CC BY
38
РЕАБИЛИТАЦИЯ
УДК 616.7
В.И. НОВИКОВ1, Е.С. КОНЕВА2, С.А. МУРАВЬЕВ3, М.А. КАНАЕВА2, И.В. НОВИКОВ1
1Протезно-ортопедическое малое предприятие «ОРТЕЗ», г. Москва 2Группа Компаний «Медси», Московская область 3«Бионические технологии», г. Москва
Реабилитация при поражениях опорно-двигательной системы с использованием инновационных ортопедических аппаратов
Контактная информация:
Новиков Владимир Иванович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Адрес: г. Москва , ул. Солнечная, д. 3, тел.: +7-917-570-80-01, e-mail: novikov-ortez@yandex.ru
Проведенные исследования ставят целью выработку комплексного биомеханического подхода и разработку на его основе специальных инновационных ортопедических аппаратов и методик реабилитации инвалидов, больных с поражениями опорно-двигательной системы с их применением, а также осуществление апробации. Рассмотрены вопросы гидрореабилитации детей с последствиями детского церебрального паралича и обеспечения выноса нижней конечности с поражениями в области тазобедренного сустава вперед в сагиттальной плоскости при ходьбе. Проведен анализ и синтез. Применен комплексный критериальный системный подход к рассмотрению биомеханических систем «пациент-ортопедический аппарат», разработаны биомеханические схемы. Проведено проектирование и изготовление ортопедических аппаратов на голеностопный и лучезапястный суставы для гидрореабилитации и ортопедический аппарат на всю нижнюю конечность с корсетом имеющий электропривод, систему управления, внешний источник энергии. Предложены методики применения разработанных ортопедических аппаратов. Проведена апробация использования, показавшая их высокую функциональность и повышение эффективности гидрореабилитации в специальных ортопедических аппаратах и обеспечения ходьбы в аппаратах на всю ногу с микропроцессором, внешним источником энергии.
Ключевые слова: опорно-двигательная система, реабилитация, гидрореабилитация, ортопедический аппарат, роботизированный ортопедический аппарат.
(Для цитирования: Новиков В.И., Конева Е.С., Муравьев С.А., Канаева М.А., Новиков И.В. Реабилитация при поражениях опорно-двигательной системы с использованием инновационных ортопедических аппаратов. Практическая медицина. 2021. Т. 19, № 3, С. 109-115)
DOI: 10.32000/2072-1757-2021-3-109-115
V.l. NOVIKOV1, E.S. KONEVA2, S.A. MURAVEV3, M.A. KANAEVA2, I.V. NOVIKOV1
1ORTEZ LLC, Moscow
2Medsi Group of Companies JSC, Moscow region 3Techbionik LLC, Moscow
Rehabilitation in locomotor system lesions using innovative orthopedic devices
Contact details:
Novikov V.I. — PhD (Engineering), Senior Researcher
Address: 3 Solnechanya St., Moscow, Russian Federation, tel.: +7-917-570-80-01, e-mail: novikov-ortez@yandex.ru
The studies performed were aimed at developing a comprehensive biomechanical approach and on its basis — special innovative orthopaedic devices and methods for the rehabilitation of persons with disabilities and patients with musculoskeletal disorders using these devices, as well as their testing. We considered the issues of hydrorehabilitation of children with consequences of cerebral palsy
and provision of a lower extremity with hip joint lesions to be moved forward in sagittal plane during walking. Analysis and synthesis were carried out. We applied a comprehensive criteria system approach to consider the biomechanical systems «patient-orthopedic apparatus» and to develop biomechanical schemes. We designed and manufactured orthopaedic devices for ankle and wrist joints for hydrorehabilitation and an orthopaedic apparatus for the whole lower extremity with an electric drive corset, control system, and external energy source. Methods of using the developed orthopedic devices were proposed. The tests showed their high functionality and increased efficiency of hydrorehabilitation in special orthopedic apparatuses and provision of walking in apparatuses using the whole leg with a microprocessor and an external energy source.
