Робототехника в медицине: Новые горизонты нейрореабилитации

Использование робототехники в медицине способствует эффективности оказываемой помощи людям с нарушением движений и действенно возвращает их к полноценной социальной жизни.

Борьба с последствиями двигательных нарушений

Продолжительные двигательные нарушения являются одним из самых частых и тяжёлых последствий повреждения центральной нервной системы при инсульте, травме, рассеянном склерозе, что значительно ограничивает повседневную активность и снижает качество жизни как самого пациента, так и его ближайшего окружения, участвующего в опеке и принимающего на себя финансовое бремя последствий.

Помимо прочего, тяжёлым последствием инсульта становится парез в руке – снижение мышечной силы, повышенная утомляемость, утрата ловкости движений, появление спастического мышечного тонуса, мешающего выполнению сохранных движений. Тяжесть пареза зависит от расположения очага повреждения в головном мозге и его размеров, давности заболевания и в наиболее сложных клинических ситуациях достигает степени плегии – полного паралича, когда произвольных движений нет.

Нейрореабилитация: путь к восстановлению

С ростом количества исследований в области нейрофизиологии и патофизиологии двигательной системы, за последние семьдесят лет качественно изменились подходы к двигательной реабилитации таких пациентов. Раскрытие учёными механизмов нейропластичности – способности мозга восстанавливать нарушенные заболеванием анатомические и функциональные связи между нейронами и отделами нервной системы, позволило сформулировать принципы успешной нейрореабилитации. Основными её условиями считают активное участие самого пациента, высокую интенсивность и регулярность упражнений, ориентированных на выполнение конкретной «прикладной» задачи. Доказано, что восстановление двигательных функций происходит быстрее и в более полном объёме при условии активных занятий реабилитацией: с помощью переобучения головного мозга выполнению целенаправленных двигательных задач.

Важным компонентом нейрореабилитации также является применение различных видов обратной связи во время физической терапии. Синхронное предоставление объективной информации о выполнении движения повышает качество обучения: пациент получает инструмент для произвольного контроля собственного движения, а усиление тактильных, проприоцептивных, зрительных ощущений дополнительно активирует структуры головного мозга, лишённые или ограниченные в получении сенсорной информации вследствие болезни.

Очевидно, что использование различных роботизированных ортезов, экзоскелетов и других подобных устройств помогает заместить утраченные вследствие болезни функции руки или ноги и адаптировать человека во внешней среде. Однако у роботических технологий есть и другой, не менее важный и эффективный путь воздействия на преодоление болезни человеком – их использование в восстановительных мероприятиях.

Робототехника в нейрореабилитации

Роботизированная физическая реабилитация для пациентов с нарушением функций движения рук в настоящее время является широко распространённым в клинической практике способом восстановления движений. С одной стороны, такие устройства позволяют облегчить работу специалистов по физической терапии, выполняя множество повторов целевого движения с заданными параметрами, а с другой – предоставляют различные варианты обратной связи.

Особую роль роботизированная терапия играет в самых тяжёлых ситуациях, когда отсутствие произвольных (сознательных, целенаправленных) движений в руке не позволяет человеку активно участвовать в реабилитации, выполняя двигательные упражнения. В обычной, нероботизированной практике реабилитологов это приводит к значительному сужению спектра доступных эффективных методов реабилитации.

Мысленные тренировки: новое направление в реабилитации

В современной нейрореабилитации в такой сложной клинической ситуации принято использовать нефизические методы, одним из которых является практика мысленных (идеомоторных, motor imagery) тренировок. Доказано, что даже тогда, когда рука остаётся неподвижной вследствие болезни, способность к мысленному представлению движений у человека сохраняется. При этом на фоне повторяемого воспроизведения мысленного образа движения человек усиливает активность именно тех областей головного мозга, которые отвечают за реализацию настоящего движения, что способствует активации нейропластичности и восстановлению движений. В случае лёгких двигательных нарушений мысленные тренировки улучшают планирование и точность движений.

