Позвоночно-спинномозговая травма (ПСМТ) является одной из основных причин инвалидности в молодом и зрелом возрасте вследствие потери двигательной функции нижних конечностей. Социальное значение ПСМТ определяется высокой летальностью (17-23% в остром периоде травмы), а также тяжелыми и стойкими последствиями, приводящими к I и II группе инвалидности в 70-80% случаев [1].
Основным техническим средством, обеспечивающим возможность самостоятельного передвижения пациентов с последствиями спинальной травмы, является кресло-коляска. Современное кресло-коляска активного типа позволяет человеку относительно свободно перемещаться по адаптированным жилым помещениях, на рабочем месте, быть достаточно самостоятельным в быту, участвовать в некоторых социальных и развлекательных мероприятиях и даже заниматься спортом. Однако отсутствие доступной среды на многих городских и сельских объектах дорожной и социальной инфраструктуры приводит к ограничениям передвижения в инвалидной коляске. Кроме того, при длительном пребывании в инвалидном кресле отсутствует адекватная нагрузка на нижние конечности и создаются условия для формирования контрактур в крупных суставах [2; 3]. Использование инвалидного кресла-коляски в качестве технического средства передвижения сопровождается повышенной нагрузкой на плечевой пояс, что является причиной возникновения болевых миофасциальных синдромов и сосудистых нарушений в верхних конечностях более чем у 70% инвалидов [4]. Данные обстоятельства, как и недостаточный уровень навыков пользования креслом-коляской, влияют на степень адаптации пациентов с нарушением двигательной функции к этому техническому средству. В результате, несмотря на достаточно высокую обеспеченность инвалидными колясками, более половины инвалидов с выраженными ограничениями к передвижению не способны самостоятельно покидать пределы дома [5; 6].
Цель исследования: изучение мирового опыта проведения реабилитации пациентам, перенесшим ПСМТ, с использованием современной робототехники.
Появление в конце XX века роботизированных комплексов, позволяющих создать по заданным программам физиологический алгоритм движений туловища и конечностей обездвиженного вследствие травмы или заболевания пациента, обозначило качественно новые возможности реабилитации [7]. Наиболее известным и исследованным роботизированным комплексом для локомоторной терапии является аппарат «Локомат» (производитель Hocoma AG, Швейцария), относящийся к группе стационарных ассистирующих роботов. Благодаря наличию двигателей в ортезах, закрепленных на латеральной поверхности бедра и голени пациента, во время тренировки на аппарате воспроизводится физиологический паттерн ходьбы даже у лиц с полной потерей функции нижних конечностей. Система биологической обратной связи позволяет оценить особенности ходьбы пациента на беговой дорожке аппарата и при необходимости регулировать скорость и характер движений. Степень участия самого пациента в двигательном акте оценивается посредством заложенных в программном обеспечении инструментов обратной связи и после компьютерной обработки визуализируется на мониторе, что мотивирует пациента к более высокому уровню вовлеченности в тренировочный процесс. История применения роботизированной системы «Локомат» в реабилитации пациентов с нарушением функции ходьбы насчитывает более 15 лет. За этот период были выявлены основные эффекты локомоторной терапии с помощью ассистирующих роботов. К настоящему времени доказано, что тренировки на «Локомате» или аналогах способствуют увеличению силы и массы мышц, участвующих в движении, более быстрому и качественному восстановлению двигательного стереотипа ходьбы, повышению функциональной мобильности пациентов с патологией центральной нервной системы [8-10]. Обязательным условием эффективности тренировок является их применение в комплексе с электромиостимуляцией, традиционными формами лечебной физкультуры и другими методами реабилитации [11-13]. Наряду с роботизированной системой «Локомат» в последние годы используются роботы-аналоги Walkbot (производитель P&S Mechanics Co., Корея) и отечественная система для локомоторной терапии «СЛТ», которые применяются для реабилитации как взрослых пациентов, так и детей. К недостаткам стационарных ассистирующих роботов относится невозможность проведения тренировок на неподвижной поверхности без систем разгрузки веса, отсутствие мобильности и проведения дистанционной реабилитации в условиях естественной для пациента среды [14].
