БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ДВИЖЕНИЙ КАК ЧИСЛЕННАЯ ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ БОЛЬНЫХ С ДВИГАТЕЛЬНЫМИ НАРУШЕНИЯМИ
BIOMECHANICAL MOTION PARAMETRES AS NUMERICAL EVALUATION OF FUNCTIONAL STATUS OF PATIENTS WITH MOTOR DISTURBANCES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к медицине, в частности к неврологии и травматологии, и предназначено для численной оценки функционального состояния больных с двигательными нарушениями.
Уровень техники
Несмотря на значительный прогресс в развитии методов оценки функционального состояния больных с двигательными нарушениями, объективные методы численной оценки самих движений практически отсутствуют. Как следствие, недостаточно разработаны проблемы восстановительного лечения в зависимости от характера и локализации повреждения и динамики реабилитации. Кроме того, не обобщены и недостаточно раскрыты возможности реабилитационных мероприятий, снижающих количество осложнений и улучшающих результаты лечения.
Например, в структуре повреждений опорно-двигательной системы травмы кисти занимают особое место и составляют 30-57% (Волкова, 1996; Нельзина и Чудакова, 1994). В специализированных отделениях хирургии кисти больные с последствиями травматических повреждений составляют 40-56% (Блохин и др., 2005; Кисель и Голубев, 2004) от всех заболеваний кисти. При этом констатируется, что диагностические, технические и тактические ошибки в лечении больных с повреждениями кисти и их последствиями встречаются очень часто (50-75%) (Волкова, 1996).
В частности, анализ клинического материала больных с повреждениями сухожильно-апоневротического растяжения показывает, что причиной нарушения функции в 36% случаев были ошибки лечения, а в 28% случаев - ошибки диагностики (Магдиев и др., 2005). Достоверность клинических симптомов при диагностике повреждений сгибателей пальцев также невелика и составляет 50% (Коршунов, Чуловская, 2005). При этом многие виды нарушений, например множественные повреждения сухожилий на разных уровнях, трудно или невозможно установить клинически (Коршунов, Чуловская, 2005).
Приведенный пример только для одной области двигательных нарушений показывает важность разработки объективных методов численной оценки движений для функциональной диагностики и оценки эффективности реабилитационных процедур.
Предпосылки изобретения
С точки зрения анализа движений наиболее исследованы нижние конечности. Биомеханические параметры позы и походки широко используются в клинической диагностике (см., например, Leardini et al., 2006). В отличие от циклических, стереотипных движений нижних конечностей движения руки гораздо более разнообразны и обеспечиваются большим числом степеней подвижности. Как следствие, стандартного протокола для клинических исследований движений руки не существует. Тем не менее, биомеханические модели успешно используются для оценки различных видов двигательных патологий (Williams et al., 2006), например, последствий гемипареза (Levin, 1996; Micera et al., 2005), для ранней диагностики детского церебрального паралича (Hadders-Algra, 2001).
В качестве оценки функционального состояния кисти, как правило, используются некоторые результирующие показатели движения. Это могут быть, например, расстояние между кончиками пальцев и ладонью при максимально возможном сгибании пальцев, расстояние между кончиками большого и указательного пальцев при их смыкании, результирующая сила схвата. Однако расстояние кончиков пальцев до ладони является результатом сгибания пальцев в отдельных суставах, а сила схвата - результатом развития в этих суставах силовых моментов. Регистрация и биомеханический анализ движений в суставах дает «расшифровку» этих общепринятых клинических показателей с точки зрения состава движения - функционирования отдельных суставов. В качестве немногочисленных примеров такой «расшифровки», найденных авторами в литературе, можно привести работы Gehrmann с соавторами, в которых движения в суставах большого и указательного пальцев при их смыкании регистрировались для оценки последствий карпального туннельного синдрома (Gehrmann et al., 2008 а, б). Для оценки функционального состояния кисти с ревматическими изменениями и артрозом суставов использовались измерения углов в луче-запястном, пястно-фаланговых и межфаланговых суставах (Goodson et al., 2007). Dumont с соавторами показали широкие индивидуальные возможности при распределении общей силы схвата по отдельным пальцам (Dumont et al, 2006). Было показано также, что сила схвата зависит не только от усилий мышц, но и от взаимного расположения фаланг (Kamper et al., 2006; Lee et al., 2008).
Регистрация движений в отдельных суставах пальцев с целью получения численных оценок их патологического состояния в последнее время все чаще применяется в клинической практике. Так, углы отведения большого пальца и мизинца измерялись для анализа возникновения тендосиновита в результате длительного перенапряжения мышц (Sakai et al., 2006). Объем движений в запястно-пястном суставе большого пальца определялся для оценки двигательных нарушений вследствие артритов и травм (Kuo et al., 2004), болезни де Кервена (Forget et al., 2008), результатов операций ортопедической коррекции оппозиции большого пальца (Coert et al., 2003). Объем движений в пястно-фаланговых суставах регистрировался для оценки результатов артропластики (Burr et al., 2002).
Объем движения в отдельном суставе остается в вышеперечисленных работах основным показателем двигательной функции. Этот показатель, однако, является статическим и, как следствие, малоинформативен. Результирующие моменты сил пальцев также измеряются, как правило, в статических положениях (Dvir, 1997; Kamper et al., 2006), и ничего не говорят о развитии этих усилий во времени. Напротив, кинематические и динамические характеристики движения дают важную информацию о его организации. К кинематическим параметрам относится развертка по времени суставных углов, угловых скоростей и ускорений, а к динамическим - суммарные моменты мышечных сил в суставах. Эти параметры характеризуют качество движения - его плавность, координацию между отдельными суставами и группами мышц.
Кинематические параметры движения могут быть зарегистрированы с помощью гониометров, оптических или электромагнитных систем. Измерение моментов мышечных сил может быть проведено во время операции (Dennerlein et al., 1997; 1998; Dennerlein, 2005), однако, это технически сложная инвазивная процедура, которая не может быть использована для мониторинга восстановления двигательной функции. Суммарные моменты сил в суставах могут быть вычислены с помощью биомеханической модели на основе зарегистрированных кинематических параметров. Такой метод оценки динамики движения считается адекватным и надежным для применения в клинической практике (Erdemir et al., 2007).
