тренажер-корректор мышечного дисбаланса в нижних конечностях

Формула изобретения

1. Тренажер-корректор мышечного дисбаланса в нижних конечностях, содержащий станину с вертикальными стойками, на которых при помощи горизонтальной оси с возможностью поворота вокруг нее установлены две опорные площадки для стоп, два гидравлических механизма усилия сопротивления, каждый из которых выполнен в виде корпуса с рабочим цилиндром, в котором расположен поршень, при этом корпус и поршень каждого гидравлического механизма усилия сопротивления шарнирно соединены соответственно с опорной площадкой и станиной; трос, соединяющий между собой через ролик опорные площадки, датчик времени, скорости, общего количества шагов и оценочного потребления энергии, отличающийся тем, что опорные площадки установлены на дополнительных осях, расположенных перпендикулярно горизонтальной оси, с возможностью углового поворота и фиксации вокруг них, продольного перемещения и фиксации вдоль них, причем полости рабочего цилиндра каждого гидравлического механизма усилия сопротивления соединены между собой трубопроводом, снабженным регулировочным дросселем, перекрывающим канал трубопровода, при этом он снабжен регулируемыми упорами, установленными на станине с возможностью изменения амплитуды вертикального хода опорных площадок.

2. Тренажер-корректор по п.1, отличающийся тем, что каждая опорная площадка снабжена устройством для фиксации (задания ориентации) стопы, установленным с возможностью поворота стопы относительно опорной площадки.

2. Тренажер-корректор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что устройство для фиксации (задания ориентации) стопы выполнено в виде лыжной обуви, установленной на опорных площадках при помощи прижимного механизма, например в виде крепления для лыжной обуви.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к медицинской технике, а именно, к устройствам для лечения и реабилитации при двигательных нарушениях в нижних конечностях. Устройство используется для профилактики мышечного дисбаланса, его коррекции, лечения и реабилитации, а также для формирования, развития и тренировки функциональных двигательных стереотипов различного уровня агрегации.

Известен аппарат для механотерапии голеностопного сустава, содержащий основание, подстопник с регулировкой по длине, установленный на основании с возможностью сгибания-разгибания, проведения - отведения и пронации-супинации стопы относительно голени. (См. SU, авторское свидетельство 156655, кл. A 61 H 1/02, 1963).

К недостаткам указанного устройства относятся отсутствие возможности фиксации заданного положения стоп и невыполнение условий, возможности изменения усилий сопротивления и амплитуд вертикальных движений при ходьбе, возможности изменения положения стоп.

Известно устройство, предназначенное для двигательной реабилитации при нарушениях в нижних конечностях, содержащее основание, две площадки для стоп, шарниры и пружины, установленные между площадкой и основанием (См. SU, авторское свидетельство 1503808, кл. A 61 H 1/02, 1989).

Известное устройство позволяет создавать и регулировать нагрузку с двух сторон каждой площадки. Нагрузка может регулироваться как для конечности в целом, так и для стопы и пальцев. Однако, известное устройство обладает недостатками, связанными с ограниченными возможностями влияния на формирование внешних механических условий для функционального двигательного стереотипа.

К недостаткам указанного устройства относятся отсутствие возможности задания и фиксации положения стоп, вариабельности силовых нагрузок, что необходимо для коррекции мышечного дисбаланса.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является тренажер-корректор мышечного дисбаланса в нижних конечностях, содержащий станину с вертикальными стойками, на которые при помощи горизонтальной оси установлены с возможностью поворота две опорные площадки для стоп, два гидравлических механизма усилия сопротивления в виде корпуса с рабочими цилиндрами, в которых расположены поршни. При этом корпус и поршень каждого из механизмов усилия сопротивления шарнирно соединены с опорной площадкой и станиной, опорные площадки соединены между собой посредством троса, перекинутого через ролик. (См. US проспект Stepper ИНКОНЕОН, 1996, фиг. 1)

Известному тренажеру присущи следующие недостатки:

не позволяет изменять амплитуды вертикальных движений при ходьбе и обеспечивать не только одинаковые, но и различные амплитуды для каждой из нижних конечностей;

не позволяет изменять положение стоп вдоль продольных осей относительно ближнего края опорных площадок и обеспечивать различные положения для каждой из нижних конечностей;

не позволяет изменять углы поворота стоп относительно продольных осей опорных площадок и обеспечивать различные положения для каждой из нижних конечностей;

не позволяет изменять углы ориентации стопы относительно горизонтальной плоскости (положения инверсии и эверсии стопы) и обеспечивать различные положения стопы для каждой из нижних конечностей;

не позволяет изменять углы ориентации стопы в сагиттальной плоскости (положения плантифлексии и дорсифлексии стопы) и обеспечивать различные положения стопы в этой плоскости для каждой из нижних конечностей;

не позволяет изменять усилия сопротивления при ходьбе и обеспечивать различные усилия сопротивления для каждой из нижних конечностей.

