СПОСОБ РЕГУЛЯЦИИ ВИСЦЕРАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ ПАЦИЕНТА ПУТЕМ НЕИНВАЗИВНОЙ СТИМУЛЯЦИИ СПИННОГО МОЗГА
METHOD FOR REGULATION OF PATIENT'S VISCERAL FUNCTIONS BY NONINVASIVE STIMULATION OF SPINAL CORD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к медицине, а также к физиологии человека и животных в частности к регуляции висцеральных функций у человека и животных путем неинвазивной стимуляции спинного мозга. Кроме того, способ может быть использован для проведения экспериментальных исследований.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из существующего уровня развития физиологической и медицинской науки известно, что спинной мозг является важнейшим уровнем регуляции висцеральных функций. Поэтому при электрическом воздействии на спинной мозг можно ожидать влияние на сердечно-сосудистую систему, дыхательную, выделительную, пищеварительную, сексуальную функции.
Травмы позвоночника и спинного мозга часто приводят к нарушениям деятельности сердечно-сосудистой системы как в остром, так и в хроническом периодах заболевания (Макарова М.Р., Лядов К.В., Шаповаленко Т.В. Влияние циклической тренировки на системе "Локомат" на сердечно-сосудистую систему у больных с последствиями травм спинного мозга // Физиотерапия, бальнеология и реабилитация. - 2012. - №.1.), таким образом, стимулируя спинной мозг пациента, можно либо усугубить проблемы сердечно-сосудистой системы, либо уменьшить их последствия. Эпидуральная электрическая стимуляция спинного мозга на уровне его люмбарных сегментов L2-L5 вызывает вазодилатацию артерий нижних конечностей (Foreman R.D., Linderoth В. Neural mechanisms of spinal cord stimulation // Int. Rev. Neurobiol. 2012. V. 107. P. 87;. Naoum J.J., Arbid E.J. Spinal cord stimulation for chronic limb ischemia // Methodist Debakey Cardiovasc. J. 2013. V. 9. №2. P. 99). Электрическая стимуляция спинного мозга на верхнеторакальном и верхнецервикальном уровнях приводит к смягчению боли, связанной с ишемией сердца, однако механизмы, обеспечивающие обезболивание и нормализацию работы сердца, мало изучены (Foreman R.D., Linderoth В. Neural mechanisms of spinal cord stimulation // Int. Rev. Neurobiol. 2012. V. 107. P. 87).
Известна возможность использования стимуляции спинного мозга как средства лечения нарушений сердечного ритма. (Shen М.J., Zipes D.P. Role of the autonomic nervous system in modulating cardiac arrhythmias //Circulation research. - 2014. - T. 114. - №.6. - C. 1004-1021.).
Электрическая стимуляция цервикального отдела спинного мозга приводит к увеличению объема кровотока в сосудах головного мозга, увеличению его скорости, а также к снижению церебральной васкулярной резистентности (Wu М., Linderoth В., Foreman R.D. Putative mechanisms behind effects of spinal cord stimulation on vascular diseases: a review of experimental studies // Auton. Neurosci. 2008. V. 138. №1-2. P. 9). Другими результатами такой стимуляции являются уменьшение объема инфаркта головного мозга (Sagher О., Huang D.L., Keep R.F. Spinal cord stimulation reducing infarct volume in a model of focal cerebral ischemia in rats // J. Neurosurg. 2003. V. 99. P. 131) и предотвращение артериальных вазоспазмов (Goellner Е., Slavin K.V. Cervical spinal cord stimulation may prevent cerebral vasospasm by modulating sympathetic activity of the superior cervical ganglion at lower cervical spinal level // Med. Hypotheses. 2009. V. 73. P. 410). Предполагается, что цервикальная электростимуляция спинного мозга (ЭССМ) подавляет или тормозит развитие болезни Паркинсона, а ее нейропротективный эффект связан с увеличением уровня сосудистого эндотелиального фактора роста в поврежденном стриатуме (Shinko A., Agari Т., Kameda М. et al. Spinal cord stimulation exerts neuroprotective effects against experimental Parkinson's disease. PLoS One. 2014. Jul 10. V. 9. №7.: e101468). Показано, что стимуляция сегментов С1-С3 спинного мозга эффективнее для увеличения церебрального кровотока, чем стимуляция других шейных сегментов (Yang X., Farber J.P., Wu M. et al. Roles of dorsal column pathway and transient receptor potential vanilloid type 1 in augmentation of cerebral blood flow by upper cervical spinal cord stimulation in rats // Neuroscience. 2008. V. 152. P. 950).
Проблемы с дыханием у спинальных больных - это, прежде всего, проблемы острого периода травмы (Баран Ю.В. и др. Травма позвоночника и спинного мозга: диагностика и лечение //Украинский медицинский журнал. - 2004. - №. 1. - С. 39.), когда эпидуральную электрическую стимуляцию спинного мозга еще не проводят. Но из-за тесной связи между сердечно-сосудистой и дыхательной системами, а также в связи с тем, что иннервация дыхательных мышц осуществляется на уровне C1-L1 сегментов спинного мозга (Fishman А.Р., Elias J.A., Fishman J.A., Grippi M.A., Senior R.M., Pack A. Fishman's Pulmonary Diseases and Disorders. 2vol. set, 4th ed., McGraw-Hill, 2008, 2895 p), можно предположить, что, стимулируя спинной мозг на этом уровне, можно влиять на параметры дыхания.
Электрическая стимуляция спинного мозга влияет также и на инспираторную функцию. Такие влияния были показаны в опытах на собаках при эпидуральной стимуляции сегментов Т2-ТЗ спинного мозга как при дорсальном (DiMarco A.F., Altose M.D., Cropp A., Durand D. Activation of the inspiratory intercostal muscles by electrical stimulation of the spinal cord // Am. Rev. Respir. Dis. 1987. V. 136. P. 1385), так и при вентральном (DiMarco A.F., Kowalski K.E. High frequency spinal cord stimulation of inspiratory muscles in dogs: a new method of inspiratory muscle pacing // J. Appl. Physiol. 2009. V. 107. P. 662) позиционировании стимулирующего электрода.
Повреждения спинного мозга выше его поясничного отдела нарушает произвольный контроль мочеиспускания и вначале приводят к арефлексии мочевого пузыря, которая сменяется нейрогенной гиперактивностью m. detrusor urinae (de Groat W.C., Yoshimura N. Plasticity in reflex pathways to the lower urinary tract following spinal cord injury // Exp. Neurol. 2012. V. 235. №1. P. 123). Есть отдельные данные о том, что электрическая стимуляция поясничного утолщения спинного мозга вызывает учащение мочеиспускания у экспериментальных животных (Gad PN, Roy RR, Zhong H, Lu DC, Gerasimenko YP, et al. (2014) Initiation of Bladder Voiding with Epidural Stimulation in Paralyzed, Step Trained Rats. PLoS ONE 9 (9): e108184. doi:10.1371/journal.pone.0108184).
