СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ БАЛАНСА МЫШЦ ТУЛОВИЩА КОСМОНАВТОВ НА ВТОРОМ ЭТАПЕ ПОСЛЕПОЛЕТНОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ С ПОМОЩЬЮ БИОУПРАВЛЯЕМОЙ МЕХАНОТЕРАПИИ Российский патент 2023 года по МПК A61H1/00 

Изобретение относится к области медицины, в частности, авиационной, космической и восстановительной медицины и может быть использовано для восстановления мышц туловища космонавтов в послеполетной программе медицинской реабилитации. Изобретение может применяться в практике врачей авиационной и космической медицины, лечебной физической культуры, травматологов-ортопедов, терапевтов, физиотерапевтов, специалистов, занимающихся лечебной деятельностью, профилактикой и/или вопросами восстановления и реабилитации в области авиационной, космической и восстановительной медицины.

Длительное пребывание на международной космической станции в условиях гипогравитации несомненно отражается на функциональном состоянии организма космонавтов. Нарушения двигательной активности и постурального контроля обусловлены, в первую очередь, снижением мышечной силы и ее дисбалансом, нарушением нервно-мышечной передачи, проприоцептивными дисфункциями. На восстановление нарушенных функций затрачивается достаточно длительное время и реабилитация космонавтов делится на 3 этапа, включающих пребывание в ЦПК имени Ю.А. Гагарина (3 недели) на первом этапе, следующий за ним, санаторно-курортный этап реабилитации (30-40 дней)и третий этап - амбулаторный (до 4 месяцев). На первом этапе (стационарном) медицинской реабилитации большая часть симптомов (снижение мышечного тонуса, нарушение координации движений) гипогравитационного двигательного синдрома в большей степени корригируются. Однако, для полноценного восстановления нарушенных функций требуется разработка и применение новых способов коррекции и оптимизации мышечного баланса, обладающих этиотропным воздействием.

Раннее нивелирование гипогравитационных изменений играет важную роль в профилактике нарушений и заболеваний нервно-мышечной системы и опорно-двигательного аппарата космонавта[1]. Разработка способа оптимизации баланса мышц туловища позволит осуществлять контроль за усилением слабых мышечных групп и расслаблением спазмированных участков мышц, что является эффективной профилактикой заболеваний опорно-двигательной системы. Кроме того, корригирование мышечного дисбаланса способствует повышению функциональных возможностей организма космонавта за счет увеличения проприоцептивной чувствительности и формирования правильных двигательных стереотипов[2-4].

В настоящее время специалистами в области авиационной, космической, и восстановительной медицины были разработаны разные методы для поддержания тонуса мышц космонавтов в условиях гипогравитации. В 2020 году был представлен специально разработанный для космонавтов костюм электростимуляции для поддержания тонуса мышц во время длительных пилотируемых космических полетов [5]. Применение электростимуляции также включало, разработанное отечественными учеными устройство мягкий экзоскелет, который не только способствует восстановлению мышечной атрофии, но и уменьшает вероятность возникновения атрофии двигательных нервов [6]. Описано применение биомеханического тренажерного комплекса для восстановления силы и выносливости мышц ног космонавта после длительного космического полета [7]. В отечественной системе профилактики гипогравитационных нарушений мускулатуры туловища и конечностей основными являются локомоторные тренировки, которые используются на борту международной космической станции [8]. Уровень техники.

В настоящее время известны способы лечения мышечной слабости и повышения мышечной силы у космонавтов при нахождении в условиях гипогравитации и в период постгипогравитационной реадаптации.

Известен способ (RU 2227048 C1) восстановления и/или сохранения функциональных возможностей мышц человека в условиях микрогравитации и/или гипокинезии включающий наложение сухих электродов на поверхность кожи, тренировку мышечного аппарата путем электростимуляции мышц за счет подачи низкочастотных импульсов электрического тока на электроды.

Однако способ не обеспечивает решение проблемы мышечных асимметрий и оптимизации баланса мышц туловища, формирующихся в условиях замкнутого пространства и сниженной двигательной активности.

