Сравнительная характеристика биомеханических параметров ходьбы у пользователей протезов бедра с механическим и электронным коленными модулями

Протезирование нижних конечностей в настоящее время представляет собой динамично развивающуюся отрасль на основе нескольких областей знаний [1—4]. На протяжении длительного периода в истории протезирования нижних конечностей основными целями вмешательства являлись: обеспечение возможности пациентов к самостоятельному передвижению, коррекция косметического дефекта и минимизация зависимости пациентов от помощи окружающих [5]. За последние несколько десятилетий изменились технические решения на всех этапах протезирования. Это позволило скорректировать и достигаемые цели: стало возможно говорить не только о полном самообслуживании, но и о реинтеграции пользователей протезами нижних конечностей в общество, их возвращении к своему привычному образу жизни и социальным статусам [1, 3, 4].

Одним из наиболее важных достижений современного протезирования является изобретение электронных коленных модулей [3]. В 1992 г. канадец Келли Джеймс в Чикаго представил оригинальный компьютеризированный протез нижней конечности, патент на который затем передал Хансу-Георгу Нэдеру. После 5 лет разработок Х.-Г. Нэдер на Всемирном конгрессе по протезированию в Нюрнберге предъявил первый в мире электронный коленный модуль и организовал его массовое производство [6]. В Российской Федерации электронные коленные модули стали применять примерно в это же время.

Число пользователей электронными коленными модулями с каждым годом растет и в стране, и в мире. По данным многочисленных зарубежных исследований, протезы с электронными коленными модулями имеют целый ряд важных технических преимуществ перед механическими. Установлено, что при переходе с механических коленных модулей на протезах бедра на электронные модули произвольная скорость ходьбы пациентов увеличивается на 7,3—18%, а максимальная произвольная скорость ходьбы — до 17% [7—10]. A. Hahn и соавт. [11] сообщили, что переменную скорость ходьбы, которую может предоставить только электронный коленный модуль, активно применяют до 93% пациентов в период пробного пользования протезом. В работе A. Segal и соавт. [10] отмечено, что при переходе на электронные коленные модули с механических у пациентов шаги становятся более симметричными по длине между здоровой и протезированной конечностями. В ряде исследований показано, что потребление кислорода при ходьбе на электронных коленных модулях ниже на 6—7%, чем при использовании механических модулей [9, 12—14].

В исследовании Richa Sinha [15] были опрошены более 600 пациентов после ампутации нижних конечностей. Более ¹/₂ (52%) пациентов являлись безработными на момент анкетирования, причем из них 80% работали до ампутации. Из этой группы 82% указали утрату работы как непосредственное следствие ампутации. Основной задачей этого исследования являлось изучение важности статуса занятости для лиц с ампутацией нижних конечностей и роли использования дополнительных средств опоры при трудоустройстве. Автор на основании результатов своего исследования и анализа данных других работ сделал вывод о том, что дополнительные средства опоры при ходьбе часто мешают пациентам из разных стран трудоустроиться, несмотря на различия в организации общества в целом, доходах и менталитете.

В большинстве работ исследователи формируют и сравнивают между собой группы пользователей протезами нижних конечностей по этиологии, возрасту, полу, наличию/отсутствию сопутствующих заболеваний и повреждений и некоторым другим признакам. Однако иногда недостаточное внимание оказывается уровню двигательной активности пациента и конструкциям протезов [16—18]. Определяющие комплектующие модульных протезов нижних конечностей всегда имеют рекомендации производителя, для какого уровня двигательной активности пациентов они рекомендованы или допустимы.

Следует отметить, что исследований отечественных авторов, посвященных изучению биомеханики ходьбы на протезах, за более чем 20-летний период использования электронных коленных модулей на территории нашей страны в доступной отечественной литературе не найдено.

В связи с чем было принято решение провести сравнительное исследование ходьбы на близких по конструктиву протезах с современными механическими и электронными коленными модулями, а в группы исследования включить пациентов с одинаковым прогнозируемым уровнем двигательной активности (уровень 3 по классификационной системе MOBIS).

Цель исследования — сравнение биомеханических параметров ходьбы на протезах бедра с электронными или механическими коленными модулями и оценка возможностей этих модулей в обеспечении симметрии ходьбы.

Задачами исследования являлись: формирование двух равнозначных групп по уровню двигательной активности пациентов; подборе близких по конструктиву механических и электронных коленных модулей; обучение пациентов двух групп пользованию протезами по одинаковым методикам; анализ через 6—8 мес биомеханических параметров ходьбы на протезах бедра; сопоставление полученных результатов и установление имеющихся различий между двумя группами пользователей протезов бедра — с электронным или механическим коленным модулем.

