Неверов Е.Н., Плотников К.Б., Плотников И.Б., Неверова Т.В., Яковлев С.В.

Кемеровский государственный университет, Кузбасская областная детская клиническая больница им. Ю.А. Атаманова,
г. Кемерово, Россия

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ ДЛЯ МЕХАНОТЕРАПИИ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

В современной травматолого-ортопедической практике устойчиво возрастает роль послеоперационной реабилитации как самостоятельного клинического этапа. При этом ранняя мобилизация голеностопного сустава – доказанный инструмент профилактики контрактур и суставного фиброза – остается труднодостижимой: анализ коммерчески доступных CPM-аппаратов показал, что средняя масса устройств превышает 12 кг, а подавляющее большинство конструкций ориентировано исключительно на положение «сидя», что исключает применение в остром послеоперационном периоде при строгом постельном режиме.
Цель исследования – разработка и верификация архитектуры компактного механотерапевтического аппарата пассивного действия, свободного от указанных ограничений.
Материалы и методы. Работа реализована на основе системного подхода, интегрирующего биомеханический анализ движений голеностопного сустава, синтез многозвенных кинематических схем методами теории механизмов и машин, конечно-элементный анализ несущих элементов, а также топологическую оптимизацию конструкции. Изготовление несущих деталей выполнено методом послойного наплавления (FDM) из композитного материала PETG с углеволоконным наполнением (PETG-CF).
Результаты. Разработан и изготовлен опытный образец аппарата для пассивной механотерапии голеностопного сустава. Предложенная многозвенная кинематическая схема с изменяемым мгновенным центром вращения воспроизводит движения стопы в диапазоне подошвенного сгибания 0-40° и тыльного сгибания 0-20° с погрешностью траектории не более 2,5°. Применение аддитивных технологий и топологической оптимизации позволило снизить суммарную массу устройства до 5 кг при габаритах 400 × 350 × 450 мм. Конструктивная модульность обеспечивает проведение реабилитационных сеансов как в положении «сидя», так и «лежа».
Заключение. Разработанное устройство заполняет функциональную нишу между громоздкими стационарными CPM-аппаратами и носимыми экзоскелетами для активной ходьбы, обеспечивая возможность ранней пассивной мобилизации непосредственно в постели пациента. Многоуровневая система защиты от перегрузок и возможность программирования индивидуальных протоколов формируют условия для клинической апробации аппарата в условиях стационарной и амбулаторной реабилитации.

Ключевые слова: механотерапия; CPM-терапия; реабилитация; голеностопный сустав; аддитивные технологии; топологическая оптимизация; биомеханика

Neverov E.N., Plotnikov K.B., Plotnikov I.B., Neverova T.V., Yakovlev S.V.

Kemerovo State University, Kuzbass Regional Children's Clinical Hospital named after Yu.A. Atamanov,
Kemerovo, Russia

IMPROVEMENT OF MEANS FOR MECHANICAL THERAPY OF THE LOWER LIMBS

In modern trauma and orthopaedic practice, the role of post-operative rehabilitation as a distinct clinical phase is steadily increasing. However, early mobilisation of the ankle joint – a proven method for preventing contractures and joint fibrosis – remains difficult to achieve: an analysis of commercially available CPM devices has shown that the average weight of these devices exceeds 12 kg, and the vast majority of designs are intended exclusively for use in a ‘seated’ position, which precludes their use in the acute postoperative period when strict bed rest is required.
The aim of the study is to develop and validate the architecture of a compact, passive-action mechanotherapy device free from the aforementioned limitations.
Materials and methods. The work was carried out using a systematic approach integrating biomechanical analysis of ankle joint movements, the synthesis of multi-link kinematic schemes using methods from the theory of mechanisms and machines, finite element analysis of load-bearing components, and topological optimisation of the design. The load-bearing components were manufactured using the fused deposition modelling (FDM) method from a carbon-fibre-reinforced PETG composite (PETG-CF).
Results. A prototype device for passive mechanotherapy of the ankle joint has been designed and manufactured. The proposed multi-link kinematic scheme with a variable instantaneous centre of rotation reproduces foot movements within a plantar flexion range of 0-40° and dorsiflexion range of 0-20°, with a trajectory error of no more than 2.5°. The use of additive manufacturing and topological optimisation has reduced the total weight of the device to 5 kg with dimensions of 400 × 350 × 450 mm. The modular design allows rehabilitation sessions to be conducted in both a «sitting» and «lying» position.
Conclusion. The developed device fills the functional gap between bulky stationary CPM machines and wearable exoskeletons for active walking, enabling early passive mobilisation directly at the patient’s bedside. A multi-level overload protection system and the ability to programme individual protocols create the conditions for clinical testing of the device in both inpatient and outpatient rehabilitation settings.

