Як технології змінюють якість життя: розробка «розумних» протезів на базі Університету ІТМО

Сьогодні в Росії проблема протезування стоїть досить гостро. Самі протези, безумовно, є, але вони найчастіше представлені зарубіжними аналогами, радянськими зразками, або косметичними протезами. І у всіх цих варіантів є серйозні недоліки, один з яких — ціна: вартість зарубіжних пристроїв може доходити до 4 млн рублів.

Розцінки на російські зразки більш демократичні, але вони поєднують у собі застарілу конструкцію, розроблену ще в середині 60-х, і мінімальне зручність. У сьогоднішньому матеріалі розкажемо про те, як випускники Університету ІТМО змінюють російську дійсність і створюють протези і навіть екзоскелети для тих, кому технології можуть буквально змінити життя на краще.



Протези для маленьких супергероїв
Ілля Чех, випускник факультету точної механіки і технологій Університету ІТМО, разом зі своєю командою заснував компанію «Моторика», щоб допомогти дітям з травмами рук відчути себе звичайними, грати в сніжки і просто продовжувати активно розвиватися. Технологія 3D-друку розширює можливості протезування: удешевляет виготовлення протезів, скорочує термін виготовлення до декількох днів і дозволяє підганяти протез під індивідуальні особливості пацієнта. Всі ці переваги використовуються при створенні дитячого тягового протеза руки «КИБИ».

Діти — особлива категорія пацієнтів, так як заміна протезів для них потрібно кожні півроку-рік, тому ціна має велике значення. Вартість одного протеза «КИБИ» становить приблизно 15 000 рублів. Але сьогодні протез можна отримати навіть безкоштовно, так як отримана сертифікація дозволяє компанії «Моторика» поширювати свою інноваційну розробку по державній соціальній програмі. Тому проживають на території РФ діти можуть стати володарями активного протеза за рахунок коштів Фонду Соціального Страхування.

За допомогою 3D-друку кожен протез проводиться індивідуально по мірках з руки, тому його можна виготовити навіть для кисті зі складною травмою. Єдине обмеження — у дитини повинна бути збережена рухливість променево-зап'ясткового суглоба, за рахунок якого здійснюється захоплення. Спеціальні тягові троси забезпечують зведення і почергове стиснення пальців і фіксуються на передпліччя на опорної частини протеза.

Для виготовлення основи протеза за індивідуальними мірками на 3D-принтері використовується метод спікання, що робить деталі більш міцними і гладкими. Приймальна гільза виготовляється з низькотемпературних термопластиков, які в гарячій воді стають гнучкими і приймають потрібну форму, а тягові троси фіксуються індивідуально. У планах виготовляти типові деталі протеза великими партіями, а унікальні деталі, що враховують особливості пацієнта, надрукувати на 3D-принтері.

Протез «КИБИ» — повністю механічний, але це не робить його незручним. З його допомогою діти розвивають м'язи рук і надалі зможуть не відчувати наслідків травми. Крім того, команда «Моторики» постаралася змінити сприйняття протеза дітьми, перетворивши протез в справжній гаджет з яскравим індивідуальним дизайном: у високотехнологічну руку вбудовується бінокль, компас, ліхтарик, рогатка, MP3-плеєр, камера GoPro і навіть пульт управління для квадрокоптера.

«Моторика» займається розробкою і біонічних протезів. Головна відмінність — ними можна керувати за допомогою власної нервової системи шляхом зняття сигналу м'язів з передпліччя. Команда Іллі Чеха планує створити перший вітчизняний високофункціональний біонічний протез передпліччя і навіть повної руки. На сьогоднішній день існує кілька прототипів такого протеза кисті, і найвдаліший вже був випробуваний на першому користувача.

Технології для реабілітації
Ще один стартап на базі Університету ІТМО — проект Rehabot, творці якого розробили рукавичку для відновлення дрібної моторики після інсульту. Робот згинає і розгинає пальці руки, що сприяє підтриманню тонусу м'язів, коли сам пацієнт не в змозі нею поворухнути.

«Щороку в світі близько 7 млн людей отримують порушення дрібної моторики в результаті перенесеного інсульту. У Росії їх близько 640 тисяч. І лише половина з них повертається до трудової діяльності. Наша робо-рукавичка допоможе збільшити кількість пацієнтів з повним відновленням», — пояснює один з авторів проекту Вадим Котенєв.

На додаток до рукавичці розробники використовують спеціальне ПЗ. В залежності від стадії лікування програма пропонує певний режим тренування в ігровій формі. Наприклад, коли пацієнт вже може трохи керувати пальцями, програма рекомендує вправи з опором і обтяженням для підвищення ефективності.

Пальці приводяться в рух за рахунок кривошипно-ползунных механізмів електричних двигунів, або актуаторов, що знаходяться на тильній стороні рукавички. Програма аналізує надходять від датчиків м'язової активності сигнали, визначає характер проблем і пропонує пацієнту відповідний режим тренування.