Кинематические и динамические параметры движения дают полное описание механики двигательной функции и, как следствие, являются универсальными для любого вида патологии. Однако, насколько известно авторам, клинические протоколы последовательного биомеханического анализа двигательной функции в настоящее время в литературе отсутствуют.
Раскрытие изобретения
Авторы применили метод регистрации и биомеханического анализа движений пальцев для численной оценки функционального состояния травмированной кисти. Неожиданно оказалось, что подробное численное описание движений может существенно снизить процент ошибок диагностики, способствовать коррекции восстановительных процедур (лечебной физкультуры) и, как следствие, уменьшить сроки нетрудоспособности больных с повреждениями двигательной функции кисти.
Таким образом, первым аспектом данного изобретения является определение индивидуальных параметров суставов и индивидуальной кинематики движений. Этот аспект является принципиальным, т.к. известно, что анатомические параметры суставов сугубо индивидуальны, и не существует усредненной нормы ни для параметров суставов, ни для параметров движений.
Вторым аспектом изобретения является разработанный протокол, позволяющий применить указанный метод определения индивидуальных параметров суставов и индивидуальной кинематики движений. Этот протокол включает следующие стадии:
а) закрепление датчиков на звеньях конечности;
б) регистрация пассивных движений обследуемых суставов конечности;
в) регистрация тех же, но активных движений с удобной для пациента и с максимальной скоростью;
г) регистрация тех же движений здоровой конечности;
д) расчет биомеханических параметров конечности - длины звеньев, положения и ориентации осей суставов;
е) оценка кинематических параметров движений - развертки по времени суставных углов, угловых скоростей и ускорений, объема движений в отдельных суставах, последовательности вовлечения суставов в движение, степени координации изменений суставных углов, угловых скоростей и ускорений в различных суставах (кинематической синергии);
ж) оценка динамических параметров движения, полученных с помощью решения обратной задачи динамики, - развертки по времени суммарных моментов мышечных сил в суставах, амплитуды мышечных моментов в отдельных суставах, степени координации изменений мышечных сил (динамической синергии);
з) оценка функционального состояния конечности на основе анализа кинематических и динамических параметров движения.
Третьим аспектом изобретения является способ оценки функционального состояния конечности пациента до, в процессе и по окончании проводимого лечения с использованием указанного биомеханического метода. Этот аспект предполагает многократную (по усмотрению лечащего врача) регистрацию движений и оценку функционального состояния конечности по описанному выше протоколу.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 Рабочее место врача, проводящего биомеханическое исследование функционального состояния пальцев руки пациента.
Фиг.2. Расположение датчиков во время регистрации движений: а) большого пальца пациентки В.В.И. до операции по поводу стеноза канала разгибателя большого пальца; б) 3-го пальца пациента К.А.И. на 7-й день после операции по поводу застарелого повреждения разгибателя пальцев; в) большого пальца пациента К.Е.В. на 14 день после операции по поводу застарелого повреждения сухожилия длинного разгибателя большого пальца.
Фиг.3. а) Модель пальцев руки человека, состоящая из твердых тел, соединенных идеальными шарнирами; б) Оценка точности модели.
Фиг.4. Типичные для нормы временные развертки: а) суставного угла, б) угловой скорости, в) углового ускорения и суммарного момента сил в суставе.
Фиг.5. Объем движений в суставах 3-го пальца в норме (белым) и при наличии патологии (черным): а) стенозирующего лигаментита левой кисти (пациент Б.Н.Я.), б) застарелого повреждения сухожилий сгибателей (пациент М.А.В.), в) неправильно сросшегося перелома (пациент Ч.А.К.).
Фиг.6. Белым цветом показан объем активных движений в норме, серым и черным - объем пассивных и активных движений после повреждения глубокого сгибателя указательного пальца левой кисти (пациент А.С.С.).
Фиг.7. Объем движений в суставах IV пальца до операции (черным) и после операции (серым) по поводу контрактуры Дюпюитрена. Цифра над столбиком обозначает число дней, прошедших после операции. «0» над столбиком соответствует состоянию до операции, а) пациент В.Н.Г., б) пациент Т.Б.А.
Фиг.8. а) Скорости и б) ускорения в суставах IV пальца до операции (черным), через 7 дней (серым) и через 9 дней (светло-серым) после операции по поводу контрактуры Дюпюитрена пациента Т.Б.А.
Фиг.9. а) Суставные скорости здорового указательного пальца левой кисти пациента М.А.А.; б) суставные скорости указательного пальца правой кисти с повреждением глубокого сгибателя (черным - в пястнофаланговом суставе (MCP), серым - в проксимальном межфаланговом суставе (PIP), светло-серым - в дистальном межфаланговом суставе (DIP)); в) амплитуды суставных скоростей при сгибании и разгибании (белым - в здоровом пальце, черным - в больном).
Фиг.10. Скорости в суставах мизинца пациента Б.О.А.: в MCP суставе - черным, в PIP суставе - серым, в DIP суставе - светло-серым, а) мизинец здоровой кисти; б) мизинец кисти с застарелым повреждением сухожилия глубокого сгибателя.
Фиг.11. Суставные моменты при сгибании-разгибании указательного пальца пациента К.А.И. с застарелым повреждением общего разгибателя пальцев: в пястнофаланговом суставе (I_MCP) - черным, в проксимальном межфаланговом суставе (I_PIP) - серым, в дистальном межфаланговом суставе (I_DIP) - светло-серым, а) до операции; б) на 2-й день после операции; в) на 7-й день после операции.
Фиг.12. Амплитуда суставных углов 2-го пальца травмированной кисти пациента К.Ф.И. до операции («0»); 7-1, 30-й и 65-й день после операции; 2-го пальца здоровой кисти («n»). DIP - дистальный межфаланговый сустав: PIP - проксимальный межфаланговый сустав; MCP - пястнофаланговый.
Фиг.13. Суставные скорости при сгибании-разгибании указательного пальца пациента К.А.И. с застарелым повреждением общего разгибателя пальцев: в MCP суставе - черным, в PIP суставе - серым, в DIP суставе - светло-серым, а) в норме; б) до операции; в) на 2-й, г) на 7-й, д) на 30-й и е) на 65-й день после операции.
