ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИК РОБОТИЗИРОВАННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИИ ЗАПЯСТЬЯ

АННОТАЦИЯ

В статье проведен анализ роботизированных тренажеров для реабилитации запястья. Особое внимание было уделено их функциональных характеристикам, как следствие был сформирован перечень необходимых и оптимальных функциональных возможностей рассматриваемых систем. Также рассмотрены необходимые условия для качественного применения таких систем. Обозначены направления дальнейшего развития роботизированных тренажеров для реабилитации запястья.

Ключевые слова: реабилитация, механотерапия, робототехника, разработка лучезапястного сустава, роботизированный тренажер.

Лучезапястный сустав является одним из самых сложных в теле человека. Он способен выдерживать значительные силы и обладает большим набором выполняемых функций. Нарушения двигательной сферы в лучезапястном суставе значительно усложняют выполнение повседневных действий, и ведет к ухудшению качества жизни  людей с такими нарушениями. К ограничению движений в лучезапястном суставе приводят: переломы костей предплечья и кисти, остеоартроз, осложнения после инсульта, синдром запястного канала и многие другие травмы и болезни. Максимально эффективное  восстановление двигательных функций достигается не только качественным лечением, но и комплексным подходом к реабилитации.

В настоящее время в РФ существует проблема недостаточного уровня оказания помощи по медицинской реабилитации в амбулаторных условиях. Одним из факторов возникновения данной проблемы является отсутствие комплексных программ реабилитации, направленных на выполнение конкретных целей. В связи с этим активно разрабатываются новые комплексные методики реабилитации, включающие применение современных технологий. Для восстановления двигательных функций перспективным направлением считается разработка специализированных роботизированных систем. Целью данной статьи является обзор робототехнических средств реабилитации кисти человека, формирование перечня функциональных характеристик для разрабатываемых тренажеров и определение основных направлений развития.

Запястье является дистальным суставом верхних конечностей, который позволяет объединить предплечье с кистью. Он состоит из дистального конца локтевой и лучевой кости, восьми костей запястья и оснований пяти пястных костей.[1] Сустав является сложным из-за большого количества участвующих костей, а по форме суставных поверхностей является эллипсовидным с двумя осями вращения (сагиттальной и фронтальной). Таким образом, он имеет две степени свободы: по сагиттальной оси выполняется приведение и отведение кисти, а по фронтальной оси – сгибание и разгибание. Эллипсовидность сустава позволяет осуществлять круговое вращение кисти.[2] При вращении предплечья по его продольной оси добавляется третья степень свободы, так что руку можно ориентировать под любым углом, чтобы манипулировать как маленькими, так и тяжелыми предметами.

Амплитуда активных движений разгибания с вытянутыми пальцами редко превышает 90°, а с закрытым кулаком составляет примерно 65°. Амплитуда активного сгибания составляет менее 80°, независимо от положения пальцев. Амплитуда пассивного разгибания при радиальном наклоне составляет максимум 95°, в то время как при сочетании локтевого наклона от пассивного сгибания с вытянутыми пальцами может достигать приблизительно 125°. Амплитуда движения отведения в радиальном наклоне не превышает 15°. Амплитуда отведения в радиально-локтевом наклоне составляет менее 40°.

Распространенными патологиями являются: перелом костей запястья и предплечья, растяжение связок, тендинит (воспаление сухожилий) и невропатии вследствие захвата нерва (синдром запястного канала). Также распространённой патологией является остеоартроз — распространенное хроническое прогрессирующее дегенеративно-дистрофическое заболевание суставов, отличающееся полиморфизмом клинических симптомов и мультифакторностью развития. Он является наиболее распространенной формой патологии суставов и наблюдается более чем у 10 – 20 % населения земного шара [3]. Остеоартроз не представляет непосредственной угрозы для жизни, но при этом служит фоном, ухудшающим ее качество за счет ограничения возможности самостоятельно передвигаться и обслуживать себя, и в итоге сокращает среднюю продолжительность жизни. Перелом дистального метаэпифиза лучевой кости является наиболее частым повреждением костей верхней конечности, составляя от 66 до 90% повреждений костей предплечья. [4] Корме частоты возникновения этот вид переломов характеризуется высоким процентом неудовлетворительных результатов лечения. Также двигательные расстройства могут возникать вследствие перенесенных черепно-мозговых травм, инсульта, а также при детском церебральном параличе.

При нарушении двигательной функции у больных наблюдаются: контрактуры (уменьшение амплитуды движений), уменьшается сила захвата, болевой синдром. В частных случаях возникает невозможность выполнения активных движений, нарушения нейромышечной связи, парезы, нарушения крово и лимфообращения. Для устранения и уменьшения данных расстройств после оперативного лечения, либо в постиммобилизационный период применяют комплекс реабилитационных мероприятий. В традиционным курсе реабилитации применяются: ЛФК, физиотерапия, массаж и механотерапию.

