Детский церебральный паралич (ДЦП) — одно из самых тяжелых заболеваний центральной нервной системы (ЦНС) у детей, характеризующееся органическим поражением мозга. Распространенность ДЦП в развитых странах составляет 2–3 случая на 1000 рожденных младенцев [1]. ДЦП не только является наиболее распространенной патологией ЦНС у детей, но и занимает одно из ведущих мест среди заболеваний, ведущих к инвалидности с детства.

ДЦП сопровождают двигательные нарушения, которые возникают в разной степени при всех распространенных формах этого заболевания: спастическая диплегия — 69,3%, гемипаретическая форма — 16,3%, атонически- астатическая форма — 9,2%, гиперкинетическая форма — 3,3%, двойная гемиплегия — 1,9% [2]. Среди методов традиционной физической реабилитации — массаж, лечебная гимнастика, аппаратная кинезиотерапия, а также физиотерапевтические и электрофизиологические процедуры, способствующие снижению спастичности. Однако снижение спастичности — только первый шаг к повышению функциональной активности пациентов. Существует насущная необходимость в применении целенаправленных функциональных методов дальнейшего восстановительного лечения. Перспективными считают те, которые основаны на стимуляции нейропластичности мозговых структур, в частности методы, использующие кинестетическое воображение движений [3]. В их основе лежит идея подкрепления успешных попыток вообразить движение при помощи зрительной и проприоцептивной обратной связи, осуществляемой экзоскелетом, управляемым через интерфейс мозг–компьютер (ИМК). ИМК классифицирует регистрируемую электроэнцефалограмму и в случае, если распознается требуемое воображение движения, включится экзоскелет, который выполняет это движение и обеспечивает проприоцептивно обратную связь. Классификация ЭЭГ возможна за счет наличия паттернов, специфичных для воображения движений, в частности, как было установлено у здоровых испытуемых, десинхронизации μ-ритма в первичных сенсомоторных областях во время представления движения конечности [4]. Метод реабилитации, использующий экзоскелет кисти, управляемый ИМК, относят к числу эффективных методов восстановления двигательной функции (ДФ), зарекомендовавших себя при реабилитации постинсультных больных [5, 6]. Этот метод позволяет реализовать принципы современной нейрореабилитации: активное участие пациента, интенсивность и регулярность тренировок, биологическую обратную связь. Он также опробован в клинической практике рандомизированных исследований восстановления ДФ после инсульта [7–10].

Есть основания надеяться, что реабилитация с помощью комплекса ИМК–экзоскелет будет эффективной и для детей с ДЦП, так как мозговые нарушения, характерные для этого заболевания, возникают в период наибольшей адаптивности и нейропластичности, когда проекции от пораженных областей ЦНС еще не достигли своих конечных целей. Такие нарушения могут препятствовать процессам нейронного созревания [11]. Высокая адаптивность механизмов нейропластичности, свойственная раннему развитию, в норме играет сугубо положительную роль, способствуя формированию двигательных навыков. Однако в случае мозговых нарушений те же механизмы могут приводить к развитию атипичных компенсаторных двигательных синергий, препятствующих нормальному развитию, что часто имеет место у детей с ДЦП [12]. В основе этого явления лежит неадекватная пластичность, например, когда пластические изменения нейронной активности при акцентированном использовании интактной конечности ведут к уменьшению активации остатков коркового представительства пораженной конечности [13].

Кинестетическое воображение движения активирует механизмы нейропластичности и тем самым обучает ребенка выполнению сгибания кисти, а также облегчает выполнение, пусть и атипичных, но функционально значимых для него движений. В этом и состоит цель реабилитации с помощью комплекса ИМК–экзоскелет в случае ДЦП.

Согласно исследованиям кинестетического воображения, у детей с ДЦП, воображение движения активирует те же области мозга, что и у постинсультных больных [14]. Показано также, что способность к воображению движения у здоровых детей развивается с 5 до 12 лет и способствует совершенствованию движений [15]. У детей с ДЦП эта способность устойчива, хотя и снижена по сравнению с нормой [16]. Кроме того, способность к воображению движения не зависит от латерализации поражения [17].