Фиг.14. Суставные моменты при сгибании-разгибании указательного пальца пациента К.А.И. с застарелым повреждением общего разгибателя пальцев: в МСР суставе - черным, в PIP суставе - серым, в DIP суставе - светло-серым, а) через 30 дней после операции; б) через 65 дней после операции.
Фиг.15. Амплитуды суставных углов большого пальца правой руки пациента К.Е.В. до операции («0»); на 41-й и на 62-й день после операции («41», «62» соответственно); большого пальца левой (здоровой) руки («n»).
Фиг.16. Суставные скорости при сгибании-разгибании большого пальца пациента К.Е.В. с застарелым повреждением длинного разгибателя EPL: в TMC суставе - черным, в MCP суставе - серым, в DIP суставе - светло-серым, а) в норме; б) до операции; в) через 41 день после операции; г) через 62 дня после операции.
Фиг.17. Суставные моменты при сгибании-разгибании большого пальца пациента К.Е.В. в DIP суставе, а) в норме; б) до операции; в) через 41 день после операции; г) через 62 дня после операции.
Подробное описание изобретения
Все исследования на добровольцах были проведены на базе 1-го травматологического отделения московской ГКБ №4 г.Москвы - клинической базе кафедры травматологии, ортопедии и военно-полевой хирургии МБФ ГОУ ВПО РГМУ Росздрава. Поскольку биомеханическое исследование связано с установкой датчиков и последующей записью движений, оно проводилось на больных с застарелыми повреждениями, поступающих на плановые операции. Все пациенты участвовали в исследовании по рекомендации лечащего врача. Функциональное состояние пальцев руки исследовалось до и после операции, а также в процессе восстановительного лечения.
МЕТОДИКА
Для краткости далее будут использоваться следующие обозначения (см. Фиг.3а):
MCP - пястно-фаланговый сустав (MetaCarpoPhalangeal);
PIP - проксимальный межфаланговый сустав (Proximal InterPhalangeal);
DIP - дистальный межфаланговый сустав (Distal InterPhalangeal);
TMC - запястно-пястный сустав большого пальца (TrapezioMetaCarpal).
Регистрация движений
Аппаратура
При проведении исследования использовалась электромагнитная система регистрации движения MiniBirds™ (Ascension Technology Corporation) (Фиг.1).
Использовались четыре датчика размером 5×5×10 мм. Частота опроса датчиков равнялась 100 Гц. Вблизи регистрирующей системы отсутствовали массивные металлические предметы, движения происходили на расстоянии 30÷70 см от регистрирующей базы (куб справа на Фиг.1). Оба эти условия необходимы для приемлемой точности данной электромагнитной системы.
С базой системы и с каждым датчиком связаны системы координат. В процессе совершения движения регистрировались положения центров и ориентации систем координат датчиков относительно системы координат базы. Для сбора данных использовалась компьютерная программа.
Датчики системы регистрации прикреплялись при помощи пластыря на фаланги пальца. В качестве примера, на Фиг.2а показано положение датчиков на большом пальце больного:
№1 - дистальная фаланга;
№2 - средняя фаланга (или проксимальная фаланга для большого пальца);
№3 - проксимальная фаланга (или первая пястная кость для большого пальца);
№4 - тыльная сторона запястья.
Датчики и провода, соединяющие их с регистрирующим устройством, не мешали, по свидетельству больных, выполнять движения. Повязки (Фиг.2б) и шины (Фиг.2в), наложенные после операции, не мешали установить датчики.
Запись движений после операции производилась только при отсутствии противопоказаний с точки зрения лечащего врача. Все пациенты давали письменное добровольное «Информированное согласие» на проведение исследования. Бланк информированного согласия пациента был утвержден этическим комитетом ГОУВПО РГМУ.
Протокол записи движений
Движения пациента записывались один раз до операции и несколько раз после операции. При проведении исследования рука пациента располагалась на поверхности стола, на мягкой подстилке, в удобном положении (Фиг.2а). Положение руки выбиралось таким образом, чтобы минимизировать действие силы тяжести: при записи сгибания и разгибания пальцев рука находилась в полупронированном положении (Фиг.2в), при записи отведения и приведения - в полностью пронированном (Фиг.2б).
Сначала записывались пассивные движения. Пациента просили расслабить пальцы, и врач, проводящий исследование, последовательно сгибал-разгибал и приводил-отводил больной палец в каждом отдельном суставе с максимальной амплитудой.
Затем пациент самостоятельно выполнял те же движения (активные движения) а) с удобной и б) максимально возможной скоростью. Пациентов просили начинать движение из полностью выпрямленного (по возможности) положения пальцев и выполнять его с максимально возможной амплитудой. Та же последовательность движений записывалась для того же пальца здоровой руки пациента.
Длительность записи движений составляла 10 секунд. За это время пациенты совершали от 3 до 10 движений в зависимости от индивидуальных особенностей и от скорости выполнения движения (с удобной скоростью или максимально быстро).
Для определения индивидуальных инерционных характеристик звеньев кисти, необходимых в расчетах биомеханических параметров движения, в протокол записывались рост и вес пациента, а также измеренные длины его фаланг. Массы и моменты инерции фаланг пальцев вычислялись на основе этих данных по антропометрическим таблицам (Drillis et al., 1964; Zatsiorsky & Selujanov, 1983).
Биомеханическая модель пальцев
Биомеханическая модель пальца представляет собой систему трех твердых тел, соединенных идеальными шарнирами (без трения) (Фиг.3а). Твердые тела моделируют фаланги, а шарниры - суставы пальца. Полагается, что DIP и PIP суставы пальцев со 2-го по 5-й имеют одну ось вращения, соответствующую движениям сгибания-разгибания. МСР суставы пальцев со 2-го по 5-й и ТМС сустав большого пальца имеют две независимые оси вращения, соответствующие движениям сгибания-разгибания и отведения-приведения (Фиг.3а, б). В соответствии с этим модель каждого пальца имеет 4 степени свободы.
