Экзоскелет кисти в современной абилитации и реабилитации (аналитический обзор)

Рост заболеваемости, связанной с неврологическими и ортопедическими нарушениями, в том числе с последствиями инсультов, черепно-мозговых травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата, приводит к значительному увеличению числа пациентов, нуждающихся в восстановлении функций верхних конечностей, особенно кисти. Ввиду чрезвычайной роли кисти в обеспечении самообслуживания и трудовой деятельности, восстановление ее функций становится приоритетной задачей реабилитационной медицины.

В последние годы использование экзоскелетов в медицине привлекло значительное внимание, особенно в области абилитации и реабилитации двигательных функций верхних конечностей [1]. Разработка экзоскелетов, направленных на восстановление моторики кисти и пальцев, стала важной частью восстановительной медицины, поскольку двигательные нарушения кистей значительно ограничивают качество жизни и способность пациентов выполнять повседневные задачи [2—4]. В контексте восстановления после травм и инсультов экзоскелеты кисти показали свою эффективность, особенно на ранних этапах реабилитации, помогая ускорить процесс восстановления и обеспечить пациентам независимость в повседневной жизни [5, 6].

Интерес к пассивным экзоскелетам кисти обусловлен их конструктивной простотой и возможностью использования в домашних условиях без необходимости в источнике питания и сложных электронных системах. Эти устройства оснащены механическими элементами, такими как пружины и шарниры, которые обеспечивают поддержку движений рук и позволяют пациентам постепенно восстанавливать функциональные навыки [7—9].

Растущая популярность экзоскелетов в области реабилитации и абилитации, а также увеличение количества исследований в этой области подчеркивают актуальность разработки и внедрения подобных устройств.

Цель исследования: определить возможности применения пассивного экзоскелета кисти в абилитации и реабилитации пациентов с двигательными нарушениями верхних конечностей по данным современной литературы.

Проведен систематический анализ научных работ, опубликованных в период с 2010 по 2024 г., касающихся использования пассивных экзоскелетов рук в реабилитации и абилитации пациентов с двигательными нарушениями верхних конечностей. Основными источниками информации были рецензируемые научные журналы и конференции в области биомедицинской инженерии, реабилитации и медицинских технологий. Поиск проводился по базам данных PubMed, IEEE Xplore, Scopus и eLibrary, что дало возможность собрать исследования как отечественных, так и зарубежных авторов. На предварительном этапе анализа было отобрано 293 статьи, а после отбора наиболее значимые исследования в количестве 51 источника были включены в настоящий обзор. В обзор включали только публикации в авторитетных рецензируемых изданиях и доклады на ведущих научных форумах. Особое внимание уделяли источникам, которые прошли путь от научного обоснования до клинического применения [10—16], а также оценивали клиническую эффективность внедрения, конструктивные особенности и техническую эволюцию устройств [17—23]. В ряде источников оценивались возникающие проблемы и предлагались пути их решения [24—29].

Терминология экзоскелетов пока не утверждена на законодательном уровне. По нашему мнению, согласующемуся с мнением авторов ряда исследований, пассивные экзоскелеты кисти представляют собой устройства, которые используют механические элементы (упругие элементы, шарнирные соединения, рычаги) для усиления амплитуды движений кисти, без применения активных приводов на основе электричества или других аналогичных компонентов [8, 18]. Указанные устройства работают только за счет механических свойств материалов и антропобиомеханических соответствий, что делает их независимыми от внешнего источника энергии и удобными для использования в условиях ограниченных ресурсов. Основное преимущество пассивных экзоскелетов заключается в их доступности, надежности и простоте сертифицирования по сравнению с активными экзоскелетами.

Основным назначением пассивных экзоскелетов кисти являются абилитация и реабилитация пациентов с нарушением двигательных функций верхней конечности, возникающим после повреждения ветвей плечевого сплетения, а также при постинсультных и травматических поражениях головного мозга [30, 31].