Первоначальный отбор пациентов для участия в исследовании осуществляли по пакету сопроводительных медицинских документов, внутренним рабочим анкетам протезной мастерской, данным объективного осмотра при первичной консультации перед предстоящим протезированием.

Всего в исследование были включены 94 пациента в возрасте от 18 до 50 лет с разными причинами ампутации нижней конечности. По результатам первичной консультации все пациенты получали рекомендации по организации двигательного режима до начала процесса протезирования, по применению компрессионной терапии и др. На этапе первичного протезирования двигательный режим каждого пациента корректировали, проводили обучение пользованию протезом и ходьбе.

Участники исследования были разделены на две группы в зависимости от применяемого типа протеза. В 1-ю группу вошли 48 пользователей протезов бедра с механическим гидравлическим одноосным коленным модулем; во 2-ю — 46 пользователей протезов бедра с электронным гидравлическим одноосным коленным модулем. Все пациенты пользовались протезами с комбинированными формами гильз, которые не оказывали значительного влияния на возможность освоения пациентом оптимального стереотипа ходьбы.

Группы исследования были сопоставимы по численности, уровню двигательной активности (3 по классификационной системе MOBIS), распределению по полу и возрасту. У всех пациентов отсутствовали сопутствующие заболеваний и повреждения, ограничивающие способность к передвижению.

Сравнение параметров ходьбы на протезах бедра разных типов проводили с помощью метода видеоанализа. Для проведения процедуры видеоанализа походки использовали систему SMART DX5000 (BTS Bioengineering, Италия). Для проведения процедуры видеозахвата движений на теле пациента закрепляли светоотражающие датчики по протоколу DAVIS. После этого пациентам было необходимо выполнить 5—10 проходов по 10 м в поле зрения камер с целью регистрации и дальнейшей обработки данных биомеханики. Обработку полученных данных осуществляли в программах SMART Clinic, SMART Viewer, SMART Capture (BTS Bioengineering, Италия).

Для сравнения по количественным показателям использовали непараметрический критерий Краскела—Уоллиса, по бинарным и номинальным показателям — критерий χ² Пирсона. Различия считали статистически значимыми при p<0,001.

Результаты сравнения показателей по двум группам пользователей протезов бедра (с механическим или электронным коленным модулем) представлены в табл. 1—3.

Таблица 1. Сравнение параметров шага сохранной нижней конечностью при ходьбе на протезе с разными коленными модулями (M±SD)

Таблица 2. Сравнение параметров шага при ходьбе протезированной нижней конечностью на протезе с разными коленными модулями (M±SD)

Таблица 3. Сравнение биомеханических параметров ходьбы пациентов на протезах бедра с разными коленными модулями

Как видно по данным табл. 1, 2, показатели фазы опоры, фазы переноса, цикла шага, длины шага, скорости ходьбы, скорости переноса, длины двойного шага статистически значимо различались у пользователей протезов с механическими модулями в сравнении с показателями ходьбы пользователей с электронными коленными модулями.

При ходьбе на протезе бедра с электронным коленным модулем опора на сохранную нижнюю конечность была меньше, чем при ходьбе на механическом модуле: опора составила 70,63% от цикла шага на механике и 64,46% от цикла шага на электронике соответственно, что ближе к физиологической норме, равной 60%. Также участие сохранной ноги в фазе двойной опоры при ходьбе на электронном коленном модуле была ближе к значениям нормы: 14,05% при ходьбе на механике и 12,79% при ходьбе на электронике (норма 12,5—13,5%). Длительность цикла шага при произвольно выбранной скорости ходьбы у пользователей электронных коленных модулей составила 1,15—1,13 с и была меньше в сравнении с 1,33—1,32 с при ходьбе пользователей механических коленных модулей и ближе к показателю обычной ходьбы здорового человека, равному 1,06 с. Произвольно выбранная скорость ходьбы у пользователей протезов с электронным коленным модулем составляла 1,08—1,10 м/с и была больше, чем аналогичный показатель у пациентов с механическим коленным модулем (0,81—0,87 м/с), и ближе к показателю обычной ходьбы (1,17—1,39 м/с). Шаги были длиннее в целом и более симметричные при ходьбе у пользователей электронных коленных модулей: 0,64 м при шаге сохранной конечностью и 0,62 м при шаге протезом против 0,49 и 0,56 м соответственно при ходьбе на механическом коленном модуле.

