Физиология человека, 2019, T. 45, № 3, стр. 129-136

Обзор методов восстановления движений у пациентов, перенесших инсульт, с использованием функциональной электромиостимуляции

Применение ФЭС при восстановлении функции локомоции. Двигательная реабилитация после инсульта включает в себя две масштабных задачи: восстановление локомоции и восстановление бытовой функции руки.

С момента своего возникновения ФЭС хорошо зарекомендовала себя в качестве методики восстановления двигательных функций нижней конечности, чему посвящено большое количество систематических обзоров [7–9].

Одним из методов реабилитации, получивших широкое применение, стала ФЭС передней большеберцовой и малоберцовой мышц паретичной ноги при ходьбе во время фазы переноса. Большинство коммерческих моделей используют в этих случаях открытый протокол стимуляции. В настоящее время наиболее широкое применение получили такие поверхностные чрескожные стимуляторы как: Ness L300, Odstock, Walkaide (рис. 1) и стимуляторы с имплантируемыми электродами: STIMuSTEP (рис. 2) и ActiGait (рис. 3).

Рис. 1.

Носимые чрескожные электростимуляторы. А – Ness L300 (США), Б – Walkaide (США), В – Odstock с сенсорной стелькой (Великобритания).

Рис. 2.

Электростимулятор с имплантируемыми электродами STIMuSTEP (Великобритания).

Рис. 3.

Электростимулятор с имплантируемыми электродами ActiGait (Дания).

В подавляющем большинстве предлагаемых в настоящее время технологических решений для ФЭС рекомендуется использование накожных электродов, как обладающих при бытовом их применении меньшим числом недостатков.

В ряде крупных исследований эффективности применения ФЭС при слабости мышц голени вследствие постинсультного пареза использовались прототипы носимых аппаратов ФЭС с накожными электродами. При этом помимо мышц разгибателей голеностопного сустава, в ряде клинических исследований оценивалась эффективность ФЭС нескольких групп мышц.

Так, в 2004 г. учеными из США было проведено рандомизированное плацебо контролируемое исследование [10], целью которого являлось определение эффективности метода ФЭС, для чего пациенты с ОНМК (n = 41) были разделены на 3 группы: основную (n = 13), получавшую ФЭС совместно с классическими методами двигательной реабилитации, контрольную (n = 15) получавшую только классические методы двигательной реабилитации и группу плацебо (n = 13). У пациентов основной группы ФЭС проводили посредством 2-х канального стимулятора, электроды которого накладывали на четырехглавую и двуглавую мышцы бедра, переднюю большеберцовую мышцу и срединную головку икроножной мышцы. При этом пациент находился в положении лежа на здоровом боку, а его паретичная нога – в облегченной среде, созданной специальными подвесами. В исследовании использовали следующий протокол ФЭС: длительность импульса – 0.3 мс, частота – 30 Гц, амплитуда импульса от 20 до 30 мА, последовательность электрических стимулов соответствовала последовательности сокращения мышечных групп, реализующих ходьбу в норме. Занятия с применением ФЭС длились 30 мин и проводились в течение трех недель пять дней в неделю. Пациенты плацебо группы получали электрическую стимуляцию мышц на выключенном приборе с такими же параметрами стимуляции что и в основной группе, за исключением продолжительности стимуляции, длительность которой составляла 60 мин. Для обеспечения эффекта плацебо пациентам говорили, что электрическую стимуляцию они могут не ощущать. Результаты показали увеличение изометрического сокращения мышц сгибателей и разгибателей голеностопного сустава, со значительным преобладанием в основной группе (p <  0.05). Так же в группе ФЭС в сравнении с двумя другими группами сопротивление со стороны спастичных мышц отмечалось значительно меньшее в процессе произвольного разгибания стопы (p < 0.05). Среди пациентов основной группы 84.6% к концу курса лечения могли самостоятельно ходить, в группах плацебо и контроля процент самостоятельно ходящих пациентов при этом составил 60.0 и 46.2% соответственно. Опираясь на эти результаты, исследователи пришли к заключению, что применение ФЭС в совокупности с классическими методами реабилитации в острой стадии инсульта имеет преимущество перед изолированным применением классических методов, благоприятно влияя на развитие моторных навыков.

