Клинико-анатомические требования к активным и пассивным экзоскелетам верхней конечности

НОВЫЕ МЕТОДЫ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ И КЛИНИКЕ

А. А. Воробьев1, А. В. Петрухин3, О. А. Засыпкина1, П. С. Кривоножкина2

Волгоградский государственный медицинский университет,

1 кафедра оперативной хирургии и топографической анатомии,

2 кафедра детских болезней педиатрического факультета с курсом детской неврологии;

3 Волгоградский государственный технический университет, кафедра САПР и ПК

КЛИНИКО-АНАТОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К АКТИВНЫМ И ПАССИВНЫМ ЭКЗОСКЕЛЕТАМ ВЕРХНЕЙ КОНЕЧНОСТИ

УДК 611.97:616-053.2-036.865

Определены основные требования к разработке доступного экзоскелета верхней конечности для реабилитации и социально-бытовой адаптации детей-инвалидов.

Ключевые слова: экзоскелет, верхняя конечность, артрогрипоз, дети-инвалиды.

A. A. Vorobyov, A. V. Petrukhin, O. A. Zasypkina, P. S. Krivonozhkina

CLINICAL AND ANATOMICAL REQUIREMENTS TO ACTIVE AND PASSIVE EXOSKELETON OF UPPER LIMBS

The authors determine the requirements to developing an accessible exoskeleton of upper limbs for rehabilitation and social adaptation of physically handicapped children.

Key words: exoskeleton, upper limb, arthrogryposis, physically handicapped children.

По данным первого за всю историю «Всемирного доклада об инвалидности», выпущенного совместными усилиями ВОЗ и Всемирного банка (2012 г.), в настоящее время в мире насчитывается более одного миллиарда инвалидов. Около 15 % населения в мире имеет какие-либо формы инвалидности. Из них 2-4 % людей испытывают значительные трудности в функционировании. По данным ВОЗ, в мире дети-инвалиды составляют от 2 до 3 % всего детского населения. Показано, что болезни нервной системы составляют 21,4 % всех болезней, определяющих развитие инвалидности в детстве. Как правило, для инвалидов характерны более низкие показатели состояния здоровья, достижений в области образования и экономических возможностей и более высокие показатели нищеты, чем для людей без каких-либо форм инвалидности [2, 7-9, 13]. В значительной мере это связано с отсутствием необходимых для них служб и с многочисленными

препятствиями, с которыми они сталкиваются в повседневной жизни [13, 14]. Таким образом, среди важнейших социальных проблем является реабилитация и социальная защита инвалидов, особенно детей-инвалидов, которые дали бы им возможность стать полноправными членами общества в равной степени со здоровыми людьми, принимать активное участие во всех сторонах общественной жизни [19, 20]. Основная цель реабилитации - восстановление социального статуса инвалида, достижение им материальной независимости и его социальная адаптация [15, 16].

Развитие биоинженерии, как одного из приоритетных научных направлений России, позволит значительно повысить качества жизни инвалидов и больных с нарушениями опорно-двигательного аппарата и проходящих реабилитацию. Одним из инновационных направлений биоинженерии в реабилитации людей с ограниченными возможностями движения является

применение экзоскелета - мехатронного устройства в виде внешнего каркаса человека, благодаря которым увеличивается его мышечная сила.

Современное применение экзоскелетов ведется преимущественно по двум направлениям -для военных нужд и медицинских целей. Военные экзоскелеты применяются для облегчения работы военнослужащих на военных арсеналах при работе с крупнокалиберными авиационными боеприпасами, для осуществления работ под водой, а также для эксплуатации на атомных электростанциях. Все разработки в данном направлении строго засекречены.

Для медицинских целей описаны следующие экзоскелеты:

- HAL, HybridAssistiveLimb (Cyberdyne, Япония), - предназначен для пожилых людей и инвалидов, испытывающих затруднения в передвижении. Однако общий вес конструкции равен 23 кг, высота - 160 см. Кроме того, аккумуляторная батарея весит 10 кг, а время автономной работы (в условиях максимальной нагрузки) составляет 2,5 часа. Стоимость изделия 4200 долларов США [27]. Вышеуказанные критерии говорят о невозможности его применения у детей-инвалидов из-за слишком массивной, тяжелой и крайне дорогостоящей конструкции.