Известен способ (RU 2368398 C1) восстановления массы постуральных мышц голени после воздействия гипокинезии и/или гипогравитации, включающий воздействие физическими факторами на организм в интервальном режиме в течение 7 дней, отличающийся тем, что в качестве физического фактора воздействия используют нормобарическую кислородно-газовую смесь, которую подают циклами по 15 мин с 7-минутными перерывами нормоксии между циклами, при этом в 1-е и 2-е сутки подают кислородно-газовую смесь с содержанием 12% кислорода и 88% азота, а на 3-7-е сутки периода воздействия подают кислородно-газовую смесь с 10% кислорода и 90% азота, в 1-е сутки проводят 6 циклов общей длительностью 2 ч, 2-7-е сутки проводят 8 циклов, общей длительностью 3 ч.

Недостатком метода является изолированное воздействие на мышцы голени, отсутствие данных о воздействии на другие структуры мышечного аппарата, в частности на мускулатуру туловища космонавта, также подвергающуюся гипогравитационному воздействию.

Известен способ (RU 2202323 C2) волновой биомеханотерапии Б.С. Савельева, включающий массажное и терапевтическое воздействие на организм человека как тепловыми и световыми волнами, так и механическими, которые представляют собой последовательные и параллельные комбинации продольных и поперечных модулированных уединенных волн длиной от 0,005 до 0,1 м и распространяющихся по телу со скоростью от 0,01 до 12 м/с.

Недостатком предлагаемого способа биомеханотерапии является его эффективность только в комплексном применении с другими методами реабилитации, например повышение эффективности лечебного и спортивного массажа, улучшение результатов комплексного лечения различных заболеваний.

Известен способ (RU 2306960 C2) повышения устойчивости к утомлению мышц человека при сохранении максимальной произвольной силы включающий длительную низкочастотную электростимуляцию мышц, отличающийся тем, что электростимуляцию осуществляют при одновременном растяжении этих мышц, причем электростимуляцию мышц проводят прямоугольными биполярными импульсами частотой 15 Гц и длительностью 500 мкс.

Автор отметил возможность применения разработанного способа у космонавтов, однако недостатком метода является отсутствие данных о применении этого способа у космонавтов при нахождении в условиях гипогравитации и в период постгипогравитационной реадаптации.

Технический результат на который направлено данное изобретение заключается в повышении эффективности лечебно-профилактических мероприятий в реабилитационный период, а также на оптимизацию баланса мышц туловища, формирование правильных условно-рефлекторных двигательных реакций как в восстановительный послеполетный период, так и в повседневной жизни.

Технический результат достигается тем, что способ оптимизации баланса мышц туловища космонавтов с помощью биоуправляемой механотерапии, включает тренировки активного и пассивного движения позвоночного столба в поясничном отделе.

Причем новым является то, что:

- тренировка мышц туловища происходит в изокинетическом режиме, активация режима с биологической обратной связью, профиль тренировки -синусоидальный, позиция космонавта - стоя, ограничение движений - по скорости 45 градусов в секунду, тип движения позвоночного столба - сгибание и разгибание, амплитуда движения - не превышает 30 градусов, последовательное применение режимов сопротивления движения: пассивная мобилизация, активные движения в эксцентрическом и концентрическом режиме сопротивления, пассивная мобилизация, пределы крутящего момента 500 Нм, количество повторений 20 раз, перерыв между последовательным применением режимов сопротивления движения - 30 секунд, общее время тренировки мышц туловища -20-25 минут.

Для достижения наиболее выраженного эффекта курс должен быть не менее 14 процедур.

Эффективность заключается в:

- оптимизации мышечного баланса - усиление слабых мышечных групп, нивелирование спазмированных участков мышечной ткани;

- профилактике травм и повреждений опорно-двигательного аппарата при восстановлении двигательной активности и биомеханики движения;

- улучшении стабилизации при статической и динамической нагрузке на позвоночник;

- улучшении постурального контроля в послеполетный период реабилитации космонавтов.

