К методике определения анатомически зависимых параметров экзоскелета верхней конечности Экзар

НОВЫЕ МЕТОДЫ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ И КЛИНИКЕ

А. А. Воробьев, Ф. А. Андрющенко, О. А. Засыпкина, П. С. Кривоножкина*

Волгоградский государственный медицинский университет, кафедра оперативной хирургии и топографической анатомии, * кафедра детских болезней педиатрического факультета с курсом детской неврологии; Лаборатория моделирования патологии Волгоградского научного медицинского центра

К МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНАТОМИЧЕСКИ ЗАВИСИМЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭКЗОСКЕЛЕТА ВЕРХНЕЙ КОНЕЧНОСТИ ЭКЗАР

УДК 611.97:616-053.2-036.865

В исследовании представлена возможность анатомической параметризации пассивного экзоскелета верхней конечности ЭКЗАР, используемого для абилитации и реабилитации больных с верхним парапарезом.

Ключевые слова: пассивный экзоскелет верхней конечности, анатомическая параметризация, верхний парапарез.

A. A. Vorobev, F. A. Andruschenko, O. A. Zasypkina, P. C. Krivonozhkina

METHODS OF DETERMINING ANATOMICALLY DEPENDENT PARAMETERS OF THE EХAR UPPER EXTREMITY EXOSKELETON

The study shows the possibility of determining anatomical parameters of the EXAR passive exoskeleton upper extremity which is intended for the habilitation and rehabilitation of patients with paraplegia of the upper extremity.

Keywords: passive exoskeleton, upper extremity, anatomical parameterization,

paraplegia of the upper extremity.

Интерес к экзоскелетам конечностей диктуется практической необходимостью. Из военной области, где все разработки являются строго засекреченными, экзоскелеты в последнее время переместились в область медицины, где используются как активные, так и пассивные их разновидности. При всей своей инновационной составляющей активные экзоскелеты имеют ряд недостатков - высокая стоимость, зависимость от источников питания, большой вес, низкая мобильность.

Наше внимание привлекло создание пассивного экзоскелета верхней конечности, по принципам разработанным группой исследователей под руководством профессора Тарика Рах-мана (США) [4]. В более ранних наших исследованиях мы сформировали клинико-анатоми-ческие требования к нашей конструкции и определили перечень показаний к ее использованию [1, 2, 3]. В частности экзоскелет верхней конечности должен:

- обладать объемом движений, приближенным к показателям здорового человека;

- иметь фрагменты конструкции повторяющие строение верхней конечности человека;

- иметь легкую и прочную конструкцию, адаптируемую к анатомическим параметрам конечности;

- быть изготовлен из биологически инертных материалов;

- обладать возможностью замены элементов конструкции экзоскелета по мере роста ребенка;

- быть доступным по цене для массового потребителя;

- быть мобильным и независимым от источников питания.

В перечне патологий служащих показанием к применению пассивного экзоскелета верхней конечности нами определено свыше 20 нозологических форм, однако считаем более удобным

пользоваться понятием «симптомокомплекс верхнего вялого пара-, монопареза».

Последний характеризуется снижением силы мышц верхних конечностей; ограничением скорости, объема (амплитуды) движений в проксимальных и дистальных отделах верхних конечностей с преобладающим ухудшением в проксимальных отделах; снижением мышечного тонуса в проксимальных и дистальных отделах верхних конечностей либо наличием смешанного тонуса, с преобладанием гипофункции; снижением или отсутствием сухожильных рефлексов с рук (сгибательно-локтевой, разгибательно-локтевой, карпорадиальный).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Параметризация пассивного экзоскелета ЭКЗАР на основе анатомических соответствий, для определения индивидуальных оптимальных технических параметров аппарата, позволяющего восполнить утраченные функции при верхнем парапарезе.

В связи с отсутствием в специальной литературе термина анатомические соответствия мы приводим его оригинальное пояснение.

