Как технологии меняют качество жизни: разработка «умных» протезов на базе Университета ИТМО

Сегодня в России проблема протезирования стоит достаточно остро. Сами протезы, безусловно, есть, но они чаще всего представлены зарубежными аналогами, советскими образцами, или косметическими протезами. И у всех этих вариантов есть серьезные недостатки, один из которых — цена: cтоимость ^[1]зарубежных устройств может доходить до 4 млн рублей.

Расценки ^[2]на российские образцы более демократичны, но они сочетают ^[3]в себе устаревшую конструкцию, разработанную еще в середине 60-х, и минимальное удобство. В сегодняшнем материале расскажем о том, как выпускники Университета ИТМО меняют российскую действительность и создают протезы и даже экзоскелеты для тех, кому технологии могут буквально изменить жизнь к лучшему.

^[4]

Протезы для маленьких супергероев

Илья Чех ^[5], выпускник факультета точной механики и технологий Университета ИТМО, вместе со своей командой основал компанию «Моторика ^[6]», чтобы помочь детям с травмами рук почувствовать себя обычными, играть в снежки и просто продолжать активно развиваться. Технология 3D-печати расширяет возможности протезирования: удешевляет ^[2] изготовление протезов, сокращает срок изготовления до нескольких дней и позволяет подгонять протез под индивидуальные особенности пациента. Все эти преимущества используются при создании детского тягового протеза руки «КИБИ».

Дети — особая категория пациентов, так как замена протезов для них требуется каждые полгода-год, поэтому цена имеет большое значение. Стоимость одного протеза «КИБИ» составляет примерно 15 000 рублей. Но сегодня протез можно получить даже бесплатно, так как полученная сертификация ^[7] позволяет компании «Моторика» распространять свою инновационную разработку по государственной социальной программе. Поэтому проживающие на территории РФ дети могут стать обладателями активного протеза за счет средств Фонда Социального Страхования.

С помощью 3D-печати каждый протез производится индивидуально по меркам с руки, поэтому его можно изготовить даже для кисти со сложной травмой. Единственное ограничение — у ребенка должна быть сохранена подвижность лучезапястного сустава, за счет которого осуществляется захват. Специальные тяговые тросы обеспечивают сведение и поочередное сжатие пальцев и фиксируются на предплечье на опорной части протеза.

Для изготовления основы протеза по индивидуальным меркам на 3D-принтере используется метод спекания, что делает детали более крепкими и гладкими. Приемная гильза изготавливается из низкотемпературных термопластиков, которые в горячей воде становятся гибкими и принимают нужную форму, а тяговые тросы фиксируются индивидуально. В планах изготавливать типовые детали протеза крупными партиями, а уникальные детали, учитывающие особенности пациента, печатать на 3D-принтере.

Протез «КИБИ» — полностью механический, но это не делает его неудобным. С его помощью дети развивают мышцы руки и в дальнейшем смогут не ощущать последствий травмы. Кроме того, команда «Моторики» постаралась изменить восприятие протеза детьми, превратив протез в настоящий гаджет ^[8]с ярким индивидуальным дизайном: в высокотехнологичную руку встраивается бинокль, компас, фонарик, рогатка, MP3-плеер, камера GoPro и даже пульт управления для квадрокоптера.

«Моторика» занимается разработкой и бионических протезов ^[9]. Главное отличие — ими можно управлять при помощи собственной нервной системы путем снятия сигнала мышц с предплечья. Команда Ильи Чеха планирует создать первый отечественный высокофункциональный бионический протез предплечья и даже полной руки. На сегодняшний день существует несколько прототипов такого протеза кисти, и самый удачный уже был испытан ^[10] на первом пользователе.

Технологии для реабилитации

Еще один стартап на базе Университета ИТМО — проект Rehabot ^[11], создатели которого разработали перчатку для восстановления мелкой моторики после инсульта. Робот сгибает и разгибает пальцы руки, что способствует поддержанию тонуса мышц, когда сам пациент еще не в состоянии ею пошевелить.

«Ежегодно в мире около 7 млн человек получают нарушения мелкой моторики в результате перенесенного инсульта. В России их около 640 тысяч. И лишь половина из них возвращается к трудовой деятельности. Наша робо-перчатка поможет увеличить число пациентов с полным восстановлением», — объясняет ^[12] один из авторов проекта Вадим Котенев.

В дополнение к перчатке разработчики используют специальное ПО. В зависимости от стадии лечения программа предлагает определенный режим тренировки в игровой форме. Например, когда пациент уже может немного управлять пальцами, программа рекомендует упражнения с сопротивлением и отягощением для повышения эффективности.

Пальцы приводятся в движение за счет кривошипно-ползунных механизмов электрических двигателей, или актуаторов, находящихся на тыльной стороне перчатки. Программа анализирует поступающие от датчиков мышечной активности сигналы, определяет характер проблем и предлагает пациенту подходящий режим тренировки.

Подобные изделия разрабатываются в Германии и в Азии, но купить их в России непросто, и одна из причин — высокая цена (от 200-300 тыс. рублей). По предварительным подсчетам изготовление одной перчатки Rehabot обойдется ^[12] в 25 тыс. рублей. В производстве уже используется более 70% отечественных комплектующих, но производители планируют найти аналоги остальных деталей или начать их изготовление на металлообрабатывающих станках и 3D-принтерах (желательно тоже российских).

Разработчики считают, что для обеспечения всех нуждающихся в таких перчатках россиян, нужно выпустить около 120 тысяч робо-перчаток в первый год массового производства. Затем в планах выход на европейский рынок. Сегодня эффективность тренажера уже подтверждена ^[13] клинически, и началось его внедрение в клиники России.

