RU2847427C1 - Method for controlling stepping movements by means of transcutaneous electrical spinal-muscular stimulation - Google Patents
Method for controlling stepping movements by means of transcutaneous electrical spinal-muscular stimulationInfo
- Publication number
- RU2847427C1 RU2847427C1 RU2024128757A RU2024128757A RU2847427C1 RU 2847427 C1 RU2847427 C1 RU 2847427C1 RU 2024128757 A RU2024128757 A RU 2024128757A RU 2024128757 A RU2024128757 A RU 2024128757A RU 2847427 C1 RU2847427 C1 RU 2847427C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stimulation
- spinal cord
- leg
- walking
- muscles
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к области медицины, в частности к нейрофизиологии, и может быть использовано в неврологии, травматологии и ортопедии при реабилитации больных после заболеваний и/или травматических повреждений головного мозга и/или спинного мозга, следствием которых является нарушение функции ходьбы.The invention relates to the field of medicine, in particular to neurophysiology, and can be used in neurology, traumatology and orthopedics in the rehabilitation of patients after diseases and/or traumatic injuries to the brain and/or spinal cord, the consequence of which is a violation of walking function.
Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for the creation of the invention
Травмы спинного мозга (ТСМ) возникают вследствие падений с высоты, дорожно-транспортных происшествий, занятий спортом и т.п. Степень связанных с ТСМ нарушений зависит от степени повреждения спинного мозга и от локализации травмы в спинном мозге. ТСМ приводит к полной или неполной потере сенсорных и/или двигательных функций организма ниже уровня травмы. При параплегии нижних конечностей функции рук сохраняются; при тетраплегии - поражаются. ТСМ негативно сказывается на способности выполнять повседневные действия, включая ходьбу. Spinal cord injuries (SCI) occur as a result of falls from height, motor vehicle accidents, sports activities, and other causes. The severity of SCI-related impairments depends on the extent of the spinal cord injury and the location of the injury within the spinal cord. SCI results in complete or partial loss of sensory and/or motor functions below the level of injury. In paraplegia of the lower extremities, arm function is preserved; in tetraplegia, arm function is impaired. SCI negatively impacts the ability to perform daily activities, including walking.
На современном этапе развития науки и техники в клинической практике используется способ чрескожной электрической стимуляции спинного мозга (ЧЭССМ). ЧЭССМ применяют для реабилитации ходьбы у пациентов с неполным поражением спинного мозга (ASIA C, D по классификации American Spinal Injury Association) [1, 2]. В случае паралича движений ног (полная параплегия, ASIA A, B) такая стимуляция обеспечивает независимое стояние [3], произвольные движения ног в безопорном положении (лежа на спине или на боку) [4], ходьбу с посторонней помощью, обеспечивающей продвижение вперед [5]. Пациенты с ТСМ при ЧЭССМ не способны осуществлять полноценное проталкивание тела в конце фазы опоры, которое зависит от активности мышц задней поверхности голени, вследствие чего, самостоятельное шагание оказывается затруднительным. Кроме того, отсутствие активности мышц передней поверхности голени приводит к волочению стоп во время фазы переноса, следствием чего является спотыкание, которое может привести к падению пациента. По этим причинам воспроизводить правильный, полноценный, качественный шаг при электрической стимуляции спинного мозга у пациентов с полной параплегией вследствие ТСМ не представляется возможным. At the current stage of scientific and technological development, transcutaneous electrical spinal cord stimulation (TESS) is used in clinical practice. TESS is used for gait rehabilitation in patients with incomplete spinal cord injury (ASIA C, D according to the American Spinal Injury Association classification) [1, 2]. In case of paralysis of leg movements (complete paraplegia, ASIA A, B), such stimulation ensures independent standing [3], voluntary leg movements in an unsupported position (lying on the back or on the side) [4], and walking with assistance that ensures forward movement [5]. Patients with SCI undergoing TESS are unable to fully push the body forward at the end of the stance phase, which depends on the activity of the muscles of the back of the leg, as a result of which independent walking is difficult. In addition, the lack of activity of the muscles of the front of the leg leads to dragging of the feet during the swing phase, which results in stumbling, which can lead to a fall. For these reasons, it is not possible to reproduce a correct, full, high-quality step during electrical stimulation of the spinal cord in patients with complete paraplegia due to SCI.
ЧЭССМ активирует не отдельные мышцы, а группы мышц. После полного повреждения спинного мозга отсутствие двигательной активности приводит к атрофии мышц. Уже через несколько месяцев после ТСМ мышцы теряют свою возбудимость. При использовании стандартных коммерческих электрических стимуляторов [6] эти мышцы могут не отвечать на ЧЭССМ. В таких случаях необходима адресная активация мышц, необходимых для инициации и активации проталкивания.TSCS activates muscle groups rather than individual muscles. Following complete spinal cord injury, the lack of motor activity leads to muscle atrophy. Within a few months after SCI, muscles lose their excitability. When using standard commercial electrical stimulators [6], these muscles may not respond to TSCS. In such cases, targeted activation of the muscles necessary for initiating and activating propulsion is necessary.
Активность мышц ног во всех фазах и эпизодах шага известна из многочисленных исследований [7]. Возможность использования ЧЭССМ для активации мышц ног доказана [8, 9]. Возможность активировать мышцы ног с применением ЧЭССМ в зависимости от фаз шага на стороне стимуляции также известна [10] и применяется для реабилитации самостоятельной ходьбы у пациентов с гемипарезом вследствие острого нарушения мозгового кровообращения (инсульт) [11]. Последний способ увеличивает устойчивость пораженной ноги во время фазы опоры и улучшает качество фазы переноса неповрежденной ноги во время опоры. Однако, данный способ не может быть использован для активации проталкивания тела в фазе опоры у пациентов с ТСМ вследствие параплегии.Leg muscle activity in all phases and episodes of the step is known from numerous studies [7]. The possibility of using TSCS to activate leg muscles has been proven [8, 9]. The possibility of activating leg muscles using TSCS depending on the step phases on the stimulation side is also known [10] and is used to rehabilitate independent walking in patients with hemiparesis due to acute cerebrovascular accident (stroke) [11]. The latter method increases the stability of the affected leg during the stance phase and improves the quality of the swing phase of the uninjured leg during stance. However, this method cannot be used to activate body propulsion during the stance phase in patients with SCI due to paraplegia.
Известны исследования по использованию программируемой миостимуляции в циклических видах спорта для совершенствования спортивного мастерства посредством селективной активации мышц ног в определенные фазы шагательного цикла. Другим способом стимуляционного воздействия на опорно- двигательный аппарат является функциональная электрическая стимуляция (ФЭС), используемая для искусственной коррекции двигательных стереотипов при ходьбе. ФЭС проводится на фоне двигательной активности пациента (пассивные, активные движения, механотерапия) и обеспечивает стимуляцию двигательного нерва или мышцы в ту фазу движения, когда мышца активна во время естественного произвольного движения [12]. Двигательные эффекты ЧЭССМ и ФЭС сочетаются [13].Research has been conducted on the use of programmable myostimulation in cyclic sports to improve athletic performance through selective activation of the leg muscles during specific phases of the gait cycle. Another method of stimulating the musculoskeletal system is functional electrical stimulation (FES), used to artificially correct motor stereotypes during walking. FES is performed during the patient's motor activity (passive, active movements, mechanotherapy) and provides stimulation of the motor nerve or muscle during the phase of movement when the muscle is active during natural voluntary movement [12]. The motor effects of TSCS and FES are combined [13].
При этом ни один из известных способов не позволяет осуществлять полноценное управление движением пациентов с ТСМ, при котором обеспечивается вертикальная поза (стояние) пациента и все фазы ходьбы, когда пациент имеет возможность управлять движением стопы.However, none of the known methods allows for full control of the movement of patients with SCI, which ensures the patient's upright posture (standing) and all phases of walking, when the patient has the ability to control the movement of the foot.
Таким образом, существует потребность в разработке нового способа (методики) управления локомоторной функцией. Именно этому посвящена настоящая заявка.Thus, there is a need to develop a new method (technique) for controlling locomotor function. This is the focus of this application.
