего эндопротезирования ТБС при коксартрозе: материалы Конференции: «Теоретические и прикладные аспекты совершенствования организации и методов реабилитации инвалидов с нарушениями функции движения». — Новокузнецк, 2016. — С. 166-167.
5. Миускова Р.П. и др. Базовая система микроэлементных нормативов времени (БСМ-1): методические и нормативные материалы. — М.: Экономика, 1989. — 124 с.
