Детский церебральный паралич (ДЦП) занимает в настоящее время одно из ведущих мест в структуре детской инвалидности. В России насчитывается более 70 тысяч детей в возрасте до 14 лет, больных детским церебральным параличом, и с каждым годом это количество увеличивается. Методы двигательной реабилитации таких детей должны основываться на биомеханических и физиологических закономерностях. Это обусловливает актуальность исследования кинематических характеристик локомоций у детей, страдающих ДЦП. В обширной литературе, посвященной ДЦП, работы по изучению структуры локомоции долгое время занимали весьма скромное место. В основном это были электромиографические исследования деятельности мышц при ходьбе до и после различных оперативных вмешательств [1, 2]. Лишь в последние десятилетия появился ряд фундаментальных исследований, но и они направлены в основном на биомеханическое обоснование хирургической коррекции позы и ходьбы больных ДЦП [3].
Для детей, страдающих ДЦП, характерны спазм мышц конечностей, нарушение двигательной и чувствительной функций, появление контрактур (обычно сгибательно-приводящего типа) и др. Отмечаются также повышение сухожильных рефлексов, появление патологических рефлексов, повышение мышечного тонуса (гипертонус отдельных мышц), понижение мышечной силы и работоспособности, нарушение координации движений, акта стояния и ходьбы, наличие непроизвольных движений, синкинезий и т.п. [4].
Биомеханические нарушения локомоций связаны с гипертонусом мышц, нарушениями координации движений, контрактурами в суставах нижних конечностей и др. У больных изменена биомеханическая структура ходьбы – генез этих нарушений связан с поражением ЦНС [5].
Анализ кинематики, опорных реакций и работы мышц различных частей тела убедительно показывает, что в течение цикла ходьбы происходит закономерная смена биомеханических событий. Ходьба здоровых людей, несмотря на ряд индивидуальных особенностей, имеет типичную и устойчивую биомеханическую и иннервационную структуру, т.е. определённую пространственно-временную характеристику движений и работы мышц [Там же].
При ходьбе человек последовательно опирается то на одну, то на другую ногу. Эта нога называется опорной. Контралатеральная нога в этот момент выносится вперед (переносная нога). Период переноса ноги называется «фаза переноса». Полный цикл ходьбы – период двойного шага – слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности. В опорный период активное мышечное усилие конечностей создаёт динамические толчки, сообщающие центру тяжести тела ускорение, необходимое для поступательного движения. При ходьбе в среднем темпе фаза опоры длится примерно 60% от цикла двойного шага, фаза переноса – около 40%. В циклической последовательности ходьбы выделяют моменты, когда с опорой соприкасаются только одна нога («одноопорный период») и обе ноги, когда вынесенная вперед конечность уже коснулась опоры, а расположенная сзади ещё не оторвалась («двуопорная фаза»). С увеличением темпа ходьбы «двуопорные периоды» укорачиваются и совсем исчезают при переходе в бег. Таким образом, по кинематическим параметрам ходьба от бега отличается наличием двуопорной фазы [6, 7].
У больных с ДЦП выявлены нарушения биомеханической структуры ходьбы и особенно бега, где имеет место спазм мускулатуры и падения больного. По данным электромиографического исследования мышц нижних конечностей, активность мышц у больных с ДЦП значительно превышает активность мышц у здоровых людей. В большей степени повышение тонуса мышц наблюдается у больных с ДЦП в игровых видах спорта (футбол, баскетбол, ручной мяч и др.), в легкой атлетике (бег, прыжки и др.) и – в меньшей степени – в плавании [8].
При исследовании кинематики ходьбы выявлены существенные нарушения, и в основном во временных показателях (сокращение периода переноса, увеличение фазы опоры на носок и уменьшение фаз опоры на всю стопу), редукция угловых перемещений, скоростей и ускорений, уменьшение, а иногда и стертость максимумов на динамограммах. Особенностями ходьбы является также наличие постоянного начального угла в суставах (из-за гипертонуса мышц, контрактур), выраженные колебания туловища относительно разных плоскостей. У больных с ДЦП нарушены позы стояния, это связано с изменением общего центра тяжести (ОЦТ). В связи с изменением проекции ОЦТ нагрузка на каждую ногу при удобной стойке несимметрична. Неустойчивость походки связана с выходом ОЦТ за пределы границ нормы [9].