Таким образом, тренировки кинестетического воображения движения имеют высокий потенциал для использования восстановления ДФ у детей с ДЦП [17, 18]. Целью работы было исследовать эффективность комплекса ИМК–экзоскелет для реабилитации больных с ДЦП. Способность к воображению движения оценивали исходя из точности работы ИМК и степени десинхронизации μ-ритма в первичных сенсомоторных областях в полушарии, контралатеральном руке, движение которой воображается.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

Исследование проводили на базе Российской детской клинической больницы РНИМУ им. Н. И. Пирогова с мая 2019 по февраль 2020 г. Курсы на воображение движений с использованием комплекса ИМК–экзоскелет кисти проходили 14 пациентов (табл. 1).

Критерии включения пациентов в исследование: возраст 7–19 лет; пациенты с центральным парезом верхних конечностей, в том числе с установленным диагнозом детский церебральный паралич, острое нарушение мозгового кровообращения, травма мозга; наличие структурного поражения головного мозга по данным нейровизуализации. Критерии невключения: неспособность выполнять процедуры исследования; отказ пациента или его законного представителя от участия в исследовании; афазия в степени, исключающей понимание инструкций пациентом; грубое нарушение зрения, не позволяющее выполнять визуальные инструкции на экране компьютера; спастичность в кисти 5 баллов по модифицированной шкале Ashworth. Критерии исключения пациентов из исследования: отказ пациента от продолжения участия в исследовании; развитие острого или декомпенсация хронического заболевания с риском потенциального влияния на результаты исследования; назначение системных миорелаксантов (изменение их дозировки после включения в исследование); введение препаратов ботулинического токсина в мышцы паретичной руки после включения пациента в исследование.

При проведении процедур использовали экзоскелетный комплекс «Экзокисть-2», включающий экзоскелеты кистей, управляемые через ИМК. Пациент располагался в медицинском кресле. Его руки помещали в экзоскелеты кистей, закрепленные на подлокотниках кресла. На расстоянии 1–1,5 м перед пациентом располагали монитор, на котором находился кружок для фиксации взора и подавали зрительные инструкции по выполнению следующих заданий: кинестетически воображать раскрытие левой или правой кисти либо спокойно сидеть, расслабившись. Консультации нейропсихолога проводили в случаях, если: 1) ребенок недостаточно мотивирован на участие в процедуре; 2) наблюдаются выраженные трудности с пониманием инструкции на представление движения; 3) имеет место выраженный дефицит внимания; 4) у ребенка отмечаются выраженные страхи и/или панические атаки во время проведения процедуры. В этих случаях диагностировали причины возникших трудностей и проводили тренировку кинестетических образов и процессов представления движения.

Для того чтобы облегчить непростую для ребенка задачу кинестетического воображения движения и сделать ее более понятной, использовали подсказки, упрощающие инициацию возникновения образов представления движения (табл. 2). При этом учитывали возраст ребенка, его интересы, а также уровень сформированности когнитивных функций.

В случае наличия у ребенка когнитивного дефицита рекомендовано использовать метафоры, предложенные для предыдущей возрастной категории. При выраженной тенденции к общей рассеянности внимания, повышенной переключаемости на побочные ассоциации и при нарушении целенаправленности деятельности разъяснения максимально упрощали и сокращали, используя короткие и четкие формулировки.

В процессе выполнения заданий регистрировали электроэнцефалограмму (ЭЭГ), что позволяло классификатору комплекса определять, какую пациент выполняет задачу. Результат классификации предъявляли в виде зрительной и проприоцептивной обратной связи: если распознавалось выполнение той задачи, которая соответствовала предъявленной инструкции, то цвет кружка на экране монитора изменялся с белого на зеленый, а экзоскелет осуществлял раскрытие кисти.

