Проектирование биотехнических систем для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника (96

ПРЕДИСЛОВИЕ

Природа удивительно хорошо приспособила наше тело для движения. Опорно-двигательный аппарат – это сбалансированная система, с одной стороны, с громадным запасом прочности, а с другой – с не менее значительным запасом гибкости. Опора тела и всех его органов – скелет, опора скелета – позвоночник, опора движения – мышцы.

Позвоночник является основным элементом опорнодвигательной системы человека, который к тому же предохраняет спинной мозг и основные периферические нервы от механических повреждений. Именно поэтому самочувствие и здоровье человека во многом зависят от состояния позвоночника. Мелкая неприятность в небольшом суставе может вызвать боль в спине, боль в ноге, мышечные боли в различных местах спины и потерю возможности свободно двигаться.

В промышленно развитых странах запатентовано несколько десятков аппаратов для механотерапии позвоночника. Однако они оказываются эффективными лишь при некоторых видах патологических деформаций. Требуется комплексный подход к разработке биотехнических систем с применением новых медико-технических и реабилитационных технологий.

3

1. ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ, МАССАЖА МЫШЦ СПИНЫ И ВЫТЯЖЕНИЯ НА ФУНКЦИИ ПОЗВОНОЧНИКА

Внастоящее время существует множество различных подходов

кпроблеме реабилитации пациентов с болями в спине: отдых; ношение бандажей для иммобилизации позвоночника; использование особых матрацев; мануальная терапия и массаж; рефлексотерапия; тракция; физические упражнения; обучающие программы для работы с пациентами; психологическая коррекция.

Физические упражнения делаются с целью восстановления нормального тонуса мышц, улучшения лимфо- и кровообращения в пораженном сегменте, укрепления мышц спины, брюшного пресса, устранения нарушения осанки. В начальном периоде курс лечебной физкультуры направлен на расслабление мышц, находящихся в состоянии защитного напряжения, и улучшение анатомических взаимоотношений структур позвоночника, что способствует уменьшению болевого синдрома. В дальнейшем главная цель выполнения физических упражнений – повышение стабильности позвоночника.

Массаж оказывает дозированное механическое и рефлекторное воздействие на ткани и органы человека, влияет на центральную и периферическую нервную системы. Влияние массажа на нервную систему разнообразно и зависит от степени раздражения рецепторов, характера массажных механических приемов, длительности их воздействия, места приложения, индивидуальных особенностей человека. Массаж может оказывать успокаивающее или возбуждающее воздействие в зависимости от скорости движения массажных элементов.

Влияние массажа на кровеносную систему выражается в усилении оттока лимфы и крови от массируемой области, умеренном расширении периферической артериальной сети, что обусловливает усиленный приток артериальной крови, способствует активизации кровообращения в целом, перераспределению крови от внутренних органов к мышцам и коже. Под влиянием массажа (разминания) ускоряется ток венозной крови, что облегчает работу сердечной мышцы и улучшает кровообращение во всем организ-

4

ме. Массаж снимает болевые ощущения, делает мышцы мягкими и эластичными.

Важное место в системе патогенетической терапии болей в спине занимает вытяжение позвоночника. Впервые тракционное лечение применил Дж. Уильямс (1921). Многочисленные исследования в этой области, проведенные с тех пор, позволили выяснить механизмы эффективного тракционного воздействия при остеохондрозах. В основном они сводятся к следующему:

1)осуществляется разгрузка позвоночника путем увеличения расстояния между позвонками;

2)уменьшаются мышечные контрактуры. Электромиографические исследования показали, что при вытяжении уменьшается патологическое напряжение мышц;

3)снижается внутридисковое давление;

4)увеличивается вертикальный диаметр межпозвонкового отверстия, что ведет к декомпрессии корешка и уменьшению отека;

5)устраняется подвывих в межпозвонковых суставах, что дает декомпрессирующий эффект.

В нашей стране и за рубежом созданы и разрабатываются различные механотерапевтические установки для массажа и вытяжения позвоночника. Растяжение позвоночника осуществляется в горизонтальной, вертикальной или наклонной плоскостях как в воздухе («сухое» растяжение), так и в воде. Возможна также комбинация растяжения с различным типом массажа и физиотерапевтическим воздействием.

