Опыт разработки пассивного экзоскелета для реабилитации нижних конечностей у детей с ДЦП

Введение. Детский церебральный паралич (ДЦП) является одной из опаснейших патологий современности. Болезнь характеризуется поражением нервной системы, что приводит к нарушениям в работе опорно-двигательного аппарата. Поражается структура головного мозга, в том числе ствол, кора и капсульные образования, что вызывает тяжелые осложнения, предполагающие продолжительный лечебный процесс и реабилитацию [4]. Ежегодно такой диагноз ставят 16 тысячам новорожденных в стране [2].

Цель исследования: провести комплексную терапию с помощью различных средств реабилитации, которые позволят откорректировать имеющуюся двигательную дисфункцию.

Материалы и методы. Доминирующей ортопедической патологией у детей с ДЦП является поражение нижних конечностей, а именно дисплазия тазобедренного сустава и деформация стопы [6].

Для пациентов, страдающих ДЦП, большое значение имеет адаптация к жизни в об- ществе, развитие навыков, социализация. Реабилитация для детей с ДЦП в первую очередь подразумевает устранение дефекта двигательной деятельности [12].

Физические упражнения являются основой реабилитации детей с двигательными нарушениями в комплексной терапии. Упражнения направлены: на увеличение объема движений; улучшение моторных функций; на предотвращение неправильных поз; уменьшение влияния патологических рефлексов за счет активации установочных рефлексов и правильного положения тела с фиксацией конечностей [10]. Также за счет упражнений у ребенка увеличивается выносливость, укрепляется мышечный корсет, улучшается жизненный тонус, увеличивается подвижность суставов [13]. Это приводит к возникновению обратной связи в центральную нервную систему (ЦНС), в связи с чем мозг получает правильные сигналы «тело – голова – тело», что приводит к улучшению в двигательном развитии детей с ДЦП [9].

В России и европейских странах применяют систему классификации глобальных моторных функций (GMFCS) для определения степени тяжести поражения моторных функций [5].

Физические методы лечения больному ДЦП подбирают в зависимости от его возраста, ведущего патологического симптома в двигательной сфере, степени двигательных нарушений (уровень по GMFCS), наличия осложнений основного патологического состояния (например, эпилептических приступов или вторичных скелетных деформаций) и наличия сопутствующих заболеваний (например, врожденного порока сердца или гемофилии) [11].

Для изменения положения тела пациента с выраженными парезами применяют специальное оборудование: вертикализаторы, тренажеры, экзоскелеты и т. п., позволяющие отрабатывать координацию и шаговые движения [7].

В настоящий момент применяются различные комплексы:

• •    лечебные костюмы типа «Регент» (разработчик ООО «Центр авиакосмической медицины и технологий», г. Москва [1]), «Адели» (разработчик ООО «АЮРВЕДА», г. Москва [1]), которые представляют собой силовую систему, состоящую из опорных элементов и эластичных регулируемых тяг, с помощью которой с лечебной целью создается нагрузка на опорно-двигательный аппарат больного;

• •    медицинские экзоскелеты ExoAtlet (разработчик ООО «ЭкзоАтлет», г. Москва), EksoGT™ (разработчик EksoBionics, USA), ExoLite (разработчик Юго-Западный государственный университет, г. Курск), которые предназначены для реабилитации пациентов с локомоторными нарушениями нижних конечностей, наступившими в результате травм, заболеваний опорно-двигательного аппарата или нервной системы;

• •    роботизированный комплекс Lokomat (разработчик Hocoma, Швейцария) и др.

Потенциальными пациентами, для которых разрабатывался макетный образец пассивного экзоскелета, стали дети в возрасте от 4 лет, имеющие I и II уровень моторных функций по шкале GMFCS. Они уже научились самостоятельно ходить, но в силу особенностей заболевания имеют некоторые отклонения от шаговых движений человека, не отягощенного заболеванием ДЦП.

Пациенты с диагнозом ДЦП, как правило, имеют перекос таза, сопровождающий односторонний подвывих или вывих бедра [3], а также деформацию стопы. Поэтому в первую очередь задача пассивного экзоскелета заключалась в фиксации костей таза и стопы в положении, близком к «нормальному», и далее уже из этого положения создание возможности отрабатывать паттерны ходьбы [8].

Прежде чем начать процесс разработки 3D-модели экзоскелета, были получены основные антропометрические показатели 15 здоровых детей в возрасте от 4 до 8 лет (табл. 1).