ЭЭГ регистрировали при помощи прибора NVX52 («Медицинские компьютерные системы»; Россия), входящего в состав комплекса «Экзокисть-2». Использовали 32 отведения, расположенные на позициях F3, Fz, F4, Fc5, Fc3, Fc1, Fcz, Fc2, Fc4, Fc6, C5, C3, C1, Cz, C2, C4, C6, Cp5, Cp3, Cp1, Cpz, Cp2, Cp4, Cp6, P3, Pz, P4, Po3, Poz, Po4, O1, O2. Сигнал фильтровали при помощи фильтра Баттерворта с полосой пропускания 5–30 Гц, а также режекторного фильтра, подавляющего наводку от электросети в 50 Гц. Для распознавания выполняемой задачи использовался Байесовский классификатор [19], основанный на анализе ковариационных матриц ЭЭГ.

Тренировки на воображение движения проходили в течение 7–10 дней, по 2–3 процедуры ежедневно. Длительность каждой процедуры составляла 6,5 мин, что примерно в 1,5 раза короче сессий, проводимых для взрослых постинсультных пациентов [8]. Перерыв между процедурами составлял 5 мин.

Точность управления ИМК оценивали на основе ответов классификатора системы. Ответы позволяли получить матрицу ошибок G для каждой сессии. Число строк и столбцов каждой матрицы было равно числу распознаваемых задач (трем в данном исследовании). Элемент gi,j (i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3) служил для оценки вероятности распознавания задачи с номером i, в случае когда предъявляли инструкцию j. Среднее значение диагональных элементов этой матрицы являлось оценкой средней вероятности правильного распознавания, т. е. точности управления ИМК.

Отфильтрованные записи ЭЭГ, полученные во время процедур, дополнительно обрабатывали с целью оценить величину десинхронизации μ-ритма во время воображения движения. Для каждой записи производили анализ независимых компонент при помощи метода AMICA (Adaptive Mixture Independent Component Analysis) [20]. Использовали именно этот метод как наиболее информативный с точки зрения поиска физиологически значимых источников ЭЭГ [21, 22].

При разложении сигнала на независимые компоненты задавали две статистические модели, что позволило автоматически выделить участки записей с артефактами, возникавшими при движении ребенка в кресле. Эти участки были исключены из анализа. Для оставшихся участков исследовали топографические карты найденных независимых компонент, чтобы выделить те из них, которые соответствовали источникам μ-ритма в левом и правом полушарии. Степень десинхронизации μ-ритма оценивали по формуле 100% ∙ (vbase – vact)/vbase, где vact — это дисперсия активности компоненты во время воображения контралатеральной руки, а vbase — дисперсия активности этой компоненты в покое.

В случае, когда источник μ-ритма идентифицировать не удавалось, вместо активности источника брали активность, оцененную при помощи LCMV бимформинга [23] на основе усредненной топографической карты, полученной для источника μ-ритма соответствующей локализации в других сессиях.

Для оценки состояния ДФ пациентов использовали общепринятые клинические шкалы: Fugl-Meyer, Action Research Arm Test (ARAT) и Jebsen–Taylor. По шкале Fugl- Meyer анализировали суммы баллов, использованных для оценивания ДФ проксимальных отделов руки, кисти, и общую сумму баллов, использованных для оценивания активных движений руки. По шкале ARAT анализировали шаровой, цилиндрический и щипковый захваты, а также крупные движения руки. По шкале Jebsen–Taylor анализировали время выполнения семи двигательных тестов: написание простого предложения, переворачивание карточек, сбор мелких предметов, имитацию процесса кормления, способность поставить шашки друг на друга, переставить легкие банки, переставить тяжелые банки. Все семь тестов шкалы Jebsen–Taylor выполняли как правой, так и левой рукой.

С помощью гониометрической линейки измеряли максимальные значения суставных углов кисти руки при выполнении активных движений в лучезапястном суставе, а также в пястно-фаланговых и межфаланговых суставах всех пальцев. Все клинические тесты пациенты выполняли перед началом процедур и после их проведения.