Суть изобретенияThe essence of the invention
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в циклической активации мышц ног при электрической стимуляции спинного мозга и обеспечения проталкивания тела и переноса правой и левой ноги посредством прямой стимуляции мышц голени в соответствующие фазы шагательного цикла для осуществления самостоятельной ходьбы у пациентов с ТСМ.The technical problem addressed by the present invention is the cyclic activation of leg muscles by electrical stimulation of the spinal cord and the provision of body propulsion and transfer of the right and left legs by direct stimulation of the calf muscles in the corresponding phases of the walking cycle to achieve independent walking in patients with SCI.
Техническим результатом, на который направлено предлагаемое техническое решение, является разработка стимуляционных воздействий на структуры спинного мозга и мышц голени для управления структурой шагательных движений. The technical result, which the proposed technical solution is aimed at, is the development of stimulating effects on the structures of the spinal cord and the muscles of the lower leg to control the structure of stepping movements.
Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет того, что способ управления шагательными движениями у пациентов с травматическими повреждениями и/или заболеваниями спинного и/или головного мозга с использованием чрескожной электрической стимуляции заключается в том, что одновременно используют непрерывную стимуляцию спинного мозга на уровне позвонков C5-C6, T11-T12 и L1-L2 и пространственно-временную стимуляцию мышц сгибателей и разгибателей голени в соответствующие фазы шагательного цикла для управления движения стопы. The technical result of the claimed invention is achieved due to the fact that the method for controlling stepping movements in patients with traumatic injuries and/or diseases of the spinal cord and/or brain using transcutaneous electrical stimulation consists in the simultaneous use of continuous stimulation of the spinal cord at the level of the C5-C6, T11-T12 and L1-L2 vertebrae and spatiotemporal stimulation of the flexor and extensor muscles of the lower leg in the corresponding phases of the stepping cycle to control the movement of the foot.
Кроме того, запуск и прекращение непрерывной стимуляции спинного мозга осуществляется мануально.In addition, continuous spinal cord stimulation is started and stopped manually.
Кроме того, запуск и прекращение пространственно-временной стимуляции мышц сгибателей и разгибателей голени осуществляется посредством сигнала с гироскопов, расположенных над коленным суставом нижней конечности.In addition, the start and stop of spatiotemporal stimulation of the flexor and extensor muscles of the lower leg is carried out by means of a signal from gyroscopes located above the knee joint of the lower limb.
Кроме того, стимуляцию мышц сгибателей голени осуществляют в фазе переноса нижней конечности, а стимуляцию мышц разгибателей голени - в фазе опоры нижней конечности.In addition, stimulation of the lower leg flexor muscles is carried out in the lower limb transfer phase, and stimulation of the lower leg extensor muscles is carried out in the lower limb support phase.
Кроме того, временной интервал для стимуляции мышц сгибателей или разгибателей голени задают независимо в процентном соотношении от длительности цикла ходьбы, начиная с первого шага. In addition, the time interval for stimulating the flexor or extensor muscles of the lower leg is set independently as a percentage of the duration of the gait cycle, starting from the first step.
Ходьба человека является перемещением тела в пространстве, что достигается переносом центра масс за пределы площади опоры. Ходьба человека может быть описана чередованием циклических движений правой и левой ноги. Цикл каждого шага делится на период опоры и период переноса. Каждый период опоры включает в себя два эпизода двойной опоры, когда ступни обеих ног находятся в контакте с опорой. Перемещение тела вперед происходит в эпизоды двойной опоры. Перемещение тела вперед обеспечивается проталкиванием (отталкиванием, push off) одной ногой от поверхности опоры, происходящим за счет активного подошвенного сгибания в голеностопном суставе (plantar flexion), [4]. При подошвенном сгибании стопы угол в голеностопном суставе увеличивается и происходит перемещение туловища (центра масс) вверх и вперед, при этом контралатеральная нога обеспечивает опору. Human walking is the movement of the body through space, achieved by shifting the center of mass beyond the support surface. Human walking can be described by the alternating cyclical movements of the right and left legs. The cycle of each step is divided into a support period and a swing period. Each support period includes two episodes of double support, when the feet of both legs are in contact with the support surface. Forward body movement occurs during episodes of double support. Forward movement is achieved by pushing off one leg from the support surface, which occurs through active plantar flexion at the ankle joint [4]. With plantar flexion of the foot, the angle at the ankle joint increases, and the torso (center of mass) moves upward and forward, with the contralateral leg providing support.
Изобретение предназначено для пациентов с ТСМ, которые:The invention is intended for patients with SCI who:
- могут осуществлять шагоподобные движения ногами самостоятельно или с использованием ЧЭССМ в безопорном положении (лежа на спине или на боку), - can perform step-like movements with their legs independently or using the TSCS in an unsupported position (lying on their back or on their side),
- могут стоять независимо, или с использованием средств технической реабилитации (костыли, трости, ходунки и т.п.), или с применением ЧЭССМ,- can stand independently, or with the use of technical rehabilitation equipment (crutches, canes, walkers, etc.), or with the use of TECS,
- стоя, не могут сделать шаг.- standing, they cannot take a step.
Уникальность и новизна заявляемого изобретения заключается в интеграции спинальных и периферических механизмов управления движений. Спинальная стимуляция адресуется к нейронным локомоторным сетям, а стимуляция периферических нервов и/или мышц воздействует на определённые моторные пулы и мышцы, регулируя фазы (переноса и опоры) шагательного цикла. Сочетанная спинально-мышечная стимуляция обеспечивает координированную, полноценную ходьбу, которая не может быть достигнута только спинальной или периферической стимуляцией. The uniqueness and novelty of the claimed invention lies in the integration of spinal and peripheral motor control mechanisms. Spinal stimulation targets neural locomotor networks, while stimulation of peripheral nerves and/or muscles affects specific motor pools and muscles, regulating the phases (swing and support) of the gait cycle. Combined spinal-muscular stimulation enables coordinated, full-fledged gait, which cannot be achieved with spinal or peripheral stimulation alone.
Используя спинально-периферическую стимуляцию, сочетающую непрерывную стимуляцию локомоторных нейронных сетей и пространственно-временную стимуляцию сгибательных или разгибательных мышц голени в шагательном цикле возможно управление ходьбой человека, в частности, селективное управление движением стопы. Таким образом, разработанный способ позволяет создавать новый паттерн движения, при котором пациент имеет возможность управлять шагательными движениями с регуляцией движений стопы. Using spinal-peripheral stimulation, which combines continuous stimulation of locomotor neural networks and spatiotemporal stimulation of the flexor or extensor muscles of the lower leg during the gait cycle, it is possible to control human gait, specifically, selectively control foot movement. Thus, the developed method enables the creation of a new movement pattern, enabling the patient to control stepping movements while regulating foot movement.
Термины и определенияTerms and definitions
Определения некоторых терминов, используемых в данном описании, приведены ниже. Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.Definitions of certain terms used in this specification are provided below. Unless otherwise defined, technical and scientific terms in this application have standard meanings generally accepted in the scientific and technical literature.
В настоящем описании и в формуле изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя», «имеющий», «снабженный», «содержащий» и другие их грамматические формы не предназначены для истолкования в исключительном смысле, а, напротив, используются в неисключительном смысле (т.е. в смысле «имеющий в своем составе»). В качестве исчерпывающего перечня следует рассматривать только выражения типа «состоящий из».In the present description and in the claims, the terms "includes," "including," "includes," "having," "provided with," "containing," and their other grammatical forms are not intended to be interpreted in an exclusive sense, but, on the contrary, are used in a non-exclusive sense (i.e., in the sense of "having in its composition"). Only expressions such as "consisting of" should be considered as an exhaustive list.
Под «регуляцией ходьбы», «контролем ходьбы» понимается управление характеристиками ходьбы в целом (скорость, амплитуда шага, длительность), и ее составляющими, например, фазами шагательного цикла (перенос, опора).By “regulation of walking” or “control of walking” we mean the control of walking characteristics as a whole (speed, step amplitude, duration), and its components, for example, the phases of the walking cycle (transfer, support).
