Ценная походка: создан экзоскелет, «растущий» вместе с ребенком
Российские ученые создали экзоскелет, который сможет диагностировать нарушения в работе опорно-двигательного аппарата, а также будет использоваться для реабилитации больных с такими диагнозами. Электроника устройства проанализирует ходьбу здоровых людей и сформирует портрет идеальной походки. Именно с ней система будет сравнивать манеру ходьбы пациентов. В случае заметных отклонений от стандарта специальные моторы начнут корректировать движения больного. По мнению специалистов, разработка может значительно облегчить труд врачей-реабилитологов.
Нелегкой походкой
Специалисты Московского политеха совместно с компанией «Полдень. 21-й век» работают над созданием экзоскелета для диагностики и лечения болезней опорно-двигательного аппарата. В первую очередь его предполагают использовать для работы с детьми. С помощью изобретения можно будет оценить, насколько походка пациента соответствует здоровому идеалу, измерить объективные показатели, которые характеризуют его индивидуальный стиль ходьбы, а также научить человека правильно ходить. Выпустить на рынок свое изобретение инженеры хотят уже в 2024 году.
— По предварительным расчетам, наши экзоскелеты будут стоить как минимум втрое дешевле, чем существующие на рынке аналоги, — сказал руководитель исследовательской группы и магистерской программы «Роботизированные беспилотные системы и эргономика» Московского политехнического университета Илья Таратонов.
Проект по созданию экзоскелета включает в себя несколько этапов. Сначала устройство будут использовать исключительно для диагностики. Металлический каркас скелета, на который установлено множество датчиков, ученые наденут на здоровых людей и на их примере сформируют базу данных правильных движений. Это позволит специалистам получить универсальный портрет идеальной походки человека. Затем инженеры определят, какие числовые показатели датчиков (электрическая активность мышц, температура, угол наклона и т.д.), используемых в устройстве, соответствуют правильной ходьбе.
Специалисты политеха стремятся создать устройство, которое будет способно контролировать походку по объективным показателям. Врачи смогут использовать его точно так же, как кардиолог использует кардиограмму. С помощью скелета можно будет понять, например, что человек слишком далеко выставляет ногу либо, наоборот, отставляет ее назад.
Как рассказали ученые, законы кинематики (раздел механики, который описывает движение) говорят, что походка людей совпадает только на 70%, а остальные 30% определяются индивидуальным стилем. Разработчики стараются точно определить соотношение между общей основой и персональными особенностями, чтобы скелет мог подстраиваться под каждого пользователя, пояснили специалисты.
По словам разработчиков скелета, многие даже здоровые люди всю жизнь ходят неправильно. Вред от этого до определенного момента компенсируется за счет жизненных сил организма. Однако рано или поздно такая ходьба приводит к болезням суставов, головным болям, заболеваниям сердечно-сосудистой системы и другим осложнениям. Экзоскелет поможет выявить нарушения в походке и в таких случаях.
На следующем этапе скелет используют, чтобы зафиксировать особенности ходьбы у детей с ДЦП и создать их «портреты» со всеми численными показателями, которые фиксируют датчики. На основе эти данных врач сможет разработать программу лечебных упражнений и контролировать ее эффективность. В распоряжении медика будет вся статистика по каждому пациенту, его индивидуальные характеристики и другая необходимая информация. За 15 минут посещения пациента лечащий специалист получит конкретные цифры, по которым сможет судить, есть ли прогресс в лечении или его стоит поменять, рассказали в Московском политехе.
После того как диагностическая функция устройства будет отработана, инженеры займутся его настройкой для коррекции походки. Для этого в конструкцию скелета включены моторы. Если пациент ходит неправильно, двигатели будут корректировать его движения. В конечном счете задача пользователя будет сводиться к тому, чтобы моторы при ходьбе ему не мешали. Это будет происходить интуитивно, поэтому специальное обучение пациента не требуется.
Подходящий размер
Особенность работы с детьми в том, что они быстро растут, поэтому оборудование должно увеличиваться в размерах вместе с ними. Сохраняя одну программно-аппаратную часть и электронику, конструкция позволяет менять отдельные детали скелета и тем самым регулировать его высоту. По словам разработчиков, за сутки с помощью 3D-принтера они могут распечатать скелет для любого ребенка ростом до 1,5 м.
— Мы формируем унифицированный экзоскелетный комплекс, позволяющий менять размеры по мере роста нашего маленького пациента и адаптировать под него лечение, — сказал Илья Таратонов.
Диагностика с помощью устройства будет занимать не более 15 минут. Она будет проводиться с использованием специальной беговой дорожки, имитирующей любые препятствия. А во время лечения ребенок может оставаться в устройстве сколь угодно долго. Для лучшего контакта с детьми инженеры намерены оформить его в стиле костюма «Железного человека» или других хорошо знакомых ребенку героев.
Однако, по мнению специалистов компании Muscles.AI, которая занимается разработкой специального костюма для анализа движений и реабилитации пациентов с болезнями опорно-двигательного аппарата, особенности конструкции экзоскелетов в принципе не позволяют использовать эти устройства для диагностики.
— Экзоскелет накладывает ограничения на движения и меняет их механику. То есть специалисты диагностируют не движения человека, а движения экзоскелета. Если же разработка позволяет двигаться абсолютно свободно, то это уже не экзоскелет, а носимая технология — программно-аппаратный комплекс того типа, что делаем мы, — сказал технический директор компании Виталий Улыбин.
Разработанный специалистами Московского политеха экзоскелет будет эффективен для работы со взрослыми пациентами, перенесшими травмы, или детьми старшего возраста, больными ДЦП, уверена специалист по детской реабилитации Наталья Пыхтина.
— К сожалению, на самых маленьких пациентов возрастом около года экзоскелет не наденешь, поэтому приходиться делать с ними упражнения вручную, — сказала Наталья Пыхтина.
Но когда пациенты становятся старше и увеличивается их вес, то экзоскелет может заметно облегчить труд реабилитолога, резюмировала специалист.