Цель исследования – изучить особенности биомеханических характеристик ходьбы у детей с врожденными нарушениями локомоций на примере ДЦП.
Было обследовано 20 детей (12 мальчиков и 8 девочек) в возрасте от 8 до 12 лет, страдающих ДЦП, форма спастическая диплегия, проходящих лечение и адаптацию в ОГКУ «Реабилитационный Центр для детей и подростков с ограниченными возможностями» (ЗАТО г. Северск). Контрольную группу составили 10 детей (6 мальчиков и 4 девочки) того же возраста (Рис.1).
Для анализа ориентации звеньев тела, их местоположения в пространстве и отношения к опоре использовался метод отслеживания движения Motion Tracking, реализованный в аппаратно-программном комплексе UltraMotion Pro FAST, регистрирующим элементом которого является цифровая видеокамера Vision Research Phantom Miro eX2 со встроенной памятью. Съемка велась со скоростью 100 кадров в секунду. Полученные данные были обработаны и проанализированы в программе StarTrace 2D Tracker, входящей в состав аппаратно-программного комплекса UltraMotion Pro FAST. Учитывались следующие кинематические показатели, отражающие двигательную патологию испытуемых при выполнении ходьбы: значения углов в суставах нижних и верхних конечностей, скорости перемещения звеньев тела (Рис. 2).
Многопараметрический анализ ходьбы позволяет разделить локомоторный цикл на шесть биомеханических фаз, разграниченных экстремальными значениями динамических параметров. Отметим наиболее существенные различия каждой фазы локомоторного цикла.
При исследовании изменения значения угла коленного сустава при ходьбе по горизонтальной поверхности достоверных различий в течение цикла выявлено не было. На рис. 3 представлено изменение величины угла в тазобедренном суставе при ходьбе по горизонтальной поверхности. Из полученных результатов видно, что величины углов у детей с ДЦП имели более высокие значения, чем в группе здоровых, и одно экстремальное значение в четвертой фазе локомоторного цикла, равное 216,45°. Таким образом, при ходьбе по горизонтальной поверхности движение в тазобедренном суставе у здоровых детей имело более плавный характер, чем у детей с ДЦП.
При исследовании величины углов в суставах верхних конечностей при ходьбе было показано, что изменения величины угла в плечевом суставе в группе ДЦП были намного больше и имели более плавный характер по сравнению со значениями в группе здоровых детей. Тогда как изменения величины угла в локтевом суставе, наоборот, имели более низкие значения, чем в группе здоровых детей. Таким образом, дети с ДЦП при ходьбе выполняли плавные движение верхними конечностями, сгибая руки в плечевом и разгибая в локтевом суставах.
На рис. 4 представлена динамика скоростей движений суставов в горизонтальной и вертикальной плоскостях при ходьбе. Показано, что у детей, больных ДЦП, минимальное значение скорости движения голеностопного сустава, равное –1025,23 мм/с, наблюдалось в третьей фазе цикла, а максимальное, равное 517,94 (мм/с), – в фазе 5.2. Таким образом, изменение скорости в горизонтальной плоскости у детей с ДЦП имело более выраженный характер с резким увеличением скорости в четвертой фазе, тогда как изменение скорости у здоровых детей имело более пологий характер.
При изучении динамики скорости движения коленного сустава в горизонтальной плоскости в течение локомоторного цикла были получены данные, аналогичные голеностопному суставу. Однако значения скорости у детей с ДЦП в голеностопном суставе в горизонтальной плоскости были достоверно выше, чем в коленном.
Динамика скорости тазобедренного сустава в горизонтальной плоскости имела трехфазный характер, с экстремальными значениями в третьей, пятой и шестой фазах ходьбы. В группе здоровых детей скорость достигала наибольшего значения во вторую фазу. В целом скорость тазобедренного сустава в горизонтальной плоскости у детей с ДЦП была выше, чем у здоровых. При анализе изменения скорости тазобедренного сустава в вертикальной плоскости было показано, что у детей с ДЦП она резко повышалась во второй и пятой фазах локомоторного цикла, тогда как в группе здоровых детей скорость имела максимальное значение в первой фазе – 629,50 мм/с, а затем снижалась в течение всего цикла ходьбы.