Key words: musculoskeletal system, rehabilitation, hydrorehabilitation, orthopedic apparatus, robotic orthopedic apparatus.
(For citation: Novikov V.I., Koneva E.S., Muravev S.A., Kanaeva M.A., Novikov I.V. Rehabilitation in locomotor system lesions using innovative orthopedic devices. Practical medicine. 2021. Vol. 19, № 3 , P. 109-115)
В результате целого ряда заболеваний и деформаций нарушается тонус мышц, возникает туго-подвижность, появляются парезы, параличи, патологические установки, контрактуры в суставах конечностей. Это ведет к нарушению всего физиологического построения конечностей, свойственного норме. Затрудняются движения сегментов относительно суставов, что препятствует локомоции при ходьбе, препятствует манипуляциям верхними конечностями, возникают вторичные деформации, приводящие к инвалидизации.
Нарушение медицинских показателей сочетается одновременно с изменениями биомеханических характеристик.
Одним из компонентов комплексной медицинской реабилитации при поражении опорно-двигательной системы человека, тесно связанных с другими компонентами (медикаментозным, физиотерапевтическим, хирургическим, психоневрологическим, воздействием ЛФК), является ортезирование с использованием таких ортезов, как ортопедические аппараты на нижние и верхние конечности.
Ортопедические аппараты позволяют осуществлять активизацию движений, разгрузку, фиксацию сегментов, суставов конечностей. Также они способствуют предотвращению вторичных деформаций, регулируют амплитуды, направленность перемещений сегментов конечностей.
Другим компонентом комплексной медицинской реабилитации является гидрореабилитация, которая в области теории и практики реабилитации детей со спастическими параличами, парезами в последние годы занимает значительное место.
Однако при выполнении под наблюдением специалиста различных двигательных действий ребенок осуществляет движение в плоскостях, соответствующих не норме, а патологии. Причем амплитуда движений в суставах не регулируется. Это снижает роль гидрореабилитации. Поэтому обеспечение необходимых диапазонов и целесообразных направлений движений в голеностопных и лучезапястных суставах является актуальной задачей, которую представилось решать за счет использования ортопедических аппаратов на голеностопные и лучеза-пястные суставы [1].
Однако известные ортопедические аппараты на дистальные отделы верхних и нижних конечностей по ряду причин не могут быть использованы в процессе гидрореабилитации. Они имеют металлические детали, что недопустимо в условиях водной среды, в них движения обеспечиваются только в одной плоскости, в то время как в процессе гидрореабилитации целесообразно осуществлять пространственные движения стопы относительно
голеней и пространственные движения кистей относительно предплечья с определенной амплитудой, а также ряд других недостатков.
Еще одним компонентом комплексной реабилитации является осуществление в соответствии с медицинскими показаниями, движения нижней конечности при ослабленном состоянии мышц в области тазобедренного сустава, что препятствует функционально достаточному выносу конечности в процессе ходьбы.
Использование для нормализации движения в нижней конечности ортопедического аппарата на всю ногу с корсетом, в случае не отяжеленных, достаточно легких поражений, возможно при снабжении аппарата упругими тянками. Однако при этом значительную перегрузку испытывает другая конечность, за счет которой обеспечивается основное перемещение общего центра масс. Одновременно происходят дополнительные движения туловища и таза, не свойственные ходьбе в норме.
Для получения требуемых двигательных функций в тазобедренном сочленении, обеспечивающих вынос конечности при более отяжеленных, легких и средней тяжести поражениях, необходимо привносить в конструкцию ортопедического аппарата дополнительный момент сил относительно тазобедренного сочленения от привода с внешним источником энергии. Но такие ортопедические аппараты до настоящего времени в России не разрабатывались и не применялись.