В 2010 г. группой американских специалистов было проведено рандомизированное перекрестное исследование [11], нацеленное на определение влияния метода ФЭС на мышцы сгибатели и разгибатели стопы в процессе восстановления навыка ходьбы у пациентов в хронической стадии инсульта. В эти исследования были включены пациенты, которые были способны идти, поддерживая непрерывную ходьбу, не менее 15 мин, способные надеть самостоятельно или с посторенней помощью 4 раза в день устройство ФЭС. В течение всего курса лечения у пациентов не применялись методы традиционной двигательной реабилитации. В ходе исследования метод А предполагал ношение аппарата, оснащенного ФЭС, в течение 6–8 ч в день. Пациент должен был проходить за несколько сессий не менее 1 ч в день. Пациенты, получавшие лечение по методу B, должны были только проходить не менее 1 ч в день, без использования ФЭС. По истечении 3 мес., следуя протоколу исследования, условия в группах менялись на противоположные. Методом рандомизации в группу A (метод A–B) было включено 15 пациентов, а в группу B (метод B–A) 13 пациентов. ФЭС обеспечивалась с помощью двухканального стимулятора. Стимуляция сгибателей стопы осуществлялась в начале фазы опоры, стимуляция разгибателей стопы – в конце фазы опоры. Триггерный механизм состоял из чувствительных кнопок, которые располагались в области пятки и плюснефалангового сочленения. Для стимуляции использовались карбоновые электроды 5 × 5 см, частота стимуляции варьировалась от 30 до 50 Гц, интенсивность и другие настройки ФЭС корректировались в процессе занятий, опираясь на визуальное мышечное сокращение в ответ на стимуляцию, а также отсутствие дискомфортных ощущений у пациентов. После 3 мес тренировок был отмечен ряд изменений, а именно: улучшение результатов 6-ти минутного теста ходьбы, равные для групп А и В, соответственно 47.7 и 18.4 м (p < 0.05). Время, затраченное на выполнение функционального профиля modified Emory Function Ambulatory Profile (mEFAP), включавшего ходьбу по полу с различным покрытием, вставание со стула, подъем и спуск по лестнице и обхождение препятствий, снизилось на 23.7 с (p = 0.08) в группе A и в группе В на 9.8 с. Показатели по шкале Stroke Impact Scale (SIS) в группе A увеличились на 23.5 баллов, в группе B на 3.6 балла (p = 0.03). После смены условий тренировок в группе А пациенты прошли дополнительно 9.3 м при 6-метровом тесте ходьбы, снизили затраты времени на выполнение mEFAP на 7.2 с, и получили 24.8 баллов по шкале SIS. Общий прирост (сравнение до и после) в каждой группе составил: 57.1 и 32.3 м в оценке двигательных возможностей посредством 6 метрового теста ходьбы в группах А и В соответственно. Время выполнения mEFAP для групп А и В соответственно снизилось на 30.9 и 21.6 с. Показатели оценки по шкале SIS увеличились на 45.4 и 33.4 балла для групп А и В. При оценке спастичности и мышечной силы по истечении 6-ти месячного курса тренировок, статистически значимых изменений со стороны мышечного тонуса в сгибателях стопы в обеих группах не наблюдалось. Значительное увеличение силы мышц – разгибателей стопы наблюдалось у участников группы А (p = 0.04) в середине исследования (после 3-х мес.). В конце тренировочных мероприятий (после 6 мес.) значительное увеличение мышечной силы подошвенных разгибателей наблюдалось в группе В (p = 0.04). Результаты данного исследования позволили специалистам заключить, что применение ФЭС благоприятно влияет на улучшение навыков ходьбы у пациентов с гемипарезами, позволяя сохранить эффекты, достигнутые посредством ФЭС, по прошествии даже 3-х мес.

