Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физиологические обоснования многоканальной электрической стимуляции мышц при ходьбе больных с последствиями полиомиелита

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Физиологические обоснования многоканальной электрической стимуляции мышц при ходьбе больных с последствиями полиомиелита"

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ р Г ^ 0 д УНИВЕРСИТЕТ

с. I

На правах рукописи

ИЕТРУШАНСКАЯ Кира Анатольевна

УДК 612.766:615.847:616.988

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ МЫШЦ ПРИ ХОДЬБЕ БОЛЬНЫХ С ПОСЛЕДСТВИЯМИ ПОЛИОМИЕЛИТА

Специальность 03.00.13 — физиология человека II животных

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте протезирования и протезостроешш Министерства социальной защиты населения Российской Федерации.

Научный руководитель: доктор биологических наук Я. Л. СЛАВУЦКИЙ

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук профессор В. М. СМИРНОВ, доктор биологических наук Л. Е. ЛЮБОМИРСКИЙ

Ведущее учреждение: Центральный научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова.

Защита диссертации состоится «............»..............................1993 г.

в ............ часов на заседании специализированного ученого совета Д 084.14.06 при Российском Государственном медицинском университете, 117869, Москва, ул. Островитянова, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «............»........................1993 г.

Ученый секретарь специализировапного-соиста, кандидат медицинских наук

Т. Е. КУЗНЕЦОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время известны многочисленные области применения электростимуляции мышц в покое. Последняя используется для тренировки мышц здоровых людей и спортсменов, для лечения различных форм паралитических заболеваний и сколиоза, для укрепления усеченных и ослабленных мышц верхних и нижних конечностей при подготовке к протезированию (Я. М. Код с соавт., 1971, Г. Ф. Колесников, 1977, В. И. Делов с соавт., 1980, Н. И.'Копд-рашин, А. К. Сшшцын, 1988 и др.). С помощью электростпму-ляции удается замедлить, а иногда и предотвратить атрофп-ческие процессы, развивающиеся в мышечной ткани при повреждении нервных структур пли самих мышц, усилить кровообращение, обмен веществ и в итоге улучшить функциональные свойства ослабленных мышц.

Все же эти позитивные изменения состояния мышц не всегда приводят к реабилитации целостного двигательного акта, поскольку электростимуляцпя мышц в покое протекает в условиях, далеких от условий их реальной деятельности, и непосредственно никак не связана с координацией движений.

Принципиально иное значение имеет электростимуляция мышц как способ восстановления не отдельного органа — мышцы, по сложного локомоторного акта — ходьбы человека. Этот метод направлен на решение трех основных задач: улучшение функции ослабленных мышц в процессе выполнения движений, коррекцию ходьбы и выработку локомоторного навыка, приближенного к нормальному.

До снх пор объектом искусственной коррекции движений (ИКД) посредством электростпмуляции (ЭС) являлись некоторые заболевания центральной нервной системы, ведущие к гемипарезу или нижнему парапарезу (W. Т. ЫЬегзоп е! а1., 1961; А. Кга1], 1971; А. КгаЦ е1 а1., 1983; N. I. КошкавЫи а1., 1981).

За последнее десятилетие в ЦНИИППе развернут цикл исследований по разработке метода и средств ИКД при ходьбе инвалидов на протезах п больных детским церебральным параличом, больных с повреждением спинного мозга в пояснпч-но-крестцовом отделе (Н. И. Кондрашип с соавт., 1984, II. Г. Коновалова, 1987, А. С. Витеизон с соавт., 1983, 1987, Е. М. Миронов, 1988).

В то же время остается неизученной возможность и эффективность применения этого метода у больных с последствиями полиомиелита.

Между тем проблема реабилитации таких больных является по-прежнему актуальной: число этих больных достаточно велико и пополняется все новыми случаями заболеваний, значительная неполноценность двигательной сферы у большинства больных с возрастом прогрессирует, возможности лечения крайне ограничены.

В этой проблеме остаются неясными физиологические аспекты применения И'КД, связанные с особенностями парети-ческой походки, с анализом компенсаторных приспособлений при разных комбинациях поражений, с реализацией самой коррекции ходьбы посредством многоканальной электростимуляцпи ослабленных мышц, с физиологической оценкой результатов лечения.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является физиологическое обоснование и разработка метода искусственной коррекции движений при ходьбе больных с последствиями полиомиелита посредством многоканальной электростимуляцпи мышц.

Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:

1. Клшшко-фпзиологическое исследование дефицита мышечных функций (ДМФ), комплексное количественное изучение биомеханической п шшервацнонной структуры ходьбы больных.

2. Комплексный биомеханический и физиологический анализ механизма компенсаторных приспособлений прп исследованном виде патологической ходьбы.

3. Анализ взаимодействия механизмов центрального программирования и периферической афферентации в управлении актом ходьбы на основе исследования локомоторного акта больных и модельных экспериментов на здоровых испытуемых.

4. Физиологическое обоснование метода искусственной коррекции движений с учетом локомоторных нарушений, а именно: выбор корректируемых движений н стимулируемых мышц, параметров амплитудной и временной программ многоканальной электростимуляцпи мышц, ее технологии, режимов при ходьбе, определения показаний п противопоказаний.

Ь. Выявление и физиологическая трактовка влияния дли-тельпой коррекциониой тренировки на функциональное состояние мышц, биомеханические, электромиографические и энергетические параметры ходьбы больных.

6. Разработка .рекомендаций по применению многоканальной электростимуляцпи мышц для коррекции ходьбы болышх с последствиями полиомиелита.

Материал' и методы исследования. Для решения поставленных задач осуществлено клиническое обследование состояния опорно-двигательного аппарата у 90 больных с последствиями полиомиелита. Проведены первичные курсы коррекции ходьбы посредством злектростимуляцпп мышц нижних конечностей у 30 больных. С целыо изучения отдаленных результатов у 6 больных осуществлены повторные исследования й курсы злектростимуляцпп мышц при ходьбе спустя 6—12 мё-сяцев после первичного курса лечения.