Подібні вироби розробляються в Німеччині і в Азії, але купити їх в Росії непросто, і одна з причин — висока ціна (від 200-300 тис. рублів). За попередніми підрахунками виготовлення однієї рукавички Rehabot обійдеться в 25 тис. рублів. У виробництві використовується понад 70% вітчизняних комплектуючих, але виробники планують знайти аналоги інших деталей або почати їх виготовлення на металообробних верстатах і 3D-принтерах (бажано теж російських).

Розробники вважають, що для забезпечення всіх нужденних в таких рукавичках росіян, потрібно випустити близько 120 тисяч робо-рукавичок у перший рік масового виробництва. Потім в планах вихід на європейський ринок. Сьогодні ефективність тренажера вже підтверджена клінічно, і почалося його впровадження в клініки Росії.

«Протез» для незрячих
Ще один проект, створений при Університеті ІТМО — компанія Oriense. Команда розробників створила пристрій, що дозволяє сліпим і слабозрячим людям орієнтуватися в просторі, покликане підвищити їх самостійність і соціальну адаптацію. Технології 3D-комп'ютерного зору і глобальної навігації значно полегшують життя інвалідам по зору.

Прилад Oriense складається з 3D-камери, спрямованої вперед, бічних відеокамер і мікрокомп'ютера. Прилад отримує інформацію і створює «карту глибини», на якій позначається дальність всіх навколишніх предметів з допомогою інтенсивності кольору об'єктів.

Розробники пропонують використовувати допоміжні пристрої для орієнтування у просторі: навігатор OrNavi і камеру OrCV. Комплекс цих пристроїв пропонує різноманітні корисні , наприклад, прокладає маршрути, описує навколишній світ (будівлі, установи, перехрестя), попереджає про небезпеку (дорожні знаки, ями, сходи), читає різні написи і розпізнає грошові купюри.

Прототип пристрою був виконаний на базі Kinect, пізніше у розробці стали використовуватися ізраїльські сенсори PrimeSense Carmine.

Мультифункціональний GPS/GLONASS-навігатор OrNavi не вимагає підключення до мобільних мереж і працює в автономному режимі, за рахунок чого збільшується час роботи батарей (в режимі навігації — 20 годин, в режимі камери — 4 години). ЗА і карти регулярно оновлюються.

Взаємодія з навігатором здійснюється через фізичну клавіатуру за принципом «одна кнопка — одна функція», що полегшує використання пристрою. Інформація передається користувачу за допомогою голосових повідомлень, звуків і вібрації. При цьому розробники пропонують використовувати навушники кісткової провідності, які залишають вуха відкритими, але дають можливість сприймати інформацію.

Ще одна додаткова функція — спеціальне розширення для навігатора OrCV. Воно використовує камеру, яка «дивиться» на п'ять метрів вперед. Камера збирає інформацію про навколишньому середовищі, наприклад, розпізнає особливо небезпечні об'єкти та способи їх обійти, і робить переміщення по вулицях більш безпечним. Тому при плануванні траєкторії руху слабозрячим людям тепер не потрібно знижувати швидкість.

Зарубіжні аналоги проекту — системи Voice Sense, I-21 і прилад AUX DECO, вимагають тривалого навчання. У Oriense існує ще один конкурент — пристрій OrCam, яке кріпиться на окуляри для читання текстів і розпізнавання колірних сигналів світлофорів. Але OrCam не може використовуватися повністю незрячими людьми і коштує близько $2,5 тис. Вартість навігатора Oriense становить 24 000 рублів, а модуля з камерами — 15 000. Сьогодні його розповсюдженням займаються благодійні фонди, тому люди з проблемами із зором можуть отримати пристрої зі знижкою або навіть безкоштовно.

Міні-екзоскелет
Ще одна розробка групи студентів Університету ІТМО на чолі з Микитою Липовичем — активний ортез, який кріпиться на колінний суглоб і автоматично згинає-розгинає ногу, що сприяє прискоренню реабілітації рухових функцій коліна пацієнтів.

Пристрій складається із звичайного пасивного ортеза і активної частини, яка закріплюється поверх нього на колінний суглоб. По суті воно близько до экзоскелетам і є їх маленьким підвидом. «Сам активний механічний ортез складається з крокового приводу, який відповідає за створення крутного моменту, що передається на розроблений привід, і контролера з датчиками для алгоритму, що приймає рішення про згинанні і розгинанні», — описує свою розробку Микита Липович.

Прилад може адаптуватися під одну людину з мінімальними налаштуваннями завдяки гібридному методу для виявлення фази кроку і кута згинання коліна. Спеціальні датчики на стопі і mems-чіпи (акселерометр, гіроскоп і магнітометр) дозволяють передбачати, коли потрібно управляти приводами ортеза.

Вартість розробки без урахування витрат на маркетинг складе близько 45-48 тисяч рублів. Поки ведеться розробка прототипу, і вже зараз готова частина