Клинико-анатомическое обоснование требований к разработке экзоскелетов верхней конечности

В русле научного направления кафедры аспирантами М. И. Макаевым, А. В. Залошковым, Д. В. Шаш-киным выполняются диссертационные исследования.

Итогом научно исследовательской работы по трем вышеуказанным научным направлениям с 1994 года явились публикации более 330 статей на международном, федеральном и региональном уровнях и 7 инструктивно-методических документов, получено 12 патентов на изобретение, медицинскую технологию, защищены

4 докторских и 12 кандидатских диссертаций. Коллектив кафедры является инициатором и организатором шести региональных и областных научно-практических конференций хирургов с изданием сборников научных работ и материалов научных конференций.

Коллектив кафедры и сегодня полон планов по совершенствованию научных исследований, направленных на улучшение состояния здоровья населения Оренбургской области.

ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

УДК 611.717

ВОРОБЬЕВ А. А1., ПЕТРУХИН А. В.2, ЗАСЫПКИНА О. А.1, КРИВОНОЖКИНА П. С.1

КЛИНИКО-АНАТОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К РАЗРАБОТКЕ ЭКЗОСКЕЛЕТОВ ВЕРХНЕЙ КОНЕЧНОСТИ

1 Волгоградский государственный медицинский университет

2 Волгоградский государственный технический университет

VOROBYEV A. A., PETRUHIN A. V., ZASYPKINA O. A., KRIVONOZHKINA P. S.

CLINICAL-ANATOMICAL BASIS OF REQUIREMENTS FOR THE ELABORATION OF THE UPPER EXTREMITY EXOSKELETONS

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЭКЗОСКЕЛЕТ, ВЕРХНЯЯ КОНЕЧНОСТЬ.

РЕЗЮМЕ

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

KEY WORD: EXOSKELETON, UPPER EXTREMITY.

SUMMARY

Identify the basic requirements for the development of available exoskeleton upper extremity for rehabilitation and social adaptation of children with disabilities.

АКТУАЛЬНОСТЬ

По данным первого за всю историю «Всемирного доклада об инвалидности», выпущенного совместными усилиями ВОЗ и Всемирного банка (2012 год), 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 функ-

Воробьев Александр Александрович — з. р. в. ш. РФ, д. м. н., профессор, заведующий кафедрой оперативной хирургии и топографической анатомии; 89093806613; cos@volgmed.ru Петрухин Алексей Владимирович — к. т. н., доцент кафедры САПР и ПК; 89093854343; alpw@bk.ru

Засыпкина Ольга Александровна — к. м. н., старший преподаватель оперативной хирургии и топографической анатомии; 89033174476; zasypkina_oa@inbox.ru

Кривоножкина Полина Станиславовна — ассистент кафедры детских болезней педиатрического факультета с курсом детской неврологии; 89023826648; polina.krivonozhkina@mail.ru

ционировании. 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, 8, 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 — 150 000 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 тысяч 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];

- Titan Arm (Университет Пенсильвании, США). Это сложный робот-манипулятор — экзоскелет для верхней части тела, способный увеличить человеческую подъёмную силу воздействием 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;

- Armeo Power (Hocoma 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 — 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 экзо-скелета верхней конечности.

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

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 движения в суставах верхней конечности представлены в таблицах № 1—3 [17, 18].

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.

Ограничение движений в суставе вследствие мышечной слабости обязательно приведет к тугоподвиж-ности. Основную роль в реабилитации такого пациента сейчас играет ЛФК [6, 2, 4, 5, 6, 10, 11, 24, 12]. 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, приём пищи и воды, мытьё и расчёсы-вание волос.

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 парапареза [1, 10, 21, 23, 25, 26, 32]. Эти данные представлены в таблицах № 4—6.

