Текст книги "Стабилометрия, вертикальная поза человека в современных исследованиях. Обзор"

Стабилометрия, вертикальная поза человека в современных исследованиях
Обзор
Олег Кубряк

© Олег Кубряк, 2016

Рецензент Сергей Константинович Судаков

Рецензент Михаил Анатольевич Ерёмушкин

ISBN 978-5-4483-1567-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

От автора

Физиологические механизмы управления вертикальной позой человека, координация движений… В самом слове «coordinatio», образованном от латинских «co» – вместе, с, совместно и «ordinatio» – упорядочивание, расположение в порядке, уже содержится понимание структуры, частей, действующих как одно целое, то есть, системы. К исследованию различных взглядов на элементы системы регуляции стабильности и управляемости вертикальной позы или представлениям о системе в целом, о применении стабилометрии – ключевого на сегодня метода в этом направлении, мы подготовили материал, который по объёму, структуре, возможным обобщениям и определению проблем, вышел за рамки журнального обзора. Это определило выбор формата – отдельной небольшой книги. Одна из глав – обзор российских диссертаций, связанных со стабилометрией, написана совместно с кандидатом медицинских наук И.В.Кривошей. Будем рады, если предлагаемый обзорный материал, включающий своеобразную национальную «карту» применения стабилометрии, составленную на основе диссертационных работ, будет способствовать актуализации и решению проблем, важных для развития направления11
  Московский консенсус по применению стабилометрии и биоуправления по опорной реакции в практическом здравоохранении и исследованиях, URL: http://moscowstabilometryconsensus.ru


[Закрыть]. Кроме того, обзорный материал дополнен некоторыми сведениями о собственных исследованиях: новые подходы к методологии, анализу данных в стабилометрическом исследовании – результат увлекательной совместной работы с инженером С.С.Гроховским и другими коллегами. Надеемся на внимание всех, кто профессионально изучает или пока просто интересуется таким феноменом, как прямостояние, вертикальная поза человека, а также методами стабилометрии.

Благодарность за уделённое время и ценные замечания уважаемым рецензентам:

С. К. Судакову, директору НИИ нормальной физиологии имени П. К. Анохина, члену-корреспонденту РАН, профессору, доктору медицинских наук;

М. А. Ерёмушкину, руководителю отдела клинической биомеханики и лечебной физкультуры РНЦ медицинской реабилитации и курортологии МЗ РФ, профессору, доктору медицинских наук.

Отдельная признательность руководителям и сотрудникам издательской платформы Ridero.ru за консультации, возможность непосредственного участия в процессе книгоиздания и за распространение электронной книги.

I. Система, человек в гравитационном поле Земли

Советский философ, исследователь методологии Г. П. Щедровицкий [1] полагал, что «самым правильным было бы сказать, что… не существует удовлетворительных, достаточно широко принятых понятий системы и структуры». Тем не менее, попытки системного исследования предметов и явлений, вероятно, отражают желание получать максимально точные, но при этом схематизированные описания. Например, ещё в начале XX века врач и философ А. А. Богданов писал [2], что «структурные отношения могут быть обобщены до такой же степени чистоты схем, как в математике отношения величин, и на такой основе… решаться способами, аналогичными математическим». Позже получили развитие общая теория систем Л. Берталанфи (L. von Bertalanffy) и кибернетика [3], или, например, теория функциональных систем П. К. Анохина [4,5].

Н. А. Бернштейн [6] указывал на системность фактического управления движением, например, для кинематической цепи «в виде геометрической суммы трех составляющих: 1) силы, исходящей от активного двигателя системы, – в данном случае от мышцы; по большей части силы этого рода являются внутренними силами; 2) внешних сил (тяжести, сопротивления внешней среды и т.п.) и 3) реактивных сил, количество и разнообразие которых… бурно возрастает с увеличением числа степеней свободы». В системном исследовании регуляции и управляемости вертикальной позы человека, базовым вопросом можно считать определение здесь «системообразующего фактора» или факторов, чтобы обозначить своеобразную точку отсчёта. П. К. Анохин, рассматривая образование системы, отмечал, что «решающим и единственным фактором является результат, который, будучи недостаточным, активно влияет на отбор именно тех степеней свободы у компонентов системы, которые при их интегрировании определяют в дальнейшем получение полноценного результата».

