Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Реальная угроза
Малоподвижный образ жизни, повышенное давление, лишний вес, стресс, некачественный сон, курение, переработки — все это может привести к инсульту. И не надо думать, что инсульт случается только с пожилыми. Треть больных — это люди трудоспособного возраста. При этом лишь 10–20% (по разным данным) пациентов после болезни возвращаются к труду.
Посмотрим на данные официальной российской статистики: в стране ежегодно происходит более 400 тысяч случаев инсульта, причем лишь 8–10% из них оказываются относительно легкими и заканчиваются восстановлением нарушенных функций в первые три недели заболевания.
Инсульт стоит на первом месте среди всех причин инвалидности в России. 31% перенесших инсульт нуждаются в посторонней помощи для ухода за собой, а 20% не могут самостоятельно ходить.
Такой урон человеческому организму наносит острое нарушение мозгового кровообращения, которое приводит к гибели клеток мозга. Так как за движение отвечает значительная часть нервной системы, различные двигательные нарушения являются чрезвычайно распространенным симптомом при инсульте. В острой стадии заболевания они выявляются у 70–90% пациентов, спустя год какие-то нарушения сохраняются не менее чем у половины выживших пациентов, отмечают учёные. Особенно часто при инсульте страдает пирамидная система, отвечающая за произвольные движения (и да — там есть что ломать!).
На сцену выходят роботы
Конечно, реабилитация после инсульта — важная и непростая задача. И тут на помощь врачам могут прийти роботы. В целом можно выделить два типа реабилитационных роботов — вспомогательный робот, который заменяет потерянные движения конечностей, и терапевтический робот, который позволяет пациентам выполнять упражнения. Эти упражнения опираются на нейропластичность мозга, в частности на способность восстанавливать разрушенные нейронные связи. Обычно устройства помогают в реабилитации рук и ног, поддерживая повторяющиеся движения, которые позволяют создавать неврологические пути для работы мышц.
По прогнозам экспертов, роботы будут играть все большую роль в реабилитационных центрах и заменять людей во время физиотерапии: роботы стабильны, делают меньше ошибок, не устают, способны поддерживать лечение в течение более длительного периода. Кроме того, их можно использовать и в домашних условиях. В то время как традиционная реабилитация с терапевтом длится несколько недель после инсульта, люди, использующие роботов, могут добиться прогресса в восстановлении даже спустя годы после самой катастрофы.
Интересно, что идея использования машин для реабилитации возникла очень давно. В патенте 1910 года Теодора Бюдингена описан «аппарат для лечения движением». Это электрическая машина, которая поддерживала шаговые движения у пациентов с заболеваниями сердца. В 1930-х годах Ричард Шерб разработал «меридиан» — тросовый аппарат для перемещения суставов в ортопедической терапии. Он уже поддерживал несколько режимов взаимодействия: пассивный, движения с активной помощью и с активным сопротивлением.
Первые электрические экзоскелеты для терапевтического применения были придуманы для пациентов с травмами спинного мозга в 1970-х годах. В этих системах использовались пневматические, гидравлические или электромагнитные приводы. Вскоре экзоскелеты хорошо себя показали и в реабилитации после инсульта.
Последние десятилетия ознаменовались бурным развитием новых реабилитационных роботов как для верхних, так и для нижних конечностей, которые некоторые исследователи делят на заземленные экзоскелеты, заземленные исполнительные устройства и носимые экзоскелеты.
Основные типы реабилитационных роботов:
По данным Global Rehabilitation Robots Market Report 2022–2026, мировой рынок реабилитационных роботов к 2026 году достигнет 1,8 млрд долларов. В 2020 году он оценивался в 566,5 млн долларов. Ключевыми игроками мирового рынка реабилитационных роботов считаются компании ReWalk Robotics, Ekso Bionics, AlterG Inc., Bionik Labs, Technologies Ltd., Motus Nova, Kinova Inc., Meditouch, Wearable Robotics Srl, Hocoma. Все более актуальным становится создание реабилитационных роботов для дома. Это происходит в том числе и потому, что стоимость реабилитации остается очень высокой.
Юрий Потанцев, участник рынка НТИ HealthNet, руководитель проекта VIBRAINT RehUp (реабилитационный робот, управляемый нейроинтерфейсом), рассказал мне, что на российском рынке представлены несколько десятков производителей робототехники для применения в разных областях медицины.