Key words: mechanotherapy; CPM therapy; rehabilitation; ankle joint; additive manufacturing; topological optimization; biomechanics

Отношение к реабилитации в травматологии и ортопедии менялось медленно, но необратимо. Долгое время успех лечения измерялся качеством самой операции – точностью репозиции, надежностью фиксации, чистотой хирургического доступа. Восстановительный период воспринимался как нечто вторичное, почти само собой разумеющееся. Сегодня от этой позиции практически ничего не осталось: накопленные клинические данные убедительно показывают, что именно послеоперационный этап во многом предопределяет, чем завершится лечение для конкретного пациента – возвращением к полноценной жизни или хронической функциональной недостаточностью [1, 2]. Введение в России специальности врача физической и реабилитационной медицины в 2018 году стало институциональным признанием этого сдвига.
Голеностопный сустав – один из наиболее показательных примеров того, насколько обманчивой бывает анатомическая компактность. По размерам он уступает и коленному, и тазобедренному, однако нагрузки, которые он несет, несопоставимы с его габаритами: в фазе опоры при обычной ходьбе через него передается усилие, приближающееся к весу всего тела. При этом биомеханика сустава трехплоскостная – стабильность обеспечивается согласованной работой нескольких костно-связочных структур одновременно. Все это делает послеоперационное ведение значительно более требовательным, чем в большинстве других локализаций. Какое бы вмешательство ни было выполнено – артроскопическая стабилизация, остеосинтез лодыжек или тотальное замещение сустава – общее требование остается неизменным: движение должно начинаться рано. Клинические исследования в этом вопросе категоричны: уже несколько дней вынужденной иммобилизации запускают фиброзную перестройку капсульно-связочного аппарата, а ее последствия – стойкие контрактуры – с трудом поддаются коррекции даже при интенсивной последующей терапии [3]. Именно поэтому первые послеоперационные сутки приобретают особое значение, и именно здесь аппараты непрерывного пассивного движения – CPM-системы – теоретически могут сыграть ключевую роль.
Однако между потенциалом этих устройств и их реальной применимостью пролегает конструктивный разрыв, который остается незакрытым уже несколько поколений техники. Средняя масса серийных CPM-аппаратов превышает 12 кг, а подавляющее большинство из них – четыре из пяти представленных на рынке моделей – рассчитаны исключительно на работу в положении сидя [4, 5]. Казалось бы, технический нюанс. Но на практике он означает следующее: именно в период строгого постельного режима, когда пассивная мобилизация наиболее критична, воспользоваться стандартным оборудованием без переукладки пациента невозможно. А любая смена положения тела в первые двое-пятеро суток после операции – это дополнительная нагрузка на оперированный сегмент и обязательное участие персонала. Парадокс очевиден: устройство, предназначенное для ранней реабилитации, своей конструкцией фактически переносит ее на более поздние сроки.
Второй класс технологий – роботизированные экзоскелеты – решает совершенно другую задачу и потому изначально не претендует на эту нишу. Их логика – сопровождение пациента при ходьбе, поддержка шагового цикла на этапе активного восстановления, когда человек уже способен вертикализироваться и переносить осевую нагрузку. Применение подобных систем в ранний послеоперационный период не просто нецелесообразно – оно создает прямые риски: динамика движений при ходьбе формирует механические воздействия, с которыми ткани в зоне вмешательства, не прошедшие первичной консолидации, попросту не готовы справляться [6, 7].
Если рассматривать оба класса устройств в совокупности, картина складывается сама собой. Стационарное оборудование механотерапии предполагает оснащенный кабинет и мобильного пациента. Экзоскелеты – тем более. Между ними остается незакрытый сценарий: пассивная разработка голеностопного сустава непосредственно в кровати, с первых послеоперационных часов, без переноса пациента и без осевой нагрузки на оперированную область. Эта функциональная ниша существует давно. Она хорошо описана клинически. Но технического ответа на нее до сих пор не предложено.
Устранение именно этого разрыва стало отправной точкой настоящей работы. Реализация поставленной цели потребовала параллельного решения трех взаимозависимых задач. Первая – кинематическая: разработать оригинальную схему движения, которая была бы биомеханически согласована с анатомией голеностопного сустава, а не просто приближена к ней. Вторая – конструктивная: добиться компактности и минимальной массы изделия, что потребовало применения аддитивного производства в сочетании с методами топологической оптимизации несущих элементов. Третья – системная: встроить в устройство многоуровневую защиту, отвечающую действующим стандартам безопасности медицинской техники, – без этого любые технические достоинства конструкции лишены клинического смысла.
Широкий спрос на подобные устройства определяется не только стационарной медициной: компактные роботизированные аппараты для голеностопного сустава востребованы также в системе реабилитации военнослужащих, промышленной медицине и домашнем уходе, то есть, в контекстах, где стационарный парк оборудования либо недоступен, либо нецелесообразен [4, 5].