Анатомические соответствия - это соответствия между различными анатомическими характеристиками строения человеческого тела и параметрами механического устройства, обуславливающих оптимальную работу, образующейся при этом биомеханической системы.

Как видно из таблицы, несмотря на некоторый дефицит, представленная в аппарате ЭКЗАР амплитуда движений позволяет ребенку достаточно полно восполнять утраченные функции.

Испытания аппарата были проведены в соответствии с биоэтическими нормами на девочке И. Ш. 4 лет, страдающей дистальной формой артрогриппоза, с ограничением скорости

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для достижения цели созданы две версии экзоскелета ЭКЗАР - стационарная, имеющая привязку к стулу, и мобильная, прикрепленная к жакету, размещенному на теле ребенка.

Основной объем исследования был проведен на мобильной версии экзоскелета, преимущества которой в том, что во время исследования ребенок мог свободно перемещаться, активно пользоваться аппаратом и восполнять утраченные функции.

Экзоскелет ЭКЗАР ориентирован на людей с симптомокомплексом верхнего вялого пара-, монопареза конечностей и представляет собой подвижную систему поддерживающих соединений, которая устанавливается на активные суставы и мышцы ребенка. Движения конечности осуществляются с небольшим усилием, увеличивающим утраченную силу мышц и объема движений за счет системы рычагов и простейших упругих элементов. Конструкция позволяет осуществлять движения с ограниченной амплитудой в трех измерениях.

При конструировании аппарата учитывалась возможность максимально полного воспроизведения движений в его шарнирах в соответствии с нормальными движениями верхней конечности, но полного замещения объема движений достигнуть не удалось (табл. 1).

Технические характеристики экзоскелета ЭКЗАР: вес вместе с жакетом - 1100 г; возможность движения в трех плоскостях - сагиттальной, фронтальной и горизонтальной (промежуточные и оптимальная плоскости).

и амплитуды движений в проксимальных и ди-стальных отделах верхних конечностей с преобладающим ухудшением в проксимальных отделах, затруднением поднятия и отведения руки на уровень плечевого пояса и выше и резким ограничением сгибания рук в локтевых суставах. Контрактуры в плечевом и локтевом суставах отсутствуют.

Таблица 1

Амплитуда движений человека и аппарата

Вид движения Показатели

Норма Шарнир Дефицит

Плечевой с устав

Сгибание 180 155 25

Разгибание -60 +20 80

Отведение 180 155 25

Приведение 0 20 20

Локтевой сустав

Сгибание 40 45 5

Разгибание 0 0 0

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Основной предпосылкой к выполнению анатомической параметризации было то, что первоначальные попытки подгонки аппарата эмпирическим путем оказались неудачными, так как устойчивой работы конструкции на протяжении долгого времени достигнуть не получилось. В основном неполадки касались отсутствия возможностей восполнения утраченных функций, недостаточностью использования технических возможностей аппарата и поломками отдельных элементов конструкции, связанными с неравномерным распределением усилий.

Нами разработана этапная методика анатомической параметризации аппарата.

Для реализации 2-го этапа нами предложено проводить определение линейных анатомических

Анатомические параметры

Для реализации 3-го этапа нами было предложено выделение 6 анатомически зависимых параметров (Р1-6) аппарата ЭКЗАР, обуславливающих способность аппарата вос-

1-й этап. Определение точек анатомической привязки на пациенте (Т).

2-й этап. Определение линейных анатомических размеров, необходимых для дальнейшего расчета конструкции (а).

3-й этап. Определение анатомически зависимых параметров аппарата, обуславливающих способность аппарата восполнять утраченные функции верхней конечности (Р).

4-й этап. Определение оптимальных взаимоотношений конструкции, необходимых для его нормальной работы по замещению утраченных функций.

Для реализации 1-го этапа исследования нами выделено 7 точек анатомической привязки, приведенные в табл. 2.

размеров, необходимых для дальнейшего расчета конструкции (а 1-8) (табл. 3).

Таблица 3

расчета экзоскелета ЭКЗАР

полнять утраченные функции верхней конечности и позволяющих осуществить адаптацию данного аппарата к конкретному человеку. (табл. 4).

для

Таблица 2

Точки анатомической привязки экзоскелета ЭКЗАР на пациенте

Наименование точки Анатомический ориентир

Т 1 Остистый отросток выступающего позвонока

Т 2 Угол акромиона - angulus akromii

Т 3 Большой бугорок плечевой кости - tuberculum majus os humerus

Т 4 Латеральный надмыщелок - epicondylus lateralis

Т 5 Локтевой отросток - olecranon

Т 6 Шиловидный отросток лучевой кости - processus stiloideus radii

Т 7 Медиальный надмыщелок - epicondylus medialis

Название анатомического параметра Методика определения анатомического параметра

а1 Расстояние между Т1 - Т2

а2 Расстояние между Т3 - Т4

а3 Расстояние между Т5 - Т6

а4 Расстояние между Т2 - Т3

а5 Высота перпендикуляра построенного от середины линии между Т4 - Т7 до Т5 при сгибании в локтевом в суставе под углом 90°

а6 Длина окружности предплечья при ее определении через точки Т4 - Т7

а7 Горизонтальная плоскость проведенная через Т1

а8 Сагиттальная плоскость через срединно-ключичную линию

Таблица 4

Анатомически зависимые параметры экзоскелета ЭКЗАР

Параметр Описание

P1 Расстояние между осевой линией крепления к несущему корсету и внутренней осью поворота крыла

P2 Расстояние между внутренней и внешней осями поворота крыла

P3 Расстояние между осями поворота верхней (нижней) плечевой планки

P4 Расстояние между осью поворота планки предплечья и осью зацепа для установки упругих элементов предплечья, расположенного на другом конце планки предплечья

P5 Длина опорной лангеты

P6 Расстояние между осью поворота планки предплечья и плоскостью, проходящей через нижнюю часть крепления оси поворота локтевого шарнира

Для реализации 4-го этапа исследования нами были определены оптимальные взаимоотношения выделенных размеров верхней конечности и конструкции экзоскелета ЭКЗАР, необходимых для его эффективной работы по замещению утраченных функций, являющихся «ноу хау» и пользующихся правом защиты интеллектуальной собственности.

Подобранные по нашей методике параметры экзоскелета ЭКЗАР позволили осуществлять его эффективную эксплуатацию в течение четырех месяцев и получили одобрение расширенного заседания общества детских неврологов Волгоградской области (Председатель проф. Н. В. Малюжинская).

Первичный результат стал возможен за счет аппаратного:

1) увеличения силы мышц конечности;

2) увеличения амплитуды движений конечности;

3) ограничения гиперэкстензии позвоночника.

Отстроченный (спустя 2 месяца) результат

стал возможен за счет увеличения собственной

силы мышц и устранения последствий мышечной и суставной контрактур (результаты в следующем исследовании).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, благодаря анатомической параметризации экзоскелета верхней конечности была достигнута оптимальная, с нашей точки зрения, возможность для полноценной работы аппарата и реабилитации пациента.

ЛИТЕРАТУРА_

1. Воробьев А. А, Петрухин А. В., Засыпкина О. А. и др. // ВНМЖ. - 2014. - № 1. - С. 56-61.

2. Воробьев А. А, Петрухин А. В., Засыпкина О. А. и др. // Журнал анатомии и гистопатологии. - 2014. -№ 1. - С. 20-26.

3. Воробьев А. А, Петрухин А. В., Засыпкина О. А. и др. // Оренбургский медицинский вестн. - 2014. -№ 3, Т. 2. - С.14-18.

4. Rahman T., Sample W, Jayakumar S., et al. // J. Rehabil. Res. Dev. - 2006. - Vol. 43 (5). -Р. 583-590.