В работе использована специально разработанная схема клшшческого обследования больных. Для оценки функционального состояния паретичпых и пптактиых мышц использованы две методики: измерение силы мышц и их электрической активности при максимальном усилии. С целыо исследования биомеханической и ипиервацноиной структуры ходьбы больных применен комплекс методик, разработанных в ЦНИИПП; электроподография, электрогопнография, электродипамогра-фпя и количественная электромиография (ЭМГ) прд ходьбе (М. Я. Чнрсков, 1952, Г. И. Ропщи, 1953, Я. Л. Славуцшвд с соавт., 1965, А. С. Витензон, 1968, В. Е. Беленький, 3. Г. Цд-буташвили, 1970).

Энерготраты при ходьбе оценены с помощью метода непрямой калориметрии (И. С. Гольберг, Ю. П. Ильина, 1976), £ функциональное состояние сердечно-сосудистой системы при ходьбе — посредством электрокардиографии и по показателям центральной гемодинамики.

Исследования осуществлены до и после курса коррекции ходьбы, а измерение силы мышц через каждые 5 сеансов коррекции.

Разработана н применена методика физического моделирования, позволяющая выяснить влияние ортопедического аппарата на электрическую активность различных головок трехглавой мышцы голени и роль некоторых нейрофизиологических факторов в управлении ходьбой человека.

Всего проведено 603 исследования. Достоверность получен--ных данных подтверждена методами математической статистики.

Научная новизна работы. В ходе выполнения диссертации подробно изучено функциональное состояние мышц нижних конечностей у больных с последствиями полиомиелита.

На основе комплексных клинических и физиологических исследовании детально описана п проанализирована биомеханическая и нпнервацнонная структура ходьбы больных с односторонним и двусторонним поражением нижних конечностей, раскрыты биомеханические и нейрофизиологические механизмы компенсаторных приспособлений при ходьбе этой категории больных, выявлены некоторые элементы взаимосвязи центральных и периферических механизмов в управлении

ходьбой, определен абсолютный п относительный дефицит мышечной функции при ходьбе.

Исходя из концепции дефицита мышечной функции при ходьбе обоснован и осуществлен выбор корректируемых движении и стимулируемых мышц, установлены амплитудная и временная программы электростимуляции мышц в течение цикла ходьбы и выявлен оптимальный режим стимуляции, сформулированы показания и противопоказания к назначению ИКД.

Впервые показана принципиальная возможность коррекции движений при ходьбе посредством электростимуляции мышц у больных с последствиями полиомиелита.

Практическая ценность работы. Разработан и опробирован новый метод повышения двигательной функции у больных с тяжелым распространенным поражением опорно-двигательного аппарата. Доказано, что искусственная коррекция движении! при патологической ходьбе способствует не только увеличению силы мышц, по и ее более точному приложению по времени в теленке цикла ходьбы. Поэтому в результате разработанного метода лечения наряду с укреплением иаретичных мышц происходит выработка более рационального в биомеханическом н энергетическом плане навыка ходьбы. Наилучшие результаты пелучепы при сочетании искусственной коррекции ходьбы с использованием беззамкового ортопедического аппарата. Показана целесообразность применения больными портативных корректоров движения для получения долговременных эффектов лечения.

Реализация результатов исследования. Разработанный метод искусственной коррекции ходьбы посредством многоканальной электростпмуляции мышц у больных с последствиями полиомиелита широко используется в клинике ЦНИИПП (г. Москва). Проведены теоретические и практические занятия с врачами протезно-ортопедических предприятий и других лечебных учреждений Российской Федерации по обучению методике коррекции ходьбы этой категории больных. Опубликованы методические рекомендации: «Повышение опорпо-дви-гательных функций нижних конечностей у больных с вялыми парезами (параличами) посредством многоканальной электростпмуляции мышц при ходьбе», М., 1987.

Основные положения диссертации, выдвигаемые на защиту.

1. Анализ структуры шага при ходьбе больных с вялыми парезами нижних конечностей (последствия полиомиелита), проведенный па основе комплексных, биомеханических и количественных электромиографических исследований, выявляет механизм компенсаторных приспособлений, заключающийся в подстройке центральной иннервационной программы ходьбы к новым биомеханическим условиям ее реализации, главным образом, обусловленным дефицитом мышечной функции.

2. Несмотря на многообразие особенностей ЭМГ у различ-tibix больных, отчетливо прослеживается сохранение в шшер-вйционной структуре шага основных фаз активности п ее торможения, характерных для нормальной ходьбы, меняется лишь амплитуда ЭМГ в различные моменты фазы активности и отмечаются небольшие сдвиги во времени ее начала и конца.

3. Использование электростимуляции с лечебной цёльй непосредственно во время ходьбы целесообразно в фазе активности мышц и прежде всего мышц-разгибателей тазобедренного, колейного н голеностопного суставов, так как деятельность мышц в эти фазы требует больших усилий для выполнения основных локомоторных функций.

4. Применение курса искусственной коррекции движений посредством фазовой электростимуляции при ходьбе больных с последствиями полиомиелита приводит к увеличению силы мышц и их электрической активности при максимальном усилии, облегчению ходьбы для больного, увеличению ее скорости, снижению ее энергетической стоимости, заметной нормализации структуры шага по целому ряду биомеханических и электромиографическпх параметров, свидетельствующих о кор-реции и выработке правильного локомоторного навыка.

