Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АКТИВАЦИИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ ЧЕЛОВЕКА

Изобретение относится к экспериментальной и восстановительной медицине и может быть использовано для разработки способов лечения и реабилитации людей с поражением спинного мозга.

Возможность активации двигательных функций человека была установлена в последние несколько лет, когда в его спинном мозге было выявлено существование популяции нейронов, способных продуцировать шагательные паттерны, управляющие движениями ног. Такая сеть интернейронов названа генератором шагательного движения (ГШД).

ГШД можно активировать с помощью электрической стимуляции спинного мозга человека, например, в положении «лежа на спине или на боку» с подвешенными на балканских рамах ногами, как это описано в пат. RU №2204423, МПК A61N 1/32. Стимуляцию осуществляют воздействием на спинной мозг импульсами тока прямоугольной формы длительностью 0,5-1 мс, амплитудой 0,1-7 мА, с индивидуально подобранной частотой в диапазоне 2-100 Гц, обеспечивающей координированный «шагательный» характер вызванных электростимуляцией движений ног.

Недостатком указанного метода является его инвазивность. Так, известный способ состоит в наложении стимулирующих электродов на поверхность твердой мозговой оболочки спинного мозга (эпидурально) с последующей электрической стимуляцией спинного мозга ниже уровня его поражения. Реализация способа требует оперативного вмешательства для имплантации электродов, а также специфического медицинского обслуживания на весь период работы стимулирующих электродов для предотвращения инфицирования места имплантации через провода электродов, располагающиеся накожно.

Кроме того, приложение электрического тока к телу пациента достаточно часто вызывает физиологическую и психологическую травму пациенту.

Один из способов воздействия на спинальные центры - неинвазивная активация. Было выявлено, что у здорового человека, в условиях внешней подвески ног в горизонтальной плоскости вибрация, прикладываемая к мышцам нижних конечностей или электрическая стимуляция периферических нервов, вызывают непроизвольные шагательные движения. Известные методы базируются на возможности активации локомоторных генераторов через афферентный вход, при воздействии в первом случае на мышечные и кожные рецепторы, а во втором - при непосредственной стимуляции афферентных нервов.

Недостатками указанных методов являются следующие обстоятельства.

Во-первых, для вызова локомоции при воздействии на мышечные и кожные рецепторы механическим воздействием или электрическим током необходимо точно локализовать место приложения воздействий, а именно положение головки m. quadriceps, что требует для проведения процедуры специального обучения персонала. Во-вторых, при воздействии на мышечные и кожные рецепторы электрическим током препятствием для вызова локомоции может стать индивидуальная непереносимость электростимуляции.

Известен способ активации двигательных функций человека по патенту RU 2142737, МПК А61В 5/16, опубл. 1999., согласно которому проводят стимуляцию спинального локомоторного генератора энергичными ритмическими движениями рук при облегченном положении ног. Оптимальным для вызова локомоторных движений является горизонтальное положение пациента на спине или на боку с полусогнутыми подвешенными на балканских рамах ногами либо вертикальное на парашютной подвеске. При этом активацию спинального локомоторного генератора пациент вызывает самостоятельно энергичными поочередными движениями рук, имитирующими движения рук при беге. Способ позволяет выработать навык спинального автоматического шагания у парализованных пациентов для последующего восстановления двигательных функций нижних конечностей.

Недостатком способа является сложность воспроизведения метода. Энергичные поочередные движения рук, имитирующие движения рук при беге, невозможно совершать, лежа на боку или на спине. В вертикальном положении, на парашютной подвеске, движения рук также не будут достаточно энергичными, чтобы имитировать движения рук при беге, из-за конструкции парашютной подвески, ограничивающей движения рук в плечевом поясе.

Среди известных способов наиболее близким аналогом предлагаемого решения является способ, описанный в статье Гурфинкеля B.C. и др. Tonic Central and Sensory Stimuli Facilitate Involuntary Air-Stepping in Humans // J. Neurophysiol. 101:2847-2858. 2009.

Согласно указанному способу испытуемого укладывают на бок, ноги подвешивают в горизонтальной плоскости с возможностью их ротации в трех суставах: тазобедренном, коленном и голеностопном. Для вызова непроизвольного шагания hoi испытуемого использовали электрическую стимуляцию мышечных и кожных рецепторов голени. При этом наблюдалась реципрокная активация во флексорных и эктензорных мышцах одной ноги и противофазная активность в мышцах-агонистах другой. Кинематика вызванных движений не отличалась от кинематики локомоторных движений, выполняемых испытуемыми произвольно в тех же условиях эксперимента.

Недостатком способа-прототипа является непереносимость некоторыми людьми воздействия электрическим током. Кроме того, способ требует точно локализации места приложения воздействий, что усложняет условия проведения процедуры.

Заявляемый способ позволяет получить новый по сравнению с прототипом результат, заключающийся в возможности активации двигательных функции человека без воздействия на его нижние конечности электрическим током. Задача решается в результате оказания давления на опорные поверхности стоп испытуемого с определенной силой, частотой и последовательностью.

Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе активации двигательных функций человека, (включающем, так же как и прототип, расположение человека в горизонтальном положении на боку с ногами, размещенными на отдельных подвесных узлах, с возможностью их перемещения в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах), в отличие от прототипа, на пяточную и плюсневую области стоп испытуемого поочередно оказывают давление с чередованием правой и левой ног, при этом давление подают в течение 30-60 сек с частотой и силой, соответствующими режиму ходьбы или бега.

Для подачи необходимого давления на ноги испытуемого могут быть использованы, например, электромагнитные стельки с давящими выступами в местах, соответствующих анатомически характерным зонам стоп (см., а.с. №1299560, А43В 7/00, опубл. 1987), электронно-пневматические устройства в виде подошв с эластичными супинаторами (А.с. №1811834, А61Н 1/00, опубл. 1991; пат. РФ №2148981, МПК А61Н 1/00, опубл. 2000 г) и др. Важно, чтобы устройство обеспечивало бы давление на соответствующие зоны стоп с параметрами, имитирующими ходьбу или бег человека.

Сущность способа состоит в том, что при давлении па механорецепторы ступней ног человека в режиме, имитирующем режим ходьбы (75 шаг/мин) или бега (120 шаг/мин) с чередованием воздействий на левую и правую ногу, в условиях снятия с них гравитационных нагрузок, обеспечиваются оптимальные условия для запуска шагательных движений человека. При этом запуск генератора, как показали исследования, происходит у большинства испытуемых не позднее 30-ой сек. от начала воздействия. Если в течение этого времени ожидаемый результат не появится, то дальнейшая стимуляция стоп, как правило, положительного эффекта не даст. Тем не менее, в способе, на случай возможных исключений, задан период воздействия 30-60 сек.

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - активация двигательных функций человека без воздействия на его нижние конечности электрическим током - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - вызов локомоции у больных с поражением спинного мозга - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь проведенный информационный поиск в области медицины не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».

Сущность указанного способа поясняется фиг.1-4, где

на фиг.1 приведена фотография проводимого эксперимента,

на фиг.2 - схема экспериментальной установки,

на фиг.3 - результаты видеорегистрации угловых перемещений в тазобедренном (Бдр), коленном (Клн) и голеностопном (Гст) суставах в ответ на стимуляцию опорной поверхности стоп,

на фиг.4 - график электромиографической активности.

Способ был реализован с помощью устройства, состоящего из двух подвесных узлов 1, 2. (фиг.1). Узел 1 выполнен в виде элемента с цилиндрической поверхностью, являющегося ложем для голени одной из ног испытуемого. Узел 1 подвешен на ремнях. Узел 2 - в виде элемента с такой же цилиндрической поверхностью, обеспечивающей опору голени второй ноги. Этот элемент соединен с горизонтально ориентированной доской (1155×200 мм, 3 кг) и может свободно вращаться в горизонтальной плоскости относительно точки соединения. Доска подвешена на ремнях в той же точке, что и узел 1. Для создания режима, имитирующего ходьбу или бег, использовалось электронно-пневматическое устройство, разработанное сотрудниками ФГБУН Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем РАН и описанное в пат. РФ №2148981, МПК А61Н 1/00, опубл. 2000 г.

Указанное устройство (на рис.не показано) содержит два пневмоботинка, каждый из которых снабжен эластичным супинатором и манжетой обжатия, при этом супинаторы содержат пневмомодули в носковой и пяточной частях, соединенные с источником давления, например, компрессором. Вход компрессора соединен с электронно-пневматическим блоком, позволяющим выбрать алгоритм (чередование подачи давления от пяточной в плюсневую области стопы последовательно одной, а затем другой ноги), частоту (соответствующую 75 и/или 120 шагам в минуту), уровень (до 50 кПа) и время (30-60 сек) воздействия.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА

Исследования проводились на экспериментальной базе Великолукской государственной академии физической культуры и спорта. К исследованиям было привлечено 9 физически здоровых людей.

Испытуемых укладывали на левый бок, правая нога поддерживалась непосредственно в области голени, а левая - располагалась на вращающейся шине, прикрепленной к горизонтально ориентированной доске, удерживаемой ремнями, закрепленными на потолке (фиг.1, 2). В таком положении испытуемые могли выполнять движения с большой амплитудой.

Все экспериментальные сессии начинались с видеорегистрации и ЭМГ регистрации произвольных движений ног испытуемого в ответ на просьбу двигать ногами как при беге или ходьбе. Исследование влияния стимуляции опорной поверхности стоп на вызванные движения состояло из двух последовательных экспериментальных сессий: проводили стимуляцию опорной поверхности стоп с частотой 75 и 120 шагов в мин примерно 30 сек и регистрировали вызванные движения.

Электромиограмму (ЭМГ) мышц ног отводили биполярными поверхностными электродами, расположенными билатерально на m. rectus femoris (прямая мышца бедра), m. biceps femoris (двуглавая мышца бедра), m. tibialis anterior (передняя большеберцовая) и m. gastrocnemius (икроножная). ЭМГ сигналы регистрировали с помощью телеметрического 16-тиканального электронейромиографа (ME 6000 Mega Win, Финляндия).