Сравнительный анализ существующих технических средств для реабилитации пациентов с болями в спине в целом показывает отсутствие единого подхода и обоснованных методик выбора параметров воздействия, отсутствие объективной оценки эффективности и проводимых процедур, а также их регулирования с учетом индивидуальных особенностей пациента и необходимости оптимизации воздействия.

Наиболее эффективный метод – подводное вытяжение позвоночного столба, при котором уменьшается влияние гравитации и удается избежать насильственного воздействия. Однако комплекс,

спомощью которого осуществляется эта методика, сложный и дорогостоящий. К нему предъявляются повышенные санитарногигиенические требования, и необходима специальная обработка.

5

В основе механизма действия комплексной механотерапии лежит комбинация вытяжения пораженного отдела позвоночника с помощью груза при фиксированных отделах туловища и механического массажа патологических зон позвоночного столба. На большинстве установок массаж проводится только на длинных мышцах спины, и выбор частоты вибрационного массажа никак не обосновывается, а задается врачом при условии, что данное воздействие переносит пациент. На установках с горизонтальным вытяжением с помощью грузов не обеспечивается биоадекватность воздействия на позвоночник. Существенно варьируются значения величины груза (2–100 кг) и времени процедуры

(5 мин – 1 ч. 20 мин).

Необходимо учитывать, что вытяжение при шейном остеохондрозе должно быть кратковременным и с небольшим грузом, так как в противном случае возможно растяжение капсул межпозвонковых суставов и прогрессирование расшатывания межпозвонковых сегментов. При поясничном остеохондрозе большие грузы могут также оказать отрицательное воздействие в виде усиливающегося болевого синдрома и напряжения мускулатуры.

Таким образом, можно сформулировать основное требование, предъявляемое к аппаратуре, на которой осуществляется механотерапия заболеваний опорно-двигательной системы человека: комплексный эффект биоадекватного воздействия должен складываться из эффектов механического массажа и постепенной дозированной дистракции.

При этом должны быть получены следующие положительные терапевтические результаты:

•декомпрессия путем увеличения вертикального диаметра межпозвоночного отверстия;

•снижение внутрисосудистого давления;

•улучшение кровотока и микроциркуляции с уменьшением застойных явлений в венозной системе позвоночника;

•релаксация мягких тканей (мышечно-связочного комплекса);

•уменьшение воспаления мышечной ткани и снятие миофасциального болевого синдрома;

•нормализация статики и динамики позвоночника;

•увеличение расстояния между телами смежных позвонков.

6

2. ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МАССАЖА МЫШЦ СПИНЫ

И ВЫТЯЖЕНИЯ ПОЗВОНОЧНИКА

Процесс создания любого нового технического устройства (конструкции, изделия) включает в себя, как правило, следующие основные этапы:

1)разработка технической документации;

2)изготовление опытного образца;

3)испытания опытного образца;

4)корректировка технической документации в соответствии с результатами испытаний;

5)изготовление опытно-промышленной партии.

Наиболее ответственным является первый этап, с которым обычно и отождествляется собственно проектирование. Условно можно выделить несколько стадий (уровней) проектирования:

1)техническое предложение;

2)разработка технического задания;

3)эскизное проектирование;

4)разработка технического проекта;

5)подготовка рабочих чертежей.

На стадии разработки технического предложения и технического задания формируются основные требования к изделию: технические характеристики, условия изготовления, монтажа и эксплуатации. При этом используется имеющаяся научнотехническая информация по прототипам изделия.

На стадии эскизного проектирования прорабатываются принципиальные вопросы достижения поставленной цели, рассматриваются общий вид изделия, его принципиальная схема, технические характеристики.

Техническое проектирование характеризуется высокой степенью детализации проектных решений и является центральным звеном всего процесса проектирования. Отыскание проектных решений на этом этапе сводится к нахождению номинальных значений параметров изделия, определяющих все его основные свойства (геометрию, массовые показатели, физико-механические характеристики). При этом исходят из необходимости выполнения целого ряда требований, обеспечивающих работоспособность изделия в данных условиях эксплуатации: изделие должно удовле-

7

творять целевому назначению с заданными показателями (критериями) качества, обладать необходимой надежностью, быть технологичным при изготовлении и монтаже, иметь по возможности наименьшую стоимость и материалоемкость.