Публикация и обсуждение результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 16 работ, сделано 7 научных докладов, в том числе на двух международных конференциях: в Риге, 1986 и в Дубровнике (СФРЮ), 1987.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена па 281 стр. машинописи (в том числе 150 стр. собственно текста), иллюстрирована 48 таблицами и 62 рисунками. Список литературы включает 190 названий, из которых 55 . на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы задачи исследования и методы, примененные при решении поставленных задач, а такя?е основные положения, выдвигаемые на защиту.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В аналитическом обзоре представлен анализ отечественной н зарубежной литературы с подробным рассмотрением современных представлений о биомеханической и шшервацнонной структуре ходьбы человека, а также особенностей ходьбы боль-

пых с вяЛЬШп ттарезадш нижних конечностей (последствия полиомиелита). Показаны положительные стороны и ограничения электрической стимуляции мышц в покое с целью восстановления двигательных функций при поражениях и заболеваниях опорно-двигательного аппарата. Отмечена важная роль новою направления — функциональной электрической стимуляции мышц, используемой как способ восстановления уже не отдельного органа — мышцы, но целостного двигательного акта человека.

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе г-спользованы следующие методики исследования.

1. Выявление дефицита функции мышц по клинической пятибалльной системе оценок (В. М. Акатов, 1954).

2. Инструментальные исследования функции мышц посредством измерегия их силы и электрической активности при максимальном усзлпи. Каждый замер проводили не менее 3 раз. Учитывали максимальный результат.

Установка для измерения силы состояла из тензометриче-ского динамометра, тензометрпческого усилителя и подключенного к его выходу стрелочного прибора типа М 11-08. Измеряли силу мышц, осуществляющих движения в тазобедренном суставе (ТБС) при сгибании, разгибании, отведении и приведении. Исследование проводили перед 1, 6, 11, 16 сеансами и после окончания курса коррекции ходьбы.

Установка для измерения электрической активности мышц включала в себя усилитель биопотенциалов УБП1-01, электронный интегратор, .прибор счетный одноканальный ПС02-02, электронно-лучевой осциллограф. Использовали латунные накожные электроды диаметром 10 мм п межэлектродным расстоянием 40 мм. Исследовали активность 10 симметричных мышц обеих ппжних конечностей: передней болыпеберцовой, нкрсножпой, наружной широкой, полусухожильной, прямой бедра, двуглавой, длинной приводящей, большой п средней ягодичных, панрягающей широкую фасцию бедра. Исследование проводнлп до и после курса коррекции ходьбы.

3. С целью комплексного количественного изучения биомеханической и дннервационной структуры ходьбы и оценки кор-ректнрующих влияний ЭС мышц на локомоцию больных была применена многоканальная регистрация временных, кинематических, динамических п электрофизиологических параметров. Записывали электроподограмму, гонпограммы плюснефаланго-вого (ПФС), голеностопного (ГСС), коленного ('КС) суставов, ТБС, вертикальную п продольную составляющие опорных реакций, электромиограмму в натуральном и интегрированном

виде 10 мышц обеих нижних конечностей до и после проведения курса при произвольной для больного скорости ходьбы.

4. Для выявления некоторых механизмов возникновения дефицита мышечной функции (ДМФ) н анализа взаимодействия факторов центрального программирования н периферической афферентации в управлении актом ходьбы были проведены эксперименты с использованием метода физического моделирования.

Была применена методика виесенпл стационарного изменения в биомеханическую структуру ходьбы путем иммобилизации голеностопного сустава под углами 00° и 75° и регистрации изменения активности двух головок трехглавой мышцы голени: камбаловидной и внутренней искропэжпой. С этой целью был разработан специальный ортопедический аппарат, снабженный замком в голеностопном шарнире. Исследования проводили па здоровых испытуемых при ходьбе в разных темпах.

5. О влиянии коррекции ходьбы на системную гемодинамику судили по изменению гемодпнамнческнх показателей (частоты сердечных сокращений (ЧСС), величине систолического и диастолического артериального давления (САД и ДАД), а также по показателям ЭКГ. Исследования проводили сидя до нагрузки и после нее па 1 и 10 мин. отдыха. В качестве нагрузочной пробы использовали ходьбу по ровной поверхности па расстоянге 500 м без коррекции и с коррекцией.

6. Энерготраты при ходьбе больных определяли методом непрямой калориметрии Дугласа-Холдеиа. Исследования проводили до и после курса коррекцнонпой тренировки. Также измеряли эперготраты в покое.

ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ КОМПЕНСАТОРНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ПРИ ХОДЬБЕ БОЛЬНЫХ С ПОСЛЕДСТВИЯМИ ПОЛИОМИЕЛИТА

Первым этапом исследований являлось определение ДМФ у больных с последствиями полиомиелита с различной степенью поражения. С этой целью у 90 больных по пятибалльной клинической системе было обследовано около 2000 мышц. Оказалось, что в различных мышечных группах нижних конечностей число паретичпых мышц колеблется от 71 до 91%; при этом число парализованных п глубокопаретпчных мышц с оценкой 0—2 балла составляет 30—72%, а число мышц со средней степенью пареза в 3—4 балла имеет диапазон колебаний от 17 до 49%.

Клинические сведения о ДМФ были уточнены с помощью ряда инструментальных методик (измерение силы мышц н их электрической активности при максимальном усилии) на бо-

лее узкой группе больных (21 чел.). Эти исследования позволили выделить две основные клинические группы: с преимущественным односторонним и двусторонним характером поражения.

У больных I группы был глубокий парез одной нижней конечности: число мышц с оценкой 0—2 балла варьировало от 50 до 89%, тогда как мышцы другой нпжией конечности были относительно сохранны (оценка 4—5 баллов), величина статического момента мышечных сил в области ТБС пораженной ноги составила для разных групп мышц от 21 до 46% аналогичного момента другой ноги, а максимальная электрическая активность — соответственно от 15 до 56%. Эти больные при ходьбе были вынуждены пользоваться ортопедическим аппаратом, надеваемым на пораженную конечность.

II группа больных характеризовалась умеренным парезом обеих нижних конечностей: число мышц с оценкой 0—2 балла на пораженной ноге равнялось 18—75%, а на менее пораженной конечности от 8 до 17%. Величина статического момента сил в области ТБС для более пораженной погп составила 39—75% относительно более сохранной конечности, а максимальная электрическая активность — соответственно от 28 дэ 75%. Больные этой группы пользовались обычной, реже ортопедической обувью.