Таблица 3 — Движения в лучезапястном суставе в норме у здорового человека

Таблица 1 — Движения в плечевом суставе в норме у здорового человека

Элемент движений в суставе Норма (значение в градусах) Мышцы

1. Сгибание активное/пассивное 1500—1800/1500—1800 Передние пучки mm. deltoideus, верх. о. m. pectoralis major, m. coracobrachialis, m. biceps brachii

2. Разгибание активное/пассивное 300—600 Зад. о. m. deltoideus, ниж. о. m. pectoralis major

3. Отведение активное/пассивное 900 (без участия лопатки и ключицы) 180°/90°—180° Сред. о. m. deltoideus, m. supraspinatus

4. Приведение активное/пассивное 00/00 Mm. m. pectoralis major, minor, m. coracobrachialis

Таблица 2 — Движения в локтевом суставе в норме у здорового человека

Элемент движения в суставе Норма Мышцы

1. Сгибание активное/пассивное 1450-1600 / 1450-1600 m. brachialis, m. brachioradialis, m. pronator teres

2. Разгибание активное/пассивное 0700 m. triceps, m. anconeus

3. Пронация предплечья активная/пассивная 907900 m. pronator teres, m. pronator quadratus

4. Супинация предплечья активная/пассивная 907900 m. biceps brachii, m. supinator

Элемент движения в суставе Норма Мышцы

1. Ладонное сгибание активное/пассивное 800—00/800—900 m. flexor carpi uln. et rad., m. palmaris long., mm. flexor dig. superfic. et prof., m. flexor poll. long.

2. Разгибание (тыл. сгибание) активное/пассивное 700—00/700—800 mm. extensor carpi uln et rad. longus et brevis, m. extensor digi-torum, m. flex. carpi uln.

3. Отведение кисти радиальное активное/пассивное 450—600/450—600 m. extensor carpi rad, m. flex. carpi rad., m. abductor poll. longus

4. Отведение кисти ульнарное активное/пассивное 200—300/200—300 m. flexor carpi uln., m. extensor carpi uln.

Таблица 4 — Движения в плечевом суставе у человека, нуждающегося в восполнении утраченных функций

Элемент движений в суставе Значение в градусах

1. Сгибание активное/пассивное 450—700/1500—1800

2. Разгибание активное/пассивное 300—600

3. Отведение активное/пассивное 45—700 (без участия лопатки и ключицы) — 700/900—1800

4. Приведение активное/пассивное 00/00

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 луче-запястных 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 щётки), чередование сгибания и разгибания руки в луче-запястном суставе.

3. Приём 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. Приём 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. Мытьё 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. Расчёсывание волос: сгибание рук в плечевых суставах, сгибание рук в локтевых суставах, отведение рук от туловища, сгибание руки в лучезапястном суставе (взятие расчёски), чередование сгибания и разгибания рук в лучезапястных 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

Таблица 5 — Движения в локтевом суставе у человека, нуждающегося в восполнении утраченных функций

Элемент движения в суставе Норма

1. Сгибание активное/пассивное 00— 250 / 145» — 1600

2. Разгибание активное/пассивное 00/00

3. Пронация предплечья активная/ пассивная 00 —45790°

4. Супинация предплечья активная/ пассивная 00 — 457900

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

Элемент движения в суставе Норма

1. Ладонное сгибание активное/пассивное 0 0 — 450/800 — 900

2. Разгибание (тыл. сгибание) активное/ пассивное 00 — 4 50/ 7 00 —800

3. Отведение кисти радиальное активное/ пассивное 00—250/450— 600

4. Отведение кисти ульнарное активное/ пассивное 00— 1 00/ 2 00 —300

Таблица 7

Движения в плечевом суставе А Движения в локтевом суставе В Движения в лучезапястном суставе С

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

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

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 СЮС2.

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

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

5. Мытьё волос: А1, В1, А3, чередование С1<-> С2, чередование С3-ОС4.

6. Расчёсывание волос: А1, В1, А3, В3, С1, чередование С1<-> С2, чередование С3-0 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.

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;

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

- доступен по цене для массового потребителя;

- быть мобильным и независимым от источников

ЛИТЕРАТУРА:

1. Абальмасова, Е. А. Детские церебральные параличи / Е. А. Абальмасова // Ортопедия и травматология детского возраста. — М.: Медицина, 1983. — С. 347—370.

2. Анализ стратегий, используемых в реабилитационном процессе семьями, воспитывающими детей с ограниченными возможностями // Известия Российского государственного педагогического университета 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.

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

5. Бортфельд С. А. Лечебная физкультура и мас-

саж при детских церебральных параличах/ С. А. Борт-фельд, Е. И. Рогачева. — Л.: Медицина, 1986. — 173 с.

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

7. Веселов, И. Г. Опыт организации психологической службы в детской ортопедо-травматологиче-ской клинике / И. Г. Веселов [и др.] // Здравоохранение РФ. — 1984. — № 11. — С. 32—35.