Интерфейс мозг-компьютер: Технология будущего

Определённым ограничением подходов, связанных с мысленным представлением движения, до недавнего времени выступало отсутствие возможности предъявления адекватной обратной связи и объективизации тренировок. С развитием технологии «Интерфейс мозг-компьютер» стало возможным объективизировать процесс мысленных тренировок и реализовать предъявление обратной связи с помощью различных устройств, подключаемых к компьютеру и управляемых мысленными командами.

Интерфейс мозг-компьютер (ИМК), англ. Brain-computer interface (BCI) – технология, реализующая обмен информацией между мозгом и периферическим устройством в обход повреждённых естественных сенсорных образований, проводящих путей нервной системы и мышц. В исследованиях и практической нейрореабилитации наиболее часто используют интерфейсы, основанные на регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Среди преимуществ таких неинвазивных интерфейсов выделяются абсолютная безопасность, мобильность и относительная простота использования: как персоналом медицинских учреждений, так и пациентом.

Психомоторная реабилитация через ИМК

В течение курса мысленных тренировок с использованием ИМК пациенту предлагают выбрать тренируемое движение, образ которого будет им повторяться путём визуального или кинестетического (чувственного) представления. Такая осознанная активация коры головного мозга изменяет электрические колебания в группах нейронов, которые отвечают за планирование и совершение движения, что позволяет регистрировать активность с помощью ЭЭГ и в режиме реального времени использовать в качестве управляющего сигнала для устройств, подключаемых к компьютеру. В качестве устройств используют экран компьютера с объектами визуальной обратной связи, экзоскелет кисти для предъявления кинестетической обратной связи, функциональный электростимулятор для сокращения мышц и другие приборы.

Эффективность использования ИМК с кинестетической и визуальной обратной связью в курсе постинсультной реабилитации была доказана во многих исследованиях по всему миру, в том числе в крупном мультицентровом плацебо-контролируемом исследовании, проведённом в России в 2017 году (Post-stroke rehabilitation training with a motor-imagery-based brain-computer interface (BCI)-controlled hand exoskeleton: A randomized controlled multicenter trial / A. A. Frolov, O. Mokienko, R. Lyukmanov [et al.] // Frontiers in Neuroscience. – 2017. – Vol. 11, No. JUL. – P. 400. – DOI 10.3389/fnins.2017.00400. – EDN XOAHXP).

На основании убедительных данных об эффективности метода и получения собственного обширного опыта работы с нейроинтерфейсами, группой разработчиков из ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука», РНИМУ им. Н.И. Пирогова, ИВНД и НФ РАН, Научного центра неврологии впервые в России был разработан реабилитационный комплекс для постинсультной реабилитации, построенный на базе технологии ИМК.

Роботизированный комплекс «Ортез-1»

НПО «Андроидная техника» в настоящее время серийно производит роботизированный комплекс для восстановления двигательных функций кистей рук «Ортез-1», который обладает регистрационным удостоверением для медицинского применения и успешно интегрирован в клиническую практику шестнадцати медицинских центров и больниц. Этот прибор позволяет проводить тренировки по представлению движений в руке пациентам с последствиями инсульта, травмы головного мозга и парезом в руке любой степени тяжести.

Роботизированный комплекс «Ортез-1» – это устройство, представляющее собой подвижный экзоскелет для кисти и пальцев руки с приводами сгибания и разгибания пальцев. Сегменты экзоскелета приводятся в движение с помощью электрических приводов под управлением программного обеспечения, устанавливаемого на компьютер. Управляющим сигналом для активации экзоскелетов служит регистрация специфических сенсомоторных ритмов, происходящая в режиме реального времени с помощью ЭЭГ-нейроинтерфейса.