Исследования биомеханической и шшервацпопной структуры ходьбы подтвердили справедливость клинического разделения больных на две группы в зависимости от степени и распространенности парезов и в то же время выявили сходство менаду ними, поскольку в каждой нз них существовала функциональная неравноценность обеих нижних конечностей.

У больных I группы была выявлена резкая асимметрия всех биомеханических и электрэфнзпологическпх параметров ходьбы, а именно: временная, кинематическая п динамическая. Коэффициент ритмичности, т. е. отношение длительностей переносной фазы менее пораженной н более пораженной конечностей, был снижен до 0,77 (в норме около 1,0), наблюдали редукцию величины межзвенных углов во всех суставах ноги, но особенно в КС в среднем до 40°, уменьшение максимумов вертикальной и продольной составляющих опорной реакции (соответственно на 16—23% п 29—60%), отмечали резкое уменьшение электрической активности мышц в течение цикла на 24—36%. Наряду с количественными изменениями параметров наблюдали и качественные: утрату отдельных частей опорной фазы, выпадение некоторых фрагментов цикла ходьбы (подошвенного сгибания в ГСС и сгибания в КС в опорную фазу цикла), деформацию угла в ТБС, изменение формы составляющих опорной реакции: затянутые передний и задний фронты, нивелирование минимума вертикальной составляющей,

На стороне более сохранной конечности были обнаружены сокращение фазы переноса на 20%, некоторое увеличение амплитуды движений в суставах ноги, преимущественно «статический» характер вертикальной составляющей опорной- реакции (отсутствие в пей минимума между передним п задним толчками), увеличение в 2—3 раза электрической активности мышц, в основном минимальной, на протяжении локомоторного цикла.

Ходьба больных I группы характеризовалась низкими функциональными показателями: темп ходьбы был снижен на 21%, длина шага па 35%, скорость ходьбы — на 49%, отмечалась неустойчивость, о чем свидетельствует увеличение дву-опорпой фазы на 68%.

Анализ показал, что все отмеченные асимметрии ходьбы имели двойственный гепез, так как с одтюй стороны, отражали ослабление опорной и толчковой функция пораженной конечности, а с другой — компенсаторное усиление тех же функций более сохранной ноги, но в условиях резко сниженной скорости локомоции.

'Компенсаторные механизмы при этом виде патологической ходьбы, как и в норме, были направлены на решеипе основных задач локомоции: обеспечение устойчивости тела при ходьбе, его перемещение вперед и перенос иогп. Однако, реализация этих задач при ходьбе больных существенно отличалась от пх осуществления при ходьбе здоровых людей. Так устойчивость пораженной конечности достигалась подключением практически всех оставшихся мышц ноги независимо от обычной фазы их действия в цикле, продвижение тела вперед происходило в результате усиленного заднего толчка более сохранной конечности в условиях замедленной ходьбы, в переносе ноги участвовали не только привычно функционирующие мышцы: тыльные сгибатели ГСС п сгибатели ТБС, по и сгибатели КС, как правило, не работающие в эту фазу шага.

Для деятельности мышц более сохранной нижней конечности было характерно не только увеличение, но и значительное пролонгирование активности мышц разгибателей КС и ТБС на вторую треть опорной фазы, что, по-видимому, является компенсацией недостаточности заднего толчка пораженной нижней конечности.

У больных II группы были выявлены сходные, но менее выраженные нарушения локомоторных функций; вследствие двустороннего характера поражения временные, кинематические и динамические асимметрии были несколько сглажены; тем пе менее более полноценная конечность всегда принимала на себя функцию ведущей ноги.

Был выделен ряд типов распределения электрической активности мышц, различающихся по соотношению максимальной п минимальной активности в течение локомоторного цпк-

ла и не встречающихся при нормальной ходьбе. Сопоставление их с особенностями кривых опорных реакций показало следующее: низкой активности мышц с нивелированными максимумами соответствует сглаженная динамограмма вертикальной составляющей, величина которой ниже уровня веса тела; при высоком значении минимальной активности, но при сохранении также значений максимумов обычно наблюдается «статический» характер кривой вертикальной составляющей опорной реакции; рост максимумов активности мышц наряду с уменьшением минимальной активности возникает при увеличении «динамизма» в кривых опорной реакций, т. е. прп появлении отчетливого двугорбовото характера кривой вертикальной составляющей. Иначе говоря, с увеличением участия сит шшерцин вносятся определенные коррективы в центральную инпервационную программу ходьбы, выражением которой является распределение электрической активности мышц в течение локомоторного цикла.

У больных обеих клинических групп были также резко нарушены движения п работа мышц таза: кинематические кривые характеризовались изменением формы, увеличением размаха в 2—3 раза, неодинаковым для движений относительно разных плоскостей; наряду с этим было выявлено повышение как максимальной, так и минимальной активности в течение цикла ходьбы. Полученные данные интерпретировали как результат, с одной стороны, нарушения силового взаимодействия нижних конечностей с опорой, с другой — пареза собственных мышц таза, что приводит к увеличению и изменению формы колебаний туловища; тогда как повышение активности мышц таза рассматривали как компенсаторный механизм, направленный на уменьшение этих колебаний, особенно в фазах переднего и заднего толчков.

Материалы исследования шшервацпонной структуры ходьбы были обсуждены и в нейрофизиологическом аспекте. Оказалось, что независимо от степени поражения мышцы, т. е. числа поврежденных и еще функциорующих мотонейронов спинного мозга, у больных сохраняется в основном центральная иннервационная программа ходьбы, иначе говоря фазы работы мотопейропов в двигательном цикле.