Управляемость, эффективная регуляция вертикальной позы достигается во взаимодействии с полем тяготения планеты – то есть, в глобальном смысле, результат эффективного управления вертикальной позой в обычных условиях связан с гравитацией. Например, К. Э. Циолковский [7] ещё в 1894 году так описывал гипотетическое исчезновение силы тяжести: «кто стоит кверху ногами, кто боком, кто как покачнувшийся столб; один на голове у другого… и все они, как куча спичек, разбросанная в беспорядке на невидимой паутине…». Иными словами, исследование «обычной» вертикальной позы и само формирование системы регуляции и управляемости позой у человека происходит в условиях земного тяготения – универсального воздействия, требующего приспособительного результата.

Исследованы, в том числе, в Институте медико-биологических проблем, И. Б. Козловской и коллегами [8], изменения регуляции позы, мышечного тонуса после пребывания человека в условиях невесомости, роль опорной афферентации. С учетом представлений, что гравитация «встроена» в систему позной регуляции, разработана методика применения искусственных механических стимулов, имитирующих взаимодействие стоп и поверхности, для модуляции этой системы [9—12].

Система контроля позы человека исследовалась в условиях микрогравитации, в том числе, в Институте проблем передачи информации, В. С. Гурфинкелем и коллегами, например, в советско-французском космическом проекте «Поза» [13]. Изучение влияний гипергравитации (обратного условиям микрогравитации) на моторный контроль [14], также предоставляет дополнительные доводы, чтобы рассматривать притяжение планеты в контексте «системообразующего фактора» системы управления позой и движениями.

Простое количественное изучение взаимодействия человека с гравитацией – взвешивание, на весах. Обычным способом сегодня является измерение силы нормального давления на опору – по опорной реакции, чаще с помощью тензодатчиков [15,16]. Физически, реакцией опоры здесь называют усилия, возникающие в опорах и удерживающие объект, находящийся под действием внешней силы (тяжести) в состоянии статического равновесия [17].

Более сложное, но близкое с инженерной точки зрения [18] к взвешиванию измерение – стабилография, стабилометрия – предполагает определение координат центра давления человека на опору (по опорным реакциям), где «центр давления» – это «термин для обозначения точки приложения равнодействующей сил, обусловленных взаимодействием исследуемого объекта (человека) с опорой» согласно формулировке Московского консенсуса по применению стабилометрии и биоуправления по опорной реакции в практическом здравоохранении и исследованиях [19]. Большой и заметный вклад в разработку методик, применение, развитие и популяризацию применения стабилоплатформ в СССР и России внесён В. С. Гурфинкелем [20] и Е. Б. Бабским [21,22], Ю С. Левиком [23], С. С. Сливой [24], а также другими [25—28].

Сегодня стабилоплатформы широко применяются в России и за рубежом [29—35] в качестве основного инструмента для оценки стабильности вертикальной позы, различных «раскачиваний» тела человека – по сути, исследования взаимодействия человека с гравитационным полем (как системы) на основе измерений реакций опоры.

II. Вертикальная поза человека, стабилометрия

Теоретические модели управления вертикальной позой

Сегодня вопросы управления и регуляции применительно к живым системам имеют не только чисто физиологический, но в значительной мере междисциплинарный характер. Н. А. Бернштейн отмечал, что «неожиданное сближение физиологии с техникой на почве вновь возникшей проблематики управления и регуляции оказалось плодотворным и для физиологии, так как технические аналогии помогли ей по-новому осветить ряд процессов внутренней регуляции» [36]. Традиционно «модель управления» относится к математической теории управления, теории автоматического регулирования, включающей устоявшиеся представления, например, о линейных и нелинейных системах управления, об использовании математического аппарата как о «последовательности полезных правил», возможности «…судить об устойчивости и показателях качества системы в данных конкретных условиях», учитывать «границы применимости» и другое [37]. Теория автоматического регулирования идеологически близка теории функциональных систем П. К. Анохина. При этом фактическое применение положений из теории управления на физиологическом материале, вероятно, не всегда следует строгим «канонам», принятым для описания технических систем.