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Систематический анализ доступных на рынке аппаратов для пассивной механотерапии голеностопного сустава, включающих как носимые, так и платформенные системы, выявил ряд существенных ограничений. Основными из них являются значительные массогабаритные характеристики, что создает логистические трудности, требует привлечения медицинского персонала для транспортировки и монтажа, а также усложняет эксплуатацию и хранение.
Многие из существующих устройств спроектированы для использования пациентом исключительно в положении «сидя», что делает их непригодными для применения в раннем послеоперационном периоде, когда пациенту предписан строгий постельный режим. Кроме того, наблюдается недостаточная гибкость в индивидуальной настройке под антропометрические данные пациента, что приводит к биомеханическому рассогласованию и, как следствие, к снижению терапевтической эффективности. Клинические протоколы восстановления после операций на голеностопном суставе, а также меры профилактики гиподинамических осложнений, настоятельно рекомендуют использование аппаратов для осуществления пассивного движения (подошвенного и тыльного сгибания). Однако, проведенный предпроектный анализ показал, что современные технические средства обладают рядом ограничений, не позволяющих в полной мере реализовать эти протоколы, особенно в контексте ранней мобилизации [4, 5, 8].
На текущий момент рынок технических средств реабилитации представлен двумя основными типологиями устройств, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки:
1.      Платформенные (стационарные) устройства. Устройства данного класса реализуют концепцию непрерывного пассивного движения посредством механически принудительного привода стопы вдоль заданной траектории. Наиболее распространенные коммерческие платформы (Artromot S3, Kinetec Performa Ankle, Splicer) являются ориентиром в своем классе по уровню исполнения. Вместе с тем, им присущи системные ограничения, обусловленные самой идеологией проектирования: они создавались для использования в специализированных кабинетах физиотерапии, а не у постели пациента.
Масса большинства таких устройств находится в диапазоне 10-18 кг, что требует участия персонала при транспортировке и монтаже. Архитектура ориентирована исключительно на положение «сидя» с опорой стопы на горизонтальный рычаг: использование в положении «лежа» конструктивно не предусмотрено. Ось вращения механизма фиксирована и не адаптируется под индивидуальную анатомию пациента, что при значительном разбросе антропометрических параметров приводит к биомеханическому рассогласованию и снижению терапевтической эффективности [3, 4].
2.      Носимые роботизированные экзоскелеты. Активные экзоскелеты для нижней конечности, включая голеностопный сегмент, создавались для принципиально иных задач: они возмещают дефицит мышечного усилия при ходьбе и ориентированы на позднюю активную фазу реабилитации или постоянное использование при хронических неврологических нарушениях [6, 7, 9, 10]. Их применение для пассивной мобилизации в остром послеоперационном периоде исключено по ряду причин.
Во-первых, надевание экзоскелета требует вертикализации пациента или, как минимум, перевода в положение «сидя со спущенными ногами», что само по себе создает нагрузку на оперированный сегмент. Во-вторых, исполнительные механизмы таких устройств обеспечивают моменты, рассчитанные на динамику ходьбы, значительно превышающие физиологически допустимые значения для пассивной разработки свежего послеоперационного сустава. В-третьих, сложность алгоритмов управления делает невозможным точное программирование малых амплитуд пассивного движения в ограниченном угловом диапазоне.