- REX (REX Bionics, Новая Зеландия) -обеспечивает дополнительную поддержку тела человека в пространстве при перемещении. Управление осуществляется при помощи джойстика и планшета. Вес экзоскелета - 38 кг. Огромный вес аппарата и его высокая себестоимость -150 тыс. долларов США делает его недоступным для массового применения [29].

- ReWalk (ARGO Medical Technologies, Израиль) - позволяет людям с параличом нижней половины тела (нижний парапарез) вставать на ноги и ходить, опираясь на палки. Работа конструкции Re-Walk основана на датчиках, улавливающих наклон тела вперед и передающих сигнал к поддерживающим ноги приборам. Цена аппарата составляет 100 тыс. долларов. Питание осуществляется от аккумулятора, размещенного в специальном рюкзаке за спиной. Применение конструкции возможно только у лиц с сохраненными функциями верхних конечностей [22, 30, 31].

- TitanArm (Университет Пенсильвании, США) - это сложный робот-манипулятор -экзоскелет для верхней части тела, способный увеличить человеческую подъемную силу, воздействие тяжести на спину. По мнению разработчиков, подобная рука также может использоваться людьми, пережившими инсульт или травмы

мышц, после которых приходится заново учиться точному управлению конечностями.

- ArmeoPower (Носота AG, Швейцария) -этот экзоскелет представляет собой роботизированный ортез для верхней конечности с автоматизированной подъемной колонной. Система позиционирования данного устройства корректирует положение плечевого сустава, позволяя производить движения во всех суставах.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить основные требования к разработке доступного экзоскелета верхней конечности для реабилитации и социально-бытовой адаптации инвалидов.

Задачи:

1. Определить возможность восстановления функций верхних конечностей с использованием экзоскелета.

2. Определить показания к использованию экзоскелета верхней конечности.

3. Определить клинико-анатомические требования к экзоскелету верхней конечности и его технические характеристики.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для определения клинико-анатомических требований к активным и пассивным экзоскеле-там верхней конечности мы проанализировали литературные источники. Практическая часть состояла в измерении степени ограничений объема пассивных и активных движений по рекомендациям «Национальное руководство по ортопедии» [18] с использованием угломера ортопедического и сантиметровой ленты у пациентки И. 3,5 лет с диагнозом: артрогрипоз, верхний вялый парапарез.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В доступной литературе мы не нашли требования, предъявляемые к экзоскелетам, у людей с потерянными функциями верхней конечности, поэтому мы попытались их сформулировать, исходя из строения и функции здоровой конечности.

Для этого мы обобщили материал по активной и пассивной амплитуде движений верхней конечности у здорового человека и ее потере при различных состояниях.

Основными крупными суставами рук являются плечевой, локтевой и лучезапястный, позволяющие осуществлять базовые движения [3].

Обобщенные данные нормы объема движение в суставах верхней конечности представлены в табл. 1-3 [17, 18].

Таблица 1

Движения в плечевом суставе в норме у здорового человека

Элемент движений в суставе Норма, град. Мышцы

Сгибание активное/пассивное 150-180/150-180 mm.deltoideus, m.pectoralis major, m.coracobrachialis, m.biceps brachii

Разгибание активное/пассивное 30-60 m.deltoideus, m.pectoralis major

Отведение активное/пассивное 90 (без участия лопатки и ключицы) 180/90-180 m.deltoideus, m.supraspinatus

Приведение активное/пассивное 0/0 mm. m.pectoralis major et minor, m.coracobrachialis

Таблица 2 Движения в локтевом суставе в норме у здорового человека

Элемент движения в суставе Норма, град. Мышцы

Сгибание активное/пассивное 145-160/145-160 m.brachialis, m.brachioradialis, m.pronator teres

Разгибание активное/пассивное 0/0 m.triceps brachii

Пронация предплечья активная/пассивная 90/90 m.pronator teres, m.pronator quadratus

Супинация предплечья активная/пассивное 90/90 m.biceps brachii, m.supinator

Таблица 3

Движения в лучезапястном суставе в норме у здорового человека

Элемент движения в суставе Норма, град. Мышцы

Ладонное сгибание активное/пассивное 80-90/80-90 m.flexor carpi ulnaris et radialis., m.palmaris longus, mm.flexor digitorum superficialis et profundus, m.flexorpollicis longus