Вышеуказанные недостатки не позволяют известному устройству обеспечивать режимы функционирования, необходимые для коррекции мышечного дисбаланса.

Устройство по данному изобретению устраняет вышеуказанные недостатки за счет того, что опорные площадки установлены на дополнительных осях, расположенных перпендикулярно горизонтальной оси, с возможностью поворота и фиксации вокруг них, продольного перемещения и фиксации вдоль них, причем полости рабочего цилиндра каждого гидравлического механизма усилия сопротивления соединены между собой трубопроводом, снабженным регулировочным дросселем, при этом он снабжен регулируемыми упорами, установленными на станине с возможностью изменения амплитуды вертикального хода опорных площадок;

что каждая опорная площадка снабжена устройством для фиксации (задания ориентации) стопы, установленным с возможностью углового поворота стопы относительно опорной площадки;

что устройство для фиксации (задания ориентации) стопы, выполнено в виде скобы, установленной на опорных площадках, обеспечивающей фиксацию обуви пациента при помощи прижимного механизма, например, в виде крепления для лыжной обуви.

Мышечный дисбаланс мышц-антагонистов, обслуживающих отдельный сустав или группу суставов-универсальный патологический феномен, имеющий место при любых структурных и функциональных нарушениях опорно-двигательного аппарата.

Мышечный дисбаланс как патологический процесс характеризуется двумя основными параметрами:

1) анатомически - нарушением мышечного равновесия по длине, т.е. укорочением одной из (или группы) мышц-антагонистов и перерастяжением другой в сравнении с нормальными анатомическими показателями.

2) физиологически - нарушением мышечного равновесия по силе: ослабление одной из (или группы) мышц-антагонистов либо из-за функциональной недогруженности либо по причине анатомического перерастяжения и силовое доминирование другой.

Кроме того, необходимо учитывать, что сосудистая сеть и нервные волокна у человека механически зависимы от состояния мышц, поэтому наличие мышечного дисбаланса может приводить к их механической компрессии и, следовательно, к нарушению микроциркуляции и нервных влияний, возникновению боли, дисфункции и другим патологическим феноменам. Эти явления сначала могут носить временный и обратимый характер, но при длительном сохранении мышечного дисбаланса могут становится морфологически закрепленными.

По глубине морфологической представленности выделяются следующие ситуации:

Функциональный мышечный дисбаланс - ситуация, при которой нейтральная ось отдельного сустава либо ось двигательного стереотипа мигрировали относительно нормальной физиологической ориентации, но при этом пациент способен непродолжительное время и при сознательном контроле самостоятельно выполнить данное движение правильно и с нормальной амплитудой. Чаще всего, функциональный мышечный дисбаланс является следствием малоподвижного образа жизни и профессиональных двигательных стереотипов.

Структурный мышечный дисбаланс - ситуация, при которой нарушение ориентации нейтральной оси отдельного сустава и оси двигательного стереотипа, закреплено на уровне морфологических изменений, поэтому пациент даже при максимальном сознательном контроле и мышечном усилии не способен выполнять движение правильно и с нормальной амплитудой. Причиной структурного мышечного дисбаланса чаще всего являются последствиями травм и воспалительных процессов в суставах или мышцах, нейрогенная патология опорно-двигательного аппарата, в т.ч. церебрального генеза. Однако, при отсутствии соответствующей коррекции функциональный мышечный дисбаланс также может вызывать анатомические изменения и трансформироваться в структурный.

Мышечный дисбаланс имеет несколько уровней локализации (перечислены по мере уменьшения агрегированности):

1) На уровне главного генерализованного двигательного стереотипа - ходьбы: между правой и левой нижними конечностями - нарушения осей и амплитуд движения во фронтальной, сагиттальной и горизонтальной плоскостях.

2) На уровне многосуставных локомоторных паттернов в пределах одной конечности.

3) На уровне отдельного сустава, как единичного двигательного сегмента.