Выполнять задачу по передвижению больного с патологиями двигательных функций в последние годы стали за счет применения медицинских эк-зоскелетонов. Однако они по своей конструкции, как правило, осуществляют движения в обеих нижних конечностях и приспособлены для применения только при тяжелой степени патологии. Устранять нарушенные функции движения в тазобедренном суставе в относительно легких, средней тяжести случаях поражения с их помощью не представляется целесообразным с различных позиций, как с медицинских, так и с биомеханических. Ведь при их применении не используются остаточные возможности опорно-двигательной системы нижних конечностей и тазовой области туловища. Биомеханика движения в них резко отличается от нормы, нарушая стереотипы движения. Как правило, медицинские экзоскелетоны не предназначены для ортопедической коррекции и весьма тяжелы, имеют другие недостатки [2, 3]. Кроме того, медицинские экзоскелетоны весьма дороги и сложны в эксплуатации.
Таким образом, имеются проблемы, заключающиеся в том, что до настоящего времени не существу-
ет оптимального совмещения методики гидрореабилитации и методики обеспечения перемещения нижней конечности с поражением в области тазобедренного сустава с техническими средствами реабилитации в виде специализированных ортопедических аппаратов, удовлетворяющих медико-биомеханическим и техническим требованиям.
Поэтому представляется весьма актуальным провести исследования, разработать специальные инновационные ортопедические аппараты и устранить имеющиеся проблемы.
Целью исследований является выработка мультидисциплинарного подхода и на его основе разработка специализированных инновационных ортопедических аппаратов и методик реабилитации инвалидов, детей-инвалидов и больных с поражениями опорно-двигательной системы с их применением, проведение апробации.
Задачами исследований явились:
- проведение анализа источников информации;
- выработка медицинских, биомеханических и технических требований;
- проведение анализа биомеханики движений в процессе гидрореабилитации и при выносе нижней конечности;
- разработка биомеханических схем;
- разработка ортопедических аппаратов и методик их использования в процессе реабилитации;
- проведение апробаций конструкций и методик.
Материал и методы
Проведен анализ информационных источников по методам гидрореабилитации детей с поражениями опорно-двигательной системы и восстановления функциональных возможностей, обеспечения движений, осуществляющих вынос пораженной нижней конечности, а также соответствующих ортопедических аппаратов. На основе анализа проведен синтез, разработаны требования и ортопедические аппараты, взаимосвязанные с методами медицинской реабилитации.
В настоящее время наибольшее распространение имеет детский церебральный паралич (ДЦП).
При выборе пациентов для гидрореабилитации ориентировались на международную систему классификации моторных функций пациентов с ДЦП старше двух лет — вМРСБ. Пациентами являлись дети, отнесенные к 1-111 уровню. Гидрореабилитация пациентов осуществлялась в специализированных бассейнах с температурой воды в диапазонах 30-34 С.
При исследованиях, посвященных обеспечению выноса пораженной, преимущественно в области тазобедренного сустава нижней конечности, на данном этапе привлекались пациенты с рассеянным склерозом легкой и средней степени поражения.
Проведен анализ движений сегментами конечностей детей в процессе гидрореабилитации. Выявлено несоответствие движений в воде требуемым для нормализации патологических установок. Устранить данное положение целесообразно за счет нового способа гидрореабилитации — проведение ее с использованием ортопедических аппаратов.
Также проведен анализ биомеханических характеристик движений больных с затруднениями осуществления заднего толчка нижней конечности и осуществления ее переноса. Выявлены основные биомеханические характеристики, необходимость приближения движений к норме, что осуществимо
лишь с привлечением внешнего источника энергии.
Для анализа и синтеза использован методический комплексный критериальный системный подход к построению ортопедических аппаратов с позиций биомеханики [4]. Согласно ему «человек в норме», «пациент с поражениями опорно-двигательной системы конечностей», «ортопедический аппарат» и «пациент с поражениями в аппарате» представлены в виде биомеханических систем, характеризуемых функциональными критериями. Критерии едины для всех систем.
Каждая из систем представляет собой биокинематическую цепь, состоящую из сочлененных звеньев. Движение системы осуществляется под действием моментов сил относительно сочленений.
Выявлены единые для четырех биомеханических систем критерии оценки, характеризующие их функционирование в процессе локомоций.