При изучении организации вертикальной позы человека частыми являются трактовки результатов экспериментов, клинических обследований, в контексте преимущественно «механических» моделей – например, отечественный специалист Д. В. Скворцов полагает, что «в настоящее время для спокойной основной стойки считается общепринятой модель перевернутого маятника, в котором стабилизация баланса достигается посредством работы камбаловидной мышцы» [26]. Канадский исследователь Д. Винтер (David Winter), считающийся автором модели, в 1998 году опубликовал с коллегами концепцию [38], где мышцы представлены как жёсткие пружины, которые при спокойном стоянии возвращают тело в стабильное состояние, контролируя расхождения центра давления на опору и центра масс тела. Простое схематизированное описание, названное авторами «моделью перевёрнутого маятника» («inverted pendulum model»), в том числе, объясняет экономию ресурсов центральной нервной системы на управление позой с помощью «простой» регуляции тонуса мышц в определенных звеньях системы, обеспечивая противодействие гравитации. Однако известный французский постуролог П.-М. Гаже (Pierre-Marie Gagey) отмечал, что «дорогая для клиницистов модель перевёрнутого маятника» (цитата по тексту русского перевода книги [39]) не является удовлетворительной – например, не объясняет скручивание вокруг вертикальной оси тела. В свою очередь, сам он рассматривает регуляцию и управление вертикальной позой как нелинейную динамическую систему [40]. Близкими к точке зрения П.-М. Гаже можно считать взгляды отечественного специалиста В. И. Усачёва, учитывающего различные концепции систем – автор с коллегами формулируют [41] своё представление о проблеме как о «функциональной системе динамической стабилизации вертикального положения тела» и предлагают практические решения для стабилометрии. Итальянцы П. Морассо (Pietro Morasso) и М. Счиепати (Marco Schieppati) после публикации модели Д. Винтера внесли критические замечания [42], касающиеся, по их мнению, во-первых, погрешностей представленной схемы взаимоотношений центра давления и центра масс человека; во-вторых, недостаточной жёсткости голеностопных мышц для корректной работы системы по типу «перевернутый маятник». Д. Винтер с коллегами, развивая модель «перевёрнутого маятника» и отвечая на критику, позже привёл пояснения и новые аргументы в пользу своей концепции [43—45]. В целом, идеи, условно говоря, «пружинной» регуляции позы находят применение и в смежных темах, например, исследованиях человеческой походки [46,47] или техническом моделировании ходьбы [48].

С усовершенствованием оборудования и с эффективным маркетингом приборного, методического обеспечения исследований вертикальной позы, получил большое распространение вариант, близкий к однозвенной модели управления [49,50]. В значительной степени это связано с деятельностью американского инженера, исследователя и предпринимателя Л. Нашнера (Lewis Nashner), который основал успешно действовавшую специализированную компанию [51], откуда были распространены методы и стандарты стабилометрического исследования, впервые по-настоящему широко принятые пользователями [52—54]. Можно полагать, что, таким образом, факт наличия, привлекательность и доступность подходящего инструмента («инструментализм» [55]) здесь демонстрируют влияние техники [56] на развитие направления, формирование и распространение представлений об актуальном формате исследований вертикальной позы.

Для дифференциации типа колебаний тела человека в спокойном вертикальном стоянии [57], Ф. Хорак (Fay Horak), Л. Нашнер и другие авторы сформулировали понятия разных «стратегий» управления позой – обычно выделяют «голеностопную» (или, иногда переводимую как «лодыжечная») и «тазобедренную», которые различаются по вовлеченным в управление позой структурам [58]. К данному подходу также есть аргументированная критика, например, выраженная в совместных работах ранее упоминаемого П. Морассо с японскими исследователями, что тазобедренный сустав вовлекается в функцию управления вертикальной позой и при «голеностопной стратегии», а лучшее объяснение позной регуляции, по мнению авторов, связано с предлагаемой ими теорией «двойного перевернутого маятника с прерывистым управлением» [59,60]. С моделью двухзвенного перевернутого маятника при спокойном стоянии можно соотнести трактовку результатов исследований Н. В. Денискиной (в обзоре диссертаций, ниже). Следует отметить, что приближение к модели простого однозвенного перевернутого маятника достигалось здесь в условиях исключения момента в голеностопном суставе с помощью специального приспособления.

Остроумный эксперимент с математическим моделированием, демонстрирующий ограничения однозвенной модели, проводился А. В. Тереховым [61—63], который можно рассматривать как работу в развитие идей школы В. С. Гурфинкеля, а также исследований И. В. Новожилова в области шагающих роботов [64] и математического моделирования вертикальной позы человека [65]. Подвижность в тазобедренном и коленном суставах, а также движения рук испытуемых искусственно ограничивалась с помощью деревянных реек и перевязей. Таким образом, при сравнении с обычным состоянием, без ограничений подвижности, были получены данные в пользу трёхзвенной модели («звенья которой соединены последовательно с основанием и друг с другом посредством точечных шарниров»), учитывающей вклад афферентации от рецепторов стоп в формировании вертикали. Такая модель, по мнению авторов, сочетает простоту концепции «перевёрнутого маятника» с приближением к реальной структуре тела, что позволяет получать более точные трактовки. Близкие к описанному эксперименту данные и интерпретация также были немного позже опубликованы де Фрейтас (de Freitas) от коллектива, включавшего В. М. Зациорского и М. Л. Латаша [66].

