Использование методов биомеханики в оценке состояния и коррекции патологии опорно-двигательной системы

анализ двигательной сферы — патологии походки и основной стойки с использованием методов биомеханики. Не вызывает сомнений значимость оценки функционального состояния опорно-двигательной системы у пациентов травматолого-ортопедического и неврологического профиля, но между тем в на- стоящее время методы инструментального анализа походки и движения еще не получили повсеместного распространения и внедрения в широкую клиническую практику отечественных лечебных учреждений и реабилитационных центров. Чаще оценка функции врачом проводится только «на глаз» и имеет большую долю субъективизма [1, 2]. Согласно данным исследователей в сфере клинического анализа движений, выполняемого с помощью специализированной аппаратуры, получаемая информация может быть полезна на всех этапах лечебного процесса данной категории пациентов — от диагностики заболевания с выявлением ведущего патологического звена до оценки правильности проводимого лечения, исследования ближайших и отдаленных результатов лечения, выполнения экспертной оценки [2–6]. Таким образом, представляет интерес прикладной аспект анализа локомоций человека в травматологии и ортопедии.

Исторические аспекты. Врачи и ученые уже с древних времен осознавали необходимость понимания основ движения человека с позиций механики для улучшения качества лечения пострадавших с повреждениями опорно-двигательной системы. Так, еще Гиппократом (460–370 гг. до нашей эры), Аристотелем (384–322 гг. до нашей эры) и Галеном (131–201 гг. нашей эры) осмыслялись строение и функционирование мышц, костно-суставной системы, особенности походки и движений человека [6, 7]. Основные закономерности движения, определение центра тяжести и баланса, используемые и в настоящее время в стандартных двигательных тестах, были описаны с позиций механики гениальным ученым, естествоиспытателем, художником эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Схемы строения и функционирования сухожильно-мышечного аппарата, изложенные Леонардо и представленные в его анатомических рисунках, и по сей день находят применение в некоторых программах для компьютерного моделирования движений человека [6–8].

Новые принципы построения научного знания, получившие развитие в эпоху Нового времени, оказали существенное влияние на развитие биомеханики. Первая книга по механике живых существ издана в Риме в 1679 г., ее автором был профессор математики Джованни Борелли, подробно изложивший основы статики человеческого тела, условия равновесия многозвеньевой системы. Им дано определение общего центра тяжести человеческого тела, приведен ряд экспериментальных данных [7]. Выдающийся математик и механик Даниэль Бернулли предложил модель мышцы, состоящей из отдельных мышечных волокон. Принцип Бернулли используется в биомеханике в настоящее время. Основоположник классической механики Исаак Ньютон также обращался к проблеме движения живых существ [6–8].

Становление биомеханики как науки тесно связано с научно-техническим прогрессом. Во время промышленной революции в Европе в XVIII–XIX вв. значительно возросла роль науки в развитии производства, революционные научные открытия воплощались в новые технологические процессы. С изобретением фотографии и кино стал возможным процесс запечатления неподвижных изображений и движущихся объектов. Впервые произвести регистрацию кинематики движений и ходьбы человека с использованием фото- и кинотехники удалось Э.-Ж. Марею (1885,1895), проводившему исследования в сфере рационализации строевой подготов- ки военных. Немецкие ученые-экспериментаторы В. Брауне и О. Фишер, также применяя фототехнику, заложили основы регистрации и анализа кинематики походки с помощью инструментальных методов [7, 9]. С развитием инженерной мысли и появлением новых технических решений был изобретен прибор, позволяющий регистрировать силы реакций опоры, — динамометрическая платформа, снабженная силоизмерительными датчиками. Американский ученый Г. Эльфтман впервые провел исследования реакций опоры на динамометрической платформе и выработал методику исследования распределения давления под стопой в основной стойке (1934, 1938) [9]. Также стал развиваться такой метод, как стабилометрия (от лат. «stabilis» — твердо стоящий на ногах). Суть стабилометрического исследования заключается в регистрации колебаний тела (общего центра масс) исследуемого на плоскость платформы, имеющей тензодатчики, преобразовании сигнала и передачи данных в обрабатывающий блок [6, 8]. Первые стабилоплатформы были «кустарного» производства, регистрацию сигнала производили с помощью самописца, вычерчивающего чернильным пером графики колебаний на бумаге. В дальнейшем совершенствовались конструкции платформ, а также методы математического анализа получаемых данных. Внедрение стабилометрических платформ в серийное промышленное производство способствовало более широкому распространению метода ста-билометрии среди исследователей, которые стали активно производить инструментальные измерения постуральных колебаний, с последующей статистической обработкой полученных цифровых значений, выявлять статистически значимые явления в регуляции ортостатической позы. Группой американских ученых: В. Т. Инманом (1905-1980), Г. Эберхартом (1906-1993), Дж. Саундерсом (1903-1991) проведены фундаментальные исследования походки в норме и после протезирования нижних конечностей, изучена фазовая электрическая активность мышц при движениях. Их совместные научные труды стали классическими в истории биомеханики [6, 9]. За рубежом большую значимость в клинической практике ортопедов имеют исследования нормальной и патологической походки, выполненные М. П. Мюррей [10], Ж. Перри [11], работы Д. Сюзерленда [12], изучавшего динамику биомеханических показателей в различном возрасте.