В системе «человек в норме» можно считать, что критерии оптимизированы. При поражении опорно-двигательного аппарата оптимальность нарушается, что отражается в изменении параметров критериев. Затем находится степень рассогласования критериев в системах «человек в норме» и «пациент с поражениями опорно-двигательной системы конечностей». Уменьшение степени рассогласования производится с помощью ортопедических аппаратов. Предварительно проводится их оценка по тем же критериям. В случаях отсутствия с требуемыми функциями конструкций проводится их разработка с использованием параметров критериев.
Такой подход служит основанием для рассмотрения «живых» и «неживых» составляющих во взаимосвязи как одно целое и проектирования требуемых, медицински, биомеханически и технически обоснованных ортопедических аппаратов.
Результаты
На основании проведенного анализа с использованием методологического системного подхода, учетом движений кистями и стопами в процессе гидрореабилитации разработаны биомеханические схемы ортопедических аппаратов на лучезапяст-ный и голеностопный суставы. Также разработана биомеханическая схема всей нижней конечности в ортопедическом аппарате на всю ногу с корсетом.
Вначале рассмотрена нижняя конечность больного ребенка с последствиями ДЦП в процессе гидрореабилитации в ортопедическом аппарате на голеностопный сустав.
На рис. 1 представлена разработанная биомеханическая схема нижней конечности в аппарате ортопедическом на голеностопный сустав для гидрореабилитации детей.
Аппарат состоит из гильз голени, гильзы стопы, соединенных упругими шарнирами, представленными в виде пружин, работающих на кручение и изгиб в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскостях. Крепления условно не показаны. Гильзы голени и стопы с наружной поверхности имеют смягчающий слой.
Проведена разработка биомеханической схемы верхней конечности с установленным на ней ортопедическим аппаратом, показанная на рис. 2.
Локтевой шарнир представлен как одноосный, а лучезапястный допускает движения в трех плоскостях, учитывая наличие лучелоктевого движения.
Разработана подобная биомеханическая схема пациента в ортопедическом аппарате на всю ногу с корсетом. В ней подошвенная часть гильзы стопы
Рисунок 1. Биомеханическая схема дисталь-ного отдела нижней конечности в ортопедическом аппарате на голеностопный сустав
Figure 1. Biomechanic scheme of the distal area of a lower extremity in an orthopedic device for an ankle joint
Рисунок 2. Биомеханическая схема дисталь-ного отдела верхней конечности в ортопедическом аппарате на лучезапястный сустав
Figure 2. Biomechanic scheme of the distal area of an upper extremity in an orthopedic device for a radiocarpal joint
Рисунок 3. Полимерные упругие шарниры
Figure. 3. Polymer flexure joints
подобно строению стопы в норме выполнена в виде рессоры. За счет этого при ходьбе данная самодвижущаяся биомеханическая система будет осуществлять рекуперацию энергии. В тазобедренном узле установлен упругий элемент, который сжимается в период разгибания в конце фазы опоры на стопу. В самом начале фазы переноса упругий элемент разжимается и создает дополнительный момент сил. Одновременно в ортопедическом аппарата на уровне тазовой области расположен привод с системой управления, связанный с аккумуляторными батареями.
Таким образом, в результате осуществления методического подхода, построенного на основе биомеханических критериев и рассмотрения результатов анализа, разработанных биомеханических схем, созданы предпосылки к проектированию ортопедических аппаратов.
В соответствии с полученными предпосылками проведено проектирование и разработаны орто-
Рисунок 4. Ортопедические аппараты для гидрореабилитации
Figure 4. Orthopedic devices for hydroreha-bilitation
педические аппараты для гидрореабилитации на лучезапястный и голеностопный суставы. Все их детали выполнены из полимерных материалов. Подошвенная часть аппарата на голеностопный сустав имеет специальный противоскользящий слой. Оригинальные полимерные упругие голеностопные и лучезапястные шарниры с наноразмерными частицами, имеющими различную конфигурацию и разную жесткость, обеспечивают пространственные движения в сочленениях и представлены на рис. 3.