Статистический анализ данных клинических шкал включал в себя сравнение показателей, полученных до и после процедур, по критерию Уилкоксона, тесту ANOVA, критерию Стьюдента, и в сравнении приращения показателей клинических шкал по критерию знаков с нулевым уровнем.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Управление ИМК

Средняя вероятность правильного распознавания воображаемых движений и состояния покоя во время сессий составила 0,51 (0,45; 0,54) (max = 0,70). Источники μ-ритма, в полушарии, контрлатеральном сохранной руке, были идентифицированы в 72,0% (61; 84) сессиях, а источники μ-ритма в полушарии, контрлатеральном паретичной руке, встречались в 64% (45; 80) сессиях. В случаях би- и тетра-парезов «сохранной» считали руку, для которой были достигнуты лучшие показатели по шкале Jebsen–Taylor. На рисунокА и рисунокБ представлены топографические карты источников μ-ритма, усредненные по всем участникам и записям, в которых они выделялись.
Зависимость точности управления ИМК от средней встречаемости источников была достоверной (рисунокВ). Высокая доля сессий, в которых источники μ-ритма удалось идентифицировать, характеризует участников, наиболее эффективно управлявших ИМК.

Величина десинхронизации μ-ритма для полушария, контрлатерального сохранной руке, составила 12% (7; 23) (max = 51%), а для полушария, контрлатерального паретичной руке, — 11% (6.5; 17) (max = 31%). Соответствующие средние значения были равны 18,6% и 13,4%, разница между ними была достоверна (ANOVA: p = 0,0018; t-тест: p < 10–4). Таким образом, воображение движения паретичной рукой вызывает более слабую десинхронизацию μ-ритма в контрлатеральном полушарии.

Показана достоверность зависимости точности управления ИМК от степени десинхронизации μ-ритма, как для полушария, контрлатерального сохранной руке (рисунокГ), так и для полушария, контрлатерального паретичной руке (рисунокД). Эта зависимость показывает, что чем больше десинхронизация ритма при воображении движения как сохранной, так и паретичной руки, тем выше точность управления ИМК.

Улучшения двигательной функции

Достоверное приращение параметров по критерию знаков с нулевым уровнем, свидетельствующих об улучшении ДФ после процедур, получено для всех разделов шкалы Fugl-Meyer — проксимального отдела руки, кисти и суммы баллов по всем активным движениям (табл. 3). Для шкалы ARAT достоверное приращение имело место для шарового и цилиндрического захватов, а также для суммы баллов по всем тестам. Для щипкового захвата и крупных движений руки приращение значений параметров после процедур было статистически недостоверным (см. табл. 3).
Выполнение тестов шкалы Jebsen–Taylor паретичной рукой вызывало большие трудности: до процедур время их выполнения превышало 2 мин для всех пациентов. После процедур только двое детей смогли закончить меньше чем за 2 мин один тест из семи и трое — два теста из семи. Все пациенты успешно выполняли тесты сохранной рукой, и после процедур время выполнения уменьшалось для всех тестов, кроме теста «написание простого предложения». Для тестов «перестановка легких банок», «перестановка тяжелых банок» и «имитация процесса кормления» уменьшение времени выполнения после процедур было статистически достоверно отлично от нуля по критерию знаков (табл. 4).
Из рассматриваемых активных движений паретичной рукой амплитуда активных движений увеличилась только для тыльного разгибания с 30° (25°; 41,25°) до 40° (40°; 58,75°). Приращение амплитуды оказалось достоверно больше нуля (p = 0,016 по критерию знаков).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Тренировки кинестетического воображения движения считают эффективным способом восстановления ДФ и все чаще используют в клинической практике восстановления движений после инсульта [5, 6]. Работы по исследованию воображения движения у детей, как здоровых, так и страдающих ДЦП, немногочисленны. В них показано, что способность к воображению движений формируется с 5 до 12 лет, и этой способностью обладают дети не только с нормальным развитием [15, 24], но и с ДЦП [16–18]. Полученные данные подтверждают эти результаты: средняя вероятность распознавания классификатором ЭЭГ предлагаемых в процедуре состояний (раскрывание правой и левой кисти, отдых) составила 0,51, а максимальная — 0,70, что выше 0,33 — уровня случайной вероятности распознавания трех состояний. Однако вероятность распознавания 0,51 меньше средней вероятности распознавания у взрослых — 0,6 по данным, полученным у 37 здоровых испытуемых и 32 постинсультных больных [8].