Следующий этап в развитии дисциплины связан с изобретением электронно-вычислительных машин и развитием компьютерных технологий, что способствовало появлению новых возможностей обработки получаемой информации. В конце 70-х годов прошлого века с развитием методик компьютерной стабилометрии сформировалось новое научное направление — постурология, занимающаяся сложными механизмами поддержания вертикальной позы и равновесия. Термин «постурология» имеет происхождение от французского слова «posture» — поза. В мире существует несколько школ постурологии (французская, американская, японская), возникло несколько обществ и ассоциаций ученых-постурологов. Координирующей организацией является Международное общество исследования положения тела и походки («International Society for Posturе and Gait Reseach»), созданное в 1969 г. Постурология имеет тесную взаимосвязь с неврологией, ортопедией, оториноларингологией, офтальмологией и даже стоматологией. В сфере интересов постурологов на- ходятся пациенты с жалобами на головокружения, трудности при стоянии, неустойчивость при ходьбе, частые падения, проблемы ориентирования во внешнем пространстве, имеющие различное происхождение. Португальским исследователем М. да Кунья введено такое понятие, как «синдром постуального дефицита», которое в настоящее время трактуется как «сочетание дисфункции тонической активности и недостатка контроля постуральных колебаний, приводящее к нарушению устойчивости» [4]. С использованием стабилометрических платформ производится диагностика постуральных нарушений, разработаны и методы лечения с помощью индивидуально подбираемых ортопедических стелек, призм, платформ постуральной реабилитации и проч. [4, 13].

Состояние проблемы в отечественной медицине. В целом области приложения и внедрения в клиническую практику больше развиты за рубежом, чем в отечественной медицине, хотя роль отечественных ученых-физиологов в становлении биомеханики весьма значительна. В нейрофизиологии, учении о высшей нервной деятельности, И. М. Сеченов, И. П. Павлов, А. А. Ухтомский, П. К. Анохин показали рефлекторную природу двигательной активности и установили роль механизма нервной регуляции при взаимодействии организма и окружающей среды [7, 9]. Огромный вклад в биомеханику внес Н. А. Берштейн (1896-1966), установивший важный принцип управления движениями, разработавший собственную методику исследования кинематики движений [14]. Большую значимость в изучении физиологии движения имеют работы В. С. Гурфинкеля, под руководством которого произведены исследования баланса человека в основной стойке и опубликован научный труд «Регуляция позы человека» [15]. Выдающийся отечественный ученый-биомеханик, нейрофизиолог А. С. Витензон выполнил уникальные исследования в сфере биомеханики нормальной походки и патологии локомоции при различных заболеваниях опорно-двигательного аппарата, нервной системы [3]. А. С. Витензоном и группой ученых разработан метод искусственной коррекции, использующий электрическую стимуляцию мышц синхронно с естественной мышечной активностью в процессе движения и имеющий большие перспективы использования в реабилитации пациентов неврологического и травматолого-ортопедического профиля [3, 16, 17].