В 2011 г. группой специалистов было проведено более крупное исследование [12], целью которого было установить терапевтические эффекты функциональной электростимуляции большеберцовой мышцы голени, направленные на снижение спастичности мышц сгибателей стопы, а также произвольного подошвенного сгибания в голеностопном суставе у пациентов, перенесших инсульт. В исследовании приняли участие 51 чел, возраст которых составлял от 37 до 65 лет. Пациенты в обеих группах получали стандартную программу постинсультной реабилитации, включающую в себя 60-минутные занятия, направленные на развитие двигательных навыков, необходимых для повседневной активности, 5 дней в неделю, в течение 12 нед. Пациенты основной группы (n = 27) в дополнение к классическим методам, получали процедуры с применением метода ФЭС, в то время как пациенты контрольной группы (n = 24) получали только стандартную программу постинсультной реабилитации.

Анализ полученных данных выявил снижение спастичности мышц сгибателей стопы по модифицированной шкале Эшворта (Modified Ashworth scale, MAS) в основной группе (до – 2.9, после – 1.8; p < 0.05), свидетельствующее о снижении спастичности на 37.5%, что значительно отличалось от показателей группы контроля (до – 2.6, после – 2.1; p < 0.05), отражающих снижение на 21.2%. Произвольное активное разгибание стопы также показало значительное увеличение активного тыльного сгибания на 47.1% (p < 0.05) в основной и 24.2% (p < 0.05) и контрольной группах, соответственно. С помощью шкалы Manual muscle test (MMT) исследователи выявили при этом увеличение мышечной силы разгибателей стопы в основной группе на 68.7% (p < 0.05), а в группе контроля на 27.7% (p < 0.05). Двигательная функция нижних конечностей по шкале Фугл-Мейера улучшилась в указанных группах на 29.1% (p < 0.05) и 11.6% (p < 0.05) соответственно. Таким образом, исследование показало, что применение метода ФЭС совместно со стандартной реабилитацией после инсульта позволяет добиться лучшего восстановления произвольных движений в голеностопном суставе, оказывая влияние на более качественное снижение спастичности в мышцах – антагонистах подошвенных разгибателей и обеспечивая лучшее функциональное восстановление после инсульта, чем применение лишь стандартных методов двигательной реабилитации.

Существует большое количество систематических обзоров и исследований (см. приложения), посвященных данной тематике [1, 2, 4, 13–15 и др.]. В частности, в мета-анализе [16] было проанализировано 33 исследования, на основании которых группа авторов пришла к выводу, что технология ФЭС обладает потенциалом для повышения производительности походки, а также других аспектов двигательного восстановления после инсульта. Тем не менее, для подтверждения этих результатов необходимы дополнительные контролируемые исследования. Исследования на здоровых людях, демонстрирующие повышение нейропластичности в ответ на стимуляцию в сочетании с произвольными движениями [17, 18], указывают на необходимость разработки систем ФЭС, которые допускают осуществление произвольного движения во время стимуляции, когда это возможно. Исходя из данных мета-анализа, наиболее используемой в исследованиях частотой стимуляции являлись показатели в диапазоне от 20 до 50 Гц. Длительность импульса при этом составляла от 280 до 400 мкс (150 мкс для имплантируемых электродов), амплитуда же, будучи приведенной только в 7 исследованиях, варьировалаcь от 4 (для имплантируемых электродов) и до 85 мА.

Немаловажно отметить, что методика ФЭС для восстановления функции ходьбы рекомендуется к применению для реабилитации пациентов, перенесших инсульт, в нескольких клинических руководствах [19, 20].

Применение ФЭС при восстановлении функции руки. Гораздо более комплексной и не менее важной является задача восстановления функции руки, напрямую связанная с качеством жизни пациентов, перенесших инсульт [1]. С целью реабилитации рук применяется весь арсенал современных реабилитационных технологий – ЛФК, робото- и механотерапия, виртуальная реальность, интерфейс мозг-компьютер. В отличие от восстановления локомоции, базирующейся на автоматизированных, стереотипных, циклических движениях, восстановление двигательных функций руки связано с дополнительными сложностями из-за высокой вариабельности движений. Рука, как известно, является одним из самых полифункциональных органов человеческого организма и, в зависимости от профессии и индивидуальных увлечений, объем и ассортимент движений рук существенно варьируется. Одним из самых стереотипных движений является достижение удаленно расположенного объекта и его захват. Неудивительно, что именно это движение выбиралось большинством исследователей как целевое при тренировке. Наиболее выраженные двигательные нарушения в руке у пациентов, перенесших инсульт, наблюдаются в дистальных отделах. Слабость мышц, отвечающих за сгибание и разгибание пальцев, не позволяет им выполнять захват и удержание предмета в руке, в связи с чем наиболее часто выбираемыми мышцами-мишенями для ФЭС были сгибатели и разгибатели пальцев кисти.