МЕТОДЫ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Биомеханическое обоснование кинематических требований. Исходной точкой проектирования стал детальный биомеханический анализ движений голеностопного сустава. В отличие от большинства других суставов, голеностопный не является шарниром с фиксированной осью вращения: мгновенная ось при сгибании-разгибании описывает пространственную кривую, смещаясь при подошвенном сгибании внизу и сзади, а при тыльном – спереди [3]. Это означает, что механотерапевтический аппарат с одноосным шарниром неизбежно генерирует паразитные сдвиговые нагрузки на суставные поверхности, что особенно недопустимо в период заживления операционного доступа.
Для устранения указанного эффекта в работе используется многозвенная кинематическая схема, геометрические параметры звеньев которой определены из условия аппроксимации траектории мгновенного центра вращения физиологической кривой в пределах рабочего диапазона угловых перемещений. Данный принцип, известный из конструкции полицентрических шарниров протезов коленного сустава, применительно к средствам реабилитации голеностопного сустава представляет собой оригинальное инженерное решение.
На основе систематизации клинических протоколов восстановительного лечения, применяемых после оперативных вмешательств на связочном аппарате, а также в период консолидации переломов костей голеностопного сустава, сформулированы биомеханические требования к разрабатываемому устройству. К ним относятся: диапазон подошвенного сгибания от 0 до 40°, диапазон тыльного сгибания от 0 до 20°, допустимая погрешность воспроизведения заданной траектории – не более 2,5°, максимальный момент нагрузки на опорную поверхность стопы – не более 8 Н м, регулируемая скорость движения в интервале от 0,5 до 5 циклов в минуту.
Кинематическая схема: от параметрического синтеза к верификации. В основу механики аппарата положен четырехзвенный шатунно-коромысловый механизм, представляющий собой архитектурное решение, при котором выходное коромысло несет подстопную платформу, а движение передается от реверсивного электропривода (электроцилиндра) через кривошип. Выбор данной схемы обусловлен возможностью воспроизведения заданной траектории выходного звена с высокой геометрической точностью при относительной простоте кинематической цепи.
Размерный синтез механизма выполнен аналитически с применением метода проективных преобразований, ориентированного на три заданных положения выходного звена. Указанный подход, базирующийся на классическом аппарате теории механизмов и машин, позволяет однозначно определить длины звеньев при известных граничных условиях. Полученная схема подвергнута численной верификации: отклонение мгновенного центра вращения от физиологической кривой в контрольных точках траектории не превысило 1,8° при установленном допуске в 2,5° [3]. Данное соответствие имеет принципиальное значение, поскольку близость к естественной биомеханике сустава определяет терапевтическую адекватность движения.
Характер движения платформы, а именно зависимость ее скорости от угла поворота ведущего звена, заслуживает отдельного рассмотрения. В задачах ранней послеоперационной реабилитации данный параметр обладает прямым клиническим значением: перепады скоростей, не оказывающие влияния на здорового человека, в остром периоде способны провоцировать рефлекторное мышечное сопротивление, что противоречит целям восстановительного лечения. В кривошипно-ползунных механизмах такие явления, как правило, проявляются в виде динамических перегрузок в крайних положениях кривошипа, что ограничивает их применение в щадящих методиках терапии. В представленной разработке указанная проблема решена конструктивно за счет подбора соотношения длин звеньев, при котором угловая скорость коромысла на всем рабочем ходу не выходит за пределы ±15% от среднего значения. Достигнутая плавность движения соответствует клиническим требованиям к раннему послеоперационному периоду.
Несущие элементы: принципы формообразования и выбора материала. При проектировании силовых деталей аппарата потребовалась ревизия стандартных подходов, принятых в отрасли. Классический подход по изготовлению несущих элементов из алюминиевых сплавов дает предсказуемый результат с точки зрения механических свойств – но за это приходится платить: жесткие геометрические ограничения фрезерования и низкий коэффициент использования материала делают метод далеко не оптимальным там, где форма детали принципиальна. Рычаги, кронштейны и крепежные узлы прошли через топологическую оптимизацию, а полученные геометрии были реализованы послойным наплавлением из углеволоконного PETG-композита. Сама оптимизационная задача была сформулирована в строгом, но стандартном для подобных расчетов в виде: целевой функцией выступала минимизация податливости конструкции при заданном ограничении на долю сохраняемого объема. В качестве силового граничного условия использовались максимальная рабочая нагрузка на ось подстопника; основание считалось жестко защемленным. Полученная форма – ребристо-ячеистая, с плавными переходами между стенками – оказалась неожиданно удачной с технологической точки зрения: печать не потребовала поддерживающих структур, что заметно упрощает постобработку и снижает итоговую трудоемкость изготовления.
Выбор PETG с углеволоконным наполнителем продиктован не технологической конъюнктурой, а вполне конкретным набором эксплуатационных требований [11]. Для изделия, которое будет регулярно контактировать с дезинфицирующими растворами, принципиальна химическая стойкость, и этот материал ее обеспечивает. Высокая ударная вязкость снижает риск хрупкого разрушения при случайных ударных нагрузках. Модуль упругости сопоставим с легкими металлами, а водопоглощение настолько мало, что многократная санитарная обработка не влияет на механические характеристики. В сочетании с топологически оптимизированной геометрией, сложной настолько, что традиционная механообработка просто не позволила бы ее воспроизвести, это дает удельную прочность, недостижимую при классическом подходе к проектированию.
Выбор и расчет привода. Выбор типа привода – принципиальное конструктивное решение, определяющее эксплуатационные характеристики устройства. Сравнительный анализ пневматических, гидравлических и электрических систем по критериям точности позиционирования, шумности, массы, простоты интеграции обратной связи и безопасности при отказе однозначно указал на превосходство электрического привода для данного применения [11].
В качестве исполнительного механизма выбран реверсивный мотор-редуктор постоянного тока в связке с электроцилиндром. Основания выбора: точность позиционирования, обеспечиваемая высоким передаточным числом редуктора; низкая шумность, существенная в условиях палатного режима; возможность непосредственного управления моментом через контроль потребляемого тока – без дополнительных силомоментных датчиков; простота реверсирования. Максимальный момент нагрузки на стопу при пассивных движениях в послеоперационном отечном суставе принят равным 8 Н м на основании эмпирических данных клинических исследований – именно этим значением определены требования к передаточному числу и типоразмеру двигателя [11].
Система управления и безопасности. Архитектура системы управления разработана исходя из требований безопасности медицинской техники. Прецизионные многооборотные потенциометрические датчики осуществляют непрерывный контроль углового положения платформы-подстопника, а токовая обратная связь по двигателю обеспечивает ограничение момента на программируемом уровне. Алгоритм управления реализован на микроконтроллере и включает три режима: режим непрерывного пассивного движения (CPM) с задаваемой амплитудой и скоростью; режим удержания заданного положения для изометрических воздействий; режим первичной калибровки для определения нейтрального положения при установке на пациента.
Многоуровневая система защиты включает программное ограничение амплитуды движения, аппаратный концевой выключатель, функцию экстренной остановки по нажатию кнопки пациентом, звуковую сигнализацию при превышении допустимого момента. Совокупность этих мер обеспечивает соответствие устройства требованиям безопасности медицинской техники и делает его применение безопасным даже без постоянного присутствия медицинского персонала [11].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Сотрудниками и студентами кафедры мехатроники и автоматизации технологических систем Кемеровского государственного университета разработан и изготовлен опытный образец механотерапевтического аппарата пассивного действия для голеностопного сустава (рис.). Устройство построено по модульному принципу и состоит из пяти функциональных модулей, объединенных несущим основанием.