Стойкое устранение мышечного дисбаланса, т.е. формирование мышечного равновесия - с точки зрения реализации двигательной функции предполагает законченную реализацию трех последовательных этапов:

- восстановление полноамплитудных движений в каждом отдельном суставе либо (при наличии необратимых структурных деформаций сустава) восстановление принадлежности оси нейтрального положения в пострадавшем суставе физиологической оси движения нижней конечности при ходьбе, как главном генерализованном двигательном стереотипе, а также ее правильного положения относительно дирекционной вертикальной оси нормальной осанки;

- восстановление физиологической оси и амплитуд движения в корригируемом крупном локомоторном паттерне в пределах каждой из конечностей;

- восстановление нормальных биомеханических показателей ходьбы (осей и амплитуд движения нижних конечностей, временных интервалов и режимов мышечной активности), как главного генерализованного двигательного стереотипа.

Нормализация указанных любых интегральных двигательных показателей в организме человека с необходимостью реализуется через конкретные анатомические и физиологические механизмы. В данном случае она предполагает изменение соотношений мышц-антагонистов; по длине - растяжение укороченной и укорочение перерастянутой, и по силе - усиление ослабленной и ослабление доминирующей.

Системой отсчета, позволяющей определить нормальные соотношения длины и силы мышц и мышечных групп - антагонистов, является нормальная биомеханическая организация главного генерализованного двигательного стереотипа - ходьбы.

Нормальный физиологический стереотип ходьбы предполагает следующие биомеханические составляющие:

- нормальную эффективную длину каждой из конечностей в шаге (совпадение полной длины конечности с ее вертикальной проекцией);

- равные длины и амплитуды фаз шага для каждой из нижних конечностей;

- нормальную передачу вертикальной и горизонтальной составляющих сил реакции опоры на голеностопный сустав в период контакта стопы с поверхностью в горизонтальной (инверсия - эверсия) и сагиттальной плоскостях (плантарная флексия - дорсифлексия) в каждой из конечностей;

- равную составляющую реакции опоры, вносимую в движение каждой из конечностей;

- совпадение ориентации стоп каждой из конечностей в сагиттальной плоскости с направлением движения.

Наличие мышечного дисбаланса в любом из суставов любой из нижних конечностей приводит к нарушению нормальных биомеханических показателей ходьбы, прежде всего физиологических осей движения.

Главная проблема, которую создает мышечный дисбаланс, заключается в том, что начиная с момента его возникновения как функционального или структурного патологического феномена на любом уровне и независимо от его причин - самопроизвольное восстановление полностью нормального стереотипа ходьбы становится невозможным. Запускается "порочный круг" - появление мышечного дисбаланса привело к нарушению нормального стереотипа ходьбы, а нарушенный стереотип ходьбы препятствует коррекции мышечного дисбаланса. Такое протекание процесса определяется известным "принципом Кюри":"Число степеней свободы системы не может измениться при любых процессах, происходящих внутри нее".

Это означает, что для решения задачи коррекции мышечного дисбаланса необходимо создать внешние механические условия, имитирующие полностью биомеханически нормальный стереотип ходьбы, в которых будет реализовываться воздействие на двигательный стереотип любого уровня, причем задание этих условий должно быть в каждой итерации реализовано однозначно.

Тогда, при активной мышечной работе во время ходьбы за счет подбора соответствующих специфических параметров задаваемых механических условий, будет происходить постепенное изменение соотношения между антагонистами по длине и по силе и, следовательно, производиться устранение мышечного дисбаланса.

Поставленная цель восстановления нормальной биомеханической организации ходьбы означает необходимость решения следующих задач:

Коррекция оси движения отдельной нижней конечности;

Коррекция стадии наступания стопы в горизонтальной плоскости (инверсия - эверсия) и сагиттальной плоскости (плантарная флексия - дорсифлексия) для обеспечения нормальной передачи составляющей силы реакции на голеностопный сустав для каждой из нижних конечностей;

Коррекция силы заднего толчка;

Коррекция эффективной длины конечности (проекция на вертикальную ось) в стереотипе ходьбы;

Согласование (синхронизация) функционирования конечностей в общем стереотипе ходьбы.

Таким образом, предметом данного изобретения является механическое устройство, предназначенное для восстановления мышечного равновесия (устранения мышечного дисбаланса) посредством решения этих задач.

На фиг. 1 представлен общий вид тренажера-корректора мышечного дисбаланса в нижних конечностях по данному изобретению, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 - представлено сечение А-А на фиг. 1, на фиг. 4 - представлен вид Б на фиг. 1.