Механотерапия — комплекс лечебных, профилактических и восстановительных упражнений с помощью специальных средств (аппараты, тренажёры) с целью улучшения подвижности суставов, отдельных мышц и их групп для увеличения функциональной адаптации больного. Механотерапия является важной составляющей физической реабилитации благодаря её тонизирующему и трофическому (замещение и компенсация образовавшегося дефекта путём регенерации) воздействию на опорно-двигательный аппарат человека, формированию функциональных компенсаций, обратному благоприятному развитию атрофических и дегенеративных процессов, нормализации функциональной целостности и деятельности организма.[5]

Восстановление подвижности является одной из сложных проблем постиммобилизационного реаби­литационного лечения. Анализ отечественной литературы позволил выявить следующие проблемы:

– Недостаточное и некачественное лечение;

– Недостаточное внимание срокам и принципам разработки сустава;

– Ошибки диагностики;

– Отсутствие специализированных отделений;

– Отсутствие комплексных методик восстановительного лечения.

Перспективной областью для создания механотерапевтических аппаратов является робототехника, обладающая следующими преимуществами:

– Воспроизводимые движения соответствуют анатомическим и биомеханическим особенностям;

– Возможность отслеживания биомеханических параметров для корректировки параметров упражнений;

– Возможность длительного и дозированного воздействия;

– Частичная разгрузка специалистов в течение рабочего дня;

– Минимизация человеческого фактора.

В роботизированных механотерапевтических комплексах все чаще применяется современный интерфейс «мозг — компьютер» (ИМК, или BCI; от англ. Brain-computer interface). С его помощью управляются протезы и ортезы конечностей, манипуляторы и робототехнические тренажеры, а также восстанавливаются дефицитарные функции мозга.

Среди проблем внедрения роботизированных комлексов можно отметить:

– Недостаточная квалификация кадров для работы со сложным высокотехнологичным оборудованием;

– Отсутствие комплексных методик реабилитации с применением современных технологий;

– Недостаток исследований доказывающих эффективность применения роботизированных технологий.

Аппарат Artromot H, изображенный на рисунке 1.2 обеспечивает мобилизацию лучезапястного сустава пациента в пассивном режиме, помогая избежать осложнений в виде нарушения подвижности после операций, травм и неврологических заболеваний. Он применяется в тех случаях, когда пациент по каким-либо причинам не может или не должен получать активную нагрузку сустава. Например, движение под нагрузкой противопоказано при артрозе суставов, при отдельных видах травм. Во время занятий на Artromot SP3 мышцы пациента остаются полностью расслабленными. Он не должен ощущать боли или дискомфорта.

Рисунок 1.2. Аппарат для разработки лучезапястного сустава Artromot H

Применение при заболеваниях: артроз кисти, туннельный (карпальный) синдром кисти, травмы связок, артроз, профилактика и реабилитация после инфаркта, ДЦП, параличи и парезы конечностей, болезнь Паркинсона, профилактика и реабилитация после инсульта, реабилитация после переломов. В исследовании [6] показан пример успешного применения данного аппарата при разработке лучезапястного сустава при закрытом переломе дистального метаэпифиза лучевой кости. В исследовании [7] тренажер был использован при двигательных расстройствах у детей вследвствие  ЧМТ,  ДЦП и инсульта. После курса лечения степень тяжести парезов уменьшилась на 0.8 баллов, в 2 раза увеличилась абсолютная сила. Также было отмечено, что применение современных технологий может увеличить эффективность восстановительных мероприятий, а также создать предпосылки для создания новых комплексных методик восстановления.

Maestra hand and wrist — реабилитационный тренажер для CPM-терапии (пассивной разработки) лучезапястного сустава, кистей и пальцев рук (рис. 1.3).

Рисунок 1.3. Реабилитационный тренажер Kineteс Maestra hand and wrist CPM

Основные особенности тренажера Maestra:

– Новое CPM-движение, создание противодействия большому пальцу, что еще более разнообразит тренажер;

– Ручное управление, подобное управлению коленными CPM-тренажерами Kinetec, позволяющее запрограммировать каждое движение, что повышает безопасность тренировки и соответствие ее протоколу;

– Концепция двух осей, упрощающая переход с правостороннего режима не левосторонний и обратно.

Преимущества:

– Одновременное движение трех фаланг пальца с физиологической спиралью сгиба, возможность согнуть пальцы в кулак;

– Большой набор возможных движений: пронация, сгибание пальцев, сгибание и разгибание лучезапястного сустава, девиация, сгибание в пястно-фаланговом суставе.