Термин «стимуляция» относится к электрическому воздействию переменным током, при этом под «непрерывной стимуляцией» понимается стимуляция, начало и конец которой не зависят от ритмических движений неповрежденных (не затронутых патологическим процессом, ставшим причиной гемиплегии) рук и ног; под «прерывистой (ритмической) стимуляций» понимается стимуляция, начало и конец которой синхронизированы с ритмическими движениями ног, при этом под «пространственно-временной стимуляцией» подразумевают стимуляцию мышц голени, при которой начало и конец этой стимуляции зависит от фазы движений ног.The term "stimulation" refers to the application of alternating current to the electrical stimulation, where "continuous stimulation" refers to stimulation whose onset and end are independent of the rhythmic movements of the intact (not affected by the pathological process that caused the hemiplegia) arms and legs; "intermittent (rhythmic) stimulation" refers to stimulation whose onset and end are synchronized with the rhythmic movements of the legs; and "spatiotemporal stimulation" refers to stimulation of the calf muscles where the onset and end of this stimulation depend on the phase of the leg movements.
Примерами заболеваний головного мозга и/или спинного мозга, следствием которых является нарушение функции ходьбы являются инсульт головного или спинного мозга, дегенеративные и воспалительные заболевания головного или спинного мозга, ятрогенные заболевания.Examples of diseases of the brain and/or spinal cord that result in impaired walking function include stroke of the brain or spinal cord, degenerative and inflammatory diseases of the brain or spinal cord, and iatrogenic diseases.
Примерами повреждений головного мозга и/или спинного мозга являются сотрясение головного мозга, сдавление головного мозга, ушиб головного мозга, кровоизлияние головного мозга вследствие удара по голове, сотрясение спинного мозга, ушиб спинного мозга, сдавление спинного мозга, анатомический разрыв спинного мозга, гематомиелия спинного мозга, гематораксис спинного мозга, повреждение магистрального сосуда спинного мозга, повреждения корешков спинномозговых нервов. После перенесения указанных выше заболеваний или повреждений в качестве последствий у пациентов может быть нарушение моторики и функций опорно-двигательного аппарата, которые выражаются в парезе или параличе конечностей, потере чувствительности тела, отсутствии координации. Examples of brain and/or spinal cord injuries include concussion, brain compression, brain contusion, cerebral hemorrhage due to a blow to the head, spinal cord concussion, spinal cord contusion, spinal cord compression, anatomical spinal cord rupture, spinal cord hematomyelia, spinal cord hemothoraxis, injury to a major spinal vessel, and spinal nerve root injury. Following the aforementioned illnesses or injuries, patients may experience impaired motor skills and musculoskeletal function, manifested by limb paresis or paralysis, loss of sensation, and lack of coordination.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Прилагаемые чертежи, которые включены в состав настоящего описания и являются его частью, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с вышеприведенным общим описанием изобретения и нижеприведенным подробным описанием вариантов осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертежах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых деталей или элементов конструкции.The accompanying drawings, which are incorporated into and form a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the foregoing general description of the invention and the following detailed description of embodiments, serve to explain the principles of the present invention. Throughout the drawings, like reference numerals are used to designate like parts or structural elements.
На фиг. 1 представлена схема размещения электродов для электрической стимуляции спинного мозга и мышц ног. А - вид сзади. Б - вид спереди. C - катоды; ASC - аноды для многоуровневой стимуляции спинного мозга; ATA - анод для стимуляции передней большеберцовой мышцы (m. tibialis ant.); AMG - анод для стимуляции икроножной мышцы (m. gastrocnemius).Fig. 1 shows the diagram of the placement of electrodes for electrical stimulation of the spinal cord and leg muscles. A - posterior view. B - anterior view. C - cathodes; ASC - anodes for multilevel stimulation of the spinal cord; ATA - anode for stimulation of the anterior tibialis muscle (m. tibialis ant.); AMG - anode for stimulation of the gastrocnemius muscle (m. gastrocnemius).
На фиг. 2А представлена траектория движений маркера, расположенного на большом пальце ноги (траектория конечной точки) при ходьбе по беговой дорожке. А. Зеленые стрелки показывают начало фазы опоры, красные стрелки - начало фазы переноса. Б. Зеленые стрелки показывают момент начала стимуляции MG в фазе опоры, красные стрелки показывают момент начала стимуляции TA в фазе переноса.Fig. 2A shows the trajectory of the marker located on the big toe (the end point trajectory) during walking on a treadmill. A. Green arrows indicate the beginning of the stance phase, red arrows indicate the beginning of the swing phase. B. Green arrows indicate the onset of MG stimulation during the stance phase, red arrows indicate the onset of TA stimulation during the swing phase.
На фиг.2Б изображена схема измерения углов в суставах и линейных перемещений антропометрических точек. Плч, Врт, Вбц, Нбц, Кнч - плечевая, вертельная, верхнеберцовая, нижнеберцовая, конечная антропометрические точки, соответственно. 1, 2, 3- тазобедренный, коленный, голеностопный суставные углы, соответственно. Х, Z - сагиттальное и вертикальное направления движения, соответственно.Fig. 2B shows a diagram for measuring joint angles and linear displacements of anthropometric points. H, Vrt, Vbc, Nbc, Knch are the humeral, trochanteric, upper tibial, lower tibial, and terminal anthropometric points, respectively. 1, 2, 3 are the hip, knee, and ankle joint angles, respectively. X, Z are the sagittal and vertical directions of movement, respectively.
На фиг. 3 изображена структура шагательного цикла при ходьбе на беговой дорожке без стимуляции (Контроль), при электрической стимуляции икроножной мышцы правой ноги (Стимуляция MG) в фазе опоры, при электрической стимуляции передней большеберцовой мышцы правой ноги (Стимуляция ТА) в фазе переноса.Fig. 3 shows the structure of the stepping cycle during walking on a treadmill without stimulation (Control), with electrical stimulation of the gastrocnemius muscle of the right leg (MG Stimulation) in the support phase, and with electrical stimulation of the anterior tibialis muscle of the right leg (TA Stimulation) in the swing phase.
На фиг. 4 изображены диаграммы, характеризующие изменение высоты подъёма конечности (подъём стопы) и время подъема конечности (время подъёма стопы) от момента отталкивания до максимальной точки над опорой при электрической стимуляции мышц MG отдельно и при сочетанной стимуляции MG и TA правой ноги относительно шагательных движений без стимуляции (% от начального условия, 100% - контроль).Fig. 4 shows diagrams characterizing the change in the height of the limb lift (foot lift) and the time of limb lift (foot lift time) from the moment of push-off to the maximum point above the support with electrical stimulation of the MG muscles separately and with combined stimulation of the MG and TA of the right leg relative to stepping movements without stimulation (% of the initial condition, 100% - control).
На фиг. 5 изображены траектории движения конечной точки (маркер расположен на большом пальце ноги) при ходьбе на беговой дорожке при различных видах стимуляции (синие линии) и без стимуляции (красные линии).Fig. 5 shows the trajectories of the end point (the marker is located on the big toe) when walking on a treadmill with different types of stimulation (blue lines) and without stimulation (red lines).
Обозначения:Designations:
MG - стимуляция мышц сгибателей-разгибателей нижней конечности (в представленном исследовании стимуляция икроножной мышцы правой ноги),MG - stimulation of the flexor-extensor muscles of the lower limb (in the presented study, stimulation of the gastrocnemius muscle of the right leg),
TA - стимуляция мышц сгибателей-разгибателей нижней конечности (в представленном исследовании стимуляция передней большеберцовой мышцы правой ноги),TA - stimulation of the flexor-extensor muscles of the lower limb (in the presented study, stimulation of the anterior tibialis muscle of the right leg),
SCS - стимуляция спинного мозга,SCS - spinal cord stimulation,
HIP - угловые перемещения тазобедренного сустава при ходьбе по беговой дорожке, HIP - angular displacements of the hip joint when walking on a treadmill,
KNEE - угловые перемещения коленного сустава при ходьбе по беговой дорожке,KNEE - angular displacements of the knee joint when walking on a treadmill,
ANKLE - угловые перемещения голеностопного сустава при ходьбе по беговой дорожке.ANKLE - angular movements of the ankle joint when walking on a treadmill.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
В целом, настоящее изобретение относится к разработке новой технологии электрической спинально-мышечной стимуляции для управления шагательными движениями, которая включает элементы нейрореабилитации и протезирования двигательных функций. Непрерывная стимуляция спинного мозга активирует нейронные спинальные сети и задействует механизмы генерации шагательного ритма и механизмы межконечностной координации, а пространственно-временная стимуляция определяет, какие мышцы должны активироваться в шагательном цикле и в какое время, чтобы обеспечить опору и перенос конечности. Суть изобретения заключается в обеспечении стимуляционно регулируемой локомоции парализованных пациентов.In general, the present invention relates to the development of a new technology for electrical spinal muscle stimulation to control walking movements, which incorporates elements of neurorehabilitation and motor prosthetics. Continuous spinal cord stimulation activates spinal neural networks and engages mechanisms that generate the walking rhythm and interlimb coordination, while spatiotemporal stimulation determines which muscles should be activated during the walking cycle and at what time to ensure support and limb transfer. The essence of the invention lies in providing stimulation-controlled locomotion in paralyzed patients.