Обширные исследования, проведенные Д. В. Скворцовым, обобщили информацию о методах регистрации временных, кинематических и динамических параметров походки и основной стойки в норме и при патологии [18]. Была доказана необходимость проведения инструментальной биомеханической диагностики двигательной патологии, что позволяет объективно обосновать выбранную тактику восстановительного лечения и проводить контроль его эффективности. При этом данные были получены с использованием оборудования отечественного производства, выпускаемого научно-медицинской фирмой «МБН» (г. Москва). Уточнены функциональные нарушения, выявляемые методами биомеханики при таких заболеваниях и состояниях, как поясничная люмбоишиалгия, резидуальный период инсульта, рассеянный склероз, расстройства эмоциональной сферы и проч. Установлен феномен изменения ведущей сенсорной модальности, касающийся ролей зрительной и проприоцептивной систем в постуральной устойчивости человека. Подтверждены за- кономерности колебаний проекции центра давления при стабилометрическом исследовании, уточнено их клиническое значение. Большое внимание уделено методу функциональной электромиографии, являющейся важной составляющей комплексного биомеханического обследования. Также Д. В. Скворцовым развито направление использования биомеханических методов непосредственно в лечебном процессе: произведена модификация метода искусственной коррекции движений и метода биологической обратной связи (БОС), основанного на корректировке проекции общего центра масс тела в вертикальной стойке в процессе специальных тренингов. Разработаны оригинальный программно-аппаратный комплекс на основе БОС и комплекс для искусственной коррекции движений с возможностью целенаправленного восстановительного лечения пациентов с тяжелой сочетанной патологией (периферические и центральные парезы, патология равновесия различного генеза, рассеянный склероз и др.). Предложены промышленные образцы оборудования для исследования биомеханических параметров и проведения лечебных мероприятий, разработана общая модель внедрения биомеханических технологий [6, 18].

Подробно изучены биомеханические и электрофизиологические методики исследования опорнодвигательного аппарата А. А. Жиляевым (2003), освещена их значимость в практической медицине и в научных исследованиях [19]. Проведен большой объем исследований, на основании которого был выделен ряд значимых биомеханических параметров ходьбы, характеризующих функциональное состояние при патологии тазобедренного, коленного, голеностопного суставов, в частности при дис-пластическом, идиопатическом коксартрозе, при асептическом некрозе головки бедра. Изучена вариабельность форм динамограмм реакций опоры. В качестве высокоинформативного параметра для оценки функционального состояния нижних конечностей автор предлагает определять такой показатель, как вариабельность суммарной нагрузки (интеграл вертикальной составляющей реакции опоры). Данный показатель позволяет выявлять патологию на ранних стадиях, признаки нестабильности в суставах нижних конечностей, преимущественное поражение конечности при двустороннем процессе, возможность компенсаторных реакций. Предложена биомеханическая классификация форм нестабильности коленного сустава. Также разработаны программы для автоматизированной обработки параметров, получаемых при биомеханической оценке ходьбы и реакций опоры, при электрофизиологическом исследовании работы мышечного аппарата. Автором создан ряд электронных устройств, в том числе портативный миограф, позволяющий регистрировать сокращения мышц в процессе двигательного акта, предложен новый алгоритм обработки получаемого сигнала. Также сконструирован электростимулятор, имеющий ряд особенностей, позволяющий подбирать индивидуальную программу миостимуляции для пациента, с учетом тяжести поражения опорно-двигательной системы. Изготовлено устройство для тремороме-трии, позволяющее определять спектральный состав мышечного тремора. На основании полученного комплекса клинических, биомеханических, электрофизиологических данных сформулирована концепция повышения вариабельности биомеханических данных при патологической ходьбе. Согласно представленной концепции, регуляция координации дви- жений при патологии суставов нижних конечностей страдает при изменении характера афферентной информации, получаемой от проприорецепторов суставов. По мере утраты рецепторных зон суставных поверхностей при поражении суставов возрастает роль центральной нервной системы в регуляции локомоций. Несомненно, данные положения представляют научно-практический интерес и требуют дальнейшего изучения и развития.

Д. А. Киселев и соавт. (2011) предложили авторскую методику диагностики и консервативного лечения пациентов с нарушением опороспособности нижних конечностей, в частности при эквинусной установке стоп, разной длине конечностей с использованием стабилометрического комплекса ST-150 со специализированным программным оснащением [20]. Исследователями выявлено, что в ряде случаев при традиционном лечении подбор ортопедической обуви и выполнение коррекции укорочения конечности, произведенные без анализа объективных данных о характере постурологических нарушений, оказываются неэффективными, а в ряде случаев оказывают негативное воздействие в процессе реабилитации. Согласно разработкам авторов, подбор специальных ортопедических компенсаторов производится строго индивидуально в процессе этапных стабило-метрических обследований. Критерием правильного подбора компенсаторов является нормализация значений стабилометрических параметров, например приближение положения общего центра давления пациента в сагиттальной и фронтальной плоскости к расчетной физиологической норме, уменьшение площади статокинезиограммы, что свидетельствует о большей постуральной устойчивости, уменьшении энергозатрат на поддержание позы. В последующем с помощью специальных программ проводятся тренинги, основанные на методе биологической обратной связи. Разработанные методики были с успехом применены у пациентов с неврологической и ортопедической патологией: с последствиями детского церебрального паралича, врожденными и приобретенными деформациями нижних конечностей, сколиозом, нарушением осанки, последствиями травм, дегенеративными заболеваниями суставов.