Разгибание активное/пассивное 70-80/70-80 mm.extensor carpi ulnaris et radialis longus et brevis, m.extensor digitorum, m.flexor carpi ulnaris

Отведение кисти радиальное активное/пассивное 45 60/45-60 m. extensorcarpiradialis, m.flexor carpi radialis, m.abductor pollicis longus

Отведение кисти ульнарное активное/пассивное 2030/20-30 m.flexor carpi ulnaris, m. extensor carpi ulnaris

При целом ряде патологий у детей нарушается функция верхних конечностей, что проявляется в ограничении движений в суставах конечности, обуславливающих инвалидизацию и существенно затрудняющих их социально-бытовую адаптацию.

Мы проанализировали нарушение двигательной функции верхних конечностей при

следующих заболеваниях: артрогрипоз, «акушерский» паралич, плечевой плексит различного генеза, спинальная форма полиомиелита, проксимальные мышечные атрофии, - патологии, сопровождающиеся развитием верхнего вялого глубокого (умеренного) моно- или пара-пареза [1, 10, 21, 23, 25, 26, 32]. Эти данные представлены в табл. 4-6.

Таблица 4

Движения в плечевом суставе у человека, нуждающегося в восполнении утраченных функций

Элемент движений в суставе

Значение, град.

Сгибание активное/пассивное

45-70/150-180

Разгибание активное/пассивное

30-60

Отведение активное/пассивное

45-70 (без участия лопатки и ключицы) - 70/90-180

Приведение активное/пассивное

0/0

Таблица 5

Движения в локтевом суставе у человека, нуждающегося в восполнении утраченных функций

Элемент движения в суставе Норма, град.

Сгибание активное/пассивное 0-25/145-160

Разгибание активное/пассивное 0/0

Пронация предплечья активная/пассивная 0-45/90

Супинация предплечья активная/пассивная 0-45/90

Таблица 6 Движения в лучезапястном суставе у человека, нуждающегося в восполнении утраченных функций

Элемент движения в суставе Норма, град.

Ладонное сгибание активное/пассивное 0-45/80-90

Разгибание активное/пассивное 0-45/70-80

Отведение кисти радиальное активное/пассивное 0-25/45-60

Отведение кисти ульнарное активное/пассивное 0-10/20-30

Ограничение движений в суставе вследствие мышечной слабости обязательно приведет к тугоподвижности. Основную роль в реабилитации такого пациента сейчас играет ЛФК [2, 4-6, 10-12, 24]. Однако занятия лечебной физкультурой требуют присутствия врача, наличие специального помещения, оборудования, что ограничивает применение этого метода реабилитации в домашних условиях.

Мы провели анализ движений, необходимых для нормальной жизнедеятельности ребенка, среди которых выделили:

• умывание лица;

• чистка зубов;

• одевание и раздевание;

• прием пищи и воды;

• мытье и расчесывание волос.

В каждой из этих, казалось бы, различных ежедневных манипуляций имеется свой особый двигательный паттерн. Однако у них есть общие компоненты, неизменные и незаменимые при осуществлении любого из вышеперечисленных видов деятельности. Для наглядности выполним «раскадровку» двигательных элементов:

1. Умывание лица: сгибание рук в плечевых суставах, сгибание рук в локтевых суставах, отведение рук от туловища, супинация и разгибание кистей в лучезапястных суставах, затем разгибание рук в суставах, приведение рук и пронация.

2. Чистка зубов: сгибание руки в плечевом суставе, сгибание руки в локтевом суставе, отведение руки от туловища, пронация и сгибание руки в лучезапястном суставе, сгибание пальцев руки (взятие зубной щетки), чередование сгибания и разгибания руки в лучезапястном суставе.

3. Прием пищи (например, с помощью ложки): сгибание руки в плечевом суставе, сгибание руки в локтевом суставе, отведение руки от туловища, пронация и сгибание руки в лучезапястном суставе, сгибание пальцев руки (взятие ложки), чередование пронации и супинации, затем разгибание руки в плечевом, локтевом, лучезапястном суставах и супинация.