Принципы и особенности работы пассивных экзоскелетов кисти. Работа пассивных экзоскелетов кисти основана на создании встречного сопротивления упругих элементов, которые приводят в действие мышцы кисти, позволяя пациенту выполнять упражнения во время реабилитации с незначительной внешней помощью или осуществлять движения, необходимые для абилитации [13, 32]. При этом осуществляются следующие функции:

— поддержка дистальной части верхней конечности в ортоптической позиции в лучезапястном, пястно-фаланговых и межфаланговых суставах по принципам функционального ортезирования (поддержка в суставах без существенного ограничения подвижности) [33, 34];

— увеличение силы и амплитуды движений ослабленных мышц при вялых парезах кисти до уровня взаимодействия с мышцами-антагонистами [10, 15];

— преодоление тяги спазмированных мышц кисти при спастических состояниях последней [11, 13];

— разработка мышечных и суставных контрактур [6, 13, 21, 22];

— выработка биологической обратной связи, основанной на возвращении утерянных двигательных паттернов [29, 35].

По мнению большинства авторов, материалы, используемые для производства экзоскелетов кисти, должны обладать следующими качествами:

— легкость, т.е. минимизация веса для предотвращения излишней нагрузки на конечности пациента;

— моделируемость к параметрам тела — возможность точного подгона под анатомические особенности пациента;

— термостабильность — сохранение механических свойств при колебаниях температуры;

— прочность — устойчивость к физическим нагрузкам и долговечность в эксплуатации;

— биологическая инертность — отсутствие аллергических реакций и совместимость с кожей пациента;

— эстетичный внешний вид — важный фактор для комфорта и удовлетворенности пользователя.

При анализе используемых пассивных экзоскелетов не найдено устройств, изготовленных исключительно из металла. Это объясняется сложностью обработки металлов и их низкой моделируемостью [8]. Основными материалами для производства экзоскелетов кисти служат:

— пластики (поликарбонат, полиамид), обладающие высокой прочностью и легкостью;

— термопластмассы (например, акрилонитрил-бутадиен-стирол), удобные в формовании;

— кожа или искусственные материалы для создания комфортных фиксирующих элементов;

— металлические детали используются преимущественно в местах максимальной нагрузки — например, для осей шарнирных соединений. Наиболее часто применяются титан, магний-алюминиевые сплавы и нержавеющая сталь.

К основным элементам конструкции экзоскелета кисти относятся:

1. Сегменты предплечья, пястно-запястного отдела и фаланг пальцев. Эти элементы обеспечивают поддержку и правильное распределение нагрузки [36];

2. Фиксирующие элементы — эластичные ленты, застежки типа «велкро», стропы, пластиковые застежки. Их задача — надежная фиксация на теле пациента для предотвращения смещения экзоскелета, которое может привести к нарушению биомеханических соответствий и снижению эффективности устройства [33];

3. Упругие элементы создают сопротивление возврату руки в патологическое положение, что способствует восстановлению мышечного тонуса, укреплению ослабленных мышц, улучшению силы захвата. Наиболее часто применяются: плоские пружины — обеспечивают равномерное сопротивление; спиральные пружины — удобны для регулировки усилия; резиновые кольца и эластичные жгуты — экономичны и просты в замене. Существенным недостатком упругих элементов является необходимость введения дополнительных компонентов (кожухов безопасности, узлов настройки), что увеличивает сложность и вес конструкции;

4. Шарнирные соединения — позволяют экзоскелету естественным образом выполнять движения в суставах рук, учитывая амплитуду и плавность движений во время упражнений [37]. RehabHand использует такие шарнирные соединения для выполнения сложных движений руками, что очень важно в тех случаях, когда пациент восстанавливает координацию и диапазон движений [38];

5. Рычаги и тросы. Эти элементы предназначены для распределения усилий таким образом, чтобы позволить пациентам активно управлять пальцами и поддерживать их в естественном положении [7, 39]. Например, Exo-Glove Poly II использует рычаги и тросы для выполнения функций деликатного захвата, что лежит в основе возможностей манипулирования [28];

6. Эластичные (формующиеся) материалы, такие как силиконовые или полимерные вставки, позволяют экзоскелету принимать форму в соответствии с рукой пользователя и обеспечивают комфорт и удобство в течение длительного времени во время использования [25]. В Exo-перчатках Poly II эластичный материал обеспечивает равномерное распределение нагрузки по руке, что снижает риск возникновения дискомфорта или травм при длительном использовании [28]. Примеры таких материалов в экзоскелетах включают медицинский силикон и термопластичные эластомеры.