В настоящем изобретении предлагается использовать мышечную стимуляцию. Однако, возможна и стимуляция нервов в тех случаях, когда у пациентов наблюдается атрофия мышц. Существенным ограничением использования периферической стимуляции нервов является ненадежная фиксация стимулирующих электродов в проекции нерва. При движении они, как правило, смещаются, и стимуляция становится нестабильной. Поэтому преимущественно ее используют в условиях покоя пациента. Так, периферическая стимуляция нерва n. tibialis (большеберцовый нерв) активирует разгибательные мышцы (m. gastrocnemius (икроножная мышца) и m. soleus (камбаловидная мышца) и вызывает плантарную флексию стопы, а стимуляция нерва n. peroneus (малоберцовый нерв) активирует сгибательную мышцу (m. tibials ant (переднюю большеберцовую мышцу)) и вызывает дорсальную флексию стопы. В первом случае стопа опускается вниз, во втором случае - поднимается вверх. В предпочтительном варианте осуществления изобретения осуществляют стимуляцию непосредственно мышц голени таких как m. tibials ant (переднюю большеберцовую мышцу) и m. gastrocnemius (икроножная мышца). The present invention proposes the use of muscle stimulation. However, nerve stimulation is also possible in cases where patients experience muscle atrophy. A significant limitation of peripheral nerve stimulation is the unreliable fixation of the stimulating electrodes in the nerve projection. With movement, they tend to shift, making stimulation unstable. Therefore, it is primarily used when the patient is at rest. Thus, peripheral stimulation of the n. The tibialis (tibial nerve) activates the extensor muscles (m. gastrocnemius (gastrocnemius muscle) and m. soleus (soleus muscle) and causes plantar flexion of the foot, and stimulation of the n. peroneus (peroneal nerve) activates the flexor muscle (m. tibials ant (anterior tibial muscle)) and causes dorsal flexion of the foot. In the first case, the foot is lowered down, in the second case, it is raised up. In a preferred embodiment of the invention, stimulation of the lower leg muscles such as m. tibials ant (anterior tibial muscle) and m. gastrocnemius (gastrocnemius muscle) is carried out directly.
Алгоритм стимуляции заключается в следующем. Первоначально включается (мануально) непрерывная чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга на уровне позвонков С5-С6, Т11-Т12, L1-L2, затем пациент начинает выполнять шагательные движения с помощью физиотерапевта или самостоятельно. В том случае, если пациент не может самостоятельно сделать первый шаг, первые несколько шагов пациент делает пассивно с внешней помощью. Детектирование фаз шагательного цикла обеспечивается гироскопами.The stimulation algorithm is as follows. Initially, continuous transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord is applied (manually) at the C5-C6, T11-T12, and L1-L2 vertebrae. The patient then begins stepping movements with the assistance of a physical therapist or independently. If the patient is unable to take the first step independently, the first few steps are taken passively with external assistance. Gyroscopes detect the phases of the stepping cycle.
На третьем шаге пациента, в предпочтительном примере осуществления, срабатывает триггер (сигнал с гироскопа передается на средство управления с встроенным программным обеспечением, выполненным с возможностью расчета длительности шагательного цикла и расчета времени стимуляции мышцы, управлением начала стимуляции мышц) от гироскопа, расположенного над коленным суставом, который детектирует фазу переноса нижней конечности. Далее автоматически определяется длительность шагательного цикла (время от одного переноса нижней конечности до другого), в котором 40% времени отводится фазе переноса и 60% - фазе опоры. During the patient's third step, in the preferred embodiment, a trigger is activated (the gyroscope signal is transmitted to a control unit with embedded software capable of calculating the duration of the stepping cycle and timing muscle stimulation, and controlling the onset of muscle stimulation). The gyroscope, located above the knee joint, detects the swing phase of the lower limb. The duration of the stepping cycle (the time from one swing of the lower limb to the next) is then automatically determined, with 40% of the time allocated to the swing phase and 60% to the stance phase.
Триггер для переноса нижней конечности активирует стимуляцию мышцы m. tibialis ant (переднюю большеберцовую мышцу), которая является сгибателем голеностопного сустава (стопа поднимается вверх). Стимуляция продолжается на протяжении фазы переноса нижней конечности. После ее окончания стимуляция мышц-сгибателей выключается и включается стимуляция разгибательной мышцы m. gastrocnemius (икроножная мышца), которая обеспечивает проталкивание тела вперед (propulsion) и отталкивание ноги в фазе опоры. Далее стимуляция мышц сгибателей и разгибателей голени повторяется по описанному выше алгоритму.The lower limb swing trigger activates stimulation of the tibialis anterior muscle, which flexes the ankle joint (the foot is lifted upward). Stimulation continues throughout the swing phase. After this phase, stimulation of the flexor muscles is turned off and stimulation of the gastrocnemius extensor muscle is activated, which propels the body forward (propulsion) and pushes off the leg during the stance phase. Stimulation of the leg flexor and extensor muscles is then repeated according to the algorithm described above.
Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга и мышц реализуется с применением монополярных прямоугольных импульсов или биполярных прямоугольных импульсов с амплитудой тока от 1 до 200 мА и частотой модуляции в диапазоне от 5 кГц до 10 кГц.Transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord and muscles is performed using monopolar rectangular pulses or bipolar rectangular pulses with a current amplitude of 1 to 200 mA and a modulation frequency in the range of 5 kHz to 10 kHz.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения амплитуда тока не превышает 100 мА, так как предполагается использовать стимуляцию спинного мозга и на пациентах с сохранной чувствительностью.In preferred embodiments of the invention, the current amplitude does not exceed 100 mA, since it is intended to use spinal cord stimulation on patients with intact sensitivity.
Интенсивность тока при стимуляции назначается специалистом/врачом, но может корректироваться пациентом в ограниченном диапазоне. Интенсивность тока подбирается индивидуально в зависимости от возбудимости, индивидуальной величины порога двигательного ответа и болевой чувствительности пациента.The stimulation current intensity is prescribed by a specialist/physician, but can be adjusted by the patient within a limited range. Current intensity is individually selected based on the patient's excitability, motor response threshold, and pain sensitivity.
Частота чрескожной электрической стимуляции лежит в диапазоне 1-99 Гц. The frequency of transcutaneous electrical stimulation is in the range of 1-99 Hz.
Известно, что стимуляция ипсилатеральной конечности оказывает влияние на контралатеральную (противоположную) конечность. При применении пространственно-временной ЧССМ одной конечности билатеральный эффект оказывает схожие, но менее выраженные изменения движений в контралатеральной конечности [15]. В клинических исследованиях на пациентах с инсультом при стимуляции пораженной конечности наблюдается улучшение движений не только в паретичной конечности, но и в условно здоровой ноге. Из полученных результатов можно сделать заключение, что для здоровых испытуемых и пациентов с инсультом можно стимулировать только одну конечность (ипсилатеральную), а для пациентов с ТСМ необходимо стимулировать обе конечности.It is known that stimulation of the ipsilateral limb affects the contralateral (opposite) limb. When applying spatiotemporal tactile stimulation to one limb, the bilateral effect produces similar, but less pronounced, changes in movement in the contralateral limb [15]. In clinical studies on stroke patients, stimulation of the affected limb has been shown to improve movement not only in the paretic limb but also in the relatively healthy leg. These results suggest that stimulation of only one (ipsilateral) limb is appropriate for healthy subjects and stroke patients, while stimulation of both limbs is necessary for patients with SCI.