«Протез» для незрячих

Еще один проект, созданный при Университете ИТМО — компания Oriense ^[14]. Команда разработчиков создала устройство, которое позволяет слепым и слабовидящим людям ориентироваться ^[15] в пространстве, призвано повысить их самостоятельность и социальную адаптацию. Технологии 3D-компьютерного зрения и глобальной навигации значительно облегчают жизнь инвалидам по зрению.

Прибор Oriense состоит ^[16] из 3D-камеры, направленной вперед, боковых видеокамер и микрокомпьютера. Прибор получает информацию и создает «карту глубины», на которой обозначается дальность всех окружающих предметов с помощью интенсивности цвета объектов.

Разработчики предлагают использовать вспомогательные устройства для ориентирования в пространстве: навигатор OrNavi и камеру OrCV. Комплекс этих устройств предлагает различные полезные функции ^[17], например, прокладывает маршруты, описывает окружающий мир (здания, учреждения, перекрестки), предупреждает об опасности (дорожные знаки, ямы, ступени), читает различные надписи и распознает денежные купюры.

Прототип устройства был выполнен ^[18] на базе Kinect, позднее в разработке стали использоваться израильские сенсоры PrimeSense Carmine.

Мультифункциональный GPS/GLONASS-навигатор OrNavi не требует подключения к мобильным сетям и работает в автономном режиме, за счет чего увеличивается время работы батарей (в режиме навигации — 20 часов, в режиме использования камеры — 4 часа). ПО и карты регулярно обновляются.

Взаимодействие с навигатором осуществляется через физическую клавиатуру по принципу «одна кнопка — одна функция», что облегчает использование устройства. Информация передается пользователю посредством голосовых сообщений, звуков и вибрации. При этом разработчики предлагают ^[19] использовать наушники костной проводимости, которые оставляют уши открытыми, но дают возможность воспринимать информацию.

Еще одна дополнительная функция — специальное расширение для навигатора OrCV. Оно использует камеру, которая «смотрит» на пять метров вперед. Камера собирает информацию об окружающей среде, например, распознает особо опасные объекты и способы их обхода, и делает перемещение по улицам более безопасным. Поэтому при планировке траектории движения слабовидящим людям теперь не нужно снижать скорость.

Зарубежные аналоги проекта — системы Voice Sense, I-21 и прибор AUX DECO, требуют долгого обучения. У Oriense существует еще один конкурент — устройство OrCam, которое крепится на очки для чтения текстов и распознания цветовых сигналов светофоров. Но OrCam не может использоваться полностью незрячими людьми и стоит около $2,5 тыс. Стоимость навигатора Oriense составляет ^[20] 24 000 рублей, а модуля с камерами — 15 000. Сегодня его распространением занимаются благотворительные фонды, поэтому люди с проблемами со зрением могут получить устройства со скидкой или даже бесплатно.

Мини-экзоскелет

Еще одна разработка группы студентов Университета ИТМО во главе с Никитой Липовичем — активный ортез, который крепится на коленный сустав и автоматически сгибает-разгибает ногу, что способствует ускорению реабилитации двигательных функций колена пациентов.

Устройство ^[21] состоит из обычного пассивного ортеза и активной части, которая закрепляется поверх него на коленный сустав. По сути оно близко к экзоскелетам и является их маленьким подвидом. «Сам активный механический ортез состоит из шагового привода, отвечающего за создание крутящего момента, передающегося на разработанный привод, и контроллера с датчиками для алгоритма, принимающего решение о сгибании и разгибании», — описывает свою разработку Никита Липович.

Прибор может адаптироваться ^[22] под любого человека с минимальными настройками благодаря гибридному методу для обнаружения фазы шага и угла сгибания колена. Специальные датчики на стопе и mems-чипы (акселерометр, гироскоп и магнитометр) позволяют предсказывать, когда нужно управлять приводами ортеза.

Стоимость разработки без учета затрат на маркетинг составит порядка 45–48 тысяч рублей. Пока ведется разработка прототипа, и уже сейчас готова часть, собирающая информацию с секторов нажатия, расположенных на стопе, а также различных mems-датчиков, и создан образец привода, который находится в процессе доработки. В ближайшем будущем будут проведены первые клинические испытания.

В Университете ИТМО изучают и другие технологии, использующиеся при создании экзоскелетов и активных протезов. В частности, ученые Университета ИТМО исследуют ^[23] возможности управления подобными устройствами на основе информации о биоэлектрических потенциалах, возникающих в скелетных мышцах при их возбуждении. Такую информацию получают с помощью электромиографии, а анализ сигналов позволяет определить планируемое человеком движение для приведения в действие экзоскелета или протеза. Поэтому главное — правильно расшифровать сигнал, получаемый от мышц (для решения этой задачи исследователи используют нейронные сети, что позволяет им определять тип движения с точностью до 94%).

Еще одно исследование ^[24] легло в основу разработки многофункционального активного протеза руки. Исполнительный механизм такого протеза содержит 9 датчиков силового воздействия и регистратор сигналов электроэнцефалографа, электроды которого присоединены к голове оператора. Управление кистью осуществляется за счет обработки сигналов электроэнцефалографа, а симулятор руки позволяет снимать показания с усилителя биосигналов и визуализировать их. Благодаря такой технологии возможно точно определить индивидуальные параметры руки и повысить точность управления.

Развитие технологий протезирования помогает не только продлевать период активной жизни у людей. Юрий Баулин, ведущий инженер Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова, сотрудник естественнонаучного факультета Университета ИТМО уверен ^[25], что современные технологии, в том числе бионические протезы, смогут увеличивать само время жизни до 150–200 лет. Конечно, случится это нескоро, но человечество должно продолжать развиваться и побеждать болезни.

Автор: Университет ИТМО

Источник ^[26]