Тренажер - корректор мышечного дисбаланса в нижних конечностях содержит станину 1 с вертикальными стойками 2, на которых при помощи горизонтальной оси 3 с возможностью поворота вокруг нее установлены две опорные площадки 4,5 для стоп, два гидравлических механизма усилия сопротивления 6,7, каждый из которых выполнен в виде корпуса с рабочим цилиндром 8, в котором расположен поршень. Корпус и поршень 9 каждого гидравлического механизма усилия сопротивления 6,7 шарнирно соединены соответственно с опорной площадкой и станиной. Опорные площадки 4, 5 установлены на дополнительных осях 10, 11 с возможностью поворота вокруг них, продольного перемещения и фиксации вдоль них. Полости рабочего цилиндра каждого гидравлического механизма усилия сопротивления соединены между собой трубопроводом 12, снабженным регулировочным дросселем 13, перекрывающим канал трубопровода. Дроссель 13 служит для регулировки усилия сопротивления, причем наличие двух дросселей позволяет обеспечивать разные усилия сопротивления для левой и правой нижних конечностей.

Каждая опорная площадка снабжена устройством 14, 15 для фиксации (задания ориентации) стопы, установленным с возможностью поворота стопы относительно опорной площадки. Устройство для (задания ориентации) фиксации стопы выполнено в виде скобы, установленной на опорных площадках, обеспечивающей фиксацию обуви при помощи прижимного механизма 16, 17, например, в виде крепления для лыжной обуви.

Угловой поворот и продольное перемещение опорных площадок 4, 5 осуществляются за счет их установки на полые оси 18, 19 которые установлены на горизонтальных осях 10, 11. Для фиксации углового поворота опорных площадок на концах горизонтальных осей 10, 11 и торцах полых осей 18, 19 выполнены насечки 20, препятствующие их взаимному повороту. Фиксация осуществляется при помощи зажима 21. Для регулирования амплитуды вертикального хода опорных площадок 4, 5 на станине 1 установлены регулируемые упоры 22, 23 с возможностью изменения расстояния между краями опорных площадок 4, 5 и станиной 1. Регулируемые упоры 22, 23 выполнены в виде резьбовых винтов 24, 25 с фиксаторами 26, 27.

Прижимные механизмы 16, 17 установлены с возможностью перемещения в продольных пазах 28, 29 и поворота вокруг регулировочных винтов 30, 31. Для фиксации прижимных механизмов предусмотрены фиксаторы 32, 33.

Тренажер - корректор мышечного дисбаланса имеет электронный датчик, который показывает время, скорость (шаг/мин), общее количество шагов и оценочное потребление энергии, конструктивно выполненный аналогично датчику, используемому в ближайшем аналоге, и поэтому на чертеже не показанный.

Тренажер - корректор мышечного дисбаланса нижних конечностей по данному изобретению работает следующим образом.

Пациент надевает лыжную обувь и при помощи прижимных механизмов 16, 17 стопы устанавливаются на опорные площадки 4, 5 в необходимом положении.

При помощи регулировочных дросселей 13 подбирают силу сопротивления гидравлического механизма для правой и левой нижних конечностей, которая может быть как одинаковой так и различной, при этом усилие может изменяться в диапазоне от 0 до 50 кг.

При помощи регулировки регулируемых упоров 22, 23 устанавливается вертикальная амплитуда шагательных движений, которая может быть как одинаковой так и различной для правой и левой нижних конечностей в диапазоне от 0 до 25 см.

При помощи фиксаторов 32, 33 устанавливается положение стопы на опорной площадке вдоль продольного паза, которое может быть как одинаковым, так и различным для правой и левой нижних конечностей в диапазоне от 0 до 20 см при изменении расстояния от задника лыжной обуви до ближнего края опорных площадок 4, 5.

При помощи регулировочных винтов 30, 31 устанавливается ориентационное положение стопы на опорной площадке относительно продольного паза, которое может быть как одинаковым так и различным для правой и левой нижних конечностей в диапазоне от -15^o до +15^o поворота оси лыжного крепления относительно продольной оси опорной площадки.

При помощи регулировочного винта устанавливается ориентационное положение опорной площадки относительно горизонтальной оси, которое может быть как одинаковым так и различным для правой и левой нижних конечностей в диапазоне от -10^o до +20^o поворота горизонтальной оси опорной площадки относительно горизонтальной плоскости.

После установки начальных условий пациент начинает ходьбу, возникающие в ходе которой силы реакции опоры и упругие растяжения мышц оказывают корригирующие влияние на элементы мышечного дисбаланса.

Установку начальных условий определяет врач-реабилитолог в зависимости от специфических характеристик мышечного дисбаланса у данного пациента. Кроме этого, он также задает количество шагов, скорость, ритм движения.

