Робот-тренер для детей с ДЦП
Детский церебральный паралич (ДЦП) – хроническое заболевание, связанное с поражением центральной нервной системы в перинатальном периоде и характеризующееся двигательными расстройствами. Симптомы ДЦП чаще всего включают нарушение походки, приводящее со временем к заболеванию суставов, медленную скорость ходьбы, ограничение подвижности суставов, короткие шаги при ходьбе, шаткость, отсутствие опоры на пятку и прочие. Для таких детей характерно полуприседание – ноги согнуты в тазобедренных, коленных и голеностопных суставах, опора на пальцы ног.
Группа профессора Сунила Агравала (Sunil Agrawal) из Колумбийского университета провела пилотное исследование роботизированного метода тренировки мышечной силы и координации, которая улучшает осанку и походку.
Нарушения походки с чрезмерным сгибанием в коленных суставах («приседающая» походка) обусловлены слабостью (гипотонусом) мышц-разгибателей, которые не способны поддерживать тело в вертикальном положении, в сочетании с избыточной силой (гипертонусом) мышц-сгибателей. Камбаловидная мышца – одна из мышц-разгибателей, которая располагается на голени, ее недостаточное напряжение играет важную роль в формировании шаткости и неустойчивости тела в вертикальном положении.
Исходя из того, что одной из основных причин нарушений походки является слабость камбаловидной мышцы, исследователи предположили, что тренировочная ходьба с нагрузкой на таз будет укреплять мышцы-разгибатели, в том числе камбаловидную мышцу, и улучшать координацию при ходьбе. Они решили вместо традиционных тренировок на беговой дорожке с постоянной нагрузкой усиливать нагрузку постепенно.
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи спроектировали роботизированную систему «привязанное к тазу вспомогательное устройство» (Tethered Pelvic Assist Device TPAD). Система представляет собой легкий пояс с электронной «начинкой», которое можно запрограммировать на создание нагрузки на таз нужной интенсивности и в нужном направлении во время тренировки на беговой дорожке.
Исследователи занимались с шестью детьми, страдающими ДЦП. Было проведено 15 занятий по 16 минут в течение 6 недель. Во время тренировки на беговой дорожке дети носили TPAD, к которому было подключено несколько проводов. Нагрузка в каждом отдельном случае создавалась в режиме реального времени приводом, зафиксированном на неподвижной раме вокруг беговой дорожки, на основании данных, получаемых с камер.
Схематическое изображение работы роботизированного устройства TPAD во время занятий пациентов с ДЦП. Источник: Sunil Agrawal/Columbia Engineering.
Исследователи запрограммировали TPAD создавать дополнительную нагрузку на центр таза, направленную вниз, чтобы интенсивно разрабатывать камбаловидную мышцу. Сила нагрузки была эквивалентна 10% от массы тела, что соответствует нагрузке здорового ребенка, несущего школьный рюкзак. Это был минимальный вес, необходимый для достижения заметного улучшения осанки и походки.
Занятие с устройством TPAD ребенка с нарушением походки при ДЦП.
Источник: Sunil Agrawal/Columbia Engineering.
TPAD – уникальное в своем роде устройство, так как оно добавляет во время занятия только необходимую нагрузку, при этом ношение его самого не утяжеляет тренировку.
Исследователи сравнили силу и координацию мышц по данным электромиографии, полученным на первом и последнем занятиях курса, а также постоянно наблюдали за характером движения (кинематикой) и распределением нагрузки при вертикальном неподвижном положении тела на протяжении всего курса.
Было обнаружено, что в целом состояние мышечной системы заметно улучшилось. Отмечен прогресс по таким показателям, как осанка, координация, походка, в том числе длина шага, амплитуда движений в суставах нижней конечности, распределение нагрузки на стопу. Кроме того, родители детей, участвовавших в исследовании, отметили улучшения у них двигательных функций. Занятия с устройством TPAD действительно перспективно для реабилитации детей с ДЦП.
Исследователи планируют провести крупное исследование для получения более достоверных данных и возможности проверить большее количество показателей. Кроме того, они не исключают возможность применения TPAD у детей с гемиплегической и тетраплегической формами ДЦП.
Статья J. Kang et al. Robot-driven downward pelvic pull to improve crouch gait in children with cerebral palsy опубликована в журнале Science Robotics.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Columbia Engineerig: Robot-driven Device Improves Crouch Gait in Children with Cerebral Palsy.