Развитие антропоморфной робототехники в XXI веке привело к созданию экзоскелета – устройства, повторяющего биомеханику человека и увеличивающего его физическую силу за счет внешнего каркаса. История разработки экзоскелетов насчитывает более полувека, но первые модели для реального применения вначале для нужд армии, а затем и медицины появились лишь в нулевые годы третьего тысячелетия [15].
За последнее десятилетие разработано несколько видов экзоскелетов, основным предназначением которых является медицинская и социальная реабилитация лиц с утратой двигательной функции конечностей. Все медицинские экзоскелеты для восстановления способности к передвижению представляют собой аппаратно-программные комплексы (АПК), состоящие из механической конструкции, повторяющей контуры нижних конечностей и имеющей в своем составе двигатели для обеспечения движения, и процессора для регистрации телеметрических данных во время тренировки и формирования сигналов управления на основе анализа этих данных. Как правило, существует два способа управления системой АПК: с помощью электронного планшета, находящегося в руках инструктора, и при помощи рукоятки с пультом управления на самом экзоскелете или встроенным в костыли, используемые пациентом [15; 16]. Экзоскелеты разных производителей, отличаясь особенностями конструкции и программного обеспечения, обеспечивают возможность вертикализации пациента, ходьбы по ровной поверхности и, при определенных навыках, подъема и спуска по лестнице [17; 18].
До недавнего времени основными причинами, ограничивающими широкое использование этих антропоморфных роботизированных устройств, были недостатки технической конструкции, в частности большой вес, несовершенство программного обеспечения в части дистанционного управления, высокая стоимость и малое количество клинических испытаний, оценивающих безопасность и эффективность использования экзоскелета, что особенно важно. В последние 5-7 лет ситуация стала меняться. Проведены клинические испытания, в том числе и мультицентровые, экзоскелетов ReWalk (производитель ARGO Medical Technologies, Израиль), REX (производитель REX Bionics, Новая Зеландия), HAL (производитель Cyberdyne, Япония), Ekso (производитель Ekso Bionics, США) [19-21] и первого российского экзоскелета «ЭкзоАтлет» (производитель ООО «ЭкзоАтлет») [22]. В данных исследованиях была доказана безопасность и возможность применения антропоморфных роботов для реабилитации лиц с последствиями спинальной травмы с полным и неполным повреждением спинного мозга в восстановительный и поздний периоды течения болезни. Авторы определили перечень противопоказаний к тренировкам в экзоскелете с целью повышения безопасности и профилактики вероятных осложнений, таких как падение с риском переломов, повреждение кожных покровов, колебания артериального давления. К числу противопоказаний, помимо тяжелой сопутствующей патологии, когнитивных расстройств, нарушений функции верхних конечностей, были отнесены трофические нарушения кожных покровов в местах крепления экзоскелета, факт переломов в течение последних лет, сгибательные контрактуры тазобедренных и коленных суставов и некоторые другие состояния, препятствующие проведению тренировок. В выводах, сделанных по результатам исследований эффективности и безопасности тренировок в экзоскелете, подчеркивается, что при правильном отборе пациентов риск развития осложнений существенно снижается, а возможность восстановить функцию ходьбы с помощью робота, хоть и на короткое время, мотивирует больного на активное участие в реабилитационном процессе [19; 23].