Вышеописанные концепции и подобные, можно отнести к преимущественно «механическим» моделям. Ряд из них подробно разобран в статье П. А. Кручинина [67]. Автор отмечает, что изменения сагиттальной и фронтальной координат центра давления тесно связаны с изменением моментов в голеностопном и тазобедренном суставах, и, при этом, актуализирует представления, что минимизация суммарных моментов в суставах не является главной целью системы управления вертикальной позой.

Из анализа ранее процитированных и других тематических публикаций можно полагать, что определённое упрощение, использование механических моделей, часто возникают по нескольким причинам, в том числе, в ответ на необходимость создания технически реализуемых алгоритмов для автоматического анализа или расчёта каких-либо параметров при исследовании позы человека [68], разработки шагающих устройств и экзоскелетов [69], а также для подачи вариантов схематизированной информации, например, пользователям стабилометрических систем [70].

Концепцией, выгодно отличающейся от «механических» моделей с точки зрения большей системности, следует считать разрабатываемые в нашей стране представления о «внутренней схеме тела» [71—74]. Ю. С. Левик отмечает [75], что наличие внутренней схемы тела обеспечивает более эффективную регуляцию позы и управление движениями, разграничение внутреннего и внешнего, использование мозгом «расчётных» параметров (например, информации о положении центра масс, для которого нет специфического рецептора). В отличие от модели простого «перевёрнутого маятника», здесь, например, можно объяснить скручивание вокруг вертикальной оси изменениями внутреннего представления о положении корпуса, «упреждающей ориентацией», а не прямыми сигналами от механорецепторов. Концепция внутренней схемы тела также позволяет объяснять «узкие» вопросы, например, связанные с задержками передачи нервного сигнала, сенсорной интеграцией [76]. Это соотносится с развитием принципов иерархического управления движениями по Н. А. Бернштейну, и в целом с традициями российской физиологической школы, приложениями теорий систем. Например, можно косвенно соотнести концепции «схемы тела», с развивавшимися в СССР представлениями о «структурно-информационных многоуровневых организациях» А. В. Напалкова [77] и другими.

С различными вариантами представлений, в той или иной степени учитывающими системность управления позой, «предвосхищение», схему тела, можно связать ряд современных работ зарубежных авторов [78,79]. Свежий обзор [80] англоязычных работ по мультисенсорной интеграции в регуляции вертикальной позы, фокусируясь на последовательном изложении «быстрой» (изменения позы) и «медленной» (осанка, профиль сенсорной интеграции) динамики, завершается выводом японских авторов о недостаточной пока исследованности «медленной», и, что, при этом, такие исследования следует базировать на представлениях о «репрезентации тела» («body representation») в мозге. В чём-то отсылающие к теории функциональных систем [4,5], некоторые сегодняшние зарубежные публикации касаются, например, роли целенаправленного поведения, движения, в динамике «репрезентации тела» [81].

Модели мультисенсорной интеграции, ментальной репрезентации тела, гармонично развивают как «механические» концепции, так и «рефлекторные», начиная от трудов Рудольфа Магнуса (Rudolf Magnus) [82]. Свои варианты обобщений по проблематике регуляции вертикальной позы, включая критические аспекты и ретроспекции из Р. Магнуса, Е. К. Сеппа, а также В. С. Гурфинкеля, Г. Ц. Агаяна [83] и других, рассматривали Е. Н. Винарская и Г. И. Фирсов [84], а также иные российские авторы [85]. Интерес к теме регуляции вертикальной позы проявляют в практической медицине – например, публикации коллектива российских авторов с Г. Е. Ивановой [86], коллектива белорусских авторов с С. А. Лихачёвым [87].

