СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ СПИННОГО МОЗГА
METHOD FOR ELECTRIC STIMULATION OF SPINAL CORD

Изобретение относится к медицине, а также к физиологии движений и электрофизиологии и может быть использовано для разработки способов лечения и реабилитации людей с поражением спинного мозга определенной локализации.
Тяжелая патология возникает после повреждения позвоночника и спинного мозга, как правило, приводящая к полной обездвиженности. Количество таких больных во всем мире ежегодно увеличивается.
За последние 20 лет созданы способы вызова шагоподобных движений с помощью электрической стимуляции спинного мозга. Американский патент 1991 года (US 5002053) описывает способ наложения электродов на поверхность спинного мозга, предлагает устройство для размещения электрода на поверхности спинного мозга, приводит параметры электрического стимула, необходимого для вызова локомоторных движений, описывает результаты вызова локомоции у животных и предлагает использовать этот способ для вызова движений у человека. Отечественные аналоги: Способ лечения больных с поражением спинного мозга (RU 96117107) и Способ лечения больных с хроническим поражением спинного мозга (RU 2204423). В этих способах предложена электрическая стимуляция поясничного утолщения спинного мозга человека. Стимуляцию проводят электродами, наложенными на твердую мозговую оболочку спинного мозга; такая стимуляция вызывает движения ног при облегченном положении больного, лежащего на спине или на боку с подвешенными в балканских рамах ногами. Отличие между этими изобретениями состоит в том, что в одном из них (RU 2000121379/14) предложен способ самостоятельной электростимуляции имплантированными электродами для хронической стимуляции. Способ моделирования и обучения лечению больных с хроническим поражением спинного мозга (RU 2008115819/14) состоит в одновременной электрической стимуляции двух сегментов спинного мозга ниже места поражения, что не только вызывает локомоторные движения нижних конечностей, но и приводит к возникновению функции поддержки веса тела.
Однако все способы-аналоги лечения больных с хроническим поражением спинного мозга являются инвазивными и состоят в наложении стимулирующих электродов на поверхность твердой мозговой оболочки спинного мозга (эпидурально) с последующей электрической стимуляцией спинного мозга ниже уровня его поражения. Реализация этих способов лечения 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, и для предотвращения реакции отторжения электродов.
Способ стимуляции спинного мозга (пат. RU 2393885), выбранный за прототип заявленного решения, вызывает непроизвольные движения нижних конечностей, характерные для ходьбы, электромагнитным воздействием на спинной мозг в области грудных позвонков человека при наложении индуктора на кожу над позвонками. Интенсивность воздействия: 2-2.5 Тл. Способ неинвазивный. Недостаток способа - его невысокая эффективность, выявленная на практике, так как он вызывает непроизвольные локомоторные движения менее чем у 50% стимулируемых.
Заявляемый способ электрической стимуляции спинного мозга позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в увеличении эффективности стимуляции спинного мозга.
Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: способ электрической стимуляции спинного мозга, (включающий, так же как и прототип, воздействие на область над грудными позвонками Т11-Т12 спинного мозга пациента, размещенного «лежа на боку», с ногами, подвешенными в рамах-качелях, при этом воздействие оказывают в течение 10-20 сек), в отличие от прототипа, воздействие осуществляют через активный электрод, наложенный на кожу пациента, последовательностью электрических прямоугольных биполярных стимулов в виде меандров с амплитудой 40-70 мА, частотой 5-40 Гц, длительностью 0.5 мсек и несущей частотой 10 кГц.
Из недавних публикаций известно, что при электрической стимуляции спинного мозга при накожном расположении активных электродов оптимальным местом для вызова двигательных рефлексов является локус между остистыми отростками позвонков Т11 и Т12 [6, 7]. Показано [8] что диапазон частот 25-50 Гц является эффективным для вызова ритмических движений ног у человека при электрической эпидуральной стимуляции поясничного утолщения. С другой стороны, при электромагнитной накожной стимуляции эффективными для вызова ритмических шагоподобных движений является диапазон частот 3-5 Гц [5, 9]. Стимуляция с частотой меньше 2 Гц не вызывает локомоцию; на каждый из стимулов возникают рефлекторные двигательные ответы; пачечная активность, характеризующая локомоцию, не возникает [10].