Оценка точности модели
Суставные поверхности имеют сложную форму, и оси вращения могут смещаться во время движения (см. Fioretti, 1994 для MCP сустава; Zancolli, 2001 для TMC сустава). Представление произвольного движения в суставе в виде вращения относительно одной оси или комбинации вращений относительно двух фиксированных осей является приближением принятой модели. Ошибка модели оценивается следующим образом: а) положения и ориентации осей сустава и суставных углов рассчитываются в предположении, что оси фиксированы; б) координаты и ориентации датчика 1 рассчитываются, исходя из координат и ориентации датчика 2 и рассчитанных положений осей и значений углов (Фиг.3б). Отклонение рассчитанных координат и ориентации датчика 2 от зарегистрированных называется «ошибкой прямой кинематики». Метод расчета ошибки прямой кинематики и ее оптимизации представлен в работах (Biryukova et al., 2000; Prokopenko et al., 2001).
Расчеты ошибки прямой кинематики для движений здоровой и патологической кисти, рассмотренных далее, показывают, что ошибка модели с двумя фиксированными осями не превышает 0.5 см по координате и 3° по ориентации. Таким образом, модель с фиксированными осями вращения имеет хорошую точность для описания движений в суставах пальцев.
Индивидуальная норма
В модельных исследованиях было показано, что кинематический паттерн так же, как и анатомические характеристики пальцев (положение осей в суставах, инерционные характеристики звеньев), носят ярко выраженный индивидуальный характер (Santello and Soechting, 1998; Grinyagin et al., 2005). Поэтому изменения во времени суставных углов патологической кисти сравниваются с изменениями суставных углов здоровой кисти пациента. Такой подход к сравнению нормы и патологии используется, например, при оценке последствий гемипареза (Hingtgen et al., 2006). Однако он не является общепринятым: в некоторых работах кривые, описывающие патологическое движение, сравниваются с усредненными и нормализованными кривыми нескольких здоровых испытуемых (Williams et al., 2006). По нашим данным различия между параметрами суставов и движениями правой и левой рук существенно меньше их межиндивидуальных различий. Поэтому для определения индивидуальной нормы используются записи движений здоровой кисти пациента.
Обработка результатов
По данным регистрации движений с помощью разработанных ранее моделей (Коренев, 1979; Biryukova et al., 2000; Prokopenko et al., 2001; Grinyagin et al., 2005) и основанного на них программного обеспечения вычислялись следующие параметры:
- положение осей вращения в суставах,
- зависимость от времени суставных углов, угловых скоростей и ускорений,
- зависимости от времени суммарных моментов мышечных сил в суставах.
Проводился сравнительный анализ этих параметров:
- для больного пальца и того же пальца здоровой руки,
- для больного пальца в процессе послеоперационного восстановления двигательной функции.
Также сравнивалась амплитуды пассивных и активных движений для выявления потенциала восстановления движения.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Сравнительный анализ движений до и после операции позволяет численно оценить как эффективность проведенной операции, так и качество послеоперационного лечения. Цель любой операции - восстановить нормальное движение или, во всяком случае, приблизиться к нему. В связи с этим необходимо иметь численную оценку «нормального» движения. Существуют некоторые общие характеристики «нормального» движения, которые полезно иметь в виду при анализе патологических движений. Так, в анатомическом атласе Капанджи (Kapandji, 2002) приводятся следующие максимально возможные амплитуды движений в суставах кисти:
Таблица 1
Луче-запястный сустав
1-й запястно-пястный сустав
Пястно-фаланговые суставы
Межфаланговые суставы
2
3
4
5
проксимальные
дистальные
Сгибание
85°
50-70°
90°
90°
Разгибание
85°
50-70°
30-40°
0°
0-5°
Лучевое отведение
15°
40-60°
30°
<30°
0°
Приведение
55°
При нормальном движении сгибания-разгибания или отведения-приведения развертка по времени суставного угла имеет колокообразный вид (Фиг.4а). Обычно принимается, что возрастание угла соответствует сгибанию и отведению, а его уменьшение - разгибанию и приведению. При этом угловая скорость имеет два участка - положительный, соответствующий сгибанию (отведению), и отрицательный, соответствующий разгибанию (приведению) (Фиг.4б). Угловое ускорение имеет четыре фазы: первые две соответствуют разгону и торможению сгибания (отведения), а две последующие - разгону и торможению разгибания (приведения) (Фиг.4в).
Временной ход суммарного момента мышечных сил в суставе качественно совпадает с временным ходом углового ускорения. Однако биомеханический смысл его более глубокий, т.к. он характеризует не отдельный сустав, а движение пальца в целом. С точки зрения механики палец представляет собой систему трех тел, соединенных шарнирами (см. раздел МЕТОДЫ). При наличии движения в одном из суставов во всех других возникают силы реакции. Суммарный момент мышечных сил в суставе обеспечивает, кроме самого суставного движения, компенсацию сил реакций, возникающих из-за движений в других суставах.
Суммарный момент сил в суставе характеризует работу мышц-антагонистов. Например, если речь идет о сгибании-разгибании, то разгон сгибания (первый положительный участок кривой) осуществляется мышцами-сгибателями, торможение сгибания и разгон разгибания (первый отрицательный и второй положительный участки кривой) - мышцами-разгибателями, и, наконец, мышцы-сгибатели тормозят разгибание (последний отрицательный участок). Как правило, при движении пальцев наблюдается одновременная активность мышц-антагонистов (Rozendal, 1994). Поэтому в вышеприведенной интерпретации речь идет не об абсолютных суммарных усилиях агонистов и антагонистов, а о превышении усилий одних над другими.
Далее приводятся примеры интерпретации рассчитанных по модели кинематических (суставные углы, угловые скорости и угловые ускорения) и динамических (суставные моменты) параметров движений пациентов с нарушениями функций пальцев.
Суставные углы
Многие виды травм и двигательных патологий приводят к снижению объема движений по сравнению с нормой. Объем движения является, таким образом, важным клиническим признаком нарушения работы сустава. В клинической практике он, как правило, определяется визуально. Например, нарушенная функция сгибания пальцев считается удовлетворительно восстановленной, если при сжимании в кулак расстояние от кончиков пальцев до ладони равняется примерно 1 см. С точки зрения биомеханики объем движения определяется амплитудами суставных углов и является, таким образом, многомерной величиной: вместо одного параметра - расстояния между кончиками пальцев и ладонью, появляются три параметра - амплитуды движений в MCP, PIP и DIP суставах. Это позволяет дифференцировать функции отдельных суставов и понять, а) за счет каких именно суставов снижен объем движения, и б) как прогрессируют вклады отдельных суставов в процессе восстановления двигательной функции.