Очевидно, что перечисленные требования неравноценны: важнейшим из них является первое, определяющее цель и основную задачу проектирования. В соответствии с этим говорят о проектировании по заданным критериям качества (эффективности). Требования, не касающиеся непосредственно функционального назначения изделия, но лимитирующие те или иные его характеристики, относят к разряду дополнительных условий (ограничений). Таким образом, речь идет о проектировании по заданным критериям качества при наличии дополнительных условий (ограничений).

Проектное решение, удовлетворяющее заданным критериям качества и дополнительным ограничениям, называется допустимым. Поскольку не все критерии качества и дополнительные условия могут быть формализованы, при выработке окончательного варианта должны учитываться неформальные, в частности экспертные, оценки. Проектное решение, выбранное из множества допустимых с привлечением неформальных оценок, называется рациональным. Получение рационального решения и является конечной целью проектирования. Процесс получения такого решения может состоять из следующих ступеней.

Первая ступень. Разрабатываются система критериев качества и дополнительных условий и расчетная схема (модель) изделия. Составляются уравнения, описывающие поведение модели в данных условиях эксплуатации. Выбираются методы решения полученных уравнений.

Вторая ступень. Для различных наборов значений конструктивных параметров изделия проводятся численные расчеты, в ходе которых определяются соответствующие значения критериев качества. Устанавливаются связи между значениями конструктивных параметров и критериев качества изделия. Выявляются главные (проектные) параметры.

Третья ступень. Проводятся численные расчеты, в ходе которых отыскиваются значения главных (проектных) параметров, обеспечивающие при заданных критерях качества выполнение до-

8

полнительных условий. Определяются допустимые проектные решения.

Четвертая ступень. С привлечением неформальных оценок определяется рациональное проектное решение.

Основная трудность при реализации вышеприведенной схемы проектирования заключается в необходимости учета большого количества различных требований, обусловленных антропометрическими, физиологическими характеристиками пациента, состоянием его здоровья. При этом могут накладываться и дополнительные ограничения. В итоге количество критериев качества и дополнительных условий в ряде случаев оказывается довольно значительным.

При разработке биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника главными являются медицинские требования к механотерапевтическому воздействию.

Итак, проектирование биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника сопряжено с определением номинальных значений ее главных (проектных) параметров, обеспечивающих выполнение медицинских требований при удовлетворении всех дополнительных ограничений, вытекающих из технических условий. Второстепенные параметры при этом могут быть определены исходя из технологических или иных соображений.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МАССАЖА МЫШЦ СПИНЫ И ВЫТЯЖЕНИЯ ПОЗВОНОЧНИКА С ЗАДАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Вводим проектные параметры биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника:

y1 – угол наклона несущей рамы;

y2 – частота движения массажных элементов; y3 – амплитуда движения несущей рамы.

Обозначим также характеристики качества биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника (в нашем случае медицинские требования), зависящие от его проектных параметров:

9

F1 = f1 (y1, y2, y3) – усилия в отделах позвоночника человека при механическом массаже и вытяжении;

F2 = f2 (y1, y2, y3) – перемещения в отделах позвоночника человека при механическом массаже и вытяжении.

Характеристики работоспособной биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника должны удовлетворять требованиям, определяемым медико-техническими условиями. Также ряд требований, обусловленных ограниченными возможностями физической реализации механотерапевтического воздействия, может относиться к самим проектным параметрам. В последнем случае соответствующие функции Fi (при i = 1, 2) можно записать так:

Fi = yi − yi min ,

(1)

Fi = yi max − yi ,

где yi min, yi max – интервал допустимых значений параметра yi. Совокупность всех условий, выполнение которых необходимо

и достаточно для нормального проведения механотерапевтических процедур массажа мышц спины и вытяжения позвоночника, называется системой условий работоспособности.

Условия работоспособности практически всегда выражаются неравенствами с параметрами биотехнической системы для массажа мышц спины и вытяжения позвоночника, так как точное равенство никогда не может быть достигнуто из-за различия проектных технологических параметров. Эти неравенства могут быть как односторонними, так и двусторонними. В общем случае условия работоспособности можно привести к нормальной форме, при которой функция работоспособности, отражающая условия работоспособности, является неотрицательной. Например, условие принадлежности параметра yi интервалу [yi min ... yi max] в нормальной форме записывается следующим образом:

Fi = yi − yi min ≥ 0,

(2)

Fi = yi max − yi ≥0.

Таким образом, в общем случае систему условий работоспособности можно представить в виде

10