Эпидуральная электрическая стимуляция спинного мозга влияет на функционирование желудочно-кишечного тракта, в частности, показано, что стимуляция статистически значимо ослабляла висцеро-моторный рефлекс - сокращение мышц живота в ответ на колоректальное растяжение. Этот результат наблюдался у наркотизированных крыс при стимуляции сегментов L2-L3 с частотой 100 Гц (Qin С., Martinez М., Tang R. et al. Is Constant Current or Constant Voltage Spinal Cord Stimulation Superior for the Suppression of Nociceptive Visceral and Somatic Stimuli? A Rat Model // Neuromodulation. 2012. V. 15. P. 132) или с частотой 40 Гц (Tang R., Martinez M., Goodman-Keiser M. et al. Comparison of burst and tonic spinal cord stimulation on spinal neural processing in an animal model // Neuromodulation. 2014. V. 17. №2. P. 143) в течение 20 минут при длительности импульса 0.3 мс и интенсивности стимула 90% моторного порога.
Известен способ лечения энуреза (RU 2308302 C2, опубл. 20.10.2007), по которому последовательно проводят двустороннее магнитное воздействие на парацентральные доли медиальной поверхности полушарий головного мозга. Затем воздействуют инфракрасным лазерным излучением на T12-L1-L2 сегменты спинного мозга и надлобковую зону. Проводят эпидуральную электрическую стимуляцию сегментов S2-S4 спинного мозга и сегментов S4-S5-C1 позвоночника, электростимуляцию прямой кишки и надлобковой зоны. Заканчивают процедуры воздействием инфракрасным излучением на зрительный анализатор. Предлагаемый способ позволяет восстановить баланс процессов возбуждения и торможения в коре больших полушарий головного мозга, улучшить функциональное состояние центральных, спинальных структур мозга и периферических нервных образований, отвечающих за произвольное мочеиспускание, осуществить стимуляцию симпатических структур, иннервирующих мочевой пузырь.
Согласно указанному способу проводят биполярную стимуляцию электрическими импульсами с длительностью пачки и паузы по 2 с, с частотой заполнения пачки 3000 Гц сегментов S2-S4 спинного мозга и сегментов S4-S5-C1 позвоночника при слабом ощущении прохождения электрического тока в течение 15 мин.
Известен способ лечения эректильной дисфункции (RU 2334458 C2, опубл. 27.09.2008), по которому последовательно осуществляют электромиографический (ЭМГ) тренинг седалищно-пещеристых мышц по исходным ЭМГ сигналам биологической обратной связи, вызывая попеременное сокращение длительностью 5 секунд и расслабление длительностью 10 секунд мышц промежности в течение 15 минут. Затем попеременное сокращение до 30% от максимального уровня ЭМГ длительностью 10 секунд и расслабление длительностью 10 секунд в течение 15 минут. После этого выполняют эпидуральную электрическую стимуляцию седалищно-пещеристых мышц и между сегментами спинного мозга S2-S4 и S4-S5-C1 позвоночника, проводят лазерное облучение сегментов S2-S4 спинного мозга, сегментов S4-S5-C1 позвоночника и верхней поверхности тела полового члена. При этом лазерное воздействие проводят низкоинтенсивными инфракрасными волнами с амплитудно-частотной модуляцией с частотой до 3 Гц и глубиной модуляции до 30 процентов, энергией до 50 Дж, длиной волны 960 нм; электростимуляцию седалищно-пещеристых мышц проводят биполярно импульсным током при их слабом тетаническом сокращении с длительностью пачки и паузы по 2 секунды с частотой заполнения пачки 3000 Гц и проводят биполярную электростимуляцию между сегментами S2-S4 спинного мозга и S4-S5-C1 позвоночника инфранизкими электрическими волнами с частотой до 3 Гц и амплитудой до 100 мкА. Время лазерного воздействия на каждую область по 5 минут, время воздействия импульсным током 30 минут, время воздействия инфранизким током 24 часа; курс лечения 15 дней. Известен способ эпидуральная стимуляция высокой плотности для облегчения локомоции, позы, произвольных движений и для восстановления автономных, сексуальных, сосудодвигательных и когнитивных функций после неврологических нарушений (WO 2012094346 А2, опубл. 12.07.2012), заключающийся в восстановлении локомоторного и постурального контроля, произвольного контроля за движениями тела и/или автономными (висцеральными) функциям у людей, имеющих поражение спинного, головного мозга или неврологические заболевания, приводящие к нарушениям движения. Способ состоит в стимуляции спинного мозга человека с использованием эпидуральных электродных матриц, которые помещаются в шейный, грудной или пояснично-крестцовый отдел спинного мозга, применение физических тренировок, чтобы генерировать проприоцептивные и/или супраспинальные сигналы и, возможно, введение фармакологических препаратов.
Электрическая стимуляция спинного мозга согласно известным способам для регуляции той или иной висцеральной функции пациента является эпидуральной. Проведение инвазивной процедуры для позиционирования электрода вблизи спинного мозга хирургическим методом добавляет нежелательные риски операционных и послеоперационных осложнений. Кроме того, инвазивный электрод, электростимулятор и аккумуляторная батарея находятся в теле пациента непрерывно, тем самым накладывая ряд бытовых и медицинских ограничений, что ухудшает качество жизни человека.
Известен способ стимуляции млекопитающих путем чрескожного воздействия на спинной мозг, реализуемый с помощью устройства для неинвазивной нейромодуляции для облегчения восстановления двигательных, сенсорных, автономных, сексуальных, сосудодвигательных и когнитивных функций (СА 2856202 A1, опубл. 16.05.2013). Воздействие осуществляется импульсами частотой 0.5-100 Гц с несущей частотой 5 или 10 кГц, интенсивностью 0.5-200 мА. Электроды помещают на шею, чтобы стимулировать ствол спинного мозга или шейный отдел спинного мозга, в нижнюю часть спины, чтобы стимулировать поясничную, или крестцовую область спинного мозга, или область Т11-Т12 позвонков. Использование изобретения позволяет восстановить двигательные функции, утраченные вследствие травмы спинного мозга, ишемии головного мозга, болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера, болезни Хантингтона и т.д.), состоящие в стоянии, ходьбе, произвольных движениях, сидении, переходе в положение лежа, в хватательных, отталкивающих и притягивающих движениях. При этом не раскрыто, каким образом осуществляется влияние на сенсорные, автономные, сексуальные, сосудодвигательные и когнитивные функции, в частности не раскрыты области, на которые необходимо установить электроды для воздействия на ту или иную висцеральную систему и подбор режима воздействия. В указанной заявке раскрыт только диапазон воздействия на двигательную функцию.
2
Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ электрической поверхностной стимуляции в области спины, оказывающий влияние на автономную нервную систему (Kaur В. et al. Effect of surface spinal stimulation on autonomic nervous system in the patients with spinal cord injury //Archives of Medicine and Health Sciences. -2014. - T. 2. - №. 2. - C. 126.). В ходе исследований было установлено, что электрическая стимуляция с использованием прямоугольных электродов (4.5*9 см), расположенных накожно паравертебрально на уровне T10-L2 на расстоянии 5 см друг от друга, биполярных импульсов с частотой 20 Гц, модулированных частотой 2.5 кГц, проводимая непрерывно в течение 45 минут, влияет на функции мочевого пузыря, на сопротивление кожи и на температуру кожи.