Ниже приведено подробное описание способа управления шагательными движениями пациента.Below is a detailed description of the method for controlling the patient's walking movements.
Исследование выполнено на базе НИИ Проблем спорта и оздоровительной физической культуры ФГБОУ ВО «Великолукская государственная академия физической культуры и спорта» (ВЛГАФК) с участием здоровых добровольцев (n=8). Все испытуемые мужского пола, средний возраст ~25 лет. The study was conducted at the Research Institute of Sports Problems and Health-Related Physical Culture of the Velikiye Luki State Academy of Physical Culture and Sports (VLGAFK) using healthy volunteers (n=8). All subjects were male, with an average age of 25 years.
Процедура. Во время всех этапов исследований испытуемые шли на беговой дорожке (h/p/cosmos gaitway®) со скоростью 1,5 км/ч. Исследование состояло из восьми последовательных этапов длительностью около 1-1,5 мин каждый (Таблица 1). Первый этап - ходьба без стимуляции - контрольный этап. В семи последующих этапах проводили многоуровневую электрическую стимуляцию спинного мозга и/или мышц нижних конечностей справа (в данном исследовании стимуляция слева не проводилась). В этапах со стимуляцией первые 30 сек испытуемые шли без стимуляции, потом начинали стимуляцию.Procedure. During all stages of the study, subjects walked on a treadmill (h/p/cosmos gaitway®) at a speed of 1.5 km/h. The study consisted of eight consecutive stages, each lasting approximately 1–1.5 minutes (Table 1). The first stage—walking without stimulation—served as a control stage. In the seven subsequent stages, multilevel electrical stimulation of the spinal cord and/or lower extremity muscles was administered on the right side (in this study, stimulation was not performed on the left side). During the stimulation stages, subjects walked without stimulation for the first 30 seconds, then stimulation began.
Таблица 1. Протокол исследования.Table 1. Study protocol.
Электрическая стимуляцияElectrical stimulation
Для стимуляции спинного мозга накожно фиксировали 3 катода (∅ 3 см) на трех уровнях: между позвонками C5-C6, T11-T12 и L1-L2 (фигура 1, А). Электроды размещали по средней линии позвоночника. Два общих анода (5*10 см2) размещали накожно симметрично над гребнями подвздошных костей (фигура 1, Б). Стимуляцию проводили непрерывно биполярными прямоугольными импульсами, следовавшими с частотой 40 Гц на уровне C5-С6, с частотой 30 Гц на уровне T11-Т12 и частотой 15 Гц на уровне L1-L2 в соответствии с результами предыдущих исследований показавших, что такая комбинация стимулирующих воздействия является наиболее эффективной в регуляции шагательных движений. To stimulate the spinal cord, three cathodes (∅ 3 cm) were attached to the skin at three levels: between the C5-C6, T11-T12, and L1-L2 vertebrae (Figure 1, A). The electrodes were placed along the midline of the spine. Two common anodes (5*10 cm2 ) were placed symmetrically on the skin above the iliac crests (Figure 1, B). Stimulation was performed continuously with bipolar rectangular pulses at a frequency of 40 Hz at the C5-C6 level, 30 Hz at the T11-T12 level, and 15 Hz at the L1-L2 level, in accordance with the results of previous studies showing that this combination of stimulating effects is the most effective in regulating stepping movements.
Частота стимуляции на уровне позвонков T11-T12 и L1-L2 выбрана в соответствии с ранее проведенными исследованиями, в которых были определены зависимости «частота стимуляции - величина мышечного ответа» для разных уровней стимуляции спинного мозга [19]. Были выбраны те частоты стимуляции, которые вызывают максимальный мышечный ответ. Для стимуляции на уровне позвонка C5-C6 была выбрана частота, использование которой в предыдущих исследованиях дало хороший реабилитационный эффект [5, 6 и др.] Биполярные импульсы длительностью 1 мсек были заполнены несущей частотой 5 кГц.The stimulation frequency at the T11-T12 and L1-L2 vertebral levels was selected in accordance with previous studies that determined the "stimulation frequency - muscle response magnitude" relationships for different levels of spinal cord stimulation [19]. Those stimulation frequencies were selected that elicit the maximum muscle response. For stimulation at the C5-C6 vertebral level, a frequency was chosen that yielded a good rehabilitation effect in previous studies [5, 6, etc.]. Bipolar pulses with a duration of 1 ms were filled with a carrier frequency of 5 kHz.
Для стимуляции правой передней большеберцовой мышцы (m. tibialis ant.) катод (∅ 3 см) размещали в широкой части мышцы, ниже латерального мыщелка большеберцовой кости, анод - в нижней трети голени, выше перехода мышцы в сухожилие (фигура 1, Б). Стимуляцию проводили монополярными прямоугольными импульсами длительностью 1 мсек, следовавшими с частотой 35 Гц, заполненными несущей частотой 5 кГц. Начало и конец стимуляции зависели от фаз шага левой ноги.To stimulate the right tibialis anterior muscle (m. tibialis ant.), the cathode (∅ 3 cm) was placed in the wide part of the muscle, below the lateral condyle of the tibia, and the anode was placed in the lower third of the leg, above the transition from muscle to tendon (Figure 1, B). Stimulation was performed with monopolar rectangular pulses of 1 msec duration, occurring at a frequency of 35 Hz and filled with a carrier frequency of 5 kHz. The onset and end of stimulation depended on the phases of the left leg's stride.
Для стимуляции правой икроножной мышцы (m. gastrocnemius) катод (∅ 3 см) размещали в широкой части мышцы, между медиальной и латеральной головками мышцы, анод - над ахилловым сухожилием (фигура 1, А). Стимуляцию проводили монополярными прямоугольными импульсами длительностью 1 мсек, следовавшими с частотой 35 Гц, заполненными несущей частотой 5 кГц. Начало и конец стимуляции зависели от фаз шага левой ноги.To stimulate the right gastrocnemius muscle, the cathode (∅ 3 cm) was placed in the wide part of the muscle, between the medial and lateral heads, and the anode was placed above the Achilles tendon (Figure 1, A). Stimulation was performed with monopolar rectangular pulses of 1 msec duration, occurring at a frequency of 35 Hz and filled with a carrier frequency of 5 kHz. The onset and end of stimulation were determined by the phases of the left leg's stride.
Интенсивность стимуляции спинного мозга и мышц подбирали индивидуально для каждого испытуемого во время ходьбы на беговой дорожке, после первого этапа исследования. Интенсивность стимуляции должна была быть такой, чтобы испытуемый ощущал стимуляцию, но при этом не испытывал боль, дискомфорт. The intensity of spinal cord and muscle stimulation was individually adjusted for each subject while they walked on a treadmill after the first stage of the study. The stimulation intensity was set to ensure that the subject could feel the stimulation but did not experience pain or discomfort.
Управление началом и концом стимуляции мышцControlling the start and end of muscle stimulation
Для определения фаз шага ходьбы были использованы датчики, включающие электронный гироскоп и акселерометр. На основании показаний датчика строится оценка угла измерительной оси датчика с вертикалью. Алгоритм оценки состоит в интегрировании сигналов гироскопа с коррекцией по сигналам акселерометра.To determine the phases of a walking stride, sensors including an electronic gyroscope and accelerometer were used. Based on the sensor readings, an estimate of the angle of the sensor's measuring axis with the vertical is constructed. The estimation algorithm consists of integrating the gyroscope signals with correction based on the accelerometer signals.
Датчик был установлен на переднюю поверхность бедра над коленным суставом правой ноги испытуемого. В процессе ходьбы анализировался угол измерительной оси датчика с вертикалью в сагиттальной плоскости. Определялся момент подъема ноги - начала фазы переноса, этому событию соответствует начало сгибания бедра - момент перехода скорости изменения угла бедра с вертикалью с отрицательной на положительную. The sensor was placed on the anterior thigh above the subject's right knee. During walking, the angle of the sensor's measuring axis with the vertical in the sagittal plane was analyzed. The moment of leg lift—the beginning of the swing phase—was determined. This event corresponds to the onset of hip flexion—the moment the rate of change in the hip angle with the vertical changes from negative to positive.