Разумное сочетание этих элементов делает использование пассивных экзоскелетов очень эффективным как в абилитации, так и в реабилитации [40]. Принцип их действия и особенности выработки биологической обратной связи позволяют применять их у пациентов с различными видами двигательных нарушений кисти и обеспечивают надежный и недорогой метод удержания движения и восстановления мышечной силы [36].

Систематизация источников литературы по применению пассивных экзоскелетов кисти позволила выделить несколько фокус-групп пациентов. Наиболее часто данные устройства применяются при следующих состояниях:

1. Сгибательные контрактуры кисти, обусловленные постинсультным гемипарезом и гемипарезом вследствие черепно-мозговой травмы. Например, исследования R. Cooper и соавт. [27] подтверждают эффективность экзоскелетов в реабилитации таких пациентов;

2. Спастические контрактуры кисти, вызванные детским церебральным параличом. У таких пациентов пассивные экзоскелеты применяются в сочетании с инъекциями ботулотоксина (релатокс, диспорт) для снижения спастичности мышц [13];

3. Контрактуры кисти при заболевании Дюпюитрена на ранних стадиях развития или после оперативного лечения [41];

4. Синдром «висячей кисти», возникающий при поражении лучевого нерва вследствие плечевых плексопатий различного генеза. Применение экзоскелетов в данном случае требует адаптации конструкции под специфические ограничения движений [10, 13, 15].

Дополнительно перспективными направлениями остаются:

— реабилитация после выполнения перекрестной миотенопластики предплечья, несмотря на ограниченные данные об эффективности экзоскелетов в этом направлении [2, 19];

— восстановление двигательных функций после родовых травм плечевого сплетения. Согласно данным G. Garcia и соавт. [42], применение экзоскелетов может улучшить результаты лечения.

Противопоказаниями к использованию пассивных экзоскелетов кисти служат:

— острые воспалительные процессы, при которых использование экзоскелета может усугубить воспаление [4, 21];

— незаживающие раны и послеоперационные швы, так как экзоскелет может замедлить процесс заживления и вызвать повреждения тканей [4, 14];

— болевой синдром и гиперестезия кожи кисти и предплечья, усиливающие дискомфорт при пользовании.

Результаты различных исследований подтверждают, что пассивные экзоскелеты для рук улучшают двигательные функции, особенно у пациентов, перенесших последствия инсульта, травмы и неврологические расстройства, в частности:

1. Улучшение силы хвата и координации. В исследованиях F. Li (2023) [16] сообщалось, что по сравнению с традиционным подходом к физиотерапии регулярное использование пассивных экзоскелетов для рук приводит к ускорению процессов восстановления функции захвата и силы кисти на 30—40%. В работе S. Guillén-Climent и соавт. (2021) [29] пациенты, получавшие лечение с помощью экзоскелетов, продемонстрировали выдающиеся улучшения в координации движений и способности к точному хватанию до такой степени, что были способны выполнять простые повседневные действия, такие как захват предметов и обращение с мелкими предметами.

Это становится особенно важным в случае пациентов, перенесших инсульт, у которых почти всегда развиваются паретическое ослабление мышц рук и потеря точности движений [43]. Экзоскелет позволяет восстановить двигательную функцию, помогая пациенту восстановить контроль над движениями и в меньшей степени зависеть от внешней помощи [21, 44].

2. Увеличение амплитуды движений. Пассивные экзоскелеты также успешно восстанавливают амплитуду движений. В исследованиях показано, что используемые экзоскелеты позволяют постепенно увеличивать нагрузку на кисть и пальцы после регулярного использования. Пациенты, проходящие реабилитацию, могут выполнять более сложные движения без предварительного сопротивления, что в целом улучшает общее состояние и мотивацию к продолжению терапии [37, 45]. Кроме того, увеличенный диапазон движений обеспечивает большие подвижность и гибкость кисти, что позволяет пациентам достичь большей независимости в выполнении обычных действий, таких как обращение с предметами домашнего обихода, письмо и использование мобильных устройств [25, 27, 37].