«Благодаря развитию технологий качество и количество робототехнических устройств растут, как и количество производителей. Продажи у каждого могут варьировать от единиц до сотен экземпляров в зависимости от потребностей рынка, конкурентоспособных характеристик продукции и цены, — говорит он. — Среди лидеров можно назвать „Экзоатлета“ (реабилитационные экзоскелеты) и „Моторику“ (высокотехнологичные протезы конечностей). Появляется много стартапов в этой области, но далеко не все доходят до коммерческой стадии развития из-за технологических трудностей и большой конкуренции. Кроме того, разработки должны соответствовать стандартам, распространяемым на медицинские изделия, что тоже создает свои сложности».
Рукопожатие робота
Одна из самых сложных задач в реабилитации после инсульта — это восстановление подвижности рук, в особенности кистей. Это связано с тем, что рука устроена очень хитроумно и призвана выполнять сложные и точные движения. Собственно, это одно из основных эволюционных преимуществ нашего вида. Восстановление контроля над движениями руки обычно дается тяжело и занимает много времени. После инсульта специалисты рекомендуют в первую очередь разрабатывать функции дотягивания и хватания поврежденной руки, а затем переходить к другим.
Реабилитация усложняется еще и из-за того, что пациенты обычно пытаются компенсировать сенсомоторный дефицит за счет вовлечения здоровой руки. Поэтому один из важных подходов к восстановлению функций руки после инсульта — двигательная терапия, вызванная ограничением (CIMT). При иммобилизации здоровой руки пациент вынужден использовать руку с парезом для выполнения движений.
Понятно, что разработка роботизированных устройств для тренировки функций рук после повреждения нервной системы сложна с инженерной точки зрения. Вслед за первоначальными разработками, основанными на жестких промышленных манипуляторах, появились устройства на основе концевых эффекторов для плоских и трехмерных движений, позволяющих пациенту более активно участвовать в работе.
Эволюция роботов для реабилитации верхних конечностей. От жестких промышленных манипуляторов до специализированных реабилитационных роботов:
Сложная конструкция и редукторные приводы таких устройств ограничивают качество взаимодействия и возможность регулировать уровень поддержки, пишут исследователи. Существует компромисс между количеством степеней свободы и качеством физического взаимодействия, поэтому устройства обычно рассчитаны на конкретные этапы восстановления. Например, тренировка с экзоскелетом на всю руку с электроприводом в основном показана больным с тяжелым парезом руки сразу после инсульта.
Большие компании создают целые системы, которые можно использовать для разработки разнообразных движений рук пациентов на разных этапах восстановления. Так, американская сеть клиник Kindred Hospital Rehabilitation Services установила роботизированную систему для реабилитации верхних конечностей InMotion Arm от Bionik Laboratories в своих центрах по всей территории Соединенных Штатов. Аппарат использует искусственный интеллект с системой анализа данных для настройки индивидуальной терапии и формирования отчетов.
InMotion ARM точно оценивает движения рук, позволяя врачу лучше измерять и количественно оценивать прогресс пациента и реакцию на терапию. В отчетах фиксируются результаты лечения пациентов для четкого улавливания прогресса на протяжении всего реабилитационного периода. При этом настройка робота занимает две-три минуты. Распространение таких систем сдерживает только один фактор — они очень дорогие, даже для США.
Система InMotion Arm от Bionik Laboratories:
Лечение в виртуальной реальности
Взаимодействие с окружающей средой происходит в большой степени через руки и порождает соматосенсорную обратную связь. Однако соматосенсорная система, отвечающая за осязание, восприятие температуры, проприоцепцию, болевую чувствительность и пр., часто нарушается после инсульта. Поэтому нейрореабилитационные устройства для верхней конечности должны тренировать работу кисти и, по возможности, пальцев, обеспечивая как зрительную, так и тактильную обратную связь. В этом разработчикам помогает виртуальная реальность. Сейчас большинство устройств для тренировки верхних конечностей встроены в компьютерные игры, что хорошо мотивирует пациентов, а это чрезвычайно важно в процессе реабилитации.
Любопытно, что иногда реабилитационные роботы с VR приходят из игровой индустрии. Такова история российской перчатки-тренажера Senso Rehab, которая восстанавливает мелкую моторику кистей рук после инсульта. Сперва перчатку создали для компьютерных игр с технологией виртуальной реальности, а не для медицинских целей. Благодаря датчикам и вибромоторам перчатка должна была создавать иллюзию осязания в виртуальном мире. Однако о ней узнал доктор медицинских наук, профессор, завкафедрой нервных болезней Красноярского государственного медуниверситета, главный нейрореабилитолог Сибирского федерального округа Семен Прокопенко и побудил разработчиков сделать на основе изобретения медицинский тренажер.
Сделано в Иннополисе
Российский разработчик Валерия Скворцова из Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» на базе Университета Иннополис пошла своим путем и предложила необычное решение реабилитационного робота для восстановления кистей рук после инсульта, сфокусировавшись на задаче разработки движения в лучезапястном суставе.