Наши предварительные исследования показали, что накожная электрическая стимуляция спинного мозга с частотой 5-40 Гц стимулами прямоугольной формы, такими же, как используются при эпидуральной электрической стимуляции спинного мозга, вызывает ритмические движения ног. Однако такая стимуляция малоэффективна и плохо воспроизводима из-за болезненности стимулов: пороговые значения амплитуды стимулов для вызова движений больше или совпадают с порогами кожной болевой чувствительности.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при сохранении достоинств прототипа, заключающихся в стимулировании непроизвольных шагательных движений пациента, заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получить дополнительный положительный результат - более высокую эффективность стимуляции.
ПРИМЕР
Экспериментальная установка [11] обеспечивает оптимальные условия для запуска непроизвольных шагательных движений. Испытуемых располагали на кушетке лежа на левом боку, обе ноги располагали на отдельных досках, закрепленных веревками по типу качелей к крюку в потолке экспериментальной комнаты. Правую (верхнюю) ногу поддерживали непосредственно в области голени, а левую (нижнюю) ногу располагали на вращающейся шине, прикрепленной к горизонтально ориентированной доске. При таком положении испытуемых движения ног не имели ограничений, как это бывает, когда ноги подвешивают в балканские рамы, и имели максимально возможную амплитуду перемещений. Инструкция предписывала испытуемым лежать спокойно и не препятствовать движениям, вызываемым электрической стимуляцией спинного мозга.
2
Накожную электрическую стимуляцию спинного мозга проводили стимулятором [12]. Активный электрод в виде диска диаметром 2.5 см, изготовленный из токопроводящего пластика [13], располагали по средней линии позвоночника на уровне грудных позвонков T11 и Т12 между остистыми отростками. Пассивные электроды-пластины прямоугольной формы 5·10.2 см [14] располагали симметрично на коже над гребнями подвздошных костей. Для вызова шагоподобных движений подавали прямоугольные биполярные стимулы в виде меандров, длительностью 0.5 мс с несущей частотой 10 кГц (рис.1), амплитуда 0-70 мА, стимулы следовали с частотой 5-40 Гц, длительность стимуляции составляла 10-20 сек.
Электромиограмму (ЭМГ) мышц ног отводили биполярными поверхностными электродами, расположенными билатерально на m. rectus femoris., m.biceps femoris, m.tibialis anterior и m.soleus. ЭМГ сигналы регистрировали с помощью телеметрического 16-канального электронейромиографа [15].
Движения ног в коленном суставе регистрировали с помощью гониометров; датчики крепили на обеих ногах.
Кинематические характеристики движений ног регистрировали видеосистемой [16]. 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. Сдвиг фаз между перемещениями в коленном и тазобедренном суставах определяли по интервалу между максимальными значениями углов (угловых перемещений в этих суставах).
Результаты
При электрической накожной стимуляции спинного мозга с частотой 5-40 Гц у четырех испытуемых из пяти вызывались непроизвольные движения ног.
Интенсивность стимула, вызывающего движения, составляла 40-70 мА. Пороговые значения интенсивности стимула, вызывающего движения, были ниже порогов болевой чувствительности. Амплитуда вызываемых движений зависела от амплитуды стимуляции - плавно увеличивая интенсивность стимула, увеличивали амплитуду движении ног во всех суставах, при достижении интенсивностью стимула порогов кожной болевой чувствительности амплитуда движений ног была максимальной.
Зарегистрированы такие особенности непроизвольных движений ног, вызываемых электрической накожной стимуляцией спинного мозга, которые доказывают, что это шагательные движения.