Рисунок. Механотерапевтический аппарат пассивного действия для восстановления функции голеностопного сустава
Figure. Passive mechanical therapy device for restoring ankle joint function

 

Примечание (Note): 1 – фиксатор голени (shin fixator), 2 – фиксатор ступни (foot fixator), 3 – электроцилиндр (electric cylinder), 4 – электронный блок управления (electronic control unit), 5 – оси (axles), 6 – подшипниковые узлы (bearing assemblies).

Несущее основание выполнено из FDM-деталей PETG-CF, усиленных стальными направляющими. Топологически оптимизированная конструкция основания обеспечивает необходимую жесткость при минимальной материалоемкости. Кинематический модуль реализует четырехзвенный механизм с двумя параллельными рычагами; шарнирные узлы оснащены подшипниками качения для минимизации трения и стабильности характеристик в долгосрочной перспективе. Силовой модуль включает реверсивный мотор-редуктор с электроцилиндром, связанным с кривошипом кинематической схемы. Фиксирующий модуль – анатомически профилированный ложемент для голени и подстопник с регулируемыми ремнями-велкро; регулировка обеспечивает совмещение механической оси вращения аппарата с биомеханической осью конкретного пациента. Электронный блок управления включает микроконтроллер, силовые ключи, потенциометрические датчики угла, интерфейс оператора с дисплеем и кнопочной панелью.
Когда речь заходит о пассивной механотерапии, ключевой вопрос звучит не «как двигать конечность», а «как двигать ее правильно». Принципиальное отличие описываемого устройства от большинства серийно выпускаемых аналогов состоит именно в этом: аппарат не воспроизводит движение в суставе – он воспроизводит его механику. Разница существеннее, чем кажется.
Традиционные конструкции с фиксированной осью шарнира основаны на допущении, которое анатомически ошибочно: ось вращения голеностопного сустава трактуется как неподвижная. Между тем, таранная кость в процессе сгибания и разгибания перемещает свой мгновенный центр вращения – и одноосный шарнир, жестко привязанный к одной точке, неизбежно навязывает суставу траекторию, которая ему физиологически не соответствует. Это не просто конструктивная неточность – это источник паразитных нагрузок на суставные поверхности, которые при многократных повторениях способны нанести ятрогенный вред в и без того уязвимой зоне.
В основе кинематической схемы рассматриваемого устройства лежит многозвенный механизм с динамически смещаемым мгновенным центром вращения. Траектория платформы для стопы строится не по универсальному шаблону, а подстраивается под анатомию конкретного пациента – и это принципиальный момент. Рабочие параметры подобраны под задачи пассивной реабилитации осознанно: тыльное сгибание до 20°, подошвенное – до 40°, частота циклов – от 0,5 до 5 в минуту. За этими цифрами стоит клиническая логика: диапазон охватывает весь спектр режимов, актуальных как в раннем, так и в позднем послеоперационном периоде, не выходя за границы терапевтически обоснованного.
Анатомически профилированные ложемент голени и подстопник нередко воспринимаются как элементы эргономики – удобство ради удобства. Качество удержания конечности напрямую определяет качество самой процедуры: рассогласование механической оси аппарата с биомеханической осью сустава неизбежно порождает поперечные усилия, снижающие терапевтический эффект и создающие нагрузку на периоперационные ткани. Регулируемые фиксаторы позволяют выставить устройство точно под антропометрию пациента, и это не дополнительная опция, а обязательное условие корректной работы. Дополнительный, менее очевидный эффект обеспечивает продольное оребрение внутренних поверхностей фиксирующих элементов: контактная стимуляция рефлекторных зон голени и стопы улучшает микроциркуляцию и усиливает терапевтическую ценность сеанса.
Кинематическая жесткость конструкции достигается за счет параллельных звеньев, соединенных шарнирами и скобами. Такая схема, с одной стороны, эффективно противостоит боковым нагрузкам, с другой, обеспечивает точную передачу момента от привода к стопе без люфтов и рассеивания усилия. Избыточное ограничение степеней свободы здесь работает как конструктивное преимущество.
Управление построено на замкнутом контуре с обратной связью: два реверсивных мотор-редуктора и прецизионные потенциометрические датчики непрерывно считывают угловое положение платформы и передают данные в блок управления. Именно это отличает систему от «открытых» решений, лишенных обратной связи и, по сути, работающих вслепую. Можно заметить, что большинство серийных аналогов останавливаются на этом уровне. Рассматриваемое устройство идет дальше: программная архитектура допускает корректировку амплитуды, темпа и диапазона движений непосредственно в ходе процедуры – без остановки и перезапуска сеанса. Это переводит систему из категории настраиваемых в категорию адаптивных. Это позволяет постепенно расширять объем движений по мере снижения болевого порога, не прерывая сеанс и не перенастраивая устройство с нуля. Адаптация к физиологическому ответу пациента в реальном времени – это то, чего статичная логика серийного оборудования принципиально обеспечить не может. Безопасность реализована на двух независимых уровнях: программные ограничители амплитуды работают параллельно с аппаратными; звуковая сигнализация информирует персонал о нештатных ситуациях, а кнопка экстренной остановки, которую пациент удерживает в руке, позволяет мгновенно прервать процедуру без чьей-либо помощи. Помимо этого, устройство способно сохранять и воспроизводить индивидуальные лечебные протоколы, что устраняет риск разрывов в терапии при смене специалиста или переводе в другое отделение.
Несущие элементы (рычаги, кронштейны, узлы фиксации) изготовлены методом FDM-печати из углеродонаполненного PETG. Геометрия деталей определялась топологической оптимизацией: результатом стала ребристо-ячеистая структура с плавными переходами между нагруженными зонами. Материал сосредоточен там, где действуют реальные напряжения, и отсутствует там, где не работает; удельная жесткость при этом сопоставима с литыми или фрезерованными аналогами, а расход полимера значительно ниже.
PETG-CF устойчив к хлорсодержащим растворам и 70-процентному спирту, не теряя геометрической точности и механических характеристик при многоцикловой санитарной обработке. Для медицинского изделия многократного применения это не дополнительное достоинство, это базовое требование.