Кинематические характеристики движений ног регистрировали видеосистемой с четырьмя видеокамерами (Qualisys, Швеция). Светоотражающие маркеры прикрепляли к точкам тела, совпадающим с осями движения в плечевом, тазобедренном, коленном и голеностопном суставах. Угловые перемещения в тазобедренном суставе вычисляли по положению маркеров, расположенных на латеральном мыщелке плеча, большом вертеле и латеральном мыщелке бедра. Маркеры, прикрепленные к большому вертелу, латеральному мыщелку бедра и лодыжке, использовали для оценки движений в коленном суставе. Перемещения в голеностопном суставе измеряли по маркерам, локализованным на латеральном мыщелке бедра, лодыжке и большом пальце ноги. Реконструкцию движений одного шагательного цикла производили с помощью оригинальной программы.

Регистрация ЭМГ и кинематических параметров шагания была синхронизирована. Среднюю величину периода шагательного цикла и амплитуду угловых перемещений суставов ног определяли за 10-12 циклов. Период цикла шагания вычисляли по длительности интервала между двумя максимальными значениями угловых перемещений в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.

В таблице 1 показаны результаты первичного анализа данных о влиянии стимуляции опорной поверхности стоп с частотой 75 и 120 шагов в секунду (Б75 и Б120, соответственно) на движения ног, сделанного по результатам визуальной регистрации. Курсив - неосведомленные испытуемые. Л - локомоторные движения. Д - некоординированные движения. Н - отсутствие движений ног во время стимуляции. У испытуемой №7 регистрировали нестабильные результаты в разные дни исследований.

Результаты эксперимента показали, что афферентная стимуляция опорных поверхностей стоп с использованием ботинок, обеспечивающих нагрузку опорной поверхности стоп в ритме шагания (75 и 120 шагов в минуту), вызывала непроизвольные движения ног в 7 случаях из 10 при частоте стимуляции 75 шагов в минуту и в 8 случаях из 10 при частоте 120 шагов в минуту (табл.1). Непроизвольные движения ног, которые можно охарактеризовать как локомоторные, были зарегистрированы в 5 случаях при каждой из частот стимуляции.

На фиг.3 представлены результаты видеорегистрации данных: угловые перемещения в тазобедренном (Бдр), коленном (Клн) и голеностопном (Гст) суставах в ответ на стимуляцию опорной поверхности стоп с частотой 75 шагов в минуту у испытуемой №4. Стрелка на рисунке показывает начало стимуляции. При стимуляции стоп наблюдали координированные локомоторные движения, характеризующиеся реципрокными движениями в тазобедренном и коленном суставах.

На фиг.4 показана электромиографическая активность m. rectus femoris (RF), m. biceps femoris (BF), m. tibialis anterior (ТА) и m. gastrocnemius (G) правой ноги в ответ на стимуляцию опорной поверхности стоп с частотой 75 шагов в минуту (А, внизу отметка стимула) и при произвольных движениях (Б). Испытуемый №5. Примерно после 2-ой секунды стимуляции наблюдается чередование пачечной активности мышц-антагонистов бедра и голени, характерное для произвольных локомоторных движений. У этого испытуемого наблюдали хорошо координированную локомоцию обеих ног во время стимуляции опорной поверхности стоп с заметными перемещениями в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах правой ноги, движения которой регистрировали (табл.2).

В таблице 2 приведены амплитуды движений в суставах ног при стимуляции опорной поверхности стоп, так как у одного из испытуемых невозможно было вызвать движения (табл.1), данные получены на 8 испытуемых. Анализ амплитуд показывает, что стимуляция с частотой 75 шагов в минуту менее эффективна для вызова движений, чем стимуляция с частотой 120 шагов в минуту. При меньшей частоте стимуляции непроизвольные движения ног вызываются в 70% случаев, при большей частоте - в 80%. Средняя максимальная амплитуда движений в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах при частоте 75 шагов в минуту составляла 5.88±3.11, 4.62±3.56 и 1.39±2.62 угл. град, соответственно; при частоте 120 шагов в минуту - 14.75±12.65, 21.87±24.00 и 5.5±6.06 угл. град., соответственно. Различия между усредненными максимальными амплитудами движений недостаточно явны, но заметна тенденция к увеличению амплитуд движений во всех суставах при увеличении частоты стимуляции опорных поверхностей стоп.

Стимуляция опорной поверхности стоп в локомоторном ритме при облегченном положении испытуемого, способна вызвать непроизвольные типичные для ходьбы естественные локомоторные движения нижних конечностей. Стимуляция с частотой 120 шагов в минуту вызывает непроизвольные движения в большем числе случаев и амплитуда вызванных движений больше, чем при стимуляции с частотой 75 шагов в минуту.

Предлагаемый способ предназначен для использования в физиологии движений для моделирования локомоторного поведения, для изучения механизмов управления локомоторным поведением, а также в медицине для создания неинвазивных методов лечения и реабилитации людей с вертебро-спинальной патологией.