На рисунке 2 представлены электромиограммы мышц бедра и голени обеих ног, зарегистрированные при произвольных шагательных движения, электрической накожной стимуляции спинного мозга с частотами 5 и 30 Гц. Длительность записи 10 сек. Использованы следующие сокращения: Прзв - произвольные движения, 5 Гц и 30 Гц - стимуляция с частой 5 и 30 Гц соответственно, Пр. - правая нога, Лв - левая нога, RF - m. rectus femoris (разгибатель колена), BF - m.biceps femoris (сгибатель колена), ТА - m.tibialis anterior (разгибатель стопы), S - m.soleus (сгибатель стопы). Сокращения мышц-анатагонистов чередуются при электрической стимуляции, как и при произвольных движениях.
На рисунке 3 представлены гониограммы, характеризующие движения обеих ног в коленном суставе. Длительность записи 10 сек. Использованы те же сокращения, что и на предыдущем рисунке. Отклонение линии вверх соответствует движению вперед, отклонение линии вниз соответствует движению назад. Правая и левая ноги двигаются в коленном суставе при электрической стимуляции так же реципрокно, как и при произвольных движениях.
На рисунке 4 представлены записи движений суставов правой ноги, полученные в результате обработки кинематограмм. Длительность записи 10 сек. Обозначения на рисунке: Тзб - тазобедренный сустав, Клн - коленный сустав, Глн - голеностопный сустав, остальные обозначения те же, что и на рисунке 2. По оси ординат - угловые градусы. Движения суставов ноги при электрической стимуляции имеют тот же характер, что и движения суставов при произвольных движениях: зарегистрированы чередующиеся сгибательные и разгибательные движения во всех суставах. Отличия вызванных движений от произвольных состоят в том, что амплитуда перемещений суставов меньше, длительность шага больше. Численные характеристики движений суставов представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Характеристики движений суставов правой ноги испытуемых при произвольных шагательных движениях и при электрической накожной стимуляции спинного мозга.
Прзв: произвольные движения, ЭС, 5 Гц и ЭС, 30 Гц: электрическая стимуляция спинного мозга с частотой 5 и 30 Гц соответственно.
Сустав
Тип движения
Амплитуда движения (угл. град)
Длительность шага (мсек)
Прзв
17.2±1.83
1734±92.73
Тазобедренный
ЭС, 5 Гц
7.5±0.58
2273±146.62
ЭС, 30 Гц
12±1
2225.3±157.28
Прзв
65.8(2.71
1758±37.01
Коленный
ЭС, 5 Гц
26.5±10,34
2306.5±11.7
ЭС, 30 Гц
28.6±6.51
2242±186.58
Прзв
5.2±0.97
1769.6±74.78
Голеностопный
ЭС, 5 Гц
2.75±0,5
2282.5±212.87
ЭС, 30 Гц
2.3±0.58
2236.7±219.09
Рисунок 5 демонстрирует координацию движений в тазобедренном и коленном суставах, а также в коленном и голеностопном суставах правой ноги во время одного шага. Обозначения те же, что и на рисунке 4. При электрической стимуляции спинного мозга наблюдается сопряженность движений в тазобедренном и коленном суставах, хотя она отличается от зависимости между движениями этих суставов при произвольных движениях.
На рисунке 6 приведена реконструкция одного цикла движений правой ноги при максимальной амплитуде, полученная после анализа кинематограмм движений суставов правой ноги. Первый полуцикл - движение ноги вперед, второй полуцикл - движение ноги назад. Обозначения те же, что и на предыдущих рисунках. Движения ноги, вызванные электрической накожной стимуляцией спинного мозга, в целом похожи на шагательные произвольные движения.
Движения в тазобедренном суставе левой ноги не регистрировали, так как испытуемые лежали на левом боку, следовательно, реконструкции, представленные на рисунках 4-6, для левой ноги невозможны.