Изготовленные в соответствии с разработанной документацией ортопедические аппараты представлены на рис. 4.
Проведена отработка разработанного запатентованного способа гидрореабилитации в ортопедических аппаратах, которая заключалась в следующем:
устанавливали стопы и кисти в требуемое положение, проводили обмеры (рис. 5), изготавливали гипсовые негативы (рис. 6), затем по ним гипсовые позитивы, а затем изготавливали разработанные запатентованные [5] специальные ортопедические аппараты.
Выверяли положения шарниров в плоскостях и осуществляли сборку. Проводили занятия массажем и ЛФК. Затем надевали ортопедические аппараты на конечности, помещали ребенка в водную среду и проводили гидрореабилитацию с использованием целого ряда упражнений, классифицированных в зависимости от диагноза и степени поражения. Например, вырабатываются навыки стояния и ходьбы, как это показано на рис. 7, и проводились упражнения, включающие элементы различных способов плавания (рис. 8, 9).
При установке в голеностопном суставе на сгибание в процессе гидрореабилитации использовались ласты, надеваемые на ортопедические аппараты на голеностопный сустав.
В результате проведения апробации гидрореабилитации в ортопедических аппаратах отмечено, что снизился уровень спастичности по шкале Эшворт. Отмечена положительная динамика изменения мышечного тонуса по шкале Тардье. По результатам гониометрии выявлено увеличение угла тыльной флексии голеностопного сустава и увеличение су-пинационной способности предплечья. Кроме того, установлено, что при гидрореабилитации в ортопедических аппаратах как временные, так и кинематические параметры ходьбы нормализуются в большей степени, чем у детей, которым проводилась гидрореабилитация без аппаратов.
Все это свидетельствует об эффективности предложенного способа гидрореабилитации в ортопе-
дических аппаратах и высокой функциональности разработанных конструкций.
Одновременно проведено проектирование биомеханически обоснованного роботизированного ортопедического аппарата (БРО). Его функциональная схема представлена на рис. 10.
БРО состоит из гильз стопы, голени, бедра и корсета, выполненных из оригинальных, разработанных на ООО «ПРОП МП «ОРТЕЗ» композиционных материалов на основе лавсановых тканей, углетка-ни и тканей типа «Русар» — армирующих.
Гильзы соединены между собой шарнирами. БРО имеет нейроуправляемый узел с линейным актуа-тором, который одним концом установлен на корсете, а другим концом на гильзе бедра и соединен с аккумулятором. На рис. 11 показаны образцы разработанных и изготовленных БРО на пациентах в процессе апробации.
Методика применения БРО заключалась в следующем. В память микроконтроллера загружаются значения заранее предустановленных констант уставок срабатывания датчиков и временных параметров работы узла, а также вид последнего использовавшегося режима. Затем начинается цикличное выполнение основного блока программы управления в режиме «Идти».
Рисунок 6. Снятие гипсового слепка с нижней конечности
Figure 6. Making a plaster casting of a lower extremity
Рисунок 5. Проведение замеров верхней конечности перед снятием гипсового слепка
Figure 5. Measuring an upper extremity before making a plaster casting
Рисунок 7. Упражнение на вертикализацию в процессе гидрореабилитации
Figure 7. Verticalization exercise during hydrorehabilitation
Рисунок 8. Упражнения с элементами способов плавания
Figure 8. Exercises with swimming elements
Рисунок 9. Проведение гидрореабилитации в ластах
Figure 9. Hydrorehabilitation in flippers
Z
Рисунок 10. Функциональная схема БРО Figure 10. Functional scheme of a robotic orthopedic apparatus
Рисунки 11. Образцы БРО на пациентах в процессе апробации
Figure 11. Samples of robotic orthopedic apparatuses on patients during testing
Привод толчкового механизма начинает сгибание тазобедренного шарнира.
При превышении значений сигналов соответствующей установки начиналось выполнение второй фазы шага. При этом привод толчкового механизма начинает разгибание тазобедренного шарнира.