Сравнение объема пассивных и активных движений с объемом движений в норме.
На Фиг.5а показан случай пациентки Б.Н.Я., страдающей стенозирующим лигаментитом левой кисти. Объем движений в суставах 3-го пальца этой больной при поступлении в больницу составлял 49% (MCP), 40% (PIP) и 73% (DIP) от нормы (объема движений в суставах 3-го пальца здоровой кисти). На Фиг.5б показан случай пациента М.А.В., страдающего застарелым повреждением сухожилий обоих сгибателей 3-го пальца. При поступлении в больницу объем движений составлял 6% (MCP), 18% (PIP) и 74% (DIP) от нормы.
Существуют виды патологий, приводящие к гиперэкстензии сустава, т.е. к увеличению объема движений по сравнению с нормой. Например, неправильно сросшийся перелом луче-запястного сустава у пациента Ч.А.К. привел к тому, что при разгибании появилась гиперэкстензия (объем движений стал на 22% выше нормы), а объем сгибания стал на 58% ниже нормы. Интересно, что общий объем движений в суставе остался без изменения (Фиг.5в).
Объем активных движений характеризует одновременно механические возможности сустава и состояние мышц. В клинической практике часто оказывается полезным разделить эти оценки. Для оценки механических возможностей сустава можно использовать объем пассивных движений, т.е. максимальные амплитуды суставных углов в случае, когда палец больного расслаблен, а их сгибание производит врач.
На Фиг.6 показаны амплитуды активных и пассивных движений пациента А.С.С., поступившего на операцию с повреждением глубокого сгибателя указательного пальца. Видно, что травма сгибателя сопровождается нарушением механических функций межфаланговых суставов (DIP и PIP): объем пассивных движений в этих суставах (обозначена серым) снижен примерно вполовину по сравнению с нормой (обозначена белым). Механические функции пястно-фалангового сустава (МСР) не нарушены: объем движений в норме равен объему пассивных движений. Однако объем активных движений в этом суставе снижен на 44% по сравнению с объемом пассивных. Активные движения в межфаланговых суставах составляют всего 11° (DIP) и 8° (PIP) от нормы. Это - характеристика снижения чисто мышечной функции, причем не только глубокого сгибателя, прикрепляющегося к дистальной фаланге, но и поверхностного сгибателя, прикрепляющегося к средней.
Диаграммы, приведенные на Фиг.5 и 6 дают подробную и объективную оценку объема активных движений больного, поступающего на оперативное лечение.
Дифференциация функций суставов.
В качестве примера дифференциации функций суставов на Фиг.7а показаны амплитуды суставных вращений пациента В.Н.Г., страдающего контрактурой Дюпюитрена 4-го и 5-го пальцев правой руки. Для каждого сустава 4-го пальца показаны амплитуды сгибания до операции и через 9 дней после операции. Видно, что на 9-й день после операции объем движений увеличился, причем в основном за счет сгибания в PIP суставе, амплитуда движений в котором возросла на 18°, в меньшей степени - за счет сгибания в MCP суставе, амплитуда в котором возросла всего на 6°. Амплитуда сгибания в DIP суставе осталась прежней. Значительное увеличение объема движений в PIP суставе по сравнению с DIP суставом можно интерпретировать как более быстрое восстановление функций поверхностного сгибателя (FDS), прикрепляющегося к средней фаланге, по сравнению с глубоким сгибателем (FDP), прикрепляющегося к дистальной.
Другой пример динамики объема суставных вращений у пациента Т.Б.А. с аналогичным диагнозом - контрактура Дюпюитрена 4-го и 5-го пальцев правой руки -приведен на Фиг.7б. Восстановления двигательной функции в этом случае шли медленнее, чем у пациента В.Н.Г.: к 9-му дню после операции объем движений в DIP и PIP суставах не достиг даже дооперационного уровня (в DIP суставе наметилась, однако, положительная динамика), а в MCP суставе остался на уровне дооперационного. Часто объем движений в суставах после операции снижается не из-за того, что она была сделана неэффективно, а из-за болевых ощущений в области операционного шва. Амплитуды вращений в DIP и PIP суставах до операции были близки к норме (75° и 90°), а контрактура снижала только объем движений в MCP суставе. Вероятно, снижение объема движений в DIP и PIP суставах связано именно с послеоперационными болями.
Суставные скорости и суставные ускорения.
Скорость и ускорение в суставе характеризуют силу мышц, приводящих сустав в движение. Для вычисления этих параметров используются записи движений, выполняемые пациентом с максимально возможной скоростью. По сравнению с объемом движений эти параметры вносят важную дополнительную информацию о динамике восстановления мышечной функции. Например, в течение первых 9 дней после операции у пациента Т.Б.А. не наблюдалось роста объема движений в MCP суставе (Фиг.7б). Однако больной интенсивно тренировал пальцы в послеоперационный период, что привело к возрастанию суставных скоростей и ускорений (Фиг.8). Болевые ощущения не позволяли согнуть палец на значительный угол, но не нарушили положительную динамику скорости сокращения мышц. Произошло также перераспределение скоростей между суставами: если до операции скорости и ускорения в межфаланговых суставах были выше скоростей в пястно-фаланговом, то на 9-й день после операции картина стала обратной (Фиг.8а). Можно предположить, что иссечение тяжей ладонного апоневроза освободило сухожилия сгибателей, что привело к возрастанию их вклада в сгибание пястно-фалангового сустава.
Характеристика сгибателей и разгибателей
Суставные скорости имеют разные знаки для сгибания и разгибания. В модели принято что увеличение угла соответствует сгибанию, и скорости в этом случае положительны, а уменьшение - разгибанию, и скорости отрицательны. Т.к. сгибание и разгибание пальцев осуществляются разными группами мышц, суставные скорости наглядно характеризуют состояние сгибателей и разгибателей. На Фиг.9 показаны скорости в суставах здорового указательного пальца левой кисти пациента М.А.А. и скорости в суставах указательного пальца правой кисти с повреждением глубокого сгибателя (FPL).