Способ оптимизации баланса мышц туловища космонавтов с помощью биоуправляемой механотерапии реализуется на роботизированном биомеханическом комплексе с биологической обратной связью Con-trex, главными задачами, которого являются диагностика и объективная функциональная оценка состояния опорно-двигательного и нейро-мышечного аппаратов пациента на основе объема выполняемого движения, регистрируемого усилия пациента и определения оптимальных скоростных характеристик его движения. Данные технологии реализуются через специальные модули, в нашем способе использовался модуль TP - для проведения тренировок и диагностики мышечного аппарата туловища, который имеет следующие характеристики: режимы - изокинетический, изотонический, изометрический, пассивная мобилизация; профиль - синусоидальный, прямоугольный; сопротивление - эксцентрическое, концентрическое, пределы крутящего момента от 0 до 500 Нм, скорость движения от 0 до 90 градусов в секунду, амплитуда движения от 0 до 90 градусов, тип движения сгибание, разгибание.

Проведение курса процедур с целью оптимизации баланса мышц туловища проводится с использование комплекса Con-trex модуль TP с использованием изокинетического режима, активация режима с биологической обратной связью, профиль тренировки - синусоидальный, позиция космонавта - стоя, ограничение движений - по скорости 45 градусов в секунду, тип движения позвоночного столба - сгибание и разгибание, амплитуда движения - не превышает 30 градусов, последовательное применение режимов сопротивления движения: пассивная мобилизация, активные движения в эксцентрическом и концентрическом режиме сопротивления, пассивная мобилизация, пределы крутящего момента - 500 Нм, количество повторений - 20 раз, перерыв между последовательным применением режимов сопротивления движения - 30 секунд, общее время тренировки мышц туловища - 20-25 минут.

Достижение технического результата обеспечивается также тем, что курс процедур как при оптимизации баланса мышц туловища составляет не менее 14 процедур.

Физиологический эффект обеспечивается тем, что в зоне воздействия ликвидируется дисбаланс силовых параметров мышц антагонистов, происходит снижение мышечного утомления, улучшается микроциркуляция, нормализуется артериальный приток и венозный отток, улучшается биоэлектрическая активность нервно-мышечного аппарата, повышается скорость распространения электрических импульсов по моторным волокнам нервной ткани, а также по терминалям аксонов не имеющих миелиновой оболочки.

Показания к использованию способа:

- восстановление двигательной активности в период послеполетной реабилитации;

состояния перенапряжения и перетренированности опорно-двигательного аппарата и их профилактика;

- необходимость повышения функциональных возможностей опорно-двигательного аппарата космонавтов;

- мышечный дисбаланс, недостаточный уровень развития отдельных мышечных групп.

Противопоказания к использованию способа:

- острые травмы;

- болезненные состояния, сопровождающиеся острым болевым синдромом, лихорадочными состояниями.

Заявляемый способ был опробован для оптимизации баланса мышц туловища у 5 космонавтов. Проведение динамометрического исследования после курса биоуправляемой механотерапии (14 процедур) позволило выявить оптимизацию баланса мышечной системы, которая произошла за счет изменения силовых параметров мышечного напряжения для осуществления движения. Было отмечено нивелирование разницы между параметрами максимального и среднего приложения силы мышц антагонистов во время выполнения упражнения, что свидетельствует о приложении космонавтом одинакового равномерного усилия при длительной физической нагрузке. При этом нагрузка во время сеансов механотерапии хоть и была динамической однако проводилась активная компенсация прилагаемого космонавтом усилия, в результате чего осуществлялся контроль за усилением слабых мышечных групп и расслаблением спазмированных участков мышц. В результате такой нагрузки был сформирован правильный динамический стереотип движений, при этом сознательное управление мышечным напряжением способствовало формированию правильных двигательных навыков в повседневной жизни. Данные полученные по результатам динамометрического и стабилометрического исследования свидетельствуют о закреплении положительного влияния механотерапии на функциональное состояние мышечного аппарата за счет ликвидации дисбаланса приложенной космонавтом максимальной (Р<0,03)и средней(Р<0,01) силы для выполнения упражнения, снижения параметров мышечного утомления (Р<0,04), а также нивелирования асимметрии между правой и левой стороной при выполнении динамической пробы (Р<0,03).