Одними из первопроходцев в применении ФЭС для восстановления функции руки были R. Merletti et al., использовавшие разработанный 2-х канальный стимулятор, для стимуляции выбранных после ряда проведенных экспериментов мышц-мишеней: лучевого и локтевого разгибателей запястья (разгибание запястья), общего разгибателя пальцев (разгибание пальцев кисти) и трицепс (разгибание локтя). Попытка стимулировать дельтовидную мышцу для разгибания плеча была успешной только у одного пациента [21]. Для оценки эффективности технологии пациенту предлагалось выполнить определенные функциональные задачи: перемещение объектов между двумя отмеченными точками на столе. При этом было показано, что задачи успешно выполнялись во время функциональной стимуляции (хотя без стимуляции это было невыполнимым), а также после нескольких тренировок и без нее. Хотя исследование было проведено на небольшой группе больных, перенесших инсульт (8 чел.), оно послужило базой для начала внедрения ФЭС для восстановления функции верхних конечностей в реабилитационную практику. В дальнейшем сразу в нескольких исследованиях был показан более выраженный эффект ФЭС по сравнению с традиционной кинезитерапией, хотя оценка проводилась только с использованием субъективных методов по шкале Фугл-Мейера [22, 23].

В 2008 году были опубликованы результаты исследования, проведенного в Корее, показавшие, что на фоне тренировок с ФЭС у пациентов, перенесших инсульт [24] происходит реорганизация моторной коры полушарий головного мозга. Исследование было проведено на 14 пациентах, перенесших нарушение мозгового кровообращения (НМК), из которых 7 вошли в основную группу, проходившую тренировку с ФЭС и 7 – в контрольную, включавшую традиционную реабилитацию.

Двигательная парадигма фМРТ заключалась в произвольном сжимании и разжимании пальцев кисти (20 с), с последующим 20 с интервалом покоя. При этом было достоверно показано, что в основной группе, в отличие от контрольной, у пациентов 1, 2, 4, 5 во время выполнения парадигмы исчезла, а у пациента 6 уменьшилась активация ипсилатеральной сенсомоторной коры. Контралатеральная активность сенсорно-моторной коры у пациента 3 стала более фокальной. Ипсилатеральная активность премоторной коры исчезла у пациентов 1, 2, 5, 7.

Тем не менее, по данным обзора [25], в котором сопоставлялись данные исследований ФЭС с ЭМГ-триггером и циклической ФЭС, включавших всего 8 рандомизированных клинических исследований, качество данных было достаточно низким. Попытка найти статистически значимые различия в пользу ФЭС с ЭМГ-триггером в этом исследовании не удалась. Приведенные результаты указывали на необходимость продолжения клинических исследований ФЭС.

В мета-анализе лаборатории Cochrane, посвященном методикам восстановления двигательной функции руки после инсульта, было обнаружено, что, несмотря на большое количество исследований в этой области, доказательная база ФЭС остается низкой, чему способствует большая разнородность данных по срокам после перенесенного инсульта, и не позволяющая объединить результаты большей части исследований [26].

В мета-анализе [27], посвященном изучению влияния циклической электрической стимуляции на мышечную силу у перенесших инсульт пациентов, эффект ФЭС был положительным, однако большинство их этих исследований были недостаточно объективными.

Перечисленные выше противоречия отражены в протоколах Royal College of Physicians, в рекомендациях 2016 г., в которых ФЭС для восстановления двигательной функции руки рекомендуется только в контексте клинических исследований и как дополнение к традиционной реабилитационной терапии [20].