3. Повышение уверенности и независимости пациента. Экзоскелеты также помогают повысить уверенность и независимость пациентов. Согласно данным J. Du и соавт. (2022) [36], пациенты, использующие пассивные экзоскелеты, демонстрируют значительное улучшение психологического самочувствия, поскольку восстановление контроля над движениями рук позволяет им чувствовать себя более независимыми и уверенными в себе. Это особенно важно для пациентов, нуждающихся в длительной реабилитации, поскольку использование экзоскелетов снижает психологическую нагрузку и повышает мотивацию к продолжению терапии. Экзоскелеты также снижают зависимость пациентов от внешней помощи и освобождают руки медицинского персонала [3, 11, 25, 40]. Такой подход улучшает психологическое состояние пациентов и делает их более активными участниками процесса реабилитации [46].

Наряду со всеми положительными результатами широкому применению пассивных экзоскелетов для реабилитации пациентов препятствует ряд существенных ограничений и проблем. Наиболее важными недостатками являются:

— высокая стоимость производства;

— индивидуальная настройка устройства для каждого пациента [12, 21, 32];

— низкая адаптируемость устройства для работы с пациентами, состояние которых меняется в процессе реабилитации.

Высокие производственные затраты и стоимость изделия. Одной из основных причин, препятствующих широкому использованию пассивных экзоскелетов, является высокая стоимость, связанная с изготовлением таких устройств [8, 22, 28, 47]. Использование прочных материалов и сложных деталей, таких как пружины, шарниры и эластичные материалы, значительно увеличивает стоимость производства устройства, что снижает доступность для большего числа пациентов. Этот фактор становится чрезвычайно важным для пациентов с низкими доходами и медицинских учреждений с ограниченными бюджетами.

Для снижения стоимости экзоскелетов разработано множество технологических решений, в том числе 3D-печать. Например, B. Sheng и соавт. (2023) [43] продемонстрировали, что 3D-печать позволяет изготавливать экзоскелеты, персонализированные для каждого пациента, с минимальными материальными затратами и, соответственно, может снизить стоимость производства на 20—30% по сравнению со стоимостью их изготовления другими способами. Это делает экзоскелеты более доступными для пациентов и, следовательно, расширяет возможности их использования в широких масштабах.

Необходимость индивидуальной настройки. Еще один существенный недостаток пассивных экзоскелетов заключается в том, что их применение требует индивидуальной настройки с учетом особенностей физиологических параметров каждого пациента. Действительно, у каждого пациента есть уникальные особенности строения кисти, силы хвата и уровня координации, что предполагает точную настройку устройства. Для этого необходимо привлекать квалифицированный медицинский персонал, что делает использование экзоскелетов менее комфортным для реабилитации в домашних условиях [6, 16, 48]. В связи с этой проблемой разрабатываются адаптивные экзоскелеты, которые могут самостоятельно настраиваться пациентом под любое изменение его состояния. Например, в некоторых моделях предлагается использовать пружины переменной жесткости и шарниры, которые самостоятельно настраиваются в зависимости от силы захвата и объема движений пациента [37, 43].

Ограниченная адаптивность для пациентов с прогрессирующими заболеваниями. Пассивные экзоскелеты обладают ограниченной адаптивностью [49, 50]. Их конструкция не предусматривает изменений параметров, которые могут возникнуть из-за развития нарушений. Например, пациенты, страдающие нейродегенеративными заболеваниями, теряют объем конечностей, что делает экзоскелет для них слишком большим, и, наоборот, при лимфостазах и отеках детали экзоскелета становятся малыми [8, 19]. На данном этапе это создает дополнительные проблемы, поскольку требуется не только переналадка устройства, но и производство новых антропозависимых деталей, что затрудняет его использование в домашних условиях. В некоторых случаях существенное значение имеют вес изделия и неудобство пользования им при снятии и надевании [17, 36].

В таблице представлены наиболее успешные мировые аналоги пассивных экзоскелетов кисти.

Мировые аналоги пассивных экзоскелетов кисти для абилитации и реабилитации

Пассивные экзоскелеты считаются одним из перспективных направлений в реабилитации и абилитации пациентов с двигательно-неврологическими нарушениями верхних конечностей. Несмотря на отсутствие двигателей и электроники, эти устройства играют важную роль в восстановлении двигательных навыков пострадавших после инсульта, травм и хронических неврологических заболеваний. Анализ литературы показал, что пассивные экзоскелеты улучшают силу хвата, координацию и амплитуду движений рук; таким образом, их использование благотворно влияет на способность пациента выполнять повседневные действия. Простота и автономность делают пассивные экзоскелеты руки популярными, поскольку их можно использовать даже дома и в любом медицинском учреждении с ограниченными ресурсами.