• А. П. Ефимов развил методику исследования биомеханических показателей походки у больных с заболеваниями и последствиями травм нижних конечностей путем внедрения метода акселерографии (исследование ускорений). Изучались спектральные характеристики вибрационных сигналов, сопровождающих локомоторные акты и получаемых с помощью специальных датчиков — пьезоакселерометров. Датчики укрепляют на участке тела с поверхностным залеганием кости, подключают к регистратору. Во время ходьбы производится регистрация электрических сигналов, графически отображаемых в виде престограммы, состоящей из отдельных пиков, соотносящихся с передним и задним толчками ног. Для более точного изучения толчковой функции нижней конечности производилась регистрация резкости — физической величины, представляющей собой скорость изменения ускорения (м/с³). С точки зрения А. П. Ефимова (2012), необходима адаптация информации, получаемой при биомеханическом исследовании, выделение информативных параметров, имеющих значимость для практикующих врачей, инструкторов ЛФК, спортивных тренеров и проч. По мнению А. П. Ефимова, наиболее информативными параметрами являются: угловая скорость для суста-

• вов (град/с), ускорение угловое и линейное — для мышц (м/с2), резкость — для костей (м/с3). Произведены исследования биомеханических показателей походки при плоскостопии, деформирующих артрозах, последствиях переломов нижних конечностей, изучена амортизационная роль сводов стоп, позвоночника, мышц ног, влияние патологии нижних конечностей и позвоночника на биомеханику головы и головного мозга [21].

Сотрудниками института травматологии и ортопедии Научного центра реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН (г. Иркутск) обобщен более чем 35-летний опыт работы лаборатории биомеханики. Разработаны оригинальные методики биомеханических исследований с помощью специальных стендов, моделирующих естественный рельеф, лестничные переходы и наклонные поверхности, предложены специальные устройства для подогра-фии, которые нивелируют или создают укорочение конечности, что позволило улучшить качество диагностики восприятия пациента к нагрузке и оценить его компенсаторные возможности. М. Б. Негреева и соавт. (2006) проанализировали данные биомеханических исследований больных с заболеваниями, травмами опорно-двигательной системы и их последствиями: последствия несросшихся и неправильно сросшихся переломов нижних конечностей и таза, патологии связочного аппарата коленного сустава, дегенеративно-дистрофических заболеванияй тазобедренных суставов и пояснично-крестцового отдела позвоночника [21]. Выявлен ряд закономерностей восстановления опороспособности конечности после тотального эндопротезирования тазобедренных суставов, в том числе после одновременной двусторонней тотальной артропластики. Определено, что скорость и степень восстановления во многом зависят от дооперационного биомеханического статуса, обоснован выбор средств дополнительной опоры. Однако исследователи отмечают, что вопросы диагностики взаимной заинтересованности патологии тазобедренных суставов и позвоночника, а также восстановление двигательной активности пациентов после эндопротезирования крупных суставов остаются не достаточно разработанными.

Ю. А. Безрогодков и соавт. (2011) показали значимость биомеханических методов исследования в объективной оценке результатов тотального эндопротезирования коленных суставов по стандартной методике и с использованием систем компьютерной навигации, повышающих точность имплантации компонентов эндопротеза. Выявлено достоверно лучшее восстановление общего центра давления и центров давления конечностей, улучшение показателей походки, нормализации длительности опорного периода и коэффициента ритмичности после оперативных вмешательств с использованием компьютерной навигации [23].

На базе Российского научного центра «Восстановительная травматология и ортопедия» им. академика Г. А. Илизарова (г. Курган) активно поводятся биомеханические исследования по ряду направлений. Оценка локомоций производится с помощью программно-аппаратного комплекса «Диаслед-Скан». Разработан специальный динамометрический стенд для исследования силы мышц конечностей, активно используемый в научно-практической работе [25–27]. Н. В. Сазоновой и соавт. (2007) изучены показатели подографии и динамометрии у пациентов с начальными проявлениями остеоартроза крупных суставов нижних конечностей. Выявлено, что при коксартрозе превалируют изменения временных характеристик ходьбы, а при гонартрозе — снижение опорных (толчковых показателей). При динамометрических тестах зарегистрировано достоверное снижение силы мышц разгибателей, прежде всего мышц-разгибателей голени [24, 26].