Следовательно, сравнивая показатели динамометрии и стабилометрии, до и после применения заявленного способа можно заключить о выраженном статистически достоверном улучшении показателей, а, следовательно, о положительном эффекте его использования для оптимизации баланса мышц туловища космонавтов. В результате курса биоуправляемой механотерапии улучшается функциональное состояние мышечного аппарата, а также проприоцептивная чувствительность, позволяющая более точно контролировать выполняемые движения.

Реализация заявленного способа для оптимизации баланса мышц туловища и повышения функциональных возможностей опорно-двигательного аппарата космонавтов на втором этапе послеполетной программы реабилитации.

Пример 1

Космонавт А. 56 лет, трижды отправлялся на международную космическую станцию в составе основного экипажа, общее время налета более 540 суток, суммарное время в открытом космосе более 12 часов. Последний спуск с орбиты февраль 2020 года. На втором этапе (санаторно-курортном этапе) реабилитации наблюдался в г. Пятигорске.

Первичное динамометрическое исследование мышц туловища показало:

крутящий момент максимальный мышц-разгибателей - 89,8 Нм;

крутящий момент максимальный мышц-сгибателей - 96,6 Нм;

крутящий момент средний мышц-разгибателей - 57,2 Нм;

крутящий момент средний мышц-сгибателей - 85,7 Нм;

мощность средняя мышц-разгибателей - 33 Вт;

мощность средняя мышц-сгибателей - 45,6 Вт;

средняя работа мышц-разгибателей - 52 Дж;

средняя работа мышц-сгибателей - 72,7 Дж;

утомление мышц-разгибателей - 0,44 Дж/с;

утомление мышц-сгибателей - 0,19 Дж/с;

параметры общей работы мышц-разгибателей - 415 Дж;

параметры общей работы мышц-сгибателей - 581 Дж.

После проведения у космонавта С. курса из 14 процедур биоуправляемой механотерапии мышц туловища (изокинетический режим тренировки, активация режима с биологической обратной связью, профиль тренировки - синусоидальный, позиция космонавта стоя, ограничение движений - по скорости 45 градусов в секунду, тип движения позвоночного столба - сгибание и разгибание, амплитуда движения - не превышает 30 градусов, последовательное применение режимов сопротивления движения: пассивная мобилизация, активные движения в эксцентрическом и концентрическом режиме сопротивления, пассивная мобилизация, пределы крутящего момента - 500 Нм, количество повторений - 20 раз, перерыв между последовательным применением режимов сопротивления движения 30 секунд, общее время тренировки мышц туловища 20-25 минут), показатели динамометрии изменились следующим образом:

крутящий момент максимальный мышц-разгибателей - 85,8 Нм;

крутящий момент максимальный мышц-сгибателей - 86,5 Нм;

крутящий момент средний мышц-разгибателей - 67,3 Нм;

крутящий момент средний мышц-сгибателей - 68,1 Нм;

мощность средняя мышц-разгибателей - 43,8 Вт;

мощность средняя мышц-сгибателей - 44,2 Вт;

средняя работа мышц-разгибателей - 58,6 Дж;

средняя работа мышц-сгибателей - 59,4 Дж;

утомление мышц-разгибателей - 0,18 Дж/с;

утомление мышц-сгибателей - 0,17 Дж/с;

параметры общей работы мышц-разгибателей - 544 Дж;

параметры общей работы мышц-сгибателей - 548 Дж.

Первичное исследование постурального баланса проводилось на многофункциональной стабилоплатформе с биологической обратной связью в двух пробах - статической (положение стоя) и динамической (выполнение приседа). Выявленный дисбаланс (8%) между правой и левой половиной тела у космонавта, во время выполнения динамической пробы, был полностью корригирован после курса биоуправляемой механотерапии.

Данные изменения свидетельствуют об оптимизации мышечного баланса за счет усиления слабых мышечных групп и расслабления спазмированных участков мышц. В результате такой нагрузки был сформирован правильный динамический стереотип условно-рефлекторных движений, а также выявлено улучшение показателей постурального баланса.