Два года назад, будучи аспиранткой Университета Иннополис, Валерия заинтересовалась темой параллельно-сферических роботов. Ее она и выбрала для защиты магистерской диссертации.
«Я подала заявку на получение гранта „Умник“ от Фонда содействия инновациям и выиграла его. Так я начала проект робота-манипулятора, который помогает восстанавливать подвижность кистей рук после инсульта. Финансирование проекта шло в рамках выигранного конкурса, который предполагал выделение 500 тысяч рублей в течение года на развитие идеи. В общей сложности от идеи до ее воплощения прошло два года. Я надеюсь, что вскоре мой прототип испытают на пациентах, и проект масштабируют. Очень важно помогать людям реабилитироваться, а также совершенствовать робототехническую промышленность в России. Я пока не планирую представить аппарат на мировом рынке, но, если получится, будет здорово», — поделилась Валерия Скворцова.
Проект Валерии Скворцовой находится на стадии оформления интеллектуальной собственности. Сотрудница лаборатории робототехники уже получила свидетельство Роспатента о регистрации «Программного обеспечения для расчета кинематики параллельного сферического манипулятора». Чтобы отладить прототип и поставить первичные эксперименты, потребуется время. Для полноценного запуска проекта при наличии заказчиков, по оценке специалистов по робототехнике, необходимо 1–2 года.
Руководитель лаборатории робототехники Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники» на базе Университета Иннополис Артур Шимановский рассказал мне о машине. «В мире есть много примеров реабилитационных тренажеров, но параллельно-сферических роботов нет. Преимущество нашего тренажера в том, что его можно настроить под индивидуальную программу реабилитации», — подчеркнул он.
Медицинский робот для реабилитации кисти руки, разработанный Валерией Скворцовой, создан на базе параллельного сферического манипулятора с силомоментной обратной связью. Робот обладает тремя вращательными степенями свободы с фиксированным центром вращения. Центр вращения робота совпадает с центром вращения запястья человека.
Основная конструкция аппарата состоит из базовой и мобильной платформ и трех ног, образованных двумя дугообразными плечами. Пациент просовывает руку в аппарат и держится за ручку на верхней мобильной платформе, его локтевой сустав при этом фиксируется на специальной подставке. Подвижные элементы робота разрабатывают лучезапястный сустав руки: плавно двигают кисть вниз-вверх, вправо-влево и скручивают в обе стороны. Конструкция устройства рассчитана с учетом воздействия среднестатистической массы руки (3 кг) и имеет силу стандартного движения здорового человека — 30 N.
В отличие от иных подобных механизмов подвижные части этого робота расположены асимметрично. Это увеличивает полезное рабочее пространство машины, что позволяет приблизить траектории перемещения кисти к естественным движениям пациента и делает реабилитацию больных с инсультом более эффективной. Рабочее пространство робота составляет от −85 до 84 градусов вращения вокруг оси X, от −83 до 83 градусов вращения вокруг оси Y и от −180 до 180 градусов вращения вокруг оси Z.
Сейчас робот действует в демонстрационном режиме: он движется по заданной траектории, показывая пользователю упражнение. Следующим будет режим ассистента, когда машина корректирует движение, совершаемое пользователем, и задает уровень усилия, а также режим тренера — робот будет препятствовать выполнению упражнения, задавая уровень усилия. Так, механизм можно будет использовать для активной реабилитации, когда устройство поддерживает или препятствует движениям пациента, задавая уровень усилия, и для пассивной реабилитации, когда робот создает нулевое усилие и служит исключительно как измерительный прибор, показывая уровень усилия и повороты кисти руки.
Для этого проекта Валерия разработала математическую модель и написала программный код. Модель вычисляет движения робота вниз-вверх, вправо-влево и скручивания, то есть прямую, обратную и дифференциальную кинематику. Решение этих задач — верификация кинематики — проводилась на первых прототипах аппарата. Есть отдельные скрипты для общения с моторами — они сделаны на открытом исходном коде.
Юрий Потанцев считает, что разработка Валерии Скворцовой технологически интересна. Он отметил, что рынок тренажеров для разработки рук после травм и инсультов довольно насыщен. Наиболее сложная и долгая часть в разработке медицинских изделий, по его словам, — тестирование и валидация, организация клинических исследований и поиск надежных ответственных партнеров для них.
Специалисты уверены, что разработка роботов для реабилитации после инсульта будет продолжаться, а тренажеры будут совершенствоваться. Они уже стали эффективными помощниками врачей во всем мире и в России, освобождая время специалистов-реабилитологов для более важных задач и позволяя продолжать восстановление в домашних условиях в течение долгого времени.