Предложенная электрическая накожная стимуляция спинного мозга испытуемого вызывает непроизвольные движения нижних конечностей, характерные для ходьбы, у 80% испытуемых. Пороги вызова движений меньше порогов кожной болевой чувствительности. При электрической накожной стимуляции наблюдаются ритмичная чередующаяся активность в мышцах сгибателях и разгибателях ног, зарегистрированы движения в противофазе в коленном суставе правой и левой ноги, наблюдаются последовательные сгибательные и разгибательные движения в суставах правой ноги, вид вызываемых движений похож на произвольные шагательные движения. Таким образом, накожная электрическая стимуляция спинного мозга человека серией прямоугольных биполярных стимулов в виде меандров, следующих с частотой 5-30 Гц, при облегченном положении самого испытуемого, способна вызвать непроизвольные типичные для ходьбы естественные локомоторные движения нижних конечностей.
Накожная электрическая стимуляция спинного мозга, в условиях внешней поддержки ног в подвесных качелях, позволяет инициировать локомоторные движения, непроизвольные, специфичные для ходьбы у человека. Назначение - 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 вертеброспинальной патологией.
ЛИТЕРАТУРА
[1]. Method of and device for inducing locomotion by electrical stimulation of the spinal cord. US 5002053. 1991.
[2]. Способ лечения больных с хроническим поражением спинного мозга. Заявка на изобретение: RU 96117107/14, 20.08.1996.
[3]. Способ лечения больных с хроническим поражением спинного мозга. Патент RU 2204423.
[4]. Способ моделирования и обучения лечению больных с хроническим поражением спинного мозга. Заявка на изобретение: RU 2008115819; дата публикации заявки: 27.10.2009; по данным на 11.02.2011 экспертиза завершена.
[5]. Способ стимуляции спинного мозга. Патент RU 2393885.
[6]. Courtine G., S.J.Harkema, C.J.Dy, Y.P.Gerasimenko, P.Dyhre-Poulsen. Modulation of multisegmental monosynaptic responses in a variety of leg muscles during walking and running in humans. 2007; 582; 1125-1139 J. Physiol.
[7]. Dy C.J., Y.P.Gerasimenko, V.R.Edgerton, P.Dyhre-Poulsen, G.Courtine, S.J. Harkema. Phase-Dependent Modulation of Percutaneously Elicited Multisegmental Muscle Responses After Spinal Cord Injury. J. Neurophysiol 103: 2808-2820, 2010.
[8]. Minassian К., B. Jilge, F. Rattay, M.M. Pinter, H. Binder, F. Gerstenbrand, M.R. Dimitrijevic Stepping-like movements in humans with complete spinal cord injury induced by epidural stimulation of the lumbar cord: electromyographic study of compound muscle action potentials. Spinal Cord (2004) 42, 401-416.
[9]. Gerasimenko Y., Gorodnichev R., Machueva E., Pivovarova E., Semyenov D., Savochin A., Roy R.R. and Edgerton V.R. Novel and direct access to the human locomotor spinal circuitry. J. Neuroscience 30(10): 3700-3708 March 2010.
[10]. Ю.П.Герасименко, И.А.Лавров, И.Н.Богачева, Н.А.Щербакова, В.И.Кучер, П.Е.Мусиенко. Особенности формирования локомоторных паттернов у децеребрированной кошки при эпидуральной стимуляции спинного мозга. Российский физиологический журнал им. И.М.Сеченова. 2003. Т.89. №9. С.1046-1057.
[11]. Гурфинкель B.C., Левик Ю.С., Казенников О.В., Селионов В.А. Существует ли генератор шагательных движений у человека? // Физиология человека. 1998. Т. 24. №3. С.42.
[12]. Марка, производитель: КУЛОН. СПб., Россия.
[13]. Марка, производитель: Lead-Lok, Sand point, США.
[14]. Марка, производитель: Ambu, Ballerup, Германия.
[15]. Марка, производитель: ME 6000, MegaWin, Финляндия.
[16]. Марка, производитель: Qualisys, Швеция.