О. Д. Давыдов и соавт. (2011) сообщают о проведенном многокритериальном биомеханическом исследовании функциональных исходов у пациентов с застарелыми тяжелыми переломами костей таза, пролеченных консервативными методами и оперативным путем [28]. Изучены временные и пространственные характеристики ходьбы, опорные реакции стоп. Произведены гониография, осциллография угловых отклонений таза и плечевого пояса в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Анализ объективных данных позволил выявить лучшие результаты лечения у пациентов, прооперированных с использованием аппаратов для чрескостного остеосинтеза, в сроки 6–12 месяцев после операции. Отмечено приближение к норме коэффициента асимметрии статической нагрузки, восстановление коэффициента ритмичности ходьбы, скорости передвижения, нарастание величины заднего толчка. При консервативном лечении выявлены объективные признаки улучшения функционального состояния опорно-двигательного аппарата.

Заключение. Несмотря на растущий научный интерес и практическую потребность в использовании методов клинической биомеханики, по мнению ряда исследователей [18–20, 22], в настоящее время в отечественной медицине существует дефицит средств объективного контроля и управления двигательной сферой у пациентов травматолого-ортопедического, неврологического профиля, что обусловлено рядом факторов. К их числу относятся оснащение учреждений здравоохранения оборудованием для клинического анализа движений; нехватка квалифицированных кадров, владеющих методиками компьютерной стабилометрии; недостаточное обеспечение специализированной учебно-методической литературой; низкая информированность практикующих врачей о возможностях метода. Что касается подготовки специалистов на до- и последипломном этапах, можно констатировать, что вопросам изучения биомеханики уделено несколько академических часов в учебных программах.

В последние десятилетия, с внедрением компьютерных технологий, в мировой клинической практике произошел колоссальный прогресс в изучении патологии походки и основной стойки, однако в нормативных параметрах, полученных различными учеными, имеется большой разброс данных. Существующие технические требования к стабилометрическим платформам и обработке стабилометрического сигнала наиболее подробно разработаны применительно к платформам зарубежного производства (как, например, «Нормы-85» Французской ассоциации постурологии) [29, 30]. Зарубежные серийно выпускаемые стабилоанализаторы малодоступны для российских организаций науки и здравоохранения в связи с высокой стоимостью, в 3–10 раз превышающей стоимость приборов отечественного производства. Среди отечественных компаний наиболее известны три разработчика и производителя оборудования для стабилометрии: «Стабилан-01», серийно выпускаемый в ЗАО «ОКБ РИТМ» (г. Таганрог), постурограф «Стабилотест СТ-01», разработанный и производи- мый ВНИИМП ВИТА (г. Москва), стабилометрический комплекс «МБН-Биомеханика», выпускаемый ООО «НМФ МБН» (г. Москва). Массовому внедрению в практику здравоохранения указанного оборудования препятствуют как недостаточно развитая система обучения специалистов по работе с ним, так и несогласованность в стандартах выполнения и интерпретации результатов исследования.

Таким образом, область применения рассматриваемого в статье клинического анализа движений очень широка. Метод может быть использован в научно-клинической деятельности и экспертной оценке функциональных нарушений у пациентов с поражением опорно-двигательной и нервной систем, вестибулярными нарушениями; для определения тактики лечения и контроля эффективности консервативных и оперативных лечебных мероприятий, протезирования конечностей. С использованием тренингов, основанных на биологической обратной связи, метод может быть применен в комплексе реабилитационных мероприятий у пациентов с нарушениями поддержания ортостатической позы, для тренировок статокинетической устойчивости у спортсменов, военных, артистов цирка и балета [31–33]. Принимая во внимание тот факт, что в последние годы в России отмечается значительный вклад патологии опорнодвигательной системы в показатели инвалидности, значимой проблемой является реабилитация инвалидов, в частности лиц с заболеваниями и последствиями травм костно-мышечной системы, особенно после оперативных вмешательств — остеосинтеза, спондилосинтеза, тотального эндопротезирования суставов [34–36, 38]. Эмпирический подбор средств реабилитации у контингента с высоким выходом на инвалидность не всегда эффективен, приводит к увеличению расходов на лечение и увеличивает процент выхода на инвалидность [39, 40].

Указанные обстоятельства актуализируют использование методов клинического анализа движений в системе восстановительного лечения данной категории пациентов, особенно с учетом того, что биомеханическое исследование не требует значительных финансовых затрат, не является инвазивным и может выполняться неограниченное число раз пациентам различных возрастных категорий [41, 42].