При переключении режима работы в режим «Сесть» привод толчкового механизма сгибает тазобедренный шарнир до угла в 90 градусов, а при переключении режима работы в режим «Встать» привод толчкового механизма разгибает тазобедренный шарнир.
Таким образом, комплексный подход позволил создать оригинальный, биомеханически обоснованный роботизированный ортопедический аппарат на основе композиционных материалов с биоэлектри-
ческим управлением функцией движения в тазобедренном сочленении, а полученные положительные результаты апробации позволяют говорить об эффективности разработанного БРО.
Обсуждение
Следует отметить, что применение специализированных ортопедических аппаратов в процессе гидрореабилитации у детей с двигательными нарушениями существенно расширяет реабилитационные возможности гидрореабилитации в комплексных программах, повышает уровень мотивации ребенка к развитию и совершенствованию движений во время занятия, способствует улучшению функции равновесия в воде и на суше, увеличению координации в сочетанной работе верхних и ниж-
них конечностей. Также регулярное использование специализированных ортезов для гидрореабилитации способствует нормализации ряда объективных показателей, что улучшает двигательные функции пораженных конечностей, повышая качество жизни ребенка с двигательными нарушениями.
Апробация ортопедического аппарата на всю нижнюю конечность с корсетом и со встроенным приводом, системой управления и внешним источником энергии показала эффективность применения разработанного БРО, в котором сочетаются ортопедическая коррекция, фиксация, разгрузка, активизация двигательных функций, нормализация биомеханических характеристик.
Выводы
1. Использование способа с применением специальных запатентованных ортопедических аппаратов в процессе гидрореабилитации детей с поражениями опорно-двигательной системы является инновационным, запатентованным, он эффективен, и его целесообразно использовать в условиях специализированных больниц, реабилитационных центров и поликлиник, имеющих бассейны.
2. Разработанные биомеханически обоснованные роботизированные ортопедические аппараты являются высокотехнологическими инновационными изделиями, имеющими большие перспективы в сфере реабилитации больных с поражениями опорно-двигательной системы.
3. Рассмотрение методик медицинской реабилитации инвалидов и больных с поражениями опорно-двигательной системы во взаимосвязи с использованием разработанных оригинальных инновационных ортопедических аппаратов позволили повысить эффективность реабилитации, уровень качества жизни, снизить выраженные ограничения жизнедеятельности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. № 2648876 Российская Федерация, МПК8 А 61 F 5/00, А 61 F 5/01. Способ лечения детей со спастическими параличами / Новиков В.И., Климов Ю.А., Ашмарин В.С., Новикова Т.Р. и др.; заявитель и патентообладатель ООО «ПРОП МП «ОРТЕЗ».
2. Пат. № 2651100 Российская Федерация, МПК8 А 61 F 5/00, А 61 F 5/01. Ортез для гидрореабилитации детей со спастическими параличами / Новиков В.И., Ашмарин В.С., Шмакова Н.С., Новиков И.В. заявитель и патентообладатель ООО «ПРОП МП «ОРТЕЗ».
3. Интерфейс мозг-компьютер для управления экзоскеле-том: нейрореабилитация пациентов с нарушением локомоторных функций нижних конечностей [Электронный ресурс]. — URL: http:\\bioelectric.hse.ru\news\228980748.html (дата обращения: 13.03.2020).
4. Новиков В.И. Комплексный критериальный подход к восстановлению функций опорно-двигательной системы человека // Современная медицинская техника и новейшие технологии в здравоохранении: труды Х Международной научной конференции Академии медико-технических наук. — М.,2008. — С. 187-189.
5. Пат. № 2651100 Российская Федерация, МПК8 А 61 F 5/00, А 61 F 5/01. Ортез для гидрореабилитации детей со спастическими параличами / Новиков В.И., Ашмарин В.С., Шмакова Н.С., Новиков И.В. заявитель и патентообладатель ООО «ПРОП МП «ОРТЕЗ».