При этом согласно указанному способу нет возможности судить о том, какие органы и функции задействованы в достижении заявленного влияния. Таким образом, нет возможности влиять на данный результат, вследствие чего регулировать выделительную функцию. В известном способе отсутствует воздействие именно над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании изобретения, является невозможность контролируемой регуляции висцеральных функций человека и животных путем неинвазивного электрического воздействия на спинной мозг на уровне иннервации соответствующего органа или органов.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является обеспечение регуляции висцеральных функций человека и животных посредством неинвазивной стимуляции спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа или органов.
Технический результат достигается за счет того, что располагают по меньшей мере один электрод на коже пациента дорсально над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа или органов, а два электрода располагают вентрально симметрично относительно вертикальной оси тела пациента, далее воздействуют последовательностью электрических прямоугольных импульсов через указанные электроды с амплитудой импульсов 10-150 мА, частотой следования импульсов 0,2-100 Гц, длительностью импульса 0,5-1 мс.
Под термином «висцеральные функции» в указанной заявке понимают физиологические функции организма человека и животных, которые регулирует висцеральная (автономная) нервная система, а именно системы дыхания, система пищеварения, система терморегуляции, система кровообращения, выделительная система и т.д. При этом в качестве висцеральных функций выбирают одну из дыхательной, пищеварительной, выделительной, половой, сердечно-сосудистой функций, функций кровоснабжения головного мозга, периферического кровоснабжения.
Подбор сочетания амплитуды импульсов и формы импульсов осуществляют индивидуально путем выбора параметров, которые не вызывают болезненные ощущения у пациентов.
Выбор амплитуды импульсов осуществляют в пределах 50-100% от минимальной амплитуды импульсов, вызывающих сокращения скелетных мышц над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа или органов на единичные немодулированные импульсы длительностью 0.5-1 мс или на непрерывную последовательность монополярных немодулированных импульсов с частотой 0.2-1 Гц и длительностью импульса 0.5-1 мс.
Воздействие через указанные электроды осуществляют последовательностью электрических прямоугольных импульсов, при этом форма импульсов может быть выбрана из: монополярные немодулированные импульсы, монополярные модулированные несущей частотой 2-10 кГц импульсы, биполярные немодулированные импульсы, биполярные модулированные несущей частотой 2-10 кГц импульсы.
Для регуляции дыхательной функции электроды располагают между остистыми отростками позвонков в области T6-L2 позвонков и вентрально в области ребер или гребней подвздошных костей и воздействуют последовательностью электрических прямоугольных импульсов через указанные электроды с частотой 20-50 Гц.
Для регуляции выделительной и половой функций электроды располагают между остистыми отростками позвонков в области T12-L2 позвонков или в области копчика и вентрально в области гребней подвздошных костей и воздействуют последовательностью электрических прямоугольных импульсов через указанные электроды с частотой 1-20 Гц.
Для регуляции пищеварительных функций электроды располагают между остистыми отростками позвонков в области Т6-Т12 позвонков и вентрально в области ребер и воздействуют последовательностью электрических прямоугольных импульсов через указанные электроды с частотой 30-50 Гц.
Расположение катодов накожно по центральной линии позвоночника между остистыми отростками позвонков позволяет стимулировать непосредственно спинной мозг. Предварительный подбор амплитуды связан с тем, что необходимо убедиться, что электроды стоят над нужным сегментом.
Длительность импульса ~1 мс выбрана та же, что используется для вызова движений при чрескожной стимуляции спинного мозга, чтобы двигательная реакция на стимуляцию была предсказуемой. Только при таком расположении электродов можно стимулировать спинной мозг (Gerasimenko Y. et al. Transcutaneous electrical spinal-cord stimulation in humans // Annals of physical and rehabilitation medicine. - 2015. - T. 58. - №. 4. - C. 225-231.).
Таким образом, зарегистрировав двигательный ответ в определенных мышцах в ответ на одиночный электрический импульс, устанавливают, что силы тока достаточно для активации спинного мозга. Исходя из того, какие скелетные мышцы отвечают, подтверждают, что стимулируют требуемые, нужные сегменты спинного мозга.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют осуществление изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения.
На фиг. 1 изображен реабилитационный тренажер, обеспечивающий принудительные движения ног.
На фиг. 2 изображено положение испытуемого в положении лежа на боку, при этом каждая нога испытуемого вывешена на независимых качелях-подвесках.
На фиг. 3-9 схематично показаны результаты экспериментальных данных, в частности, прирост вентиляции легких, частоты дыхания, снижения дыхательного объема.
На фиг. 3 изображено изменение вентиляции легких во время произвольного движения (черные столбики) и движения, вызванного чрескожной электростимуляцией спинного мозга (белые столбики), относительно вентиляции легких до этого движения (покой) или после движения (восстановление).
На фиг. 4 изображено изменение частоты дыхания во время произвольного движения и движения, вызванного чрескожной стимуляцией спинного мозга. Обозначения как на фиг. 3.
На фиг. 5 изображено изменение дыхательного объема во время произвольного движения и движения, вызванного чрескожной стимуляцией спинного мозга. Обозначения как на фиг. 3.
На фиг. 6 изображено изменение длительности выдоха во время произвольного движения и движения, вызванного чрескожной стимуляцией спинного мозга. Обозначения как на фиг. 3.
На фиг. 7 изображено изменение длительности вдоха во время произвольного движения и движения, вызванного чрескожной стимуляцией спинного мозга. Обозначения как на фиг. 3.
На фиг. 8 изображено изменение потребления кислорода во время произвольного движения и движения, вызванного чрескожной стимуляцией спинного мозга. Обозначения как на фиг.3.
На фиг. 9 изображено изменение парциального давления кислорода в альвеолярном газе во время произвольного движения и движения, вызванного чрескожной стимуляцией спинного мозга. Обозначения как на фиг. 3.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ регуляции показателей активности дыхательной, сердечно-сосудистой, желудочно-кишечной (пищеварительной), выделительной, половой систем, функций кровоснабжения головного мозга, периферического кровоснабжения осуществляется путем неинвазивной стимуляции спинного мозга.
На первом этапе накладывают по меньшей мере один катод на кожу пациента между остистыми отростками позвонков или в области копчика над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа или органов, а по меньше мере два анода - вентрально симметрично относительно вертикальной оси тела пациента, например, над правой и левой ключицами (вдоль ключиц), или симметрично справа и слева над ребрами (вдоль ребер), или над гребнями подвздошных костей справа и слева (вдоль гребней), или на сгибах тазобедренных суставов (вдоль сгибов).
При этом катоды могут быть выполнены круглой или прямоугольной формы, размером не менее 3 см, но не более 5 см, аноды - овальной или прямоугольной формы, размером 5-10 см по длинной оси.
На электроды подают ток в виде монополярных или биполярных импульсов прямоугольной формы с длительностью импульса 0.5-1 мс с частотой 0.2-100 Гц, модулированные или не модулированные частотой 2-10 кГц с амплитудой тока 10-250 мА.
Расположение электродов, частоту и амплитуду импульсов выбирают в зависимости от требуемого воздействия на висцеральную систему.