При исследовании скорости голеностопного сустава в вертикальной плоскости при ходьбе в группе детей с ДЦП было выявлено два экстремума: минимум составил –600,89 мм/с, а максимум – 486,32 мм/с, причем скорость в группе здоровых детей на всем протяжении цикла была достоверно выше, чем в группе детей с ДЦП. Максимальное значение скорости движения коленного сустава в вертикальной плоскости у детей с ДЦП наблюдалось в шестой фазе, тогда как в группе здоровых детей – во второй половине пятой фазы. Таким образом, у здоровых детей коленный сустав двигался вверх в первой половине шага, затем перемещался вниз. У детей, больных ДЦП, движение колена вверх происходило позже, во второй половине шага совершались колебательные движения вверх и вниз.
и вертикальной плоскостях при ходьбе по горизонтальной поверхности
Движения верхних конечностей относительно всех плоскостей совершались в противофазе к движениям нижних конечностей. Кинематические кривые, описывающие движения рук, имели форму, близкую к синусоидальной (с периодом, равным циклу ходьбы). Скорость движения плечевого сустава в горизонтальной плоскости в обеих группах имела максимальное значение в первой фазе, которое затем снижалось в течение всего цикла ходьбы.
Принципиальные различия были выявлены при исследовании скорости плечевого сустава в вертикальной плоскости. Так, в группе детей с ДЦП максимальное значение скорости достигалось в первой фазе, а минимальное – в фазе 5.2. Таким образом, было показано, что в группе детей с ДЦП в начальной фазе ходьбы происходило смещение плечевого сустава вверх, затем плечо смещалось вниз, а в заключительных фазах опять поднималось наверх. В группе здоровых детей, наоборот, в первой фазе ходьбы наблюдалось смещение плеча вниз, далее, в течение всего цикла, происходил подъем вверх и в заключительной фазе – опять смещение плечевого сустава вниз.
Скорость движения локтевого сустава в вертикальной плоскости в группе детей с ДЦП имела минимальные значения в четвертой фазе ходьбы, причем значения скорости в течение всего цикла ходьбы у здоровых детей были достоверно выше, чем у детей с ДЦП. Скорость в горизонтальной плоскости в группе детей с ДЦП незначительно колебалась во всех фазах цикла, при этом минимальное значение, равное –396,21 мм/с, регистрировалось в первой фазе ходьбы. В группе здоровых детей скорость имела максимальное значение во второй фазе цикла, а минимальное, равное –331,23 (мм/с), – в фазе 5.1. Таким образом, в процессе ходьбы в группе детей с ДЦП отмечалось увеличение скорости движения локтевого сустава в горизонтальной плоскости, по сравнению с группой здоровых детей.
Скорость движения лучезапястного сустава в горизонтальной плоскости у больных ДЦП была минимальной в четвертой фазе цикла (–458,32 мм/с), а в группе здоровых детей минимальное значение, равное –475,57 мм/с, достигалось в фазе 5.1. В обеих группах в первую фазу ходьбы наблюдалось резкое снижение скорости в горизонтальной плоскости с последующим ее увеличением в заключительной фазе цикла. Кроме того, в вертикальной плоскости у детей с ДЦП наблюдались колебания скорости движения запястья в течение всего цикла ходьбы, тогда как у здоровых детей в заключительной фазе цикла происходил резкий подъем запястья вверх (см. рис. 4).
Полученные результаты позволяют выделить основные отличия в построении динамического стереотипа ходьбы по горизонтальной поверхности у детей, больных ДЦП. Динамика углов в суставах нижних конечностей качественно не различалась. При этом угол сгибания в тазобедренном суставе у больных ДЦП был несколько выше.
Однако со стороны скоростей и направления перемещений частей тела наблюдались выраженные различия. ОЦТ у здорового ребенка перемещалось вперед и вверх преимущественно в первой половине шага. У больных детей движение начиналось с перемещения вниз, основное смещение вперед происходило во второй фазе шага и сопровождалось некоторым подъемом вверх.