Занятия на тренажере-корректоре проводят до достижения мышечного баланса.

Рассмотрим примеры использования данного устройства для основных вариантов мышечного дисбаланса. При этом, в организации корригирующих воздействий реализуются различные принципы достижения терапевтического эффекта и алгоритм задания начальных условий в зависимости от поставленной задачи имеет специфические особенности.

Постановка задачи определяется сочетанием функциональных и структурных мышечных дисбалансов в зависимости от уровня локализации каждого из них.

В соответствии с этим можно определить следующие классы задач и алгоритмов задания начальных условий для работы на тренажере-корректоре:

1) Профилактика. (Отсутствие мышечного дисбаланса).

В этом случае необходимость применения тренажера-корректора мышечного дисбаланса вызвана малоподвижным образом жизни и наличием профессиональных двигательных стереотипов, создающих постоянную тенденцию к возникновению мышечного дисбаланса, в силу недогруженности и перерастяжения одних мышечных групп и перегруженности и уменьшения эффективной длины действия других.

В этом случае работа на тренажере осуществляется в условиях задания одинакового нормального положения стоп для обеих конечностей. По мере возрастания тренированности предусматривается постепенное увеличение усилий сопротивления, вертикальных амплитуд и смещений стоп вдоль продольной оси относительно ближнего края опорных площадок (увеличение угла дорсифлексии) для обеих нижних конечностей.

Основной контингент пациентов - это работники "сидячего труда" и дети дошкольного и школьного возраста без нарушения осанки.

2) Тренировка.

Применяется при наличии функционального мышечного дисбаланса на любом уровне локализации. В этом случае коррекция мышечного дисбаланса будет заключаться в необходимой автоматизации правильного двигательного стереотипа.

Достаточным условием коррекции является задание правильных осей движения в ходьбе для каждой из нижних конечностей, которое достигается за счет фиксированной правильной ориентации стоп, при этом в начале цикла тренировок ходьба осуществляется в минимальной вертикальной амплитуде. Дальнейшая работа предусматривает плавное увеличение вертикальных амплитуд шага и усилий сопротивления для обеих конечностей, смещения стоп вдоль продольной оси относительно ближнего края опорных площадок (увеличение угла дорсифлексии).

Основной контингент пациентов - это работники "сидячего труда" и дети дошкольного и школьного возраста с незначительно выраженными нарушениями осанки.

3) Лечение.

Необходимо для устранения структурного мышечного дисбаланса в области отдельного сустава при наличии функционального мышечного дисбаланса на более общих уровнях организации опорно-двигательного аппарата.

При выраженном нарушении ориентации осей движения конечностей в ходьбе, необходимо поступательное итерационное приближение к нормальной физиологической оси движения каждой из нижних конечностей при ходьбе, реализующейся при нормальном положении стоп. В каждом конкретном случае упражнения для коррекции структурного мышечного дисбаланса подбираются индивидуально врачом реабилитологом.

Основной контингент пациентов - это работники "сидячего труда" с сильно выраженными профессиональными стереотипами; дети дошкольного и школьного возраста со значительными нарушениями осанки; пациенты с веретеброневрологическими нарушениями; артрозами и артритами нижних конечностей.

4) Реабилитация.

Ситуация наличия структурного мышечного дисбаланса на всех уровнях, при котором необходимо формирование отсутствующих или утраченных: вертикального постурального стереотипа, ходьбы как главного генерализованного двигательного стереотипа, крупных адаптационных двигательных стереотипов (активных произвольных движений в суставах нижних конечностей).

Основной контингент пациентов - это дети с тяжелыми врожденными и приобретенными патологиями опорно-двигательного аппарата (детский церебральный паралич, последствия черепно-мозговой и спинальной травмы, врожденный вывих бедра, врожденная косолапость и др.) и взрослые с двигательными нарушениями после ОНМК (острых нарушений мозгового кровообращения), черепно-мозговой и спинальной травмы.

В каждом конкретном случае для коррекции структурного мышечного дисбаланса и формирования крупных стереотипов необходима индивидуальная программа, которая разрабатывается врачом-реабилитологом, предусматривающая использование тренажера-корректора мышечного дисбаланса в рамках общего комплекса реабилитационно-терапевтических мероприятий.

Таким образом, тренажер-корректор мышечного дисбаланса по данному изобретению позволяет добиваться нормализации двигательной функции при широком спектре заболеваний и нарушений опорно-двигательного аппарата у детей и взрослых и имеет большой потенциал для внедрения.