Началом шага принято считать момент постановки ноги на опору, поэтому за начало шага принимали момент, отстоящий от детектированного момента начала переноса ноги на длительность фазы переноса. Длительность фазы переноса принимали равной 40-45% длительности предыдущего цикла ходьбы (времени между двумя последними моментами начала переноса ноги). Алгоритм определения фаз шага настраивался после первых трех шагов.The beginning of a step is considered to be the moment the foot hits the ground. Therefore, the beginning of a step was defined as the moment after the detected moment of the beginning of the foot swing equal to the duration of the swing phase. The duration of the swing phase was assumed to be 40-45% of the duration of the previous gait cycle (the time between the last two moments of the beginning of the foot swing). The step phase detection algorithm was adjusted after the first three steps.
Временной интервал стимуляции задавали независимо для каждого канала стимуляции как заданная часть шагового цикла. Моменты начала и окончания стимуляции задавали в процентном отношении от длительности цикла ходьбы, начиная от начала шага. Затем заданные процентные величины начала и окончания стимуляции программно округлялись до целой величины шестнадцатых долей длительности цикла ходьбы. Таким образом, время начала и окончания стимуляции, Т1 и Т2 соответственно, задавались в виде:The stimulation time interval was set independently for each stimulation channel as a specified fraction of the gait cycle. The stimulation start and end times were set as percentages of the gait cycle duration, starting from the start of the step. These specified stimulation start and end percentages were then programmatically rounded to whole sixteenths of the gait cycle duration. Thus, the stimulation start and end times, T1 and T2, respectively, were set as follows:
Т1 = Т0 + n1 * T/16T1 = T0 + n1 * T/16
Т2 = Т0 + n2 * T/16,T2 = T0 + n2 * T/16,
где Т0 - время начала шага, Т - длительность последнего цикла ходьбы, n1 и n2 целые числа в диапазоне от 0 до 15.where T0 is the start time of the step, T is the duration of the last walking cycle, n1 and n2 are integers in the range from 0 to 15.
Т0 и Т были величинами, определенными по показаниям датчика на правой ноге. T0 and T were values determined from the sensor readings on the right leg.
Стимуляция икроножной мышцы происходила в течение 60-65% цикла шага правой ноги в фазе опоры. Стимуляция передней большеберцовой мышцы происходила в течение 40-45% а 50% текущего цикла шага правой ноги в фазе переноса (Фиг. 2А (Б)).Stimulation of the gastrocnemius muscle occurred during 60-65% of the right leg's stance phase step cycle. Stimulation of the tibialis anterior muscle occurred during 40-45% and 50% of the right leg's swing phase step cycle (Fig. 2A (B)).
Регистрация кинематических характеристик ходьбыRegistration of kinematic characteristics of walking
Для регистрации кинематики движений ног использовали систему 3D-видеозахвата движений «Qualisys».To record the kinematics of leg movements, the Qualisys 3D motion capture system was used.
Система включала 8 высокоскоростных камер Oqus, располагаемых по периметру вокруг беговой дорожки. Частота кадров видеозахвата составляла 500 Гц. Для регистрации перемещения сегментов тела использовали светоотражающие маркеры, которые прикрепляли справа, к точкам тела, совпадающим с осями движения в плечевом, тазобедренном, коленном и голеностопном суставах, что позволяло вычислять угловые и линейные перемещения суставов правой ноги (фигура, 2Б).The system included eight high-speed Oqus cameras positioned around the perimeter of the treadmill. The video capture rate was 500 Hz. Reflective markers were attached to the right side of the body to points aligned with the axes of motion at the shoulder, hip, knee, and ankle joints, allowing for the calculation of angular and linear movements of the right leg joints (Figure 2B).
Дополнительно для оценки пространственно-временных и кинематических параметров походки были использованы датчики «Нейросенс», которые входили в систему «Стэдис» с прилагаемым программным обеспечением (производитель компания ООО «Нейрософт», Россия). Частота кадров записи составляла 200 ГЦ. Использовалось семь датчиков «Нейросенс», которые устанавливались в следующем порядке: 1/2 - левая/правая стопы; 3/4 - латеральные лодыжки левой/правой ноги; 5/6 - латеральная поверхность левого/правого бедра; 7 - устанавливался на копчик. Additionally, to evaluate the spatiotemporal and kinematic parameters of gait, Neurosens sensors were used, which were part of the Steadis system with the supplied software (manufacturer: Neurosoft LLC, Russia). The recording frame rate was 200 Hz. Seven Neurosens sensors were used, which were installed in the following order: 1/2 - left/right feet; 3/4 - lateral malleoli of the left/right leg; 5/6 - lateral surface of the left/right thigh; 7 - installed on the coccyx.
РЕЗУЛЬТАТЫRESULTS
Фигура 3 показывает структуру шагательного цикла при ходьбе на беговой дорожке без стимуляции (control) и при стимуляции MG в фазе опоры и при стимуляции ТА в фазе переноса (см. фигура 2). Изменение структуры шагательного цикла доказывает, что при стимуляции MG происходит проталкивание тела за счет дополнительного разгибания в коленном суставе и отталкивания стопы от поверхности беговой дорожки с последующим подъемом конечности над беговой дорожкой. Это отчетливо проявляется в траектории движения конечной точки (фигура 3). Согласно кинематике движения, при стимуляции TA в фазе опоры происходит дополнительное (по отношению к контролю) сгибание коленного сустава и выраженная дорсифлексия стопы (фигура 3). Figure 3 shows the structure of the stepping cycle during treadmill walking without stimulation (control), with MG stimulation during the stance phase, and with TA stimulation during the swing phase (see Figure 2). The change in the structure of the stepping cycle demonstrates that MG stimulation causes body propulsion due to additional knee extension and foot push-off from the treadmill surface, followed by limb lift. This is clearly evident in the endpoint trajectory (Figure 3). According to the kinematics of the movement, TA stimulation during the stance phase results in additional (relative to control) knee flexion and pronounced dorsiflexion of the foot (Figure 3).
Статистический анализ параметров движения, выполненный по всем испытуемым, показал, что при стимуляции MG подъём конечности после проталкивания увеличивается на 150% относительно контроля (фигура 4). При стимуляции ТА не отмечается увеличение подъёма стопы (Таблица 2), но при рассмотрении траектории конечной точки выявлено разные изменения паттерна движения (фигура 3). При стимуляции MG видно, как изменяется фаза подъёма стопы от момента её отрыва до достижения максимальной точки, что говорит о более эффективной фазе проталкивания во время ходьбы, при этом фаза переноса не отличается от контрольной (Фигура 3, Стимуляция MG). В свою очередь стимуляция ТА непосредственно влияет на фазу переноса, в которой отчётливо видно, что стопа перемешается более горизонтально над опорой и перед постановкой стопы на опору носок поднимается выше, чем при ходьбе без стимуляции (Фигура 3, Стимуляция TA), что может привести к снижению волочения стопы при нарушении двигательных функций нижних конечностей.Statistical analysis of movement parameters performed for all subjects revealed that MG stimulation increased foot ascent after propulsion by 150% relative to the control group (Figure 4). TA stimulation did not increase foot ascent (Table 2), but examination of the endpoint trajectory revealed variable changes in the movement pattern (Figure 3). MG stimulation revealed changes in the foot ascent phase from toe-off to the maximum point, indicating a more efficient propulsion phase during gait, while the swing phase remained unchanged from the control group (Figure 3, MG Stimulation). In turn, TA stimulation directly influences the swing phase, in which it is clearly visible that the foot moves more horizontally over the support and before placing the foot on the support, the toe rises higher than when walking without stimulation (Figure 3, TA stimulation), which can lead to a decrease in foot dragging in case of impaired motor functions of the lower extremities.