8. Веселов, Н. Г. Роль детской поликлиники в работе с семьями социального риска / Н. Г. Веселов // Здравоохранение Рос. Федер. — 1992. —№ 4. — С. 29—30.

9. Веселов, Н. Г. Социальная педиатрия : курс лекций / Н. Г. Веселов. — Санкт-Петербург, 1996. — 396 с.

10. Виркерман, А. Л. Комплексный подход к методам реабилитации детей с детским церебральным параличом : автореферат 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. Инвалид и общество. Социально-психологическая интеграция / Т. А. Добровольская, Н. Б. Шабалина // Социология. — 1991. — № 5. — С. 3—8.

14. Добровольская, Т. А. Инвалиды, дискриминируемое меньшинство?/ Т. А. Добровольская, Н. Б. Шабалина // Социологические исследования. 1992. — № 5. — С. 24—29

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

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

17. Ортопедическая диагностика (руководство-справочник) / под ред. В. О. Маркса. — Минск: Наука и техника, 1978. — С. 38—40.

18. Ортопедия : национальное руководство / под ред. С. П. Миронова, Г. П. Котельникова. — М. : ГЭО-ТАР-Медия, 2008. — С. 20—23.

19. Соловьева, К. С. Проблема детской инвалидности в связи с ортопедической патологией и задачи ортопеда при проведении медицинской реабилитации / К. С. Соловьева, К. А. Битюков // Матер. межрегиональной конф. детских ортопедов-трав-

матологов. — Пермь, 2002. — С. 55—62.

20. Соловьёва, К. С. Проблема детской инвалидности в связи с ортопедической патологией и задачи ортопеда при проведении медицинской реабилитации / К. С. Соловьева, К. А. Битюков // Оптимальные технологии диагностики и лечения в детской травматологии и ортопедии, ошибки и осложнения. — СПб., 2003. — С. 13—16.

21. Agras, P. I. Lower brachial plexopathy in a child with Henoch-Schonlein purpura / P. I. Agras, М. Guveloglu, Y. Aydin, А. Yakut, N. Kabakus // Pediatr Neurol. — 2010, May. — 42 (5). — Р. 355—8. — doi: 10.1016/j.pediatrneu-rol.2010.01.010.

22. A Human Exoskeleton // Washington Post. — 6 May 2008. — Retrieved 24 April 2013.

23. Binienda, Z. K. Chronic exposure to rotenone, a dopaminergic toxin, results in peripheral neuropathy associated with dopaminergic damage / Z. K. Binienda, S. Sarkar, L. Mohammed-Saeed // Neurosci Lett. — 2013 Apr 29. — 541. — Р. 233—7.

24. Campbell, S. K. Physical Therapy for Children/ S. K. Campbell. — 1995, Philadelphia: W. B. Saunders Company. — P. 945.

25. Coste B. Gain-of-function mutations in the mechanically activated ion channel PIEZO2 cause a subtype of Distal Arthrogryposis / В. Coste, G. Houge, M. F. Murray // Hum Mol Genet. — 2013. — Dec 20. [Epub ahead of print]

26. Fleming, J. Varicella zoster virus brachioplexitis associated with granulomatous vasculopathy / J. Fleming, А. Fogo, S. Haider, S. Diaz-Cano, R. Hay, S. Bashir // Clin Exp Dermatol. — 2013 Jun. — 38 (4). — Р. 378—81.

27. Moreno, J. C. Wearable Lower Limb and Full-Body Robots/J. C. Moreno, E. Turowska ArantesWearable Robots: Biomechatronic Exoskeletons. — 2008. — P. 283—321.

28. Mc Cleanaghan, B. A. Effects of the upper extremites of children with cerebral palsy / B. A. Mc Cleanaghan, L. Thombs, M. Milner// Dev. Med. Chiid. Neurol. — 1992. — Jan. 34 (1). — P. 40—48.

29. Meghan Rosen Mind to motion: Brain-computer interfaces promise new freedom for the paralyzed and immobile // Science News Volume 184. — Issue 10. — 16 November 2013. — 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. Clinical and pathophysiological concepts of neuralgic amyotrophy / N. Van Alfen // Nat Rev Neurol. — 2011. — May 10. — 7 (6). — Р. 315—22.