Пример 2

Космонавт О. 53 года, трижды отправлялся на международную космическую станцию в составе основного экипажа, общее время налета более 530 суток, суммарное время в открытом космосе более 16 часов. Последний спуск с орбиты апрель 2020 года. На втором этапе (санаторно-курортном этапе) реабилитации наблюдался в г. Пятигорске.

Первичное динамометрическое исследование мышц туловища показало:

крутящий момент максимальный мышц-разгибателей - 101,7 Нм;

крутящий момент максимальный мышц-сгибателей - 124,3 Нм;

крутящий момент средний мышц-разгибателей - 79,2 Нм;

крутящий момент средний мышц-сгибателей - 94,6 Нм;

мощность средняя мышц-разгибателей - 47,1 Вт;

мощность средняя мышц-сгибателей - 61,2 Вт;

средняя работа мышц-разгибателей - 64 Дж;

средняя работа мышц-сгибателей - 81,7 Дж;

утомление мышц-разгибателей - 0,54 Дж/с;

утомление мышц-сгибателей - 0,26 Дж/с;

параметры общей работы мышц-разгибателей - 515 Дж;

параметры общей работы мышц-сгибателей - 647 Дж.

После проведения у космонавта О. курса из 14 процедур биоуправляемой механотерапии мышц туловища (изокинетический режим тренировки, активация режима с биологической обратной связью, профиль тренировки - синусоидальный, позиция космонавта - стоя, ограничение движений - по скорости 45 градусов в секунду, тип движения позвоночного столба - сгибание и разгибание, амплитуда движения - не превышает 30 градусов, последовательное применение режимов сопротивления движения: пассивная мобилизация, активные движения в эксцентрическом и концентрическом режиме сопротивления, пассивная мобилизация, пределы крутящего момента 500 Нм, количество повторений 20 раз, перерыв между последовательным применением режимов сопротивления движения 30 секунд, общее время тренировки мышц туловища 20-25 минут), показатели динамометрии изменились следующим образом:

крутящий момент максимальный мышц-разгибателей - 105,4 Нм;

крутящий момент максимальный мышц-сгибателей - 106,2 Нм;

крутящий момент средний мышц-разгибателей - 74,8 Нм;

крутящий момент средний мышц-сгибателей - 75,1 Нм;

мощность средняя мышц-разгибателей - 56,2 Вт;

мощность средняя мышц-сгибателей - 56,8 Вт;

средняя работа мышц-разгибателей - 64,9 Дж;

средняя работа мышц-сгибателей - 65,5 Дж;

утомление мышц-разгибателей - 0,21 Дж/с;

утомление мышц-сгибателей - 0,22 Дж/с;

параметры общей работы мышц-разгибателей - 585 Дж;

параметры общей работы мышц-сгибателей - 591 Дж.

Исследование постурального баланса, проведенное на многофункциональной стабилоплатформе с биологической обратной связью в двух пробах статической (положение стоя) и динамической (выполнение приседа). Выявленный дисбаланс (6%) между правой и левой половиной тела у космонавта, во время выполнения динамической пробы, был полностью ликвидирован после курса биоуправляемой механотерапии.

Данные изменения свидетельствуют о корригировании имеющихся нарушений мышечного баланса и повышении функционального состояния нервно-мышечной системы, а также об увеличении проприоцептивной чувствительности, позволяющей более точно контролировать выполняемые движения.

Очевидно, что совокупность физических характеристик воздействий, длительность курса в данном изобретении обеспечивают достижение заявленного технического результата. Использование данного способа показывает эффективность и высокий потенциал данного изобретения. Таким образом, заявляемый способ оптимизации баланса мышц туловища космонавтов с помощью биоуправляемой механотерапии обладает новыми свойствами, обуславливающими получение положительного эффекта.

Литература

1. Баранов М.В. Программа медицинского обследования космонавтов, завершивших летную деятельность / М.В. Баранов, С.Ю. Захаров, О.Н. Новикова, Е.А. Руденко // Медицина экстремальных ситуаций. - 2016. - №. 1 (55). - С. 19-24.