Эффекты сочетанного воздействия стимуляции спинного мозга и стимуляции мышц MG и TA показаны на фигуре 5. Видно, что траектория движений конечной точки при стимуляции MG, TA и MG+TA (синие линии) значительно отличается от траектории движений конечной точки при ходьбе без стимуляции (красная линия). При сочетанной стимуляции спинного мозга и мышечной стимуляции эти эффекты выражены более значительно (фигура 5, правый столбик).The effects of combined spinal cord stimulation and MG and TA muscle stimulation are shown in Figure 5. It is evident that the endpoint movement trajectory during MG, TA, and MG+TA stimulation (blue lines) differs significantly from the endpoint movement trajectory during walking without stimulation (red line). These effects are more pronounced with combined spinal cord and muscle stimulation (Figure 5, right column).
В таблице 2 представлены (средние данные по восьми испытуемым) угловые перемещения тазобедренного (hip), коленного (knee), голеностопного (ankle) суставов, высота подъёма стопы, площадь взаимных гониограмм HIP/KNEE и KNEE/ANKLE правой ноги при ходьбе по беговой дорожке (по данным Стэдиса).Table 2 presents (average data for eight subjects) the angular movements of the hip, knee, and ankle joints, the height of the foot instep, and the area of the reciprocal goniograms of the HIP/KNEE and KNEE/ANKLE of the right leg when walking on a treadmill (according to Steadis data).
Таблица 2. Кинематические параметры движения правой конечности при ходьбе без стимуляции (контроль) и при различных стимуляционных условиях.Table 2. Kinematic parameters of the right limb movement during walking without stimulation (control) and under different stimulation conditions.
HIP/KNEESquare
HIP/KNEE
KNEE/ANKLESquare
KNEE/ANKLE
Все представленные ниже сравнительные данные сделаны относительно показателей, зарегистрированных при ходьбе без стимуляциии (контроль).All comparative data presented below are made relative to the indicators recorded during walking without stimulation (control).
Стимуляция MGMG stimulation
Увеличивает амплитуду (размах) движения правой ноги в коленном суставе на 3,2%, в голеностопном суставе на 45,7% и высоту подъема стопы правой ноги на 13,9% относительно показателей, зарегистрированных при ходьбе без стимуляции. Увеличивается длина траектории движения (т.е. площадь, которая описывается координатами в коленном и голеностопном суставе возросла на 28%). При этом длительность опоры уменьшается на 9,2%, а переноса увеличивается на 8,4%. Increases the range of motion of the right leg at the knee by 3.2%, at the ankle by 45.7%, and the height of the right foot instep by 13.9% compared to values recorded during walking without stimulation. The length of the movement trajectory increases (i.e., the area described by the coordinates at the knee and ankle joints increased by 28%). At the same time, the duration of support decreases by 9.2%, and the swing time increases by 8.4%.
Стимуляция MG+ С5-С6, Т11-Т12, L1-L2Stimulation of MG+ C5-C6, T11-T12, L1-L2
Изменяет размах движений по сравнению с размахом движений до стимуляции во всех трех суставах правой ноги. Угол в тазобедренном суставе увеличивается при такой стимуляции на 9,5%, угол в коленном суставе - на 10,9% и угол в голеностопном суставе - на 20,3%, высота подъема стопы возрастает на 19,8%. Площадь, которая описывается координатами в коленном и голеностопном суставах, увеличивается на 26,9%. При этом длительность опоры стопы уменьшается на 7,9%, а переноса - на 8,3%. Changes the range of motion compared to the range of motion before stimulation in all three joints of the right leg. The hip angle increases by 9.5%, the knee angle by 10.9%, and the ankle angle by 20.3%. The height of the instep increases by 19.8%. The area described by the coordinates in the knee and ankle joints increases by 26.9%. Meanwhile, the duration of foot support decreases by 7.9%, and the swing duration by 8.3%.
Стимуляция TATA stimulation
Не наблюдается достоверных изменений по сравнению с размахом движений до стимуляции в размахе движений в суставах и высоте подъема стопы в правой ноге. Высота подъема правой ноги не меняется.No significant changes were observed in the range of motion in the joints or the height of the right foot instep compared to pre-stimulation. The height of the right foot instep remains unchanged.
Стимуляция TA+ С5-С6, Т11-Т12, L1-L2Stimulation of TA+ C5-C6, T11-T12, L1-L2
Достоверно изменяется только угол в тазобедренном суставе - увеличивается на 6% в правой ноге. Высота подъема правой ноги не меняется.Only the hip angle significantly changes—it increases by 6% in the right leg. The right leg lift remains unchanged.
Стимуляция MG+TAMG+TA stimulation
Угол в голеностопном суставе правой ноги достоверно увеличивается на 41,2%. В других суставах увеличение на 5,3% (тазобедренный сустав) и 7,8% (коленный сустав). Высота подъема стопы достоверно увеличивается на 17 %. В правой ноге сокращается длительность периода опоры на 4%.The ankle angle of the right leg significantly increased by 41.2%. In other joints, the increase was 5.3% (hip) and 7.8% (knee). The instep height significantly increased by 17%. The stance duration of the right leg decreased by 4%.
Стимуляция MG+TA+ С5-С6, Т11-Т12, L1-L2Stimulation of MG+TA+ C5-C6, T11-T12, L1-L2
Изменяет размах движений правой ноги по сравнению с размахом движений до стимуляции во всех трех суставах, в тазобедренном суставе - на 11,4%, в коленном суставе - на 7,1%, в голеностопном суставе - на 19,4 %. Высота подъема стопы увеличивается на 16%. Changes the range of motion of the right leg compared to the range of motion before stimulation in all three joints: in the hip joint - by 11.4%, in the knee joint - by 7.1%, in the ankle joint - by 19.4%. The height of the instep increases by 16%.
ЗаключениеConclusion
Результаты проведенных исследований на здоровых испытуемых-добровольцев показывают, что спинально-мышечная стимуляция является эффективным методом регуляции локомоции человека. Доказано, что спинально-мышечная стимуляция более эффективно регулирует параметры шагательных движений по сравнению со спинальной или мышечной стимуляцией, применяемых по отдельности.Results from studies conducted on healthy volunteers demonstrate that spinal muscular stimulation is an effective method for regulating human locomotion. It has been proven that spinal muscular stimulation regulates stepping parameters more effectively than spinal or muscular stimulation alone.
Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные исследования приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.Although the invention has been described with reference to the disclosed embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that the specific detailed studies are provided merely for the purpose of illustrating the present invention and should not be construed as limiting the scope of the invention in any way. It should be understood that various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
Список литературыBibliography
1. Мошонкина Т. Р. [и др.]. Чрескожная электрическая стимуляция спинного мозга в двигательной реабилитации пациентов с травмой спинного мозга // Интегративная физиология. 2020. № 4 (1). C. 350-364.1. Moshonkina TR [et al.]. Transcutaneous electrical stimulation of the spinal cord in motor rehabilitation of patients with spinal cord injury // Integrative Physiology. 2020. No. 4 (1). P. 350-364.
2. Megía García A. [и др.]. Transcutaneous Spinal Cord Stimulation and Motor Rehabilitation in Spinal Cord Injury: A Systematic Review // Neurorehabilitation and Neural Repair. 2020. № 1 (34). C. 3-12.2. Megía García A. [et al.]. Transcutaneous Spinal Cord Stimulation and Motor Rehabilitation in Spinal Cord Injury: A Systematic Review // Neurorehabilitation and Neural Repair. 2020. No. 1 (34). C. 3-12.
3. Sayenko D. G. [и др.]. Self-Assisted Standing Enabled by Non-Invasive Spinal Stimulation after Spinal Cord Injury // Journal of Neurotrauma. 2019. (36). C. 1435-1450.3. Sayenko D. G. [etc.]. Self-Assisted Standing Enabled by Non-Invasive Spinal Stimulation after Spinal Cord Injury // Journal of Neurotrauma. 2019. (36). pp. 1435-1450.
4. Gerasimenko Y. P. [и др.]. Noninvasive Reactivation of Motor Descending Control after Paralysis // Journal of Neurotrauma. 2015. № 24 (32). C. 1968-1980.4. Gerasimenko Y. P. [et al.]. Noninvasive Reactivation of Motor Descending Control after Paralysis // Journal of Neurotrauma. 2015. No. 24 (32). C. 1968-1980.