Сравнение Фиг.9а и 9б показывает, что скорости в межфаланговых суставах больного пальца заметно снижены по сравнению с нормой. Для сгибания - они составляют 10% (I_DIP) и 22% (I_PIP) от нормы (Фиг.9в). Это - численная оценка нарушения функции FPL. Это нарушение влияет и на скорости разгибания, которые также снижены, хотя и в меньшей степени, по сравнению с нормой - скорости в I_DIP составляют 14% от нормы, а скорости в I_PIP - 55% от нормы. Амплитуды скоростей в пястно-фаланговом суставе (I_MCP) соответствуют норме (Фиг.9в).
Последовательность вовлечения суставов в движение
Максимумы суставных скоростей наглядно характеризуют последовательность вовлечения суставов в движение. В качестве примера на Фиг.10 показаны суставные скорости при сгибании здорового мизинца правой кисти пациента Б.О.А. (Фиг.10а) и при сгибании мизинца левой кисти с застарелым повреждением глубокого сгибателя (FDP) (Фиг.10б).
При разгоне движения (положительные значения суставных скоростей) максимум скорости достигается сначала в межфаланговых суставах (серые кривые), а затем в пястно-фаланговом суставе (черные кривые) (Фиг.10а). Благодаря сохранности поверхностного сгибателя эта последовательность имеет место и для пальца с поврежденным глубоким сгибателем: сначала достигается максимум скорости в PIP суставе, а затем в MCP суставе (Фиг.10б). Отсутствие FDP приводит к тому, что движение в DIP суставе практически отсутствует; это выражается в малой величине и нерегулярном характере суставной скорости (светло-серая кривая) (Фиг.10б).
Торможение движения (отрицательные значения скорости) в норме характеризуется одновременным (синхронным) участием суставов в движении (Фиг.10а). Это может быть связано с высокой скоростью торможения сгибания здорового мизинца - всего за 560 мс. Как было показано ранее (Grinyagin et al., 2005), с увеличением скорости движения возрастает синхронность движений в суставах пальца. Торможение сгибания больного мизинца происходит в два раза медленнее, чем здорового - за 1250 мс (Фиг.10б). Это приводит к тому, что суставы вовлекаются в движение не синхронно, а последовательно - сначала MCP сустав, а затем - PIP сустав.
Суммарные моменты мышечных сил в суставах.
Суставные моменты характеризуют суммарный момент сил сгибателей и разгибателей. Этот момент зависит не только от движений в данном суставе, но и от движений во всех остальных суставах пальца. Это связано с тем, что помимо обеспечения движения в конкретном суставе, мышцы должны компенсировать силы реакции, возникающие при одновременных движениях в других суставах пальца. Например, при сгибании выпрямленного пальца в MCP суставе, в PIP и DIP суставах возникнут моменты мышечных сил, компенсирующие моменты сил реакций в этих суставах. При этом ускорение в этих суставах равно нулю, т.к. при выпрямленном пальце движение в них отсутствует.
Именно поэтому суммарные суставные моменты, в отличие от суставных скоростей и ускорений, характеризуют не отдельный сустав, а динамику всей механической системы пальца и, в частности, ее способность к плавному координированному движению.
При наличии патологии развертка суставных моментов во времени, состоящая из положительного и отрицательного участков, соответствующих «разгону» и торможению сгибания и таких же участков, соответствующих «разгону» и торможению разгибания (Фиг.4), нарушается.
На Фиг.11 показаны моменты сил в суставах указательного пальца при его сгибании-разгибании (пациента К.А.И. с застарелым повреждением общего разгибателя пальцев, EDC). Несмотря на сохранность сгибателей (FDS и FDP), до операции сгибание было затруднено из-за тормозящего действия разгибательного аппарата (постоянное натяжение сухожилий). Это проявилось в том, что сгибательные моменты практически отсутствовали (Фиг.11а). На 2-й день после операции по восстановлению сухожилий EDC появились сгибательные моменты (Фиг.11б), что свидетельствовало об успешно проведенной операции. Суставные моменты имели вид резких пиков, а их развертка во времени была сильно зашумлена, что было, по-видимому, связано с послеоперационными болями. На 7-й день после операции кривые суставных моментов приобрели плавный вид, близкий к норме (Фиг.11в). Таким образом, на 7-й день после операции у EDC остается нарушенной способность тормозить сгибание пальца; способность же к разгибанию (с точки зрения временной развертки суставного момента) практически восстановлена.
Примеры конкретного осуществления способа
Проанализируем детально процедуру диагностики в двух конкретных случаях.
Пациент К.А.И.
Предварительный диагноз
Пациент К.А.И., мужчина 20 лет, поступил на плановую операцию с диагнозом «застарелое повреждение разгибателя пальцев (EDC) правой руки». EDC был поврежден в результате производственной травмы - рука попала под типографский нож. Сразу после травмы была проведена первичная хирургическая обработка раны без восстановления сухожилий. Больной обратился в хирургическое отделение через год после травмы с жалобами на затруднения сгибания пальцев. Лечащий врач констатировал неадекватное лечение после травмы, что привело, при сохранных сгибателях, к затруднениям сгибания из-за тормозящего действия разгибателей.
Клинический диагноз
В ходе операции были обнаружены поврежденные сухожилия разгибателей 2-го и 3-го пальцев. На 3-м пальце имелся участок регенерата между проксимальным и дистальным концами сухожилий длиной 3 см. Проксимальный конец сухожилия EDC 2-го пальца в ране не определялся, а дистальный был представлен участком регенерата длиной около 3-х см. Также имел место выраженный рубцовый процесс: сухожилия 2-го, 3-го, 4-го и 5-го пальцев были спаяны с фасцией.
Операция
Сухожилия разгибателей 3-го, 4-го и 5 пальцев выделены из рубцов. Проведена редрессация 2-го, 3-го, 4-го и 5-го пястно-фаланговых суставов. Дистальный конец сухожилия EDC 2-го пальца подшит в бок к разгибателю 3-го пальца.
Восстановительное лечение
Больной самостоятельно разрабатывал движения пальцев, стараясь максимально их сгибать, превозмогая болевые ощущения, даже пренебрегая возможностью расхождения швов. Больному был назначен курс физиолечения (Фиг.2б).