2. Шпаков А.В. Моторный паттерн ходьбы человека в условиях различной по величине гравитационной нагрузки на опорно-двигательный аппарат / А.В. Шпаков, А.В. Воронов // Медицина экстремальных ситуаций. - 2017. - №. 4 (62). - С. 95-104.

3. Братков А.В. Деструктивные изменения мышечной ткани в условиях отсутствия гравитации (0G) / А.В. Братков, Д.А. Цхеносанидзе //Современные медицинские исследования. 2016. С.69-73.

4. Иванова А.А. Изучение физического состояния человека при воздействии невесомости / А.А. Иванова, Ю.А. Иванова // Современные тенденции в образовании: новые педагогические технологии и электронные средства обучения. - 2017. - С. 260-267.

5. Никитина А. Костюм электромиостимуляции для поддержания тонуса мышц космонавтов во время длительных пилотируемых космических полетов / А. Никитина // Экологические риски антропогенных загрязнений биосферы. - 2020. - С. 113-113.

6. Зеленский К.А. Разработка блока управления мягким экзоскелетом для восстановления атрофированных мышц / К.А. Зеленский, А.В. Дмитриев, А.Е. Косоруков // Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии. 2018. С. 309-311.

7. Кукоба Т.Б. Сравнительный анализ методик резистивной тренировки космонавтов, используемых в космическом полете / Т.Б. Кукоба, Е.В. Фомина // Материалы Всероссийской научно-практической конференции по вопросам спортивной науки в детско-юношеском спорте и спорте высших достижений. - 2016. - С. 307-315.

8. Фомина Е.В. Восстановление силы мышц ног космонавта после длительного космического полета с использованием силового тренажера для частичной компенсации гравитационной разгрузки / Е.В. Фомина, Т.Б. Кукоба // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2019. Т. 53. №.5. С. 11-16.

Изобретение относится к области медицины, в частности, авиационной, космической и восстановительной медицины и может быть использовано для восстановления мышц туловища космонавтов в послеполетной программе медицинской реабилитации, в частности, на санаторно-курортном этапе (втором этапе) реабилитации. Проводят тренировки активного и пассивного движения позвоночного столба в поясничном отделе. Тренировка мышц туловища происходит в изокинетическом режиме. Активация режима с биологической обратной связью, профиль тренировки - синусоидальный, позиция космонавта - стоя, ограничение движений - по скорости 45 градусов в секунду. Тип движения позвоночного столба - сгибание и разгибание, амплитуда движения не превышает 30 градусов, последовательное применение режимов сопротивления движения: пассивная мобилизация, активные движения в эксцентрическом и концентрическом режиме сопротивления, пассивная мобилизация, пределы крутящего момента - 500 Нм, количество повторений - 20 раз, перерыв между последовательным применением режимов сопротивления движения - 30 секунд, общее время тренировки мышц туловища - 20-25 минут, курс - 14 процедур. Способ обеспечивает повышение эффективности лечебно-профилактических мероприятий в восстановительный период, а также оптимизацию баланса мышц туловища. 2 пр.

Способ оптимизации баланса мышц туловища космонавтов с помощью биоуправляемой механотерапии, включающей активное и пассивное движение в поясничном отделе позвоночника, отличающийся тем, что тренировка мышц туловища происходит в изокинетическом режиме с активацией режима с биологической обратной связью, профиль тренировки - синусоидальный, позиция космонавта – стоя, ограничение движений - по скорости 45 градусов в секунду, тип движения позвоночного столба – сгибание и разгибание, амплитуда движения – не превышает 30 градусов, последовательное применение режимов сопротивления движения: пассивная мобилизация, активные движения в эксцентрическом и концентрическом режиме сопротивления, пассивная мобилизация; пределы крутящего момента – 500 Нм, количество повторений – 20 раз, перерыв между последовательным применением режимов сопротивления движения – 30 секунд, общее время тренировки мышц туловища –20-25 минут, курс – 14 процедур.