Сочетание амплитуды импульсов и формы импульсов осуществляют индивидуально путем выбора параметров, которые не вызывают болезненные ощущения у пациентов.
Амплитуду тока выбирают в пределах 50-100% от минимальной амплитуды импульсов, вызывающих сокращения скелетных мышц над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа или органов на единичные немодулированные импульсы длительностью 0.5-1 мс или на непрерывную последовательность монополярных немодулированных импульсов с частотой 0.2-1 Гц и длительностью импульса 0.5-1 мс.
После определения амплитуды тока, который подают на электроды, выбирают форму импульсов (биполярные или монополярные, модулированные или не модулированные, модулированные с частотой 2-10 кГц). Известно, что для уменьшения болезненности любой электростимуляции длительность импульса уменьшают до 0.5 мс и меньше.
Монополярные импульсы мощнее биполярных, но и болезненнее, Для монополярных импульсов требуется меньшая интенсивность тока, чтобы достигнуть одинакового эффекта.
Частоты меньше 0.5 Гц (например, 0.2-1 Гц) используют для вызова рефлекторных ответов тех или иных органов, при больших частотах ответы будут накладываться или влиять предыдущий на последующий, т.е. эти частоты нужны для исполнения диагностической функции.
При выборе формы импульсов тока (модулированные или немодулированные) также ориентируются на возникновение болезненных ощущений у пациентов. В частности, немодулированные импульсы вызывают более болезненные ощущения, чем модулированные несущей частотой, однако, они являются более эффективными при воздействии для вызова рефлекторных ответов.
На модулированные низкочастотные импульсы ответная функция, в частности, сокращение скелетных мышц над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа или органов, смазанная. Поэтому для вызова рефлекторного ответа необходимо увеличивать амплитуду тока. Стабильные рефлекторные ответы вызывают только немодулированными монополярными импульсами.
Немодулированные монополярные импульсы ранее использовали для вызова двигательных ответов при стимуляции спинного мозга парализованных спинальных пациентов при стимуляции ниже места травмы, у них там нет чувствительности, спинальные нейронные сети «спят» через много лет после травмы (Noninvasive Reactivation of Motor Descending Control after Paralysis. Gerasimenko YP1,2,3, Lu DC4.5, Modaber M4.5, Zdunowski S1, Gad P1, Sayenko DG1, Morikawa E4,5, Haakana P4,5, Ferguson AR6,Roy RR1.7, Edgerton VR1,4,7. J Neurophysiol. 2016 Jul 1; 116 (1): 98-105. doi: 10.1152/jn.00146.2016. Epub 2016 Apr 13.). Для неинвазивной стимуляции спинного мозга детей с ДЦП использовали модулированные биполярные импульсы (Никитюк И.Е., Мошонкина Т.Р., Герасименко Ю.П., Виссарионов С.В., Баиндурашвили А.Г. Регуляция баланса у детей с тяжелыми формами детского церебрального паралича после локомоторных тренировок в комбинации с электростимуляцией мышц и спинного мозга. Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2016. т. 93. №5. с. 23-28.).
Возможны следующие варианты расположения электродов и диапазоны параметров тока, подаваемого на указанные выше электроды.
Например, для регуляции инспираторной функции дыхания катод располагают над позвонками Т2-Т3, а аноды - над нижними ребрами, используют частоту тока 30-50 Гц, биполярные или монополярные модулированные импульсы и амплитуды тока в пределах 50-100% от минимальной амплитуды импульсов, вызывающих сокращения скелетных мышц над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующих органов.
Например, для регуляции экспираторной функции дыхания катод располагают над позвонками T11-L2, а аноды - над подвздошными костями, используют частоту тока 30-50 Гц, биполярные или монополярные модулированные импульсы, амплитуда тока которых равна или находится в пределах 50-100% от минимальной амплитуды импульсов, вызывающих сокращения скелетных мышц над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующих органов.
Например, для регуляции мозгового кровообращения катод располагают в области С1-С3 позвонков, а аноды над ключицами, используют частоту тока 50 Гц, биполярные или монополярные модулированные импульсы, амплитуда которых находится в пределах 50-100% от минимальной амплитуды импульсов, вызывающих сокращения скелетных мышц над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа.
Например, для регуляции выделительной системы катод ставят в область L3-S1 позвонков, а анод - в складки тазобедренного сустава, используют частоту тока 0.2-3 Гц, биполярные или монополярные модулированные импульсы, амплитуда которых находится в пределах 50-100% от минимальной амплитуды импульсов, вызывающих сокращения скелетных мышц над сегментом спинного мозга на уровне иннервации соответствующего органа. Например, для регуляции желудочно-кишечной системы катод ставят между остистыми отростками позвонков в области Т6-Т12 позвонков, а аноды вентрально в области ребер и воздействуют последовательностью электрических прямоугольных импульсов через указанные электроды с частотой 30-50 Гц.
Длительность воздействия составляет от 1 мин до 60 мин. Стимуляция может проводиться курсами.
Чрескожная стимуляция спинного мозга может сопровождаться механотерапией.
Чрескожная стимуляция спинного мозга может сопровождаться фармакотерапией.
Пример 1. Влияние чрескожной электрической стимуляции спинного мозга на характеристики внешнего дыхания.
Из предшествовавшего уровня техники известно, что электрическая эпидуральная стимуляция спинного мозга влияет как на инспираторную, так и на экспираторную функцию дыхания. Цель исследования - показать, что, используя чрескожную стимуляцию спинного мозга, можно управлять параметрами дыхания.
Исследование проведено на здоровом добровольце мужского пола. Испытуемый во время исследований был помещен в реабилитационный тренажер (БИОКИН, производитель ООО «Косима»), обеспечивающий принудительные движения ног в шагательном ритме, а также, в другом режиме, позволяющий испытуемому самостоятельно совершать шагательные движения. Во время исследований испытуемый находился в положении полулежа (Фиг. 1).
2
Для чрескожной стимуляции спинного был использован 5-канальный стимулятор Биостим-5 (производитель ООО «Косима»). Катоды располагали накожно по центральной линии позвоночника между остистыми отростками позвонков Th12-L1 и L1-L2. В качестве электродов использовали круглые электроды диаметром 2.5 см с адгезивным слоем (Syrtenty). В качестве анодов использовали пару овальных электродов размером 5*10 см с адгезивным слоем (Syrtenty), их размещали накожно в области живота, над подвздошными костями справа и слева. Аноды были соединены между собой.
Стимуляция спинного мозга проводилась монополярными модулированными импульсами частотой 30 Гц, частота модуляции 5 кГц, длительность импульса - 1 мс. Интенсивность тока подбирали для каждого из двух уровней стимуляции до появления сокращений мышц нижних конечностей, амплитуда тока составляла 50-70 мА.
Для регистрации параметров вентиляции легких и газообмена использовали систему для проведения нагрузочных кардио-респираторных тестов и оценки метаболизма Cosmed Quark СРЕТ, включающую турбинный датчик измерения потока воздуха, фотоэлектрический оксигемометр, инфракрасный датчик углекислого газа и парамагнитный кислородный датчик.