В систематическом обзоре [28], посвященном применению ФЭС в качестве методики двигательного восстановления функции руки, были сформулированы замечания с указанием основных проблем исследований по данной тематике: 1) отсутствие больших рандомизированных клинических исследований; 2) большая разнородность групп пациентов (по давности перенесенного НМК от 2-х мес. до 2-х лет) и как следствие – отсутствие четких критериев, в том числе, терапевтического окна для применения ФЭС; 3) малое количество исследований с наличием группы плацебо (получающих подпороговую стимуляцию); 4) большая разнородность данных, касающихся параметров ФЭС в исследованиях, и как следствие – невозможность их стандартизации для применения в нейрореабилитации [28]. Обзор включал 20 рандомизированных клинических исследований из 135 проанализированных. Основной целью его явилось изучение влияния на бытовую активность и восстановление двигательных навыков в пораженной руке. Особенностью его является достаточно большая разнородность данных стимуляции и мышц-мишеней, выбранных исследователями для анализа. Разброс по параметрам стимуляции при этом составлял: по частоте – от 20 до 50 Гц, амплитуде тока ≤70 мА и длительности импульса от 3-х до 10 с. В качестве мышц-мишеней использовались, как правило: дельтовидная, трехглавая, мышцы сгибатели и разгибатели запястья и пальцев. Все исследования включали контрольную группу, получавшую стандартную реабилитационную программу и включавшую в программу реабилитации физиотерапию, кинезитерапию и целенаправленное двигательное переобучение. В 3-х исследованиях в контрольной группе применялась также ортезотерапия, в одном – ботулотоксин, а в другом – зеркальная терапия. Только в 3-х из исследований в контрольной группе применялось плацебо в виде подпорогового импульса ФЭС. Стоит отметить, что такая разнородность данных по группе контроля, также отрицательно отражается в оценке достоверности результатов исследования, затрудняя объединение исследований в группы сравнения, хотя во всех случаях как в контрольной, так и в основной группах были эквивалентны временные параметры средней длительности тренировок, составлявшей 45 мин.

Таким образом, в заключение следует отметить, что все приведенные данные свидетельствовали о перспективности применения ФЭС в реабилитации двигательных функций верхней конечности, однако вопросы о параметрах стимуляции и тренируемых при этом движениях остаются нерешенными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор научных данных позволил сделать вывод, что значительное различие протоколов исследований, представляет определенные сложности в составлении единого мнения об эффективности технологии ФЭС. Применение ФЭС для восстановления локомоции облегчается относительно точным и простым решением использования для синхронизации импульса стимуляции с фазой шага, в виде механического датчика давления, встраиваемого в стельку обуви. На основе этой методики создан ряд коммерческих версий функциональных стимуляторов, предназначенных для адаптации и протезирования функции голеностопного сустава при периферических поражениях нервной системы, а также при поражениях головного и спинного мозга. Опыт применения ФЭС ноги при восстановлении локомоции после инсульта обладает более убедительными доказательствами, что, в первую очередь, объясняется применением в этом случае ФЭС, единой парадигмы, заключающейся в стимуляции при ходьбе мышц разгибателей голеностопного сустава.

Вместе с тем применение ФЭС в реабилитации функций руки остается затруднительным в связи с трудностями обобщения научных и клинических данных, продиктованных в первую очередь отсутствием в этом случае возможности применения единой парадигмы из-за отсутствия стереотипного и простого движения руки.

Отдельную сложность применения ФЭС мышц, как руки, так и ноги вызывает синхронизация импульсов стимуляции с каким-либо движением. Большинство коммерческих систем и ряд реабилитационных прототипов обладают либо узкой специализацией применения, либо, напротив, представляют комплекс, слишком сложный для повседневного применения.

В качестве дальнейших направлений развития ФЭС в реабилитации можно определить возможность интеграции ФЭС с другими реабилитационными системами и тренажерами. Уже сейчас активно разрабатываются и начинают применяться системы, использующие совместно с ФЭС воображение движений и технологию мозг-компьютер интерфейс совместно с ФЭС [29, 30]. Приоритетной остается задача разработки реабилитационной системы ФЭС с “закрытым” протоколом стимуляции, который позволит использовать произвольные движения наравне с ФЭС во время целенаправленного двигательного обучения. Не менее важным является создание более точной системы синхронизации, основанной не только на данных кинематического анализа, но также использующей искусственные нейронные сети для создания библиотеки индивидуальных движений пациента.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией данной статьи.