5. Siu R. [и др.]. Novel Noninvasive Spinal Neuromodulation Strategy Facilitates Recovery of Stepping after Motor Complete Paraplegia // Journal of Clinical Medicine. 2022. № 13 (11). C. 3670.5. Siu R. [et al.]. Novel Noninvasive Spinal Neuromodulation Strategy Facilitates Recovery of Stepping after Motor Complete Paraplegia // Journal of Clinical Medicine. 2022. No. 13 (11). C. 3670.
6. Kern H. [и др.]. Home-Based Functional Electrical Stimulation Rescues Permanently Denervated Muscles in Paraplegic Patients With Complete Lower Motor Neuron Lesion // Neurorehabilitation and Neural Repair. 2010. № 8 (24). C. 709-721.6. Kern H. [et al.]. Home-Based Functional Electrical Stimulation Rescues Permanently Denervated Muscles in Paraplegic Patients With Complete Lower Motor Neuron Lesion // Neurorehabilitation and Neural Repair. 2010. No. 8 (24). pp. 709-721.
7. Freyvert Y. [и др.]. Engaging cervical spinal circuitry with non-invasive spinal stimulation and buspirone to restore hand function in chronic motor complete patients // Scientific reports. 2018. № 1 (8). C. 15546.7. Freyvert Y. [et al.]. Engaging cervical spinal circuitry with non-invasive spinal stimulation and buspirone to restore hand function in chronic motor complete patients // Scientific reports. 2018. No. 1 (8). C. 15546.
8. Saito A. [и др.]. Repeatability of spinal reflexes of lower limb muscles evoked by transcutaneous spinal cord stimulation // PLOS ONE. 2019. № 4 (14). C. e02148188. Saito A. [et al.]. Repeatability of spinal reflexes of lower limb muscles evoked by transcutaneous spinal cord stimulation // PLOS ONE. 2019. No. 4 (14). C. e0214818
9. Sayenko D. G. [и др.]. Spinal segment-specific transcutaneous stimulation differentially shapes activation pattern among motor pools in humans // Journal of Applied Physiology. 2015. № 11 (118). C. 1364-1374.9. Sayenko D. G. [et al.]. Spinal segment-specific transcutaneous stimulation differentially shapes activation pattern among motor pools in humans // Journal of Applied Physiology. 2015. No. 11 (118). pp. 1364-1374.
10. Moshonkina T. [и др.]. Novel Non-invasive Strategy for Spinal Neuromodulation to Control Human Locomotion // Front. Hum. Neurosci. 2021. C. 622533.10. Moshonkina T. [et al.]. Novel Non-invasive Strategy for Spinal Neuromodulation to Control Human Locomotion // Front. Hum. Neurosci. 2021. pp. 622533.
11. Moshonkina T. R. [и др.]. A New Technology for Recovery of Locomotion in Patients after a Stroke // Doklady Biochemistry and Biophysics. 2022. (507). C. 353-356.11. Moshonkina T. R. [etc.]. A New Technology for Recovery of Locomotion in Patients after a Stroke // Doklady Biochemistry and Biophysics. 2022. (507). pp. 353-356.
12. Витензон А. С., Петрушанская К. А. Физиологические обоснования метода искусственной коррекции движений посредством программируемой электростимуляции мышц при ходьбе // Российский журнал биомеханики. № 2 (14). C. 7-27.12. Vitenzon A. S., Petrushanskaya K. A. Physiological justification for the method of artificial correction of movements by means of programmable electrical stimulation of muscles during walking // Russian Journal of Biomechanics. No. 2 (14). P. 7-27.
13. Мошонкина Т. Р., Солопова И. А., Сухотина И. А. Костюм для нейромышечной и спинальной электрической стимуляции.13. Moshonkina T. R., Solopova I. A., Sukhotina I. A. Suit for neuromuscular and spinal electrical stimulation.
14. И.Н. Богачева, Н. А. Щербакова, А. А. Савохин, и др. Эффекты фазозависимой чрескожной стимуляции спинного мозга в регуляции кинематики шагательных движений человека // Биофизика. - 2021. - № 4(66). - С. 802-810.14. I. N. Bogacheva, N. A. Shcherbakova, A. A. Savokhin, et al. Effects of phase-dependent transcutaneous spinal cord stimulation in the regulation of the kinematics of human stepping movements // Biophysics. - 2021. - No. 4 (66). - P. 802-810.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2847427C1 true RU2847427C1 (en) | 2025-10-03 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2130326C1 (en) * | 1996-08-20 | 1999-05-20 | Шапков Юрий Тимофеевич | Method for treating patients having injured spinal cord |
| RU2725090C1 (en) * | 2019-05-20 | 2020-06-29 | Общество с ограниченной ответственностью «Косима» (ООО «Косима») | Method for regulation and recovery of independent walking in patients with motor pathology of various geneses |
| RU2785948C1 (en) * | 2019-07-05 | 2022-12-15 | Хонор Дивайс Ко., Лтд. | Method and equipment for monitoring motion data |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2130326C1 (en) * | 1996-08-20 | 1999-05-20 | Шапков Юрий Тимофеевич | Method for treating patients having injured spinal cord |
| RU2725090C1 (en) * | 2019-05-20 | 2020-06-29 | Общество с ограниченной ответственностью «Косима» (ООО «Косима») | Method for regulation and recovery of independent walking in patients with motor pathology of various geneses |
| RU2785948C1 (en) * | 2019-07-05 | 2022-12-15 | Хонор Дивайс Ко., Лтд. | Method and equipment for monitoring motion data |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ВИТЕНЗОН А. С. Физиологические обоснования метода искусственной коррекции движений посредством программируемой электростимуляции мышц при ходьбе //Российский журнал биомеханики. - 2010. - N. 2. - С. 20 абз. 3. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kobetic et al. | Muscle selection and walking performance of multichannel FES systems for ambulation in paraplegia | |
| Intiso et al. | Rehabilitation of walking with electromyographic biofeedback in foot-drop after stroke. | |
| CN111167010B (en) | Control system for movement reconstruction and/or restoration of a patient | |
| Wernig et al. | Laufband (treadmill) therapy in incomplete paraplegia and tetraplegia | |
| Romkes et al. | Changes in gait and EMG when walking with the Masai Barefoot Technique | |
| CN111167011B (en) | Sensors in footwear or limb clothing | |
| EP2485803B1 (en) | Apparatus for functional electrical stimulation of the body | |
| Hesse | Rehabilitation of gait after stroke: evaluation, principles of therapy, novel treatment approaches, and assistive devices | |
| Jaeger | Lower extremity applications of functional neuromuscular stimulation | |
| Al-Abdulwahab et al. | Neuromuscular electrical stimulation of the gluteus medius improves the gait of children with cerebral palsy | |
| Regnaux et al. | An accelerometry-based comparison of 2 robotic assistive devices for treadmill training of gait | |
| ACimoviC-Janeki | Application of a progr mable dual-charnel adaptive electrical stimulation system for the control and analysis of gait | |
| Bogataj et al. | Enhanced rehabilitation of gait after stroke: a case report of a therapeutic approach using multichannel functional electrical stimulation | |
| Maležič et al. | Restoration of gait by functional electrical stimulation in paraplegic patients: a modified programme of treatment | |
| RU2847427C1 (en) | Method for controlling stepping movements by means of transcutaneous electrical spinal-muscular stimulation | |
| Bajd et al. | Improvement in step clearance via calf muscle stimulation | |
| Bouri et al. | Closed-loop functional electrical stimulation for gait training for patients with paraplegia | |
| Solomonow et al. | Standing and walking after spinal cord injury: experience with the reciprocating gait orthosis powered by electrical muscle stimulation | |
| RU2725090C1 (en) | Method for regulation and recovery of independent walking in patients with motor pathology of various geneses | |
| RU2778009C1 (en) | Non-invasive electrode matrix of spinal neuroprosthesis and method for its application | |
| RU2797372C1 (en) | Method for restoring the function of walking and balance in the acute period of ischemic stroke | |
| RU2040925C1 (en) | Method for treating the hip joint diseases | |
| CN211068990U (en) | Deep sensation feedback motion control training device | |
| RU2253385C1 (en) | Method for complex rehabilitation of knee joint | |
| Van Der Salm et al. | Effect of electrical stimulation of hamstrings and L3/4 dermatome on gait in spinal cord injury |