Движения коленного и голеностопного суставов в горизонтальной плоскости осуществлялись одинаково, хотя у больных детей скорость перемещения голеностопного сустава была выше. Однако в вертикальной плоскости движение коленного сустава у больных ДЦП отличалось принципиально. У здоровых детей колено двигалось вверх в первой половине шага, затем перемещалось вниз. У детей, больных ДЦП, движение колена вверх запаздывало, во второй половине шага совершалось 2–3 колебательных движения вверх-вниз. Такой дисбаланс проявляется и в большей скорости движения вниз голеностопного сустава у больных детей.
Выраженные различия между здоровыми детьми и страдающими ДЦП обнаружены в работе верхних конечностей. Прежде всего, для больных характерны большие величины углов в плечевом суставе и меньшие – в локтевом на всем протяжении шага.
Характер движения плеча по горизонтали у здоровых и больных существенно не различался. В то же время в вертикальной плоскости движения были противоположны. У здоровых начало шага сопровождалось движением плеча вниз, затем на всем протяжении шага плечо перемещалось вверх и в заключительной фазе снова опускалось. У больных детей, напротив, плечо в начале шага перемещалось вверх, затем в течение всего шага смещалось вниз, в последней фазе вновь отмечался подъем. Интересно отметить, что как у больных, так и у здоровых детей движения ОЦТ и плечевого пояса на протяжении всего шага совершались в противофазе.
Движения локтя и запястья у здоровых детей совпадали по фазе как по горизонтали, так и по вертикали. Начало шага сопровождалось движением руки вперед и вверх, в третью – пятую фазы – назад и вниз, затем снова вверх. У детей, больных ДЦП, движения локтя и запястья по горизонтали осуществлялись в противофазе – шаг начинался с движения локтя назад, а запястья – вперед. В третью – пятую фазы направления менялись – локоть двигался вперед, а запястье назад. В вертикальной плоскости у больных детей мы наблюдали медленные движения запястья вверх-вниз.
Основными отличиями динамического стереотипа ходьбы по ровной поверхности у детей, больных ДЦП, являются задержка перемещения ОЦТ вперед (оно происходит во вторую половину шага) и дезорганизация движений нижних конечностей (особенно колена) в вертикальной плоскости. Из
менения структуры движения плечевого пояса и верхних конечностей можно рассматривать как компенсаторные – вертикальные перемещения плеча подстраиваются под движения ОЦТ, оставаясь в противофазе к последним. Происходит рассогласование движений локтя и запястья – они так же перемещаются в противофазе.
Выявленные биомеханические особенности ходьбы у детей, страдающих ДЦП, могут послужить основой для разработки программ реабилитации.
Литература
- Семенова К.А. Восстановительное лечение детей с перинатальным поражением нервной системы и детским церебральным параличом. М. : Закон и порядок, 2007. 616 с.
- Imms C. Children with cerebral palsy participate: a review of the literature // Disabil. Rehabil. 2008. Vol. 11/30;30(24). P. 1867–1884.
- Дубровский В.И., Федорова В.Н. Патологическая биомеханика // Биомеханика : учеб. для сред. и высш. учеб. заведений. М. : Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. С. 591–628.
- Петрушанская К.А., Витензон А.С. Исследование структуры ходьбы больных детским церебральным параличом // Российский журнал биомеханики. 2005. Т. 9, № 3. Р. 56–69.
- Витензон А.С. Закономерности нормальной и патологической ходьбы человека. М. : Зеркало-М, 2003. 271 с.
- Никитин С.Н. Теория автоматического регулирования – методологическая основа процесса оптимального управления двигательными действиями // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2006. № 5. С. 76–83.
- Капилевич Л.В. Физиологический контроль технической подготовленности спортсменов // Теория и практика физической культуры. № 11. С. 12–15.
- Витензон А.С., Петрушанская К.А. От естественного к искусственному управлению локомоцией. М. : Научно-медицинская фирма МБН, 448 с.
- Krivoshchekov S.G., Lushnikov O.N. Psychophysiology of sports addiction (exercises addiction) // Fiziologiia cheloveka. 2011. № 37 (4). Р. 135–140.
| С.Д. Коршунов, К.В. Давлетьярова, Л.В. Капилевич Томский государственный университет, г. Томск |