Масса аппарата – 5,0 кг, что примерно вдвое меньше, чем у стационарных CPM-систем сопоставимого функционала (снижение около 58%). Габариты 400 × 350 × 450 мм соответствуют формату стандартной сумки-переноски. Питание от сети 220 В или встроенного аккумулятора, что делает прибор полностью автономным и пригодным для использования вне клиники. Два рабочих положения пациента – сидя и лежа (с применением съемной подставки) – перекрывают весь реабилитационный период: от первых суток постельного режима до этапа активного восстановления.
Точность позиционирования по результатам испытаний составила ±1,2° – показатель, не уступающий типичным характеристикам профессионального стационарного оборудования.
Сравнение с двумя основными классами существующих решений обнаруживает устойчивую закономерность: стационарные CPM-аппараты обеспечивают высокую точность, но лишены мобильности; носимые экзоскелеты компактны, однако конструктивно не приспособлены к работе в положении лежа. Описываемое устройство занимает позицию, которую ни один из этих классов в одиночку занять не способен: клиническая точность – при портативности, применимость с первых суток после вмешательства – без привязки к стационарной инфраструктуре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор существующего рынка реабилитационной техники обнаруживает устойчивое противоречие: чем точнее и функциональнее устройство, тем, как правило, более громоздким и привязанным к стационарной инфраструктуре оно оказывается. Портативные решения, напротив, жертвуют либо точностью, либо диапазоном режимов. Преодоление этой дилеммы – не декларируемая цель, а реальный конструктивный результат описываемой разработки.
Созданный опытный образец закрывает нишу, которую существующие классы оборудования не перекрывают в принципе: ранняя мобилизация голеностопного сустава в положении лежа, без вертикализации пациента и без осевой нагрузки на зону вмешательства. Это именно тот период (первые сутки после операции), когда потребность в пассивном движении наиболее высока, а возможности стандартного оборудования наиболее ограничены.
Почти двукратное снижение массы, с двенадцати килограммов и выше до пяти, достигнуто не упрощением, а переосмыслением самой логики конструирования. Топологическая оптимизация несущих элементов в сочетании с FDM-печатью из углеродонаполненного PETG позволяет распределять материал туда, где он действительно работает, и убирать его оттуда, где нагрузки нет. На выходе – жесткость, сопоставимая с литыми деталями, но при принципиально иных весовых характеристиках.
Компактность 400 × 350 × 450 мм превращает транспортировку в бытовой, а не логистический вопрос. Вместо специализированного кейса – обычная сумка. Эта, казалось бы, незначительная деталь на деле оказывается одним из ключевых барьеров мобильности: аппарат, который неудобно везти, как правило, так и остается на месте.
Конструкция предусматривает два рабочих положения – сидя и лежа, с применением съемной подставки. Такое решение охватывает весь реабилитационный путь: от постельного режима в стационаре до самостоятельных занятий после выписки. Один прибор сопровождает пациента на протяжении всего курса, не требуя замены при переходе между этапами. Преемственность терапии здесь реализована не как организационная договоренность, а встроена в саму конструкцию. Автономное питание от аккумулятора снимает зависимость от розетки, а значит, и от конкретного места.
Голеностоп устроен иначе, чем принято считать: его ось вращения не фиксирована, она смещается в пространстве по ходу движения. Устройства с жестким одноосным шарниром эту особенность игнорируют, и вместе с упрощенной траекторией создают поперечные нагрузки, которые в послеоперационном контексте становятся прямым источником риска. Можно заметить, что именно здесь пролегает граница между «аппаратом для упражнений» и полноценным реабилитационным инструментом.
Регулируемые шарнирные соединения позволяют совместить механическую ось устройства с индивидуальной биомеханической осью конкретного пациента. Это не настройка ради удобства, это исходное условие терапевтической безопасности. Рельефная поверхность внутренних фиксаторов дополняет картину: контактная стимуляция рецепторных зон усиливает микроциркуляцию и рефлекторный ответ тканей. Фиксация перестает быть пассивным элементом и приобретает самостоятельную терапевтическую функцию. Встроенный микроконтроллер, совместно с прецизионными датчиками угла, формирует замкнутый контур управления с обратной связью. Система не просто воспроизводит заданную траекторию, она отслеживает ее в реальном времени и реагирует на любое отклонение немедленно, без участия оператора.
Принципиально важна возможность индивидуального программирования протоколов. Параметры движения подбираются под конкретного человека и могут корректироваться прямо в ходе сеанса, по мере того, как болевой порог снижается, а сустав принимает нагрузку. Сохраненный протокол воспроизводится при смене специалиста или переводе в другое отделение без потери данных. Это переводит устройство из разряда «тренажеров с настройками» в инструмент персонализированной реабилитации, с учетом динамики восстановления и индивидуального физиологического ответа.
Совокупность перечисленных характеристик позволяет рассматривать разработку как прототип нового функционального класса CPM-оборудования для голеностопного сустава – компактного, клинически универсального, применимого с первых послеоперационных суток и способного без замены сопровождать пациента до завершения амбулаторного курса. Подобного сочетания параметров ни стационарные системы, ни носимые экзоскелеты по отдельности обеспечить не могут.
Вместе с тем, необходимо обозначить границы сделанных выводов. На текущем этапе проведена техническая верификация опытного образца; клинические испытания с участием пациентов не выполнялись. Дальнейшие исследования предполагают организацию пилотного клинического исследования, оценку соответствия требованиям ГОСТ ISO 13485 и подготовку регистрационного досье медицинского изделия. До получения этих данных говорить о клинической эффективности в строгом смысле преждевременно, однако техническая база для такого исследования создана.