4. Прием воды (например, пить из кружки): сгибание руки в плечевом суставе, сгибание руки в локтевом суставе, отведение руки от туловища, сгибание руки в лучезапястном суставе, сгибание пальцев руки (взятие кружки за ручку), чередование пронации и супинации.

5. Мытье волос: сгибание рук в плечевых суставах, сгибание рук в локтевых суставах, отведение рук от туловища, чередование сгибания и разгибания рук в лучезапястных суставах, чередование ульнарного приведения и радиального отведения.

6. Расчесывание волос: сгибание рук в плечевых суставах, сгибание рук в локтевых суставах, отведение рук от туловища, сгибание руки в лучезапястном суставе (взятие расчески), чередование сгибания и разгибания рук в луче-запястных суставах, чередование ульнарного приведения и радиального отведения.

7. Одевание (например, рубашки): сгибание левой руки в плечевом суставе, сгибание левой руки в локтевом суставе, приведение левой руки к туловищу, пронация и сгибание левой руки в лучезапястном суставе и сгибание пальцев левой кисти (взятие рубашки), разгибание и сгибание левой руки в локтевом суставе (одеваем рубашку на правую руку), далее сгибание правой руки в локтевом суставе, разгибание левой руки в плечевом и локтевом суставах (одеваем рубашку на левую руку).

Если присвоить каждому элементу символ, то любой вид сложного двигательного акта можно закодировать, после чего сравнить между собой разные манипуляции. Движения

Теперь каждое описанное выше движение закодируем с помощью символов:

1. Умывание лица: А1, В1, А3, В4, С2, затем А2, В2, А4, В3.

2. Чистка зубов: А1, В1, А3, В4, С1, чередование С1^С2.

3. Прием пищи (например, с помощью ложки): А1, В1, А3, В3, С1, чередование С1^С2 и В3^В4, затем А2, В2, А4, С2, В3.

4. Прием воды (например, пить из кружки): А1, В1, А3, В3, С1, чередование В3^В4, затем А2, В2, А4, С2.

5. Мытье волос: А1, В1, А3, чередование С1^С2, чередование С3^С4.

6. Расчесывание волос: А1, В1, А3, В3, С1, чередование С1^С2, чередование С3^С4.

7. Одевание (например, рубашки): А1, В1, А3, В3, С1 слева, В1, В2, далее справа В1, затем А1 и В1 слева.

Из приведенного анализа основных типовых движений верхней конечности, которые наиболее часто встречаются в повседневной жизни здорового ребенка, видно что при данном наборе движений самостоятельное обслуживание ребенка невозможно. Расширить и восстановить утраченные функции возможно с помощью экзоскелета. Экзоскелет для верхней конечности должен обладать следующим объемом движений: плечевой сустав (А) А1-А6; локтевой сустав (В) В1-В4; лучезапястный сустав (С) С1-С4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разрабатываемый нами экзоскелет верхней конечности должен:

- обладать объемом движений, приближенным к показателям здорового человека;

- фрагменты конструкции должны повторять строение верхней конечности человека;

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

- быть изготовлен из биологически инертных материалов;

в плечевом суставе обозначим символом А, в локтевом суставе - В, в лучезапястном суставе - С. Полученные символы представлены в табл. 7.

- должна быть возможность замены элементов конструкции экзоскелета по мере роста ребенка;

- доступен по цене для массового потребителя;

- быть мобильным и независимым от источников питания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абальмасова Е. А. // Ортопедия и травматология детского возраста. - 1983. - С. 347-370.

2. Балашова Л. И. // Известия РГПУ им. А. И. Герцена: Аспирантские тетради: научный журнал - 2007. -№ 17 (43). - С. 23-26.

3. Анатомия человека: учебник / Под ред. М. Г. Привеса, Н. К. Лысенкова, В. И. Бушковича. - М.: Медицина, 1985. - 672 с.

4. Бортфельд С. А. Двигательные нарушения и лечебная физкультура при детском церебральном параличе. - Л.: Медицина, 1971. - 248 с.

5. Бортфельд С. А, Рогачева Е. И. Лечебная физкультура и массаж при детских церебральных параличах. - Л.: Медицина, 1986. - 173 с.