Исследование проводили не менее чем через два часа после приема пищи. Перед каждым исследованием дезинфицировали лицевые маски и трубки и калибровали систему. Спонтанное дыхание осуществлялось через маску.
Исследование состояло из трех этапов.
T
E
O2
O2
CO2
I
E
O2
На этапе I параметры спонтанного дыхания регистрировали в режиме нагрузочного тестирования "дыхание за дыханием". В результате автоматической расшифровки данных определяли следующие параметры: частота дыхания (Rf, цикл/мин), дыхательный объем (V, л), минутный объем вентиляции легких (V, л/мин), минутный объем потребления кислорода (V, мл/мин), парциальное давление кислорода (Р, мм рт.ст.) и углекислого газа (Р, мм рт.ст.) в альвеолярном газе, время вдоха (Т, с), время выдоха (Т, с) и степень оксигенации крови (S, %). Система Cosmed Quark СРЕТ вычисляла дыхательный коэффициент (RQ) и общий обмен энергии (Е, кКал/мин).
На этапе II испытуемый дышал через одноразовый мундштук. Параметры регистрировали в режиме тестирования "SVC". В результате автоматической расшифровки данных, в лучшей из выполненных проб, определяли жизненную емкость легких (EVC, л), резервный объем вдоха (IRV, л), резервный объем выдоха (ERV, л), дыхательный объем (VT, л) и емкость вдоха (IС, л).
На этапе III испытуемый также дышал через одноразовый мундштук. Параметры регистрировали в режиме тестирования "FVC". В результате автоматической расшифровки данных, в лучшей из выполненных проб, определяли форсированную жизненная емкость легких (FVC, л), пиковый экспираторный поток (PEF, л/сек), экспираторные потоки при выдохе 75%, 50% и 25% от форсированной жизненной емкости легких (MEF 75%, MEF 50%, MEF 35%, л/сек), объем форсированного выдоха за 1 сек (FEV1, л), время форсированного выдоха (FET100%, сек).
I этап - изучение влияния чрескожной электростимуляции спинного мозга на спонтанную вентиляцию легких, включал 5 серий. Между сериями испытуемый не менее 5 мин лежал в тренажере-кровати в состоянии покоя для исключения влияния предыдущих воздействий на результаты последующих серий.
1. Определение параметров вентиляции легких, газообмена и энергообмена, соответствующих состоянию покоя, параметры спокойного дыхания регистровали на протяжении 5 минут.
2. Исследование реакции системы дыхания на чрескожную электростимуляцию спинного мозга. Параметры дыхания регистрировали последовательно: 1 мин в исходном состоянии покоя, 30 сек во время стимуляции спинного мозга на уровне Th12-L1 позвонков, 30 сек во время одновременной стимуляции спинного мозга на уровнях Th12-L1 и L1-L2 позвонков, 30 сек восстановления после полной отмены стимуляции.
3. Исследование реакции системы дыхания на чрескожную электростимуляцию спинного мозга на фоне выполнения произвольных шагательных движений, с преодолением сопротивления ~50-70 Н в тренажере-кровати. Параметры дыхания регистрировали последовательно: 30 сек во время выполнения произвольных шагательных движений, 30 сек во время стимуляции спинного мозга на уровне Th12-L1 позвонков на фоне выполнения произвольных шагательных движений, 30 сек во время одновременной стимуляции спинного мозга на уровнях Th12-L1 и L1-L2 позвонков на фоне выполнения произвольных шагательных движений, 30 сек во время выполнения произвольных шагательных движений после полной отмены стимуляции.
4. Контрольное исследование реакции системы дыхания на выполнение произвольных шагательных движений. Параметры дыхания регистрировали последовательно: 1 мин в исходном состоянии покоя, 2 мин во время выполнения произвольных шагательных движений, 1 мин восстановления после прекращения движений.
5. Исследование реакции системы дыхания на чрескожную электростимуляцию спинного мозга на фоне осуществления тренажером-кроватью пассивных шагательных движений ногами испытуемого. Параметры дыхания регистрировали последовательно: 30 сек во время осуществления пассивных шагательных движений, 30 сек во время стимуляции спинного мозга на уровне TM2-L1 позвонков на фоне осуществления пассивных шагательных движений, 30 сек во время одновременной стимуляции спинного мозга на уровнях TM2-L1 и L1-L2 позвонков на фоне осуществления пассивных шагательных движений, 30 сек во время осуществления пассивных шагательных движений после полной отмены стимуляции.
II этап - изучение влияния чрескожной электростимуляции спинного мозга на функциональные резервы аппарата дыхания включал 3 серии.
1. Определение основных объемов и емкостей легких, соответствующих состоянию физического покоя. Параметры дыхания регистрировали во время выполнения испытуемым три раза подряд следующего комплекса манипуляций: три спокойных вдоха и выдоха, максимально глубокий вдох, максимально глубокий выдох.
2. Контрольное исследование влияния выполнения произвольных шагательных движений на основные объемы и емкости легких. Параметры дыхания регистрировали во время выполнения движений с преодолением сопротивления ~50-70 Н в тренажере-кровати. Испытуемый три раза подряд выполнял следующие дыхательные упражнения: три спокойных вдоха и выдоха, максимально глубокий вдох, максимально глубокий выдох.
3. Исследование влияния чрескожной электростимуляции спинного мозга на основные объемы и емкости легких. Параметры дыхания регистрировали во время электростимуляции спинного мозга спинного мозга на уровнях Th12-L1 и L1-L2 позвонков. Испытуемый три раза подряд выполнял следующие дыхательные упражнения: три спокойных вдоха и выдоха, максимально глубокий вдох, максимально глубокий выдох.
III этап - изучение влияния чрескожной электростимуляции спинного мозга на работоспособность дыхательной мускулатуры и сопротивление воздухоносных путей потоку воздуха включал 3 серии.
1. Определение основных параметров форсированного выдоха, соответствующих состоянию физического покоя. Испытуемый три раза подряд выполнял следующие дыхательные упражнения: три спокойных вдоха и выдоха, максимально глубокий вдох, максимально резкий и глубокий выдох.
2. Контрольное исследование влияния выполнения произвольных шагательных движений на основные параметры форсированного выдоха. Параметры дыхания регистрировали во время выполнения произвольных шагательных движений с преодолением сопротивления ~50-70 Н в тренажере-кровати. Испытуемый три раза подряд выполняют следующий комплекс манипуляций: три спокойных вдоха и выдоха, максимально глубокий вдох, максимально резкий и глубокий выдох.
3. Исследование влияния чрескожной электростимуляции спинного мозга на основные параметры форсированного выдоха. Параметры дыхания регистрировали во время электростимуляции спинного мозга спинного мозга на уровнях Th12-L1 и L1-L2 позвонков. Испытуемый три раза подряд выполняют следующий комплекс манипуляций: три спокойных вдоха и выдоха, максимально глубокий вдох, максимально резкий и глубокий выдох.
Результаты
Этап I
1. У испытуемого, находящегося лежа на спине и соблюдающего физический покой на протяжении пяти минут, параметры вентиляции легких, газообмена и метаболизма соответствовали диапазону физиологических колебаний. Дыхание осуществлялось в нормопноическом режиме. Время вдоха было короче времени выдоха (табл. 1). Показатели газообмена также соответствовали норме. Дыхательный коэффициент был ниже единицы, общий обмен энергии составил 1,87 кКал/мин (табл. 1).
2. При исследовании влияния чрескожной электростимуляции спинного мозга на параметры вентиляции легких, газообмена и метаболизма в исходном фоновом состоянии покоя исследуемые параметры незначительно отличались от значений полученных в предыдущем контрольном исследовании (покой в течение 5 минут) (табл. 1). Большая частота дыхания, обусловленная, вероятно, предстартовым эмоциональным состоянием, приводила к увеличению объему вентиляции легких, повышению содержания кислорода, вымыванию углекислого газа из альвеолярного воздуха и повышению степени оксигенации гемоглобина (табл. 1). При этом потребление кислорода, дыхательный коэффициент и уровень общего обмена энергии не отличались от данных контрольного исследования, что еще раз подтверждает эмоциональную природу отмеченных изменений в характере вентиляции легких (табл. 1).
Чрескожная электростимуляция спинного мозга на уровне TM2-L1 позвонков сопровождалась выраженными изменениями характера дыхания. За счет уменьшения времени вдоха и выдоха происходило значительное учащение дыхания (табл. 1). Которое, несмотря на сокращение дыхательного объема, привело к увеличению минутного объема вентиляции легких. Поскольку данная реакция сопровождалась дальнейшим повышением содержания кислорода и вымыванием углекислоты из альвеолярного воздуха, не смотря на некоторый прирост потребления кислорода (табл. 1), можно говорить о том, что вентиляция легких, в условии чрескожной электростимуляции спинного мозга на уровне Th12-L1 позвонков, осуществлялась в гипервентиляционном режиме.
Одновременная электростимуляция спинного мозга на уровне Th12-L1 и L1-L2 позвонков вызывала дальнейшее увеличение частоты и снижение глубины дыхания (табл. 1). Причем частота дыхания увеличивалась исключительно за счет уменьшения времени выдоха (табл. 1). Интенсивность вентиляции легких снижалась, однако дыхание было очень частым и поверхностным, поэтому последние порции выдыхаемого воздуха не соответствовали по составу альвеолярному газу, что проявилось в аппаратном завышении показателей парциального давления кислорода и занижении показателей парциального давления углекислого газа, потребления кислорода и общего обмена энергии (табл. 1). Судя по данным оксигенации значительной гиповентиляции не было, но оксигенация гемоглобина является очень устойчивым показателем и изменяется лишь при значительном снижении содержания растворенного в плазме артериальной крови кислорода (табл. 1).
Полное прекращение электростимуляции спинного мозга сопровождалось снижением частоты дыхания и увеличением дыхательного объема, в результате которого значительно возрос минутный объем вентиляции легких (табл. 1). Парциальные давления кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе и дыхательный коэффициент нормализовались и стали соответствовать исходным фоновым значениям (табл. 1). Потребление кислорода и оксигенация гемоглобина росли (табл. 1). Значительное увеличение показателей потребления кислорода и общего энергообмена можно попытаться объяснить как более точным анализом состава альвеолярного газа при глубоком дыхании, так и покрытием кислородного долга, который мог возникнуть в предыдущий период исследования.
Таким образом, чрескожная стимуляция спинного мозга вызывает значимые изменения как в вентиляции легких, так и в газо- и энергообмене. Если электростимуляция спинного мозга на уровне TM2-L1 позвонков сопровождается увеличением вентиляции легких, потребления кислорода и уровня общего энергообмена, то одновременная стимуляция на уровне TM2-L1 и L1-L2 позвонков вызывает снижение вентиляции легких, потребления кислорода и показателей энергообмена.
3. При исследовании влияния чрескожной стимуляции спинного мозга на динамику параметров вентиляции легких, газообмена и метаболизма в процессе выполнения произвольных шагательных движений исходным фоновым состоянием были первые 30 с произвольного "шагания" в тренажере-кровати. Реакция системы дыхания на физическую нагрузку соответствовала норме (табл. 2). Так, по сравнению с контрольным исследованием в состоянии покоя (табл. 1), дыхание в начальной реакции на физическую нагрузку характеризовалось повышением частоты, за счет сокращения времени вдоха и выдоха, увеличением минутной вентиляции легких, потребления кислорода и уровня общего энергообмена (табл. 2). Дыхательный коэффициент был несколько снижен. Показатели газообмена соответствовали норме (табл. 2), что говорит об адекватной реакции дыхательной системы на выполняемую физическую работу.
Чрескожная электростимуляция спинного мозга на уровне Th12-L1 позвонков на фоне выполнения произвольных шагательных движений сопровождалась увеличением минутного объема вентиляции легких за счет углубления дыхания (табл. 2). Частота дыхания при стимуляции несколько снижалась, за счет синхронного увеличения времени вдоха и выдоха (табл. 2). Несмотря на повышение потребления кислорода, его парциальное давление в выдыхаемом воздухе уменьшилось, а углекислого газа - увеличилось, относительно предыдущего периода выполнения движений без стимуляции (табл. 2), однако содержание углекислого газа в выдыхаемом воздухе оставалось несколько заниженным относительно контрольного состояния покоя (табл. 1), что свидетельствует о достаточности и нормализации реакции системы дыхания направленной на обеспечение растущего уровня энергообмена (табл. 2). Значение дыхательного коэффициента продолжало снижаться (табл. 2). При одновременной электростимуляции спинного мозга на уровне Th12-L1 и L1-L2 позвонков на фоне выполнения произвольных шагательных движений наблюдался дальнейший прирост минутного объема вентиляции легких за счет увеличения дыхательного объема (табл. 2). Частота дыхания практически не менялась. Был отмечен дальнейший рост потребления кислорода и уровня общего энергообмена. Парциальное напряжение кислорода в альвеолярном газе продолжало падать, а углекислого газа - расти (табл. 2).
После полного прекращения электростимуляции спинного мозга на фоне продолжения выполнения произвольных шагательных движений вентиляции легких продолжала расти за счет углубления дыхания (табл. 2). Частота дыхания уменьшилась и стала ниже чем в исходном фоновом состоянии начала выполнения произвольных шагательных движений (табл. 2). Потребление кислорода и уровень общего энергообмена несколько снизились, но остались значительно выше исходного фонового уровня. Показатели содержания кислорода и углекислого газа оставались в пределах нормы (табл. 2).
Таким образом, чрескожная стимуляция спинного мозга на фоне выполнения произвольных шагательных движений вызывает некоторые изменения как в вентиляции легких, так и в газо- и энергообмене. Тот факт, что отмена электростимуляции, в условии продолжения выполнения движений, вызывает снижение частоты дыхания, потребления кислорода и уровня общего энергообмена может говорить о наличии активируемых стимуляцией энергопотребителей, которыми может оказаться вспомогательная дыхательная мускулатура.
4. Исследование динамики параметров вентиляции легких, газообмена и метаболизма в процессе выполнения произвольных шагательных движений осуществлялось с целью выявления особенностей реакции системы дыхания на работу, осуществляемую в тренажере-кровати. В исходном состоянии покоя параметры вентиляции легких и газообмена соответствовали диапазону физиологических колебаний (табл. 3), но несколько отличались от значений контрольного исследования состояния покоя (табл. 1). Так минутный объем вентиляции легких, частота дыхания, уровень энергообмена, потребление кислорода и его парциальное давление в выдыхаемом воздухе были несколько выше, а глубина дыхания, дыхательный коэффициент и парциальное давление углекислого газа - незначительно ниже (табл. 3) величин контрольного исследования (табл. 1).
Динамика вентиляторного ответа при выполнении произвольных шагательных движений в тренажере-кровати соответствовала нормальной реакции организма на физическую работу (табл. 3). Так, в начале произвольных шагательных движений был отмечен резкий прирост минутной вентиляции легких за счет увеличения глубины (табл. 3), вызвавший увеличение парциального давления кислорода в альвеолярном газе. На всем протяжении выполнения шагательных движений был отмечен постоянный прирост минутного объема вентиляции легких, дыхательного объема, потребления кислорода и уровня энергообмена. При этом до девяностой секунды выполнения работы было отмечено снижение парциального давления кислорода в выдыхаемом воздухе и степени оксигенации гемоглобина, что говорит о недостаточности вентиляторного ответа на выполняемую нагрузку.
В течение одной минуты после прекращения произвольных шагательных движений было отмечено снижение вентиляции легких, потребления кислорода и уровня общего энергообмена (табл. 3), однако полное восстановление, до исходных параметров, не происходило (табл. 3).
5. При исследовании влияния чрескожной стимуляции спинного мозга на динамику параметров вентиляции легких, газообмена и метаболизма в процессе осуществления пассивных шагательных движений исходным фоновым состоянием были первые тридцать секунд пассивного "шагания" в тренажере-кровати. По сравнению с контрольным исследованием в состоянии покоя (табл. 1), дыхание во время стартовой реакции на пассивные движения ног характеризовалось повышением частоты, за счет сокращения времени вдоха и выдоха, увеличением минутной вентиляции легких, потребления кислорода, дыхательного коэффициента и уровня общего энергообмена (табл. 4). Парциальное давление кислорода в выдыхаемом воздухе было значительно выше, а углекислого газа - ниже, чем в контрольном состоянии покоя (табл. 1, 4), что говорит об гипервентиляционной реакции дыхательной системы на осуществление пассивных движений.
Чрескожная электростимуляция спинного мозга на уровне Th12-L1 позвонков на фоне осуществления пассивных шагательных движений сопровождалась очень незначительным приростом минутного объема вентиляции легких и уровня энергообмена (табл. 4). Частота дыхания при стимуляции росла, прежде всего, за счет сокращения времени выдоха (табл. 4). Потребление кислорода несколько снизилось, а его парциальное давление в выдыхаемом воздухе существенно возросло. Также произошло снижение парциального давления углекислого газа в выдыхаемом воздухе, что свидетельствует об усугублении гипервентиляции (табл. 4). Зафиксированное снижение значения оксигенации гемоглобина могло быть следствием гипокапнической вазоконстрикции. Значение дыхательного коэффициента продолжало снижаться (табл. 4).
При одновременной электростимуляции спинного мозга на уровне Th12-L1 и L1-L2 позвонков на фоне осуществления пассивных шагательных движений продолжался медленный прирост минутного объема вентиляции легких и уровня общего энергообмена (табл. 2). Частота дыхания практически не менялась, поскольку уменьшение времени выдоха компенсировалось увеличением времени вдоха. Показатели потребление кислорода и степень оксигенации гемоглобина незначительно росли. Парциальное напряжение кислорода и углекислого газа не изменялись (табл. 4).
После полного прекращения электростимуляции спинного мозга на фоне продолжения осуществления пассивных шагательных движений вентиляции легких продолжала расти за счет углубления дыхания (табл. 4). Частота дыхания уменьшилась и стала ниже чем в исходном фоновом состоянии начала осуществления пассивных шагательных движений (табл. 4). Потребление кислорода, оксигенация крови, дыхательный коэффициент и уровень общего энергообмена продолжали расти. Показатели содержания кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе несколько приблизились к уровню контрольного исследования состояния покоя (табл. 1, 4).
Таким образом, чрескожная электростимуляция спинного мозга на фоне осуществления пассивных шагательных движений вызывает определенные изменения в вентиляции легких, газо и энергообмене. Тот факт, что отмена электростимуляции, в условии продолжения осуществления пассивных движений, вызывает снижение частоты дыхания, прежде всего за счет удлинения выдоха, может говорить об активирующем действии применяемой стимуляции на экспираторную мускулатуру.
Этап II.
1. Зарегистрированные в состоянии покоя лежа на спине основные объемы и емкости легких не выходили за границы диапазона физиологических колебаний. Резервный объем вдоха был выше резервного объема выдоха (табл. 5). Значение дыхательного объема было несколько завышено, относительно серий предыдущего этапа исследования (табл. 1, 2, 3, 4, 5), вероятно из-за предстартового состояния готовности к осуществлению максимально возможных дыхательных движений.
2. При регистрации основных объемов и емкостей легких на фоне выполнения произвольных шагательных движений произошло значительное увеличение резервного объема вдоха за счет уменьшения резервного объема выдоха (табл. 5). То есть произошло снижение наиболее статически устойчивого уровня спокойного выдоха в сторону уровня максимального выдоха. Причиной данного явления может быть напряжение экспираторных мышц живота в следствии их участия в выполнении произвольных шагательных движений.
3. При регистрации основных объемов и емкостей легких на фоне чрескожной стимуляции спинного мозга произошло еще более значительное уменьшение резервного объема выдоха, которое не компенсировалось увеличением резервного объема вдоха (табл. 5). В результате чего произошло уменьшение жизненной емкости легких (табл. 5). Причиной значительного снижения уровня спокойного выдоха, скорее всего, является активация мотонейронов экспираторных мышц живота, расположенных в подвергающихся электростимуляции сегментах спинного мозга.
Таким образом, как произвольные шагательные движения, так и чрескожная электростимуляция спинного мозга оказывают однонаправленные влияния на основные объемы и емкости легких, снижая резервный объем выдоха. Тот факт, что при произвольных движениях данный эффект компенсируется увеличением резервного вдоха, а при стимуляции компенсации не происходит, можно попытаться объяснить цикличностью выполнения произвольных движений, когда максимальный вдох приходится на момент минимального напряжения экспираторной мускулатуры живота и не препятствует вдоху, а при стимуляции активация экспираторной мускулатуры носит постоянный характер и препятствует экспирации.
Этап III.
1. Зарегистрированные в состоянии покоя лежа на спине показатели форсированного выдоха не выходили за границы диапазона физиологических колебаний (табл. 6). Форсированная жизненная емкость легких была несколько меньше жизненной емкости легких зарегистрированной на предыдущем этапе исследования в аналогичных условиях (табл. 5, 6). Данный факт соответствует норме, поскольку при выполнении форсированно выдоха сопротивление воздухоносных путей потоку воздуха гораздо выше, чем при спокойном глубоком выдохе. Пиковая скорость форсированного выдоха была несколько меньше индивидуально должной величины (табл. 6), что можно объяснить нахождением испытуемого в положении лежа, тогда как принятые нормы составляются для регистрации форсированного выдоха в положении стоя.
2. При регистрации форсированного выдоха на фоне выполнения произвольных шагательных движений форсированная жизненная емкость легких была больше, чем в состоянии покоя, что согласуется с данными предыдущего этапа исследования (табл. 5, 6). Пиковая скорость экспираторного потока также была выше, чем в состоянии покоя (табл. 6). Вероятно, при выполнении шагательных движений сокращаются дополнительные мышечные группы, участвующие в экспирации или сокращение экспираторной мускулатуры осуществляется более синхронно, чем в состоянии покоя. Однако мгновенная скорость экспираторного потока после выдоха 25% от объема форсированного выдоха уже была значительно ниже, чем в состоянии покоя (табл. 6). Это так же можно объяснить более синхронным сокращением экспираторных мышц в начальный момент осуществления форсированного выдоха, в результате чего некоторые мышцы, обеспечивающих вторую фазу форсированного выдоха в состоянии покоя, при выполнении произвольных движений на этот момент оказывается уже сокращенными. Мгновенные скорости экспираторного потока после выдоха 50% и 75% от объема форсированного выдоха в условии выполнения движений практически не отличались аналогичных скоростей в условии покоя (табл. 6). В результате, объем форсированного выдоха за первую секунду при выполнении произвольных шагательных движений не изменился относительно состояния покоя.
3. При регистрации форсированного выдоха на фоне чрескожной электростимуляции спинного мозга форсированная жизненная емкость легких была меньше, чем в состоянии покоя, что также согласуется с данными предыдущего этапа исследования (табл. 5, 6). Пиковая скорость экспираторного потока при стимуляции была выше пиковой скорости выдоха зарегистрированной не только в состоянии покоя, но и при выполнении произвольных шагательных движений (табл. 6). Это можно объяснить тем, что при стимуляции, в начальный момент форсированного выдоха происходит синхронное сокращение большего количества экспираторной мышечных групп, чем в состоянии покоя и при выполнении шагательных движений. Мгновенная скорость экспираторного потока после выдоха 25% от объема форсированного выдоха при стимуляции была ниже значения аналогичного параметра в условии физического покоя, но выше, чем в условиях выполнения шагательных движений. Вероятно, что при стимуляции в первую фазу форсированного выдоха дополнительно сокращается меньше, чем при шагании, мышечных групп, реализующих в состоянии покоя вторую фазу форсированного выдоха. В то же время мгновенная скорость экспираторного потока после выдоха 75% от объема форсированного выдоха при стимуляции была больше, чем в состоянии покоя и в условии выполнения произвольных шагательных движений. Объем форсированного выдоха за первую секунду при выполнении произвольных шагательных движений практически не изменился относительно состояний покоя и произвольного шагания.
Пример 2. Влияние чрескожной стимуляции спинного мозга, вызывающей локомоторный ответ, на характеристики внешнего дыхания и на общий энергообмен.
Из предшествовавшего уровня техники известно, что чрескожная стимуляция спинного мозга в области T11-L2 позвонков вызывает двигательную реакцию и может быть использована для реабилитации двигательных функций. Неизвестно, что чрескожная стимуляция спинного мозга может быть использована для регуляции дыхания и обмена веществ. Цель исследования - показать, что реакция дыхательной системы на стимуляцию спинного мозга не является реакцией на движения, которые вызывает стимуляция спинного мозга, что стимуляция спинного мозга не только вызывает локомоторные движения, но и меняет параметры дыхания и общего обмена веществ.
Исследование проводили с участием 10 здоровых добровольцев мужского пола. Параметры вентиляции легких и газообмена регистрировали посредством метаболографа Cosmed Quark СРЕТ, подробнее описано в Примере 1. Для чрескожной электростимуляции спинного мозга использовали электростимулятор БиокинЭС-5 (производитель ООО «Косима»), особенности метода те же, что описаны в Примере 1.
Испытуемые находились в положении лежа на боку. С целью облегчения выполнения движений, каждую ногу испытуемых вывешивали на независимых качелях-подвесках (фиг. 2). Исследование включало две серии:
В первой серии параметры вентиляции легких и газообмена регистрировали 1 минуту в исходном состоянии покоя, 2 минуты при чрескожной электростимуляции спинного мозга посредством электродов, расположенных над грудными позвонками Т11-Т12 током 30-150 мА частотой 30 Гц с целью вызова спонтанных шагательных движений, 1 минуту в процессе восстановления.
Во второй серии параметры вентиляции легких и газообмена регистрировали 1 мин в исходном состоянии покоя, 2 мин при произвольном выполнении шагательных движений с амплитудой, соответствующей амплитуде спонтанных движений в 1 серии исследования, 1 мин в процессе восстановления.
Результаты:
Спонтанные шагательные движения, вызванные чрескожной электростимуляцией на уровне Т11 и Т12 позвонков, сопровождаются достоверным приростом (P<0,05) вентиляции легких (Фиг. 3) за счет увеличения (P<0,01) частоты дыхания (Фиг. 4). Дыхательный объем, при этом, достоверно (P<0,01) снижается (Фиг. 5). При произвольном воспроизведении шагательных движений вентиляция легких растет (P<0,01) за счет увеличения и частоты дыхания (P<0,01), и дыхательного объема (P<0,05) (Фиг. 3-5).
Прирост частоты дыхания при движениях, вызванных электростимуляцией спинного мозга (Фиг. 4), осуществляется, в большей мере, за счет укорочения (P<0,01) времени выдоха (Фиг. 6), чем вдоха (Фиг. 7). При произвольном воспроизведении движений, частота дыхания увеличивается в большей мере, за счет укорочения времени вдоха (P<0,01), чем выдоха (Фиг. 6, 7).
Вызванные стимуляцией шагательные движения сопровождаются меньшим (P<0,05) приростом потребления кислорода, чем произвольно воспроизводимые движения (P<0,01) (Фиг. 8). Однако парциальное давление кислорода в альвеолярном газе при вызванных движениях незначительно увеличивается, а при произвольных падает (P<0,01) (Фиг. 9).
Таким образом, изменения параметров дыхания при стимуляции спинного мозга иные, чем при произвольных движениях, несмотря на то, что они сопровождаются вызванными движениями, следовательно, эти изменения - реакция на стимуляцию спинного мозга, а не на движения
Таким образом, неинвазивное воздействие на спинной мозг на том уровне, где находятся центры управления дыхательными мышцами, приводит к увеличению/уменьшению частоты дыхания, к изменению дыхательного объема легких.
Указанный эксперимент позволяет сделать вывод о том, что при накожной электрической стимуляции спинного мозга на том уровне, где находятся центры управления сердечным ритмом, пищеварением, выделительной и половой функций и так далее, можно изменить параметры сердечного ритма, пищеварения, к восстановлению произвольного контроля за функциями прямой кишки и/или мочевого пузыря в случае его нарушения, к восстановлению сексуальной потенции в случае ее отсутствия так далее.