Отдельно в теме мультисенсорной интеграции, следует отметить исследования влияния стимуляции или угнетения рецепторов, различных нарушений или изменений чувствительных анализаторов на регуляцию позы. Например, описано влияние нарушений зрения, слепоты, на осанку, вертикальную позу у взрослых [88] и у детей [89] (по стабилометрическим параметрам). Опыты с угнетением чувствительности подошвенных рецепторов указывают на способность здоровых людей адаптивно регулировать управление балансом тела (практически без потери качества баланса), вероятно, за счёт многоканальности такой регуляции [90—92]. Есть мнение, что стимуляция рецепторов может быть полезна в определенных случаях, например, у пожилых [93], что, вероятно, можно соотнести с более ранними находками И. Б. Козловской. Исследуются влияния дополнительной афферентации, легких прикосновений, касаний на регуляцию вертикальной позы [94—96]. Обсуждаются различные взгляды на наличие или отсутствие влияния прикуса – сигналов от мощных жевательных мышц – на стабилометрические параметры в контексте регуляции позы [97—99]. Углубление в вопросы участия периферической афферентации в регуляции позы, приводит к появлению различных интересных данных, например, об отличающемся «сенсорном весе» опорных конечностей – левой и правой ноги [100].

Исходя из проведенного анализа литературы, можно сделать вывод о развитии теоретической базы, о том, что вопросы мультисенсорной интеграции, системных подходов в изучении регуляции позы, сегодня всё более актуализируются.

Методики стабилометрии, стандартизация

В СССР пионерские методы стабилометрии (стабилографии) разрабатывались ещё на рубеже 50-х и 60-х годов XX века, с участием ранее процитированных авторов – В. С. Гурфинкель, Е. Б. Бабский, другие

Вторая из списка самых ранних опубликованных работ, которые предлагались на момент подготовки рукописи сервисом PubMed (US National Library of Medicine National Institutes of Health) по буквальному запросу «методы стабилометрии» («methods of stabilometry») – это работа 1976 года Ю. Терехова [101] – уехавшего в США сотрудника Института нормальной и патологической физиологии АМН СССР [102]. Самая же ранняя публикация в сервисе по указанному запросу – статья 1973 года на голландском языке коллектива авторов [103] с участием Т. Каптейна (Kapteyn), опубликовавшего и ранее [104], и впоследствии, много работ [105], связанных со стабилометрией, и широко цитируемого в тематических публикациях. Здесь история вопроса тесно связана с развитием методик стабилометрического исследования, разработкой и адаптацией оборудования и методик под исследовательские и клинические задачи. В 1983 году, опираясь на работы предыдущих лет, Т. Каптейн с соавторами предложили меры международной стандартизации стабилометрического исследования вертикальной позы человека, включавшие определение так называемой «европейской» установки стоп на стабилоплатформу, фактор различного роста испытуемых, условия окружающей обстановки и другое, а также потребное время для регистрации сигнала с учётом возможностей приборов того времени [106]. Согласно указанным рекомендациям, целью исследований на стабилоплатформе, с определенным обобщением, можно считать изучение влияния различных факторов и условий на стабильность стандартной вертикальной позы, оцениваемую по расчетным характеристикам, как, например, площадь статокинезиограммы и другим [107].

На практике также часто применяется в качестве одной из стандартных методик «тест сенсорной организации» [108—110], разработанный в компании Л. Нашнера, предполагающий последовательное выделение или модуляцию различных афферентных потоков.

Важной методической задачей являлось определение нормы – значений показателей, соответствующих нормальной физиологии человека при спокойном стоянии. Известная попытка (1985) определения норм [111] связана с деятельностью П.-М. Гаже. Однако широкая вариабельность «нормативных» показателей в традиционном стабилометрическом исследовании, а также специфические свойства аппаратуры 80-х, требовавшей относительно длительной регистрации сигнала для накопления достаточных для корректной математической обработки данных, не могли в полной мере соответствовать потребностям пользователей. Актуальной проблемой также является приведение различных по антропометрическим характеристикам людей к единому «знаменателю» и разработка способов нормализации стабилометрических показателей – например, были попытки принимать для этих целей подходы из смежных тем [112], предлагаются и новые решения [113]. Существуют подходы, связанные с разработкой «эталонных моделей» [114].

Было показано, что даже различающиеся инструкции перед стабилометрическим исследованием могут влиять на результат [115], что актуализирует принципиально новые подходы к разработке и реализации методик. Различные варианты стандартизации, включающие описания процедур исследования, формул расчёта показателей, технические требования к оборудованию, предлагались и предлагаются в настоящее время [116—118].

Методики с использованием стабилоплатформ, обычно применяемые при выполнении диссертационных исследований за последнее десятилетие, кратко рассмотрены ниже.

Из обзора литературы можно заключить, что развитие методической базы, мер стандартизации, которые бы обеспечивали решение всего спектра актуальных задач и были широко принятыми специалистами, является важной задачей для всего направления.