Данные, представленные в табл. 3, наглядно показывают, что скорость ходьбы, темп ходьбы и индекс ритмичности в группе пользователей протезов бедра с электронным коленным модулем в большей степени приближены к показателям обычной ходьбы, чем показатели ходьбы на протезах с механическими коленными модулями. Скорость ходьбы, а также темп ходьбы были больше у пользователей электронных коленных модулей (1,11 м/с и 105,82 шаг/мин соответственно) в сравнении с аналогичными показателями пользователей протезов с механическими коленными модулями: 0,80 м/с и 90,84 шаг/мин соответственно. Индекс ритмичности, представляющий собой некий интегральный показатель симметрии ходьбы, равный величине отношения времени переноса одной ноги ко времени переноса второй ноги, при ходьбе на электронном коленном модуле был значительно ближе к норме и составлял 0,89 в сравнении с показателем 0,74 у пользователей протезов с механическим коленным модулем.

Улучшение большинства пространственно-временных биомеханических показателей у пациентов в настоящем исследовании и приближение их к биомеханическим показателям нормальной ходьбы подтверждают значимость полученного индекса ритмичности, поскольку приближение значений к норме указывает на неактуальную роль правила функционального копирования [19].

Согласно задачам проведенного исследования были сформированы две группы пациентов с одинаковым уровнем ожидаемой двигательной активности; у пациентов 1-й группы применяли протезы бедра с механическими гидравлическими одноосными коленными модулями, во 2-й группе использовали протезы бедра с электронными гидравлическими одноосными коленными модулями. Проведенные через 6—8 мес исследования биомеханических параметров ходьбы пациентов двух групп выявили, что пользователи протезов бедра с электронными коленными модулями показали более качественную симметричную ходьбу на более высокой произвольно выбранной скорости. Разница по показателям длительности фаз опоры и фаз переноса сохранной конечности и протеза, по длительности шага, по длине шагов, по темпу, скорости ходьбы и индексу ритмичности оказалась статистически значима и достоверна.

Главные преимущества в работе электронных коленных модулей — высокая подкосоустойчивость и подстройка работы протеза под изменяющуюся скорость ходьбы пользователя в режиме онлайн — позволяют пользователям не делать паузу при постановке протеза вперед на пятку, в отличие от ходьбы на механических коленных модулях, когда пользователям необходимо убедиться, что коленный модуль выпрямлен и протез не подкосится при опоре на него. Это согласуется с выводами K. Mâaref и соавт. [8] о том, что время от контакта пятки протеза до начала переноса веса на протез при ходьбе на механическом коленном модуле увеличивается на 34% по сравнению с ходьбой с электронным коленным модулем. По мнению Miller [20, 21], страх падения является одним из основных факторов снижения активности, мобильности и качества жизни пациентов. Пользователи протезов бедра с механическими коленными модулями не могут свободно увеличивать скорость ходьбы в любой момент, поскольку это может привести к падению; если увеличить скорость шага необходимо, то на механических коленных модулях это возможно только за счет нарушения симметрии ходьбы и увеличения хромоты. Таким образом, вышеназванные технологические преимущества электронных коленных модулей позволяют пользователям больше доверять протезу, меньше бояться падения, чувствовать себя увереннее и спокойнее при ходьбе, а также распределять нагрузку более равномерно между сохранной конечностью и протезом в оптимальном для себя темпе ходьбы.

Более симметричная и правильная ходьба может позволить пользователям протезов с электронными коленными модулями в будущем избежать развития вторичных болевых синдромов в области спины и поясницы, остеоартритов сохранной конечности, которые с годами нередко развиваются у лиц при нарушениях симметрии ходьбы, в том числе при ходьбе на протезах нижней конечности. Кроме того, более симметричная ходьба позволяет пациентам уменьшить использование дополнительных средств опоры, хромоту или вовсе избавиться от них, обрести уверенность в походке; многим пользователям протезов бедра это помогает трудоустроиться и обрести полную самостоятельность, что является важной составляющей качества жизни для лиц с ампутацией нижней конечности.

Результаты проведенного исследования показали, что применение у пациентов с ампутацией нижней конечности на уровне бедра протезов с электронными коленными модулями позволяет пользователям освоить более качественную симметричную ходьбу, повышает их двигательную активность, устойчивость при ходьбе, снижает страх падения по сравнению с механическими модулями, что более значимо улучшает их качество жизни.

Участие авторов: концепция и дизайн исследования — Е.А. Мезенцева, М.А. Еремушкин; сбор и обработка данных, написание текста — Е.А. Мезенцева, В.А. Колышенков; статистическая обработка данных — Е.А. Мезенцева; редактирование — М.А. Еремушкин.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.