Прогноз
Больной был выписан на 7-й день после операции. Клинических признаков положительной динамики восстановления движений не наблюдалось. Было рекомендовано физиолечение по месту жительства и ежемесячные консультации в отделении.
Биомеханический анализ движений
Движения 2-го, 3-го, 4-го и 5-го пальцев больного К.А.И. регистрировались 1) до операции, 2) на второй день после операции, 3) на 7-й день после операции перед выпиской из больницы, 4) на 30-й день после операции (первая консультация в отделении) и 5) на 65 день после операции (вторая консультация в отделении). До операции были также зарегистрированы движения пальцев здоровой руки.
Объем движения
На Фиг.12 показано изменение объема движений в суставах 2-го пальца в сравнении с нормой. Видно, что в DIP суставе уже на второй день после операции объем движений вырос в два раза и достиг нормы. В PIP суставе на второй день после операции амплитуда снизилась, а на 7-й день возросла в 1.3 раза по сравнению с дооперационной и составила 75% от нормы. Впоследствии объем движений в PIP суставе менялся незначительно. В MCP суставе объем движений к 7-му дню после операции вырос в 2.8 раза и составил 54% от нормы, а к 65-му дню достиг 72% от нормы.
Таким образом, перед выпиской из больницы на 7-й день после операции, объем движений существенно увеличился, хотя хирург не видел клинических признаков улучшения. Это могло быть связано с тем, что на расстояние между кончиками полностью согнутых пальцев и ладонью больше всего влияет угол в MCP суставе, который, в отличие от DIP и PIP суставов, оставался небольшим по величине (40°).
Объем движений в PIP и MCP суставах между 7-м и 30-м днем после операции не увеличивался. Это может быть связано с тем, что, как выяснилось на консультации, после выписки из больницы не было продолжено физиолечение. В течение следующего месяца больной, по настоянию хирурга, возобновил его, что дало рост объема движений в этих суставах (Фиг.12).
Скорости вращений в суставах
Скорости вращений в суставах, как и объем движений, отражают ход послеоперационного восстановления двигательной функции. Нормальный профиль суставных скоростей (Фиг.13а) до операции был нарушен (Фиг.13б), в особенности для сгибания: скорости сгибания были незначительны по величине и нерегулярны по временному ходу. В течение недели послеоперационного лечения в больнице нормальный вид скоростей практически восстановился (Фиг.13в, г). На 30-й день после операции снова стали страдать скорости сгибания (по-видимому, сказалось прекращение физиолечения) (Фиг.13д). К 65 дню профиль суставных скоростей снова приблизился к нормальному (Фиг.13е). Необходимо отметить, что во время консультации на 65-й день после операции больной впервые констатировал личное ощущение положительной динамики восстановления функции пальцев.
Суставные моменты
Динамика изменения суставных моментов в течение первой недели после операции показана на Фиг.11. Регулярная форма суставного момента на 30-й день после операции была утрачена, сгибательные моменты оставались незначительными по величине, а разгибательные существенно возросли (Фиг.14а). На 65-й день после операции суставные моменты сгибания восстановились и имели регулярный вид (Фиг.14б). Разгибательные же моменты носили менее регулярный характер, чем на 7-й день после операции (Фиг.11в), однако превышали их по величине в 4 раза (Фиг.14б).
Сравнение Фиг.13 и Фиг.14 показывает, что суставные моменты дают новую информацию по сравнению с суставными скоростями: несмотря на нерегулярный характер угловых скоростей сгибания (Фиг.13е), к 65 дню после операции суставные моменты, обеспечивающие сгибание, имеют регулярный вид, характерный для нормы (Фиг.14б). Напротив, разгибательные моменты нерегулярны (Фиг.14б) так же, как и суставные скорости (Фиг.13е), что говорит о том, что к 65 дню после операции функция разгибания не была окончательно восстановлена.
Нормальный вид суставных моментов при сгибании говорит о том, что вовлечение мышц в движение происходит так же, как и в норме, и затруднения движения из-за травмы разгибателей не происходит. Нарушение нормального вида суставных моментов при разгибании свидетельствует об изменении вовлечения мышц (по порядку и/или силе) в разгибание. Так как сухожилие EDC 2-го пальца был подшит к EDC 3-го пальца, то вовлечение мышц в движение не может строго соответствовать норме. Новый рисунок суставных моментов может быть «патологической нормой» и являться следствием управления движением в условиях измененного биомеханического строения EDC указательного пальца.
Пациент К.Е.В.
Предварительный диагноз
Пациент К.Е.В., мужчина 61 года, поступил на плановую операцию с диагнозом «застарелое повреждение сухожилия длинного разгибателя (EPL) 1-го пальца левой кисти».
Клинический диагноз
Сухожилие EPL, вследствие давности травмы, дегенерировало. Не было возможности сшить дистальный и проксимальный концы сухожилия.
Операция
Была произведена транспозиция собственного разгибателя 2-го пальца (EI) на место сухожилия EPL. Произведено: разрез кожи длиной 3.0 см в области анатомической табакерки. Из спаек выделено сухожилие EPL (дистальный конец), из этого же разреза сухожилие EI отсечено и выведено на тыле кисти в области луче-запястного сустава. Сухожилие EI перемещено на место EPL и подшито к предварительно освеженному дистальному концу.
Восстановительное лечение
Больной самостоятельно разрабатывал движения большого пальца, стараясь максимально сгибать и разгибать его, превозмогая болевые ощущения (Фиг.2в).
Прогноз
Больной был выписан через три недели после операции после снятия шины. По мнению врача, разгибание дистальной фаланги большого пальца было восстановлено. Больному было рекомендовано самостоятельно разрабатывать движения в большом пальце и посещать отделение для перевязок и консультаций.
Биомеханический анализ движений
Движения большого пальца правой руки больного К.Е.В. регистрировались 1) до операции; 2) на 14 день после операции, когда для измерений, из-за наличия шины и повязки, был доступен только межфаланговый сустав; 3) на 41 день после операции; 4) на 62 день после операции.