Информация о финансировании и конфликте интересов

Исследование не имело спонсорской поддержки.
Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES:

1.      Skirmont EI, Golubeva YB, Zimina EL, Lade AS, Pitkin MR. Some Aspects of Orthopedic Rehabilitation for Children with Cerebral Palsy. Physical and Rehabilitation Medicine. 2023; 5(2): 72. Russian (Скирмонт Е.И., Голубева Ю.Б., Зимина Е.Л., Ладэ А.С., Питкин М.Р. Некоторые аспекты ортопедической реабилитации детей с церебральным параличом //Физическая и реабилитационная медицина. 2023. Т. 5, №. 2. С. 72.) doi: 10.26211/2658-4522-2023-5-2-72-86
2.      Rashid M, Harish SP, Mathew J, Kalidas A, Raja K. Comprehensive rehabilitation outcome measurement scale (CROMS): development and preliminary validation of an interdisciplinary measure for rehabilitation outcomes. Health Qual Life Outcomes. 2022; 20(1): 160.) doi: 10.1186/s12955-022-02048-z
3.      Dong M, Zhou Y, Li J, Rong X, Fan W, Zhou X, Kong Y. State of the art in parallel ankle rehabilitation robot: a systematic review. J Neuroeng Rehabil. 2021; 18(1): 52. doi: 10.1186/s12984-021-00845-z
4.      Qiu S, Pei Z, Wang C, Tang Z. Systematic review on wearable lower extremity robotic exoskeletons for assisted locomotion. J Bionic Engineering. 2023; 20(2): 436-469. doi: 10.1007/s42235-022-00289-8
5.      Dupont PE, Nelson BJ, Goldfarb M, Hannaford B, Menciassi A, O'Malley MK, et al. A decade retrospective of medical robotics research from 2010 to 2020. Sci Robot. 2021; 6(60): eabi8017. doi: 10.1126/scirobotics.abi8017
6.      Pinto-Fernandez D, Torricelli D, Sanchez-Villamanan MDC, Aller F, Mombaur K, Conti R, et al. Performance Evaluation of Lower Limb Exoskeletons: A Systematic Review. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2020; 28(7): 1573-1583. doi: 10.1109/TNSRE.2020.2989481
7.      Witte KA, Fiers P, Sheets-Singer AL, Collins SH. Improving the energy economy of human running with powered and unpowered ankle exoskeleton assistance. Sci Robot. 2020; 5(40): eaay9108. doi: 10.1126/scirobotics.aay9108
8.      Alvarez-Perez MG, Garcia-Murillo MA, Cervantes-Sánchez JJ. Robot-assisted ankle rehabilitation: a review. Disabil Rehabil Assist Technol. 2020; 15(4): 394-408. doi: 10.1080/17483107.2019.1578424
9.      Wu R, Luo M, Fan J, Ma J, Zhang N, Li J, et al. A compact motorized end-effector for ankle rehabilitation training. Front Robot AI. 2024; 11: 1453097. doi: 10.3389/frobt.2024.1453097
10.    Dong M, Fan W, Li J, Zhou X, Rong X, Kong Y. A new ankle robotic system enabling whole-stage compliance rehabilitation training. IEEE/ASME transactions on mechatronics. 2020; 26(3): 1490-1500. doi: 10.1109/TMECH.2020.3022165
11.    Knyazev AA, Fedorov AV, Yatsun AS. Algorithm for Controlling the Movement of the Actuator of the Device for Active-Passive Mechanotherapy of the Ankle Join. Proceedings of the Southwest State University. 2022; 26(4): 75-87. Russian (Князев А.А., Федоров А.В., Яцун А.С. Алгоритм управления движением исполнительного механизма прибора для активно-пассивной механотерапии голеностопного сустава //Известия Юго-Западного государственного университета. 2022. Т. 26, №. 4. С. 75-87.) doi: 10.21869/2223-1560-2022-26-4-75-87