Потенциал для будущего: Новые горизонты нейрореабилитации

Инновационное устройство «Ортез-1» предназначено для медицинского применения и научных исследований в области нейрореабилитации, применяется в целях восстановления нарушенных физиологических функций и может быть использовано в качестве стимулятора поверхностной и проприоцептивной чувствительности от пальцев и кисти руки, а также роботизированного механотерапевтического комплекса для дистальных отделов рук. Система имеет возможность индивидуальной настройки с учётом размеров всех сегментов руки, ширины пястного сегмента кисти, амплитуды активных движений в суставах, скорости активного движения. Благодаря интегрированным в экзоскелет измерительным датчикам, возможно проведение объективной оценки изменений амплитуды движений в суставах пальцев руки испытуемого «онлайн», что позволяет предъявлять испытуемому биологическую обратную связь, основанную на таких измерениях. Система воспроизводит движение, кинематически близкое к физиологическому благодаря применению «экзосуставов» и фиксаторов, разработанных с учётом анатомического строения кисти человека, что улучшает эргономические характеристики и не приводит к быстрому утомлению пациента во время тренировок, а также исключает вероятность травм.

Инновации в нейрореабилитации

Использование роботизированного комплекса «Ортез-1» в комплексной реабилитации пациентов помогает улучшить двигательные функции паретичной кисти: цилиндрический и шаровой захваты, щипковые движения пальцев и в целом достичь более функционально значимых результатов, чем при оказании «привычной» реабилитационной помощи. Такие эффекты продемонстрированы для пациентов, находящихся как в раннем (3-6 месяцев), так и в позднем (6-12), а также резидуальном (более 12 месяцев) периодах после перенесённого нарушения мозгового кровообращения.

Эффективность применения роботизированного комплекса «Ортез-1» обусловлена высокоактивным участием пациента в реабилитационной процедуре с выраженной концентрацией внимания на выполняемой мысленной задачей. Большинство пациентов сообщают об утомлении на фоне концентрации внимания после 20–30 минут тренировки, что сопоставимо с похожими ощущениями после выполнения физических упражнений и свидетельствует об эффективности занятий, что формирует положительную мотивацию у тренирующегося человека.

Также важно подчеркнуть, что использование в работе комплекса когнитивной парадигмы по представлению движения является доступным любому пациенту: независимо от тяжести двигательного дефицита и восстановительного периода после развития заболевания. Кроме того, воображение прикладных, функционально значимых движений приближает реабилитационную среду к реальной. Использование в устройстве индивидуальных, персонализированных источников нейрофизиологических сигналов (ЭЭГ) и применение различных видов биологической обратной связи (визуальной и кинестетической) предоставляет возможность адекватного контроля интенсивности и регулярности занятий, что имеет чрезвычайно важное значение для восстановления движений в кисти.

Увеличение объёма и скорости восстановления движений в руке за счёт активации механизмов нейропластичности улучшает прогноз относительно степени и сроков инвалидизации после инсульта у лиц трудоспособного возраста. Внедрение в рутинную клиническую практику роботизированных комплексов призвано улучшить качество и повысить эффективность реабилитационной помощи, что в конечном итоге снижает затраты на уход за пациентом как в стационаре, так и на амбулаторном этапе, уменьшает нагрузку на обслуживающий персонал медицинских учреждений и родственников пациента.

Возможность не только стационарного, но и амбулаторно-поликлинического использования аппаратно-программного комплекса предполагает более полное раскрытие потенциала «стационар-замещающих» технологий, что сокращает издержки на длительное пребывание пациента в стационаре.

Заключение

В заключение стоит отметить, что в настоящее время готовится к серийному выпуску изделие, разработанное для восстановления двигательных функций нижних конечностей. Самостоятельное перемещение является одной из базовых потребностей человека, однако повреждение нервной системы вследствие инсульта часто приводит к нарушению ходьбы и значимо ограничивает независимость пациентов. Наша новая разработка призвана помочь решению этой серьёзной проблемы.