Возраст пациентов, включенных в исследование воображения движений у детей с ДЦП, находился в том же диапазоне, что и в нашей работе: 11–16 лет [17], 9–14 лет [18] или был еще ниже: 5–9 лет [16]. Критерий же исключения в этих работах был значительно более жестким: исключали пациентов с грубым парезом, с дистонией, с когнитивными нарушениями. Пациенты, включенные в наше исследование, имели серьезные нарушения ДФ (см. табл. 1). Тем не менее все они успешно управляли ИМК: источники μ-ритма в полушарии, контралатеральном сохранной руке, были идентифицированы в большинстве сессий. Эти результаты находятся в соответствии с полученными ранее данными о равно успешном воображении движения у детей с левосторонним и правосторонним ДЦП [17].

Следует отметить, что обнаруженная в нашей работе зависимость точности управления ИМК от степени десинхронизации μ-ритма не является тривиальным результатом, поскольку классификатор системы работает с ковариационными матрицами сигнала и на его ответ могут потенциально влиять различные источники электрической активности, в том числе и артефактной природы [25]. Полученный результат показывает, что тренировки с ИМК действительно вызывают специфичную по отношению к выполняемой задаче активацию первичных сенсомоторных областей, что и является одной из главных целей процедуры.

Существенные нарушения ДФ у детей с ДЦП связаны со слабостью мышц, повышенным мышечным тонусом, спастичностью, сенсорным дефицитом [26]. Тренировки воображения движения у детей с ДЦП, направленные на стимуляцию процессов нейропластичности, способствуют восстановлению ДФ как самостоятельная терапия [16, 18], так и в сочетании с другими методами реабилитации [17]. Клинические шкалы Fugl-Meyer и ARAT, использованные в нашем исследовании, показали приращение показателей, свидетельствующее об улучшении ДФ. Несмотря на неоднородность группы пациентов по возрасту, диагнозу, латерализации поражения (см. табл. 1), по некоторым двигательным тестам это приращение было статистически достоверным (см. табл. 3). Шкалы Fugl-Meyer и ARAT общеприняты в клинической практике при оценке нарушения ДФ, несмотря на неизбежную субъективность. Надежность их суммарных оценок основана на большом количестве двигательных тестов, которые были разработаны для взрослых пациентов [27]. Наблюдения врачей, проводивших тестирование наших пациентов, подтверждают, что для детей с ДЦП такое тестирование бывает утомительным, а это снижает надежность оценки ДФ.

В отличие от шкал Fugl-Meyer и ARAT, шкала Jebsen–Taylor основана на объективных измерениях времени выполнения двигательных тестов. Тяжелые нарушения ДФ у пациентов, включенных в исследование, не позволили им выполнить тесты этой шкалы до процедур, а после процедур лишь пять пациентов из 14 смогли выполнить некоторые тесты. Однако время выполнения тестов сохранной рукой уменьшилось для всех тестов, кроме одного, и для четырех тестов из семи было статистически достоверно (см. табл. 4). Как известно, моторный дефицит характерен не только для паретичной, но и для сохранной руки [28]. Несмотря на то что расстройство моторики сохранной руки существенно меньше, чем паретичной, оно может значительно ограничивать функциональную активность пациента, особенно в случае тяжелых поражений. В процедурах комплекса ИМК–экзоскелет происходит произвольная активация как сохранных структур поврежденного полушария,  так и структур сохранного полушария. Такая билатеральная активация, воздействуя на функциональность обеих рук, способствует эффективности процедур.

Для более точной и объективной оценки ДФ применяют биомеханический анализ движений, зарегистрированных до и после восстановительного лечения. Для постинсультных больных такой анализ широко применяют в клинических исследованиях [29]. Для детей с ДЦП возможные протоколы регистрации движений, а также выбор надежных биомеханических параметров оценки ДФ находятся на стадии разработки [30].

ВЫВОДЫ

Процедура ИМК–экзоскелет кисти — эффективное многообещающее средство восстановления ДФ у детей с ДЦП, потенциально пригодное для дополнения основной терапии. Все пациенты, включенные в исследование, успешно справлялись с управлением ИМК, несмотря на различия в возрасте, латерализации и тяжести поражения ДФ. Показано, что управление ИМК вызывает специфичную активацию первичных сенсомоторных областей, в том числе и в пораженном полушарии.