Корреспонденцию адресовать:

ЯКОВЛЕВ Сергей Владимирович
650000, г. Кемерово, ул. Красная, д. 6, ФГБОУ ВО КемГУ
Тел: 8 (3842) 58-12-26  E-mail: yakovsv21@yandex.ru

Информация об авторах:

НЕВЕРОВ Евгений Николаевич
доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой мехатроники и автоматизации технологических систем, ФГБОУ ВО КемГУ, 650000, г. Кемерово, ул. Красная, д. 6, Россия
E-mail: neverov42@mail.ru   ORCID: 0000-0002-3542-786X

ПЛОТНИКОВ Константин Борисович
доктор техн. наук, профессор кафедры мехатроники и автоматизации технологических систем, ФГБОУ ВО КемГУ, 650000, г. Кемерово, ул. Красная, д. 6, Россия
E-mail: k.b.plotnikov.rf@gmail.com   ORCID: 0000-0003-4145-0027

ПЛОТНИКОВ Игорь Борисович
канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры мехатроники и автоматизации технологических систем, ФГБОУ ВО КемГУ, 650000, г. Кемерово, ул. Красная, д. 6, Россия
E-mail: plotnikov-ib@mail.ru   ORCID: 0000-0002-0149-1724

НЕВЕРОВА Татьяна Владимировна
врач клинической лабораторной диагностики, ГАУЗ КОДКБ им. Ю.А. Атаманова, 650056, г. Кемерово, ул. Ворошилова, д. 21, Россия
E-mail: nevtv83@mail.ru

ЯКОВЛЕВ Сергей Владимирович
студент III курса кафедры мехатроники и автоматизации технологических систем, ФГБОУ ВО КемГУ, 650000, г. Кемерово, ул. Красная, д. 6, Россия
E-mail: yakovsv21@yandex.ru

Information about authors:

NEVEROV Evgeny Nikolaevich
doctor of technical sciences, professor, head of the department of mechatronics and automation of technological systems, Kemerovo State University, 650000, Kemerovo, Krasnaya Str., 6, Russia
E-mail: neverov42@mail.ru   ORCID: 0000-0002-3542-786X

PLOTNIKOV Konstantin Borisovich
doctor of technical sciences, professor of the department of mechatronics and automation of technological systems, Kemerovo State University, 650000, Kemerovo, Krasnaya Str., 6, Russia
E-mail: k.b.plotnikov.rf@gmail.com   ORCID: 0000-0003-4145-0027

PLOTNIKOV Igor Borisovich
candidate of technical sciences, docent, docent of the department of mechatronics and automation of technological systems, Kemerovo State University, 650000, Kemerovo, Krasnaya Str., 6, Russia
E-mail: plotnikov-ib@mail.ru   ORCID: 0000-0002-0149-1724

NEVEROVA Tatyana Vladimirovna
physician of the clinical laboratory diagnostics, Kuzbass Children's Clinical Hospital named after Yu.A. Atamanov, 650056, Kemerovo, Voroshilov Str., 21, Russia
E-mail: nevtv83@mail.ru

YAKOVLEV Sergey Vladimirovich
third-year student of the department of the mechatronics and automation of technological systems, Kemerovo State University, Kemerovo State University, 650000, Kemerovo, Krasnaya Str., 6, Russia
E-mail: yakovsv21@yandex.ru