Под влиянием афферентных факторов, связанных с изменением нагрузки (о чем свидетельствует трансформация составляющих опорной реакции) или характера движений в суста--1п>х—п[>оисходнт—-но-1Ц1Д1ЬУ10А1у.—г[(>дст{>отп;а этой—программы—к-новым патобиомеханическим условиям ходьбы. Подстройка заключается в некотором увеличении или уменьшении амплитуды активности мышц, как максимальной, так и минимальной, а также в ее перемещении, но лишь в пределах запрограммированной фазы. Таким образом, изменения величины и распределения электрической активности мышц у больных с послед-

ствиямп полиомиелита в течение локомоторного цикла обусловлены как дефицитом фуикцип многих мышц, так и некоторым видоизменением центральной ипнервационной программы.

Афферентный фактор, в частности, проявляется п при ходьбе в ортопедическом аппарате, в той пли иной мере нарушающим подвижность в суставах пораженной ноги. Для целенаправленного экспериментального изучения этого фактора при данной ситуации были проведены модельные исследования, на здоровых людях в условиях выключения с помощью специального аппарата голеностопного сустава под углами 75й и 90°.

Оказалось, что иммобилизация голеностопного сустава приводит к различным эффектам в зависимости от темна ходьбы. При медленном темпе существенно меняется пппервацноииып рисунок: уменьшается основная волна активности икроножной и особенно односуставиой камбаловпдпой мышц. С ускорением темпа ходьбы амплитуда основной волны активности восстанавливается при быстром темпе почти полностью для икроножной мыпшы и лишь частично для камбаловпдпой мышцы.

Полученные результаты дают известное представление о роли афферентных факторов при ходьбе. При медленном темпе, когда интенсивность супраспннальцых влияний на альфа и гамма-мотоиейроны сравнительно мала, ослабление афферентного притока, в частности, от мышечных веретен (их первичных п вторичных окончаний) может существенно сказаться на активности мышц, особенно в фазу развития ими наибольших усилий. Росту амплитуды основной активности мышцы, ее формированию, по-впдпмому, способствует увеличение мощности супрасппнальных влияний при ускорении темпа передвижения, отмеченное многими авторамп. В том же направлении может влиять изменение длины мышцы (икроножной, вследствие сохранения движений в КС), вызывающее повышение импульсацин от мышечных веретен при увеличении скорости угловых перемещений. •

Таким образом, соотношение программирующих н периферических влияний в регуляции деятельности мышц как при нормальной, так п, вероятно, прни натологческон ходьбе зависит от конкретных биомеханических условий.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЯ КОРРЕКЦИИ ХОДЬБЫ БОЛЬНЫХ С ПОСЛЕДСТВИЯМИ ПОЛИОМИЕЛИТА ПОСРЕДСТВОМ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ МЫШЦ

На основании ранее проведенных клнппко-фпзнологическнх исследований установлено, что основным показанием к приме-

нешйо ИКД при ходьбе больных с последствиями полиомиелита является ДМФ, вызывающий на! успение структуры локомоторного акта.

По своему генезу ДМФ при рассматриваемой патологии имеет прежде всего абсолютный характер, так как непосредственно связан с повреждением нервно-мышечных структур: гибелью мотонейропов спинного мозга, изменением проводимости нервно-мышечных синапсов, атрофией мышечных волокон. Наряду с абсолютным при ходьбе больных всегда присутствует и относительный ДМФ, обусловленный ослаблением текущей афферентацин от мышечпо-суставных рецепторов конечности вследствие уменьшения нагрузки на ногу, ограничения подвижности в суставах, недостаточного натяжения мышц после их пересадок.

Наиболее частой причиной локомоторных расстройств является ДМФ мышц разгибателей: трехглавой мышцы голени, четырехглавой мышцы бедра, большой ягодичной мышцы.

Реализация ИКД требует решения следующих задач: выбора корректируемых движении и стимулируемых мышц, установления амплитудной программы ЭС мышц, т. е. вида и параметров стимулирующих электрических сигналов, определения способов задания и параметров временной программы ЭС в течение двигательного цикла, выбора типа электродов, их формы, размеров, локализации, выяснения режима ЭС мышц при ходьбе.

При выборе корректируемых элементов локомоторной системы больных учтены следующие факторы: 1) общая концепция о физиологической роли различных мышц тела человека при ходьбе, согласно которой деятельность мышц-разгибателей направлена на осуществление движнтелышй и опорной функций, тогда как роль мышц-сгибателей является преимущественно коррекциопной, 2) клиническая оценка функции мышц, 3) всесторонний биомеханический анализ конкретной патологической походки.

Исходя из этой концепции все виды коррекциопных воздействии разделены на три группы: основные, дополнительные и вспомогательные.

Основные коррекции в наибольшей степени способствуют нормализации биомеханической структуры ходьбы. К ним прежде всего относится коррекция раз-гпбания в ТБС, осуществляемая посредством ЭС большой н средней ягодичных мышц. Эта коррекция—повышает—устойчивость—больного—нри-ходьбе, содействует выпрямлению паретпчной нижней конечности во время опоры, усиливает затем ее толчковую функцию, уменьшает фронтальные и сагиттальные раскачивания туловища. Эта коррекция показана большинству больных и выполнима в 72,2% случаев.

Дополнительные коррекции также способствуют улучше-

пшо опорнодвигательпых функций, но нх значение дли нормализации ходьбы несколько меньше. Они осуществляются посредством ЭС мышц разгибателей других суставов (ГСС, КС), а также позвоночника. Так коррекция разгибания в КС достигается путем ЭС четырехглавой мышцы бодра. Она обусловливает повышение опороспособпостн и усиленно толчковой функции паретцчлой нижней конечности п осуществима в 48,5% случаев. Значительно меньшую роль играет коррекция подошвенного сгнбаппя в ГСС в фазе отталкивания, поскольку трехглавая мышца голени резко поражена у 00 % больных.

Проведенный анализ показывает, что больным с последствиями полиомиелита наиболее часто показана комбинация кор-рокциоппых разгибательпых воздействий в ТБС и КС на одной пли двух конечшетях в зависимости от распространенности парезов.