К наиболее значимым последствиям и осложнениям, определяющим качество жизни пациентов, перенесших ПСМТ, относятся, помимо двигательного дефицита, расстройства функции тазовых органов, спастичность, хронический болевой синдром, контрактуры. Начиная с 2013-2014 гг. основной целью исследований реабилитационных тренировок с использованием экзоскелета является изучение влияния ходьбы в роботе на функцию центральной нервной системы и клинические проявления последствий позвоночно-спинномозговой травмы. Так, Sczesny-Kaiser et al. (2015) в исследовании с экзоскелетом HAL показали, что под влиянием тренировок продолжительностью 30 мин 5 дней в неделю в течение трех месяцев происходит не только улучшение функциональной мобильности пациентов, но и индуцируется нейрональная пластичность в первичной соматосенсорной коре. В исследование были включены 11 пациентов с неполным повреждением спинного мозга на уровне T8 и ниже, среднее время после травмы – 8,8 ± 2,1 года [24]. В нескольких исследованиях изучалось влияние ходьбы в экзоскелете на спастичность и выраженность болевого синдрома у лиц с последствиями позвоночно-спинномозговой травмы. Все исследователи отмечают снижение спастичности и уменьшение интенсивности болевого синдрома в ходе тренировок независимо от модели экзоскелета – использовались зарубежные экзоскелеты HAL, ReWalk и российский ЭкзоАтлет [22; 25; 26]. Следует отметить, что в некоторых исследованиях тренировки проводились в комбинации с электронейромиостимуляцией. Для оценки вклада каждого из реабилитационных мероприятий в изменение мышечного тонуса необходимы дополнительные исследования с рандомизацией групп наблюдения [27].
Более глубокий анализ влияния тренировок в экзоскелете на основные проявления и осложнения ПСМТ выполнен Baunsgaard C.B. et al. (2018) по результатам одного из первых проспективных многоцентровых исследований клинического применения роботов. Клинические испытания с использованием экзоскелета Ekso GT, в которые были вовлечены 52 участника, проводились по единому протоколу в 9 реабилитационных неврологических центрах, расположенных в 7 европейских странах [28]. В результате получены достоверные данные о снижении высокого мышечного тонуса непосредственно после 30 минут тренировки на период до нескольких часов, что в итоге привело к уменьшению степени спастичности мышц к моменту окончания 8-недельного периода испытаний по отношению к периоду до их начала (p<0,001). Однако этот эффект не был длительным, что, по мнению авторов, может служить основанием для исследования возможности пролонгированного применения экзоскелета в программах лечения и профилактики спастичности у лиц с последствиями ПСМТ. Также было установлено, что ходьба в экзоскелете способствует уменьшению спастической и нейропатической боли, но данный эффект был краткосрочным и проявлялся только в период тренировок. Впервые авторами была проведена оценка изменения функциональной независимости пациента в процессе реабилитации с помощью версии III шкалы SCIM и показано, что в результате тренировок достоверно возросла способность к самообслуживанию, мобильность, уменьшились симптомы, связанные с недержанием стула. Не было выявлено изменений функции мочевого пузыря, расстройства которой имелись у всех пациентов. Тренировки в экзоскелете не оказали существенного влияния на качество жизни у пациентов с давностью травмы до года, тогда как у пациентов со сроком травмы более года повысилась собственная оценка своих способностей к адаптации к окружающей среде. Авторы отмечают, что в результате исследования доказаны хорошая переносимость тренировок, их положительное влияние на состояние лиц с последствиями ПСМТ, однако разработке рекомендаций по применению экзоскелета на основании полученных данных препятствует ограниченное число участников испытаний, отсутствие группы контроля, остается неизученным вопрос интенсификации параметров тренировки.
К отрицательным последствиям ПСМТ относится вынужденная гиподинамия и связанные с ней риски ожирения и кардиоваскулярной патологии [29]. В исследовании Gorgey S.A. et al. (2017) установлено, что у лиц с избыточным весом тренировки в экзоскелете не менее 3 раз в неделю на протяжении 15 недель приводят в среднем к потере 6 килограмм. В тренировках участвовали пациенты с полным повреждением спинного мозга на уровне Th4 и ниже. Противопоказанием к проведению реабилитационных тренировок с помощью современных моделей экзоскелетов является вес пациента более 100 кг, что ограничивает число лиц для использования данной технологии [30]. Ожидается, что в результате повышения физической активности и функциональной мобильности на фоне тренировок в экзоскелете может замедляться потеря костной ткани ниже уровня спинальной травмы. Однако низкая плотность костной ткани бедра и голени существенно повышает риск перелома нижней конечности у лиц с параплегией, на сегодняшний день тяжелый остеопороз в этой области (критерий T < –3,5 по данным денситометрии) служит противопоказанием к применению экзоскелета. Для расширенного включения лиц с остеопорозом в тренировочный процесс необходимы дальнейшие исследования по обоснованию параметров тренировки (скорость и длина шага, высота подъема конечности, степень разгрузки, продолжительность сеанса) с учетом состояния костной ткани [31].