Эти устройства могут позволить пациенту выполнять реабилитационные упражнения, не прибегая к сложному оборудованию и наблюдению со стороны медицинского персонала; это становится весьма актуальным в амбулаторных и домашних условиях. Несмотря на относительно высокую стоимость пассивных экзоскелетов, они на порядок дешевле своих активных аналогов. Кроме того, преимущества пассивных экзоскелетов также заключаются в низких эксплуатационных расходах по сравнению с активными устройствами. В них отсутствуют электронные компоненты, которые могут выйти из строя, что снижает затраты на техническое обслуживание и содержание специальных сервисных центров. Отсутствие необходимости в питании позволяет использовать эти устройства в любых условиях, что особенно важно для пациентов, проходящих реабилитацию в домашних условиях.

Однако, помимо преимуществ, применение пассивных экзоскелетов имеет ряд ограничений при их широком внедрении в практическую медицину. Наиболее актуальными проблемами являются высокая стоимость производства, ограниченные возможности кастомизации и адаптации под индивидуальные потребности пациентов, а также отсутствие обратной связи для мониторинга прогресса. Несмотря на это, пассивные экзоскелеты для рук обладают огромным потенциалом в реабилитации пациентов, страдающих двигательными нарушениями верхних конечностей.

Новые материалы и технологии помогут преодолеть существующие трудности и снизить цены. Одним из наиболее перспективных направлений является использование «умных» материалов, таких как полимеры с памятью формы, которые подходят для руки человека с ограниченными возможностями с максимально точной передачей и комфортом. Определенный оптимизм внушают исследования по созданию гибридных систем, сочетающих в себе как механическую, так и электронную части. При этом гибридные экзоскелеты должны включать датчики параметров движения и адаптивные элементы, регулирующие степень поддержки в зависимости от состояния пациента. Такие устройства дадут возможность сочетать преимущества пассивных и активных экзоскелетов, а также повышать универсальность их применения.

Несмотря на положительную мировую практику, пассивные экзоскелеты для кисти в настоящее время в России не используются. Это связано с ограничением трансфера зарубежных технологий и отсутствием собственных разработок и производственной базы для их широкого внедрения. Тем не менее определенный оптимизм внушает появление нового отечественного ГОСТа на экзоскелеты верхних конечностей.

На основании результатов анализа литературы и имеющегося опыта разработки и внедрения экзоскелетов верхних конечностей можно констатировать, что пассивный экзоскелет кисти должен отвечать следующим требованиям:

— обладать объемом движений, приближенным к показателям амплитуды движений суставов кисти здорового человека;

— упругие элементы должны усиливать силу паретических мышц для создания полноценного эквивалента мышцам-антагонистам;

— фрагменты конструкции должны повторять строение кисти человека;

— иметь легкую и прочную конструкцию фрагментов и узлов трения;

— обеспечивать возможность адаптации к анатомическим параметрам кисти;

— быть мобильным и удобным при эксплуатации;

— иметь возможность использования в стационарных, амбулаторно-поликлинических и домашних условиях в режиме 7/24;

— быть независимым от источников питания;

— быть изготовленным из биологически инертных материалов, особенно в местах контакта с телом пациента;

— обеспечивать возможность замены и ремонта элементов конструкции экзоскелета по мере роста пациента, возвращения утраченных функций и износа отдельных узлов;

— быть доступным по цене для массового потребителя;

— быть изготовленным из преимущественно отечественных материалов.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Воробьев А.А., Глухова М.В., Авдеюк Д.Н.

Сбор и обработка материала — Воробьев А.А., Глухова М.В., Безбородов С.А., Кетов Д.Ю.

Статистическая обработка — Глухова М.В.

Написание текста — Глухова М.В.

Редактирование — Воробьев А.А., Безбородов С.А.

Participation of authors:

Concept and design of the study — Vorobyov A.A., Glukhova M.V., Avdeyuk D.N.

Data collection and processing — Vorobyov A.A., Glukhova M.V., Bezborodov S.A., Ketov D.Yu.

Statistical processing of the data — Glukhova M.V.

Text writing — Glukhova M.V.

Editing — Vorobyov A.A., Bezborodov S.A.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.