К вспомогательным коррекциям относятся тс, которые преимущественно влияют на параметры дзпжешш в переносную фазу и осуществляются посредством ЭС' мышц-сгибателей обычно ГСС или КС. Эти коррекции в ряде случаев могут сочетаться с основными, например, коррекция разгибания в ТБС с коррекцией тыльного сгибания в ГСС в фазу переноса (посредством ЭС передней болынеборцовой мьтшцы).

Необходимым условием применения ЭС во всех рассмотренных случаях является способность паретпчных мышц отвечать на электрическое раздражение сокращением, достаточным для осуществления коррекции ходьбы. Этим свойством обладают мышцы с клинической оценкой не ниже 2 баллов, что эквивалентно остаточной силе мышц примерно 10% от максимальной.

Для уточнения параметров амплитудной программы ЭС были прозедсиы три серии исследований, в которых определяли зависимости статического момента силы мышц при разгибании в ТБС посредством ЭС большой ягодичной мышцы от длительности, амплитуды и частоты последовательности прямоугольных электрических импульсов. Было показано, что зависимости «момент снлы-длнтельтюсть пли амплитуда импульса» могут быть описаны нелинейными возрастающими функциями, тогда как кривая «момент силы — частота импульсов» мало меняется в диапазоне частот 20—40 Гц, а при дальнейшем увеличении частоты "постепенно понижается. В итоге было установлено, что в пределах комфортной (безболевоп) зоны оптимальными параметрами ЭС являются частота следования 40—50 Гц, длительность импульса до 200 мке, амплитуда до 70 В.

Выбор временной программы ЭС, т. е. фаз искусственного возбуждения мышц в течение цикла, основывался па фундаментальном принципе функциональной электрсстимуляцшг. временного совпадения фаз искусственной и естественной ак-

тивации мышц. В соответствии с такой программой фазой ЭС для ягодичных мышц и четырехглавой мышцы является первая половина опорной фазы, для трехглавой мышцы голени — средняя треть опорной фазы, для мышц сгибателей ТБС, КС и ГСС — конец опорной и первая треть переносной фаз. Задание временной программы ЭС было осуществлено на основе измерения угловых перемещений в КС пли ТБС с помощью датчиков коленного пли тазобедренного угла. Для возбуждения мышц разгибателей использовали момент срабатывания датчика в фазе разгибания в КС одноименной ноги, а для активации мышц сгибателей — момент срабатывания в той же фазе, но от датчика противоположной стороны.

Для коррекции ходьбы посредством ЭС применяли накожные электроды, имеющие многослойную структуру. В качестве токопроводящего слоя использовали углеродистую ткань. Электроды имели прямоугольную форму. Длина их была равна поперечнику мышцы. Активный электрод располагали в области двигательной зоны, индифферентный па расстоянии 4— 8 см от первого.

Искусственная коррекция ходьбы больных была реализована с помощью четырехканалышго корректора движений, разработанного в ЦНИИПП. Последний позволял осуществить независимую электростимуляцию четырех мышечных групп в течение локомоторного цикла.

Временные режимы ЭС при ходьбе выбирали, исходя из функционального состояния больного, темпа и длительности передвижения. При среднем темпе ходьбы (длительность цикла 1,4—1,8 с) продолжительность ЭС не превышала 0,7 с, а длительность отдыха мышц составляла 0,7—1,1 с. Сеанс коррекции заключался в ходьбе па расстояние 1,5—2 км. Курс коррекции состоял из 20 ежедневных сеансов. При таком режиме ЭС больные практически не утомлялись. Состояние сердечно-сосудистой системы при обычной и корректированной ходьбе было одинаковым: систолическое артериальное давление увеличивалось в среднем на 10 мм рт. ст., диастолическое давление — на 5 мм рт. ст., частота сердечных сокращений — на 17—19 уд/мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОРРЕКЦИИ

--ХОДЬБЫ-У-БОЛЬНЬТХ_

С ПОСЛЕДСТВИЯМИ ПОЛИОМИЕЛИТА

С целью выяснения влияния ИКД посредством ЭС мышц на их функциональное состояние и структуру ходьбы было проведены первичные курсы коррекции 30 больным и повторные курсы — 6 больным.

Исследования выявили два вида долговременных эффектов:

1) улучшение функционального состояния паретичных мышц,

2) нормализацию некоторых элементов структуры ходьбы больных.

Об улучшении функции мышц свидетельствовали увеличение их силы (в среднем на 80% для мышц в области ТБС па-ретичнон конечности) и электрической активности при максимальном усилии (па 24—35% для мышц той же ноги). На стороне более сохранной конечности прирост силы составлял 35—37% от исходного уровня, а максимальной электрической активности 5—23%. При этом преимущественный рост силовых эффектов мышц по сравнению с электрическими косвенно указывал на основной механизм процесса — гипертрофию функционирующих мышечных волокон.

О нормализации структуры ходьбы судили по изменению следующих биомеханических параметров: 1) повышению опорной и толчковой функции более пораженной нижней конечности, выражавшемуся в увеличении переднего и заднего толчков (соответственно для вертикальной составляющей на 10% и 12%, для продольной составляющей на 36% и 33%) и более правильной форме дпнамограмм опорной реакции, 2) улучшению кинематических характеристик пораженной конечности, в особенности движений в КС п ТБС (сгибание в КС в опорную фазу увеличилось на 58%, в переносную фазу на 25%, разгибание в ТБС — на 26%), 3) усилению толчковой функции сохранившейся или менее пораженной нижней конечности, проявлявшемуся в возрастании продольной составляющей заднего толчка (на 31—34%), в увеличении амплитуды движений в ТБС, КС н ГСС в фазе отталкивании ноги от опорной поверхности.

Вследствие позитивных изменении в биомеханической структуре ходьбы происходило улучшение и ее основной характеристики— скорости передвижения больных (на 17%). Несмотря па увеличение скорости ходьбы была отмечена тенденция к снпжепшо уровня эиерготрат (в среднем на 10%) после курса ИКД.