Объем движения
Амплитуда движений в DIP суставе большого пальца к 14 дню после операции возросла в 2.1 раза. Через 41 день после операции объем движений в DIP суставе вырос в 3.1 раза и составил 82% нормы; объем движений в MCP суставе снизился на 17% по сравнению с дооперационным и составил 25% от нормы; объем движений в TMC суставе снизился на 30% (Фиг.15). На 62-й день после операции объем движений в DIP суставе практически не изменился; объем движений в MCP суставе достиг дооперационного уровня; объем движений в TMC суставе возрос на 24% по сравнению с 41-м днем и составил 85% от нормы (Фиг.15).
Существенный рост объема движений в DIP суставе свидетельствовал об успешно проведенной операции. Объем движений в ТМС суставе перед операцией был в норме, в результате операции оказался сниженным, однако впоследствии возрастал и к 62 дню после операции составил 85% от нормы, что свидетельствовало об успешном восстановлении функции этого сустава. Объем движений в MCP суставе остался, однако, на дооперационном уровне.
Суставные скорости
До операции скорости в DIP и MCP суставах были незначительны по величине и носили нерегулярный характер (Фиг.16б). Скорости в ТМС суставе имели профиль, характерный для нормы (Фиг.16а, б). На 41 день после операции максимальные скорости в DIP и MCP суставах существенно возросли, однако, оставались нерегулярными и асинхронными. Асинхронность движений в отдельных суставах хорошо видна на графике скорости разгибания: максимум скорости в TMC суставе достигается на 570 мс позже, чем максимум скорости в DIP суставе (Фиг.16в). В норме эта задержка составляла 70 мс (Фиг.16а).
На 62 день после операции суставные скорости еще возросли и приобрели регулярный вид, характерный для нормы (Фиг.16г), и стали существенно более синхронными: максимум скорости разгибания в TMC суставе достигается на 50 мс позже, чем максимум скорости в DIP суставе, что соответствует норме (Фиг.16г).
Известно, что процесс адаптации EI к новой функции происходит в два этапа. Первый касается изолированной адаптации, связанной с переобучением сокращения EI. Такое переобучение достигается сравнительно легко. Второй этап касается функциональной адаптации EI - формированию способности EI включиться в совместную работу с остальными мышцами для выполнения, например, различных видов схватов. Второй этап гораздо более трудный и длительный (Матев и Банков, 1981). Он связан с формированием моносинаптических кортико-спинальных связей, обеспечивающих координацию движений в суставах пальцев (Armand et al., 1996). Координация (или, другими словами, синхронизация) движений в суставах характеризует процесс двигательного обучения и свидетельствует о том, что мышцы, приводящие в движение эти суставы, действуют согласованно, образуя новую синергию.
Асинхронность движений в суставах, которая наблюдалась до 41 дня после операции, свидетельствовала о том, что управление «новой» мышцей оставалось несовершенным. Можно сказать, что между 41-м и 62-м днем после операции моторная кора «научилась» управлять «новой» мышцей, сформировав новую синергию («патологическую норму»).
Суставные моменты
Для операции по восстановлению длинного разгибателя большого пальца показательным является суммарный момент мышечных сил в DIP суставе. До операции момент в этом суставе был мал по величине и носил нерегулярный характер (Фиг.17б). Через 41 день после операции появился разгибательный момент, по форме близкий к норме (Фиг.17а, в). При этом сгибательный момент оставался нерегулярным; по-видимому, к этому моменту еще сказывались последствия проведенной операции (на консультации в этот день пациент жаловался на утолщение и неприятные ощущения («как будто ток пропускают»)) в области тыльной поверхности кисти, близко к луче-запястному суставу.
На 62 день после операции неприятные ощущения у больного исчезли. Суставной момент в DIP суставе приблизился к норме. Кривые торможения сгибания и разгона разгибания, выполняемые «новой» мышцей (EI), приобрели регулярную форму (Фиг.17г), близкую к форме соответствующих моментов EPL здоровой руки (Фиг.17а). Это подтверждает вывод, сделанный на основании анализа суставных скоростей, о том, что к 62 дню после операции моторная кора сформировала новую двигательную синергию. В случае пациента К.Е.В., в отличие от рассмотренного в предыдущем разделе пациента К.А.И., новая синергия близка к синергии здорового пальца с интактной EPL.
Промышленная применимость
Применение биомеханического анализа движений пальцев руки в клинической практике показало, что контроль результата операции и проводимого послеоперационного лечения может быть более адекватным, если врач будет располагать численной оценкой биомеханических параметров движений.
Биомеханический анализ движений пальцев, включающий в себя а) регистрацию их движений с помощью электромагнитной системы MiniBirds и б) метод расчета биомеханических параметров движений, может рассматриваться как новый перспективный метод функциональной диагностики.
ЛИТЕРАТУРА
Бирюкова Е.В., Гринягин И.В., Коршунов В.Ф., Романов С.Ю., Смирнитская И.А., Фролов А.А. (2009). Биомеханические параметры движений пальцев руки человека как численная оценка функционального состояния травмированной кисти. Обзор (в печати).
Блохин А.Б., Фадеев М.Г., Обухов И.А. (2005). Организация экстренной и плановой специализированной помощи больным с патологией кисти. Главврач, №11, 60-64.
Волкова A.M. (1996). Хирургия кисти. Т.3. Екатеринбург.
Кисель Д.А., Голубев И.О. (2004). Хирургия кисти: повреждения сгибательного аппарата. Избранные вопросы пластической хирургии. Т.1, №11.
Коренев Г.В. (1979). Целенаправленная механика управляемых манипуляторов. М., «Наука».
Коршунов В.Ф., Чуловская И.Г. (2005). Клиническая диагностика повреждений сухожилий сгибателей пальцев кисти. Вестник Российского Государственного Медицинского Университета, 7 (46), с.5-7.
Магдиев Д.А., Чуловская И.Г., Коршунов В.Ф., Еськин Н.А. (2005). Лечение подкожных разрывов сухожилий разгибателей на уровне дистального межфалангового сустава. Вестник Российского Государственного Медицинского Университета, 7 (46), с.25-28.
Матев И.В., Банков С.Д. (1981). Реабилитация при повреждениях руки. «Медицина и Физкультура». София.
Нельзина З.Ф., Чудакова Т.Н. (1994). Неотложная хирургия открытых повреждений кисти. Минск, «Наука и техника».