6. Бортфельд С. А, Городецкая Г. Ф. Точечный массаж при детских церебральных параличах. - Л.: Медицина, 1979. - 136 с.

7. Веселов И. Г. и др. // Здравоохранение РФ. -1984. - № 11. - С. 32-35.

8. Веселов Н. Г. // Здравоохранение РФ. - 1992. -№ 4. - С. 29-30.

9. Веселов Н. Г. Социальная педиатрия (курс лекций). - СПб., 1996. - 396 с.

10. Виркерман А. Л. Комплексный подход к методам реабилитации детей с детским церебральным параличом: автореф. дис. ... канд. мед. наук. - М., 2003. - С. 23.

11. Физическая реабилитация детей с нарушениями функций опорно-двигательного аппарата / Под ред. Н. А. Гросс. - М.: Советский спорт, 2000. - 222 с.

12. Газалиева А. М. Инвалидность и комплексная реабилитация детей с детским церебральным параличом: автореф. дис. ... канд. мед. наук. - М., 2008. -23 с.

13. Добровольская Т. А, Шабалина Н. Б. // Социология. - 1991. - № 5. - С. 3-8.

14. Добровольская Т. А, Шабалина Н. Б. // Социологические исследования. - 1992. - № 5. - С. 24-29.

15. Зелинская Д. И., Балева Л. С. Детская инвалидность. - М.: Медицина, 2001. - 136 с.

Таблица 7

Движения в плечевом суставе A Движения в локтевом суставе B Движения в лучезапястном суставе C

Сгибание А1 Сгибание В1 Ладонное сгибание С1

Разгибание А2 Разгибание В2 Тыльное разгибание С2

Отведение А3 Пронация В3 Ульнарное приведение С3

Приведение А4 Супинация В4 Радиальное отведение С4

Наружная ротация А5

Внутренняя ротация А6

16. Зелинская Д. И. Актуальные проблемы детской инвалидности // Вестник Союза педиатров России: Детский доктор. - 2002. - № 4. - С. 48-51.

17. Ортопедическая диагностика: руководство-справочник / Под ред В. О. Маркса. - Мн.: Наука и техника, 1978. - С. 38-40.

18. Ортопедия: национальное руководство / Под ред. С. П. Миронова, Г. П. Котельникова. - М.: ГЭОТАР-Медия, 2008. - С. 20-23.

19. Соловьева К. С, Битюков К. А. Проблема детской инвалидности в связи с ортопедической патологией и задачи ортопеда при проведении медицинской реабилитации: матер. межрегиональной конф. детских ортопедов-травматологов. - Пермь, 2002. - С. 55-62.

20. Соловьева К. С, Битюков К. А. // Оптимальные технологии диагностики и лечения в детской травматологии и ортопедии, ошибки и осложнения. -СПб., 2003. - С. 13-16.

21. Agras P. I., et al. // Pediatr Neurol. - 2010. -№ 42 (5). - Р. 355-358.

22. A Human Exoskeleton // Washington Post. -2008; Retrieved. - 2013.

23. Binienda Z. K., Sarkar S., Mohammed-Saeed L. // Neurosci Lett. - 2013. - № 541. - P. 233-237.

24. Campbell S. K. Physical Therapy for Children. -Philadelphia: W. B. Saunders Company. - 1995. - 945 p.

25. Coste B, Houge G, Murray M. F. // Hum Mol Genet. - 2013. - Dec 20. [Epub ahead of print].

26. Fleming J., Fogo A, Haider S., et al. / Clin Exp Dermatol. - 2013. - № 38 (4). - P. 378-381.

27. Moreno J. C, Turowska E. // Arantes Wearable Robots: Biomechatronic Exoskeletons. - 2008. - P. 283-321.

28. McCleanaghan B. A., Thombs L., Milner M. // Science News. - 2013. - Vol. 184. - Is. 10. - P. 22-24.

30. Paraplegic Support Suits // Trendhunter Magazine. 4 April 2008; Retrieved 29 January 2013.

31. Rewalk' bionic legs get FDA approval //. News.com.au. 17 January 2011; Retrieved 13 May 2012.

32. Van Alfen N. // Nat. Rev. Neurol. - 2011. -№ 7 (6). - P. 315-322.