В то же время электрическая активность мышц более пораженной конечности практически не изменялась ни по своей величине, ни по характеру распределения в течение цикла ло-комоции. На стороне менее пораженной ногн, особенно у боль-пых I группы, активность отчетливо уменьшалась. Это уменьшение проявлялось в двух формах: в одном случае значение максимальной за цикл активности было постоянным, но снижался уровень лншшалыюй активности, в другом становилась меньше как максимальная, так и минимальная активность мышц. Таким образом, под влиянием коррекцпонноп трени-

ровки происходило перераспределение нагрузки мёжду обеими конечностями: частично разгружалась более сохранная копеч-' пость и несколько сильнее нагружалась более пораженная, (о последнем можно судить по увеличению опорной и толчковой функции пораженной конечности).

Полученные данные позволили выдвинуть следующую гипотезу о механизме изменения стереотипа ходьбы больных с последствиями полиомиелита в результате коррекцпонной тренировки. Главный эффект применения ИКД у этой категории больных определяется увеличением силы мышц и их более точным приложением по времени в течение цикла ходьбы. И если первый фактор является непосредственным результатом длительной электростимуляции в благоприятных физиологических условиях, то второй фактор необходимо рассматривать как итог выработки более правильного навыка ходьбы.

Хронологически этот процесс можно себе представить следующим образом: укрепление мышц разгибателей более пораженной ноги приводит к повышению ее опорной н движнтель-иой функций, особенно у больных, использующих ортопедический аппарат; это в свою очередь вызывает «раскрепощение» двпжителыюй функции сохранившейся плн менее пораженной конечпостн. Следствием такого изменения биомеханической структуры являются повышение скорости ходьбы и снижение ее энергетической стоимости, так как переход из области замедленной ходьбы, свойственной больным до курса ИКД, в область средних скоростей сопровождается уменьшением энерготрат. Другая причина повышения эффективности ходьбы заключается в более рациональном использовании мышечных сил, о чем говорит упорядочение и некоторое уменьшение активности мышц в течение локомоторного цикла, прежде всего более сохранной нижней конечности.

Таким образом, длительное применение ИКД способно из" менить структуру многолетнего прочно сложившегося стереотипа ходьбы больных с последствиями полиомиелита.

Изучение отдаленных результатов показывает, что положительные эффекты курса ИКД сохраняются, по крайней мере в течение 12 месяцев, после чего наступает постепенное снижение силы мышц, по не достигающее исходного уровня. Отсюда сделан вывод о необходимости проведения повторных курсов больным или применения портативных корректоров. Использование обоих приемов открывает возможность стабилизации функционального состояния иаретнчных мышц на продолжительное время и, следовательно, может успешно применяться в комплексном лечении больных с последствиями полиомиелита.

ВЫВОДЫ

1. Ходьба больных с .последствиями полиомиелита характеризуется ухудшением основных показателей (скорости, темпа, длины шага), резким нарушением временной и кинематической структуры шага (выпадением отдельных фаз двигательного цикла, изменением рисунка движений, увеличением амплитуды наклонов п ротации таза), деформацией кривых составляющих опорной реакции, перераспределением электрической активности мышц в течение цикла (нивелирование одних максимумов и подчеркивание других). Отчетливо выражена асимметрия всех параметров ходьбы, отражающая ослабление опорной и толчковой функций более пораженной копечиостп и компенсаторное возрастание тех же функций более сохранной поги.

2. Установленные изменения структуры шага исследованных больных позволяют проследить механизм компенсаторных приспособлений при патологической ходьбе, в основе которого лежит подстройка центральной шшервацпонной программы к изменившимся вследствие дефицита мышечной функции биомеханическим условиям ходьбы. Это подтверждают модельные исследования с выключением движений в голеностопном суставе при ходьбе здоровых людей, которые показывают, что афферентация, сигнализирующая о нарушении биомеханических условий движения, приводит к соответствующим компенсаторным изменениям центральной иннервации, проявляющимся в электрической активности мышц.

3. Фазы активности мышц п ее торможения при ходьбе не зависят от степени их поражения, т. е. от числа сохранившихся мотонейроиов спинного мозга, а определяются центральной иннервационной программой локомоторного акта. Видимое многообразие особенностей электромиограммы при ходьбе различных больных обусловлено изменениями ее амплитуды в различные моменты фаз активности и незначительными сдвигами во времени ее начала и конца.

4. Эффективным способом уменьшения дефицита мышечной функции больных является искусственная коррекция движений при ходьбе посредством многоканальной фазовой электростимуляции мышц в сочетании с применением ортопедических аппаратов. 'Коррекции подлежат в основном разгнбатель-ные движения в коленном и тазобедренном суставах одной или обеих нижних конечностей путем электростимуляцнп четырехглавой мышцы бедра, большой п средней ягодичных мышц, иногда в сочетании с коррекцией других движений. При этом стимуляция осуществляется в фазы естественной активности мышц в соответствии с центральной иннервационной программой. Все фазы синхронизируются посредством датчиков колен-лого или тазобедренного угла.

о. На основе исследования зависимостей статического момента мышечных сил от параметров прямоугольного электрического сигнала могут быть рекомендованы для коррекции ходьбы последовательности импульсов с частотой следования от 20 до 40 Гц, длительностью от 50 до 200 мкс, амплитудой до 60—70 В.

6. Двадцатидневпый курс коррекции ходьбы посредством многоканальной элактростпмуляцпи мышц способствует существенному улучшению их функционального состояния: сила мышц, осуществляющих движения в тазобедренном суставе, возрастает в среднем па 80%, а нх электрическая активность на 24—35%. При этом црепмуществепный рост силовых факторов по сравнению с электрическими косвенно указывает на основной механизм процесса — гипертрофию функционирующих мышечных волокон.

7. Под влиянием курса коррекциопной тренировки происходит формирование более правильного навыка ходьбы, в основе которого лежит увеличение мышечных сил и, главным образом, нх более точное приложение в функционально адекватные фазы локомоторного цикла: в результате этого повышается опороспособность пораженной конечности, увеличивается толчковая функция более сохранной ноги, раскрепощаются ее движения, происходит перераспределение активности между обеими коиечностямп, возрастает скорость ходьбы и одновременно снижается ее энергитнческая стоимость.