Во всех исследованиях, результаты которых послужили материалом для написания данной статьи, испытания проводились на моделях экзоскелета, требующих использования дополнительной опоры в виде поручней или костылей. Таким образом, участниками клинических исследований могли быть только пациенты с уровнем травмы не выше C7-C8 с сохраненной функцией верхних конечностей. Особенностью многоцентрового исследования «RAPPER II», выполнявшегося в реабилитационных центрах Великобритании, Австралии и Новой Зеландии, является вовлечение в число участников лиц с тетраплегией вследствие травмы на высоком уровне (C4-C5) [32]. Использовался экзоскелет REX Bionics, конструктивные особенности которого позволяют осуществлять вертикализацию и обучение ходьбе даже при утрате двигательной функции верхних конечностей. В первой части исследования, в которую были вовлечены 20 участников с тетраплегией (25%) и параплегией (75%), была показана безопасность и возможность тренировок в экзоскелете независимо от уровня и степени ПСМТ. К окончанию периода тренировок 19 из 20 участников могли выполнить в среднем за 313 секунд следующие действия: подъем с места, ходьба вперед на три метра, поворот, ходьба назад и возвращение в сидячее положение. Для выполнения задания 15 человекам требовался один помощник, четырем – два помощника. Авторы подчеркивают, что данное исследование является первым систематизированным клиническим испытанием возможностей экзоскелета REX Bionics с достаточно большим числом участников. Следующие этапы исследования, в которые будут вовлечены еще 80 человек, должны дать ответы на такие актуальные вопросы, как степень эффективности тренировок у лиц с полным и неполным повреждением спинного мозга на разных уровнях, выбор интенсивности тренировок и характера упражнений в зависимости от состояния пациента.
Актуальность дальнейших исследований клинического применения экзоскелетов возросла с появлением на рынке реабилитационного оборудования моделей, предназначенных для индивидуального использования самим пациентом в домашних условиях с помощью обученного оператора [33]. По мнению многих авторов, достижения в области разработки и развития антропоморфной робототехники требуют активизации медицинских исследований, направленных на создание обоснованной технологии и клинических рекомендаций по использованию экзоскелетов в стационарных и амбулаторных условиях [17; 28; 31].
Заключение
Таким образом, анализ клинических исследований, выполненных в России и за рубежом, позволяет сделать заключение о целесообразности использования экзоскелета для реабилитации больных в восстановительный и поздний периоды позвоночно-спинномозговой травмы. К безусловным преимуществам тренировки в экзоскелете относится возможность вертикализации и имитации самостоятельной ходьбы после длительного пребывания в инвалидной коляске, активация и укрепление костно-мышечного аппарата, улучшение психоэмоционального состояния пациента, в то же время обязательное участие ассистента в тренировочном процессе ограничивает использование медицинского роботизированного комплекса вне медицинской организации. Актуальной задачей настоящего времени является разработка экзоскелетов с расширением возможности их применения для дистанционной реабилитации на дому и абилитации инвалидов в повседневной жизни. Усовершенствованию экзоскелета должны помочь расширенные клинические исследования, направленные на разработку научно обоснованной, безопасной и эффективной технологии использования роботизированного АПК под наблюдением специалиста и самим пациентом в амбулаторных условиях.
Библиографическая ссылка
Карева Н.П., Шелякина О.В., Павлова Е.В. ПЕРСПЕКТИВЫ АНТРОПОМОРФНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ В ВОССТАНОВЛЕНИИ ПАЦИЕНТОВ ПОСЛЕ ТРАВМЫ СПИННОГО МОЗГА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) // Современные проблемы науки и образования. – 2018. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=28430 (дата обращения: 28.05.2023).