– Универсальность и эффективность: подгоняется по размеру к кисти (и левой, и правой руки; от самых малых, до самых больших размеров);

– Портативность (легко использовать как в клинике, так и дома). [8]

Анализ рассматриваемых систем позволил выявить их необходимые функциональные характеристики, которые можно условно разделить на необходимые и оптимальные. К первым относятся:

– Воспроизводимое движение должно максимально соответствовать анатомическим, физиологическим и биомеханическим требованиям;

– Данные аппараты должны обладать эргономичной опорой для руки и устройством захвата кисти, а также учитывать варьируемый размер конечности;

– Процесс разработки сустава должен варьироваться по времени, скорости и амплитуде движения;

– Наличие программного обеспечения для осуществления настройки процесса работы системы.

Оптимальные функциональные характеристики могут позволить сделать процесс реабилитации более качественным, автономным, а также могут позволить исключить человеческий фактор. К ним относятся:

– Наличие биологической обратной связи, с помощью которой будет регулироваться процесс разработки суставов в зависимости от состояния пациента. Также БОС позволит остановить процесс в случае возникновения болевого синдрома;

– Наличие диагностического блока для отслеживания состояния больного и дальнейшего хранения и обработки данной информации. Имея диагностические данные за определенный промежуток времени можно более точно отслеживать процесс реабилитации больного, а также вносить необходимые коррективы в процесс лечения.

– Наличие мотивирующих программ тренировок.

На конечный результат применения рассматриваемых систем также влияют факторы, которые не связанны напрямую с созданием роботизированных тренажеров, в связи с этим были выделены некоторые вопросы, решение которых необходимо для наиболее качественной роботизированной реабилитации:

– Повышение уровня знаний медицинского персонала для работы с современным оборудованием. Также возможно появление новых специальностей для выполнения задач роботизированного лечения и реабилитации.

– Разработка комплексных программ восстановительного лечения. Как показывают исследования, роботизированные системы помогают достичь более высоких результатов в комплексе с традиционными методами лечения. Также системы с жестко детерминированными движениями не помогают полностью восстановить двигательный навык, поэтому необходимо более рассмотреть вопрос воспроизведения более сложных движений.

– Проведение масштабных исследований применения рассматриваемых аппаратов для определения их эффективности и рассмотрения вопросов назначения роботизированной терапии в зависимости от диагноза.

– Создание систем комбинированного воздействия. Например, активизация двигательной функции может сопровождаться с массажными манипуляциями.

Таким образом, для успешной разработки и применения роботизированных тренажеров лучезапястного сустава необходимо учесть множество различных факторов. Предложенные функциональные характеристики должны обеспечить качественно новый уровень проведения реабилитационных мероприятий, так как цель любых робототехнических систем выполнить существующие задачи с их последующим улучшением и расширением, а также минимизировать человеческий фактор. В свою очередь неподготовленность медицинского персонала и учреждений остается серьезной проблемой на пути к внедрению современного оборудования, поэтому необходимо реализовать междисциплинарный подход к решению данных проблем, что также поможет определить, для каких задач целесообразно разрабатывать новое оборудование.

Список литературы:

1. G. García, V. Ramírez(&), O. Ramírez, J. L. Rueda, and C. R. Torres. Simplified Design of a Device for Wrist Rehabilitation. Mechanisms and Machine Science. 2019; 86: 35-42.
2. Р. Д. Синельников. Атлас анатомии человека. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1967. — Т. I. — С. 207. — 460 с.
3. Чичасова Н. В., Мендель О. И., Насонов Е. Л. // Русский медицин-ский журнал. Ревматология. — 2010. — № 11. — С. 729—735.
4. Юлов В.В., Керимов У.Ш., Гончаров Н.Г., Шишкин В.Б. Эффективность применения кинезиотейпирования и кистевых тренажёров в комплексной реабилитации пациентов с переломами костей предплечья. Медико-социальная экспертиза и реабилитация. 2017; 20 (3): 122–127. DOI: http://dx.doi.org/10.18821/1560-9537-2017-20-3-122-127
5. Валеев М.М., Бикташева Э.М. Ранняя разработка лучезапястного сустава при закрытом переломе дистального метаэпифиза лучевой кости. Физиотерапия, бальнеология и реабилитация. 2017; 16 (4): 216-218. DOI: http://dx.doi.org/10.18821/1681-3456-2017-16-4-216-218
6. Смирнова О.Ю., Смирнова Л.В., Дунаева М.П. Применение роботизированной механотерапии при двигательных расстройствах у детей // Политравма. 2015. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-robotizirovannoy-mehanoterapii-pri-dvigatelnyh-rasstroystvah-u-detey (дата об-ращения: 25.06.2019).
7. Kinetec™ Maestra™ hand and wrist CPM - реабилитационный тренажер. URL: https://dentex.ru/catalog/medical-equipment/rehabilitation-equipment/kinetec-maestra-hand-and-wrist-cpm/ (дата обращения: 21.06.2019).