8. В течение года после коррекционпой тренировки клиническое состояние мышц изменяется незначительно. Отмечаемое в дальнейшем некоторое снижение силы мышц требует проведения поддерживающих курсов лечения, что может быть реализовано путем применения портативных корректоров движения.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРАКТИКУ

Разработанная методика коррекции ходьбы больных с последствиями полиомиелита посредством электростимуляции мышц внедрена в клинике ЦНИИПП. Опубликованы методические рекомендации по применению этой методики.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Коррекция движений при ходьбе посредством многоканальной электрической стимуляции мышц. — «Ортопедия,, травматология, протезирование», 1983, № 8, с. 46—52 (соавт.

А. С. Витепзон, В. Г. Зарезанков, 10. В. Дубровский, Н. Г. Коновалова).

2. Применение многоканальной электрической стимуляции мышц для коррекции движений при патологической ходьбе. — «Тезисы докладов 3 Всесоюзной конференции по проблемам биомеханики, Рига, 1983, т. 2, с. 31—32 (соавт. А. С. Витен-зон, В. Г. Зарезанков, 10. П. Ильина, Ю. В. Дубровский, Н. Г. Коновалова).

3. Влияние электростимуляции мышц при ходьбе на их функциональное состояние у больных с последствиями полиомиелита. — «Протезирование и протезостроение», 1985, сб. трудов, вып. 71, М„ ЦНИИПП, с. 104-112.

4. Клшшко-физпологические обоснования коррекции ходьбы больных с последствиями полиомиелита. — «Протезирование и протезостроение», 1985, сб. трудов вып. 73, М., ЦНИИПП, с. 25—35 (соавт. Б. Г. Спивак).

5. Искусственная коррекция движений при патологической ходьбе. Обзорная информация, изд. ЦБНТИ Мипсобеса РСФСР, М., 1986, 45 с. (соавт. А. С. Витензон, Г. Н. Баляки-на):

6. Новые пути реабилитации больных с последствиями полиомиелита. В сб. ЦИЭТИН «Актуальные вопросы врачебно-трудовой экспертизы и реабилитации больных и ипвалидов», 1987, с. 41-43.

7. Влияние электростимуляции мышц на структуру ходьбы больных с последствиями полиомиелита. — «Тезисы докладов Международной конференции «Достижения биомеханики в медицине», Рига, 1986, т. 3, с. 77—83. (соавт. А. С. Витензон).

8. Повышение опорпо-двнгательпых функций нижних конечностей у больных с вялыми парезами (параличами) посредством многоканальной электростимуляции мышц при ходьбе. Методические рекомендации. Изд. ЦНИИПП, 1987, 34 с. (соавт. А. С. Витепзон, Б. Г. Спивак, Е. М. Миронов).

9. Взаимосвязь центральной шшервационной программы и биомеханических условий движения при нормальной и патологической ходьбе. — В кн.: «XV съезд Всесоюзного физиологического общества им. И. II. Павлова, Кишенев, 1987, т. 2, с. 102 (соавт. Я. JI. Славуцкнй, Н. И. Копдрашин, А. С. Витензон, Г. П. Гриценко, А. К. Снницын, И. JI. Ильин).

10. Применение ортезов и электростимуляция мышц при ходьбе больных с последствиями полиомиелита. — «Протезирование и протезостроение», 1987, сб. трудов вып. 80, М., ЦНИИПП, с. 32-38.

11. Коррекция ходьбы посредством электростпмуляцни мышц и состояние сердечно-сосудистой системы у больных с последствиями полиомиелита. — «Протезирование и протезо-

строение», 1987, сб. трудов вып. 78, М., с. 59—65. (соавт. Г. И. Котощук).

12. Клшшко-физпологическая оценка результатов коррекции патологической ходьбы посредством электростимуляции мышц. — Методические рекомендации. Изд. ЦНИИПП, 1988, 30 с. (соавт. А. С. Витензои, Б. Г. Спивак, И. Б. Скляр).

13. Искусственная коррекция движений при ходьбе больных с последствиями полиомиелита. — В сб. ЦИТО «Биомеханические исследования в травматологии и ортопедии», 1988, М., с. 65-70.

14. Влияние электростимуляционной тренировки мышц на энерготраты при ходьбе больных с последствиями полиомиелита. — «Протезирование и протезостроение», 1988, сб. трудов вып. 81, М., ЦНИИПП, с. 55—62 (соавт. Ю. П. Ильина).

15. Влияние электростнмуляции мышц при ходьбе на обмен в покое у больных с последствиями полиомиелита. — «Протезирование и протезостроение», 1988, сб. трудов вып. 83, М., ЦНИИПП, с. 75—78 (соаввт. 10. П. Ильина).

16. Walk correction of patients affected with flaccid paresis of lower limbs using multichannel musche electrical stimulation.— Proceedings of the 9 th International Symposium on External Control of Human Extremities. Dubrovnik. 1987. — Belgrade. 1987, p. 421—434. (in collaboration with N. I. Kondrashin, A. S. Vitenson, E. M. Mironov).

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОБСУЖДЕНЫ И ДОЛОЖЕНЫ НА:

1. 3 Всесоюзной конференции по проблемам биомеханики, г. Рига, 1983.

2. Международной копферепцпн «Достижения биомеханики в .медицине», г. Рига, 1986.

3. IX международном симпозиуме по внешнему управлению конечностями человека, г. Дубровник (СФРЮ), 1987.

4. Конференции молодых ученых ЦИЭТИН, г. Москва, 1986.

5. XV съезде Всесоюзного физиологического общества им. И. II. Павлова, г. Кишинев, 1987.

6. Конференции, посвященной 70-летию ЛНИИПП, г. Ле-тшград—1989:---

7. Республиканской научно-практической конференции, г. Новокузнецк, 1991.