Таблица 1

Table 1 Антропометрические данные группы детей возраста от 4 до 8 лет Anthropometric data of children aged from 4 to 8 years

Рост, см Body height, cm	116,3 ± 11,7
Ширина таза (h т ), см Width of pelvis (h т ), cm	27,3 ± 6,2
Длина от тазобедренного сустава до колена (hтс), см Pelvis joint – knee distance (h тс ), cm	32,4 ± 8,7
Длина от колена до пола (h гс ), см Knee to ground distance (h гс ), cm	43,1 ± 9,5
Длина стопы (h с ), см Foot length(h с ), cm	21,3 ± 2,4
Обхват бедра, см Hip circumference, cm	40,7 ± 7,4
Обхват икроножной мышцы, см Gastrocnemius circumference, cm	28,6 ± 4,7
Обхват по голеностопу, см Ankle circumference, cm	18,4 ± 3,5

В результате были определены диапазоны изменения основных линейных параметров (h т , h тс , h гс , h с ), которые позволят настроить экзоскелет индивидуально для каждого пациента.

При ходьбе человек совершает вращательные движения в тазобедренном и коленном суставе, поэтому для расчета конструкции необходимо знать углы поворота в суставах. С использованием роботизированного комплекса BioDex, размещенного в Научноисследовательском центре спортивной науки ЮУрГУ, были получены ротационные углы коленного ( α _к ), тазобедренного ( α _т ) и голеностопного сустава ( α _г ) (табл. 2).

Таблица 2

Table 2

Объем движения в суставах нижних конечностей у пациентов исследуемой группы The range of motion in the lower extremities in participants

Объем движения в тазобедренном суставе, град. The range of motion in the pelvis joint, degrees	85 ± 8,7
Объем движения в коленном суставе, град. The range of motion in the knee joint, degrees	73 ± 6,8
Объем движения в голеностопном суставе в фронтальной плоскости, град. The range of motion in the ankle joint in the frontal plane, degrees	10 ± 3,2
Объем движения в голеностопном суставе в сагитт а льной плоскости, град. The range of motion in the ankle joint in the sagittal plane, degrees	3 ± 1,2

Результаты исследования. Используя полученные статистические данные параметров нижних конечностей здорового человека, в среде автоматизированного проектирования SolidWorks была построена 3D-модель пассивного экзоскелета (рис. 1), состоящего из:

• •    устройства для позиционирования таза и бедер с фиксацией к телу эластичными ремнями (на рис. 1 не показаны);

• •    устройства для позиционирования голени и стопы;

• •    одностепенные шарниры «таз – бедро» и «бедро – колено».

Рис. 1. 3D-модель пассивного экзоскелета нижних конечностей

Fig. 1. A 3D model of the exoskeleton

Устройства для позиционирования таза и бедер имеют возможность регулировки в зависимости от параметров h тс и h гс .

На базе МБОУ «Шк о ла-интернат № 4» г. Челябинска начат экспе р имент по а п робации данного устройства. Набрана группа из 9 детей возраста 4–8 лет, которые нуждаются в реабилитации. Было проведено тестирование с использованием роботизированного комплекса BioDex для опред е ления объема движе н ия в суставах (рис. 2).

Рис. 2. Определение объема движения в суставах на аппарате BioDex

Fig. 2. Determining the range of motion in the joints with the BioDex robotic equipment

a)

Рис. 3. Макетный образец пассивного экзоскелета нижних конечностей

Fig. 3. A prototype of a passive exoskeleton for the lower extremities

б)

Заключение. Детский церебральный паралич (ДЦП) является одной из опаснейших патологий современности. Болезнь характеризуется поражением нервной системы, что приводит к нарушениям в работе опорнодвигательного аппарата. Данные пациенты нуждаются в проведении комплексной терапии с помощью различных средств реабилитации, которые позволят откорректировать имеющуюся двигательную дисфункцию. В ходе данного исследования были получены и статистически обработаны антропометрические данные здоровых людей в возрасте от 4 до 8 лет. С использованием этих данных были рассчитаны основные линейные и пространственные параметры элементов проектируемого устройства. Было выполнено компьютерное моделирование экзоскелета в автоматизированной системе проектирования SolidWorks с возможностью изменения основных параметров устройства в соответствии с антропометрическими данными конкретного пациента. Был изготовлен макетный образец экзоскелета (рис. 3) с использованием технологии 3D-печати для проведения дальнейшей апробации. На базе МБОУ «Школа-интернат № 4» г. Челябинска набрана группа из 9 детей в возрасте 4–8 лет, которые нуждаются в реабилитации, и начата апробация данного устройства. Начат трехмесячный эксперимент по коррекции ходьбы у пациентов. Было проведено тестирование устройства на удобство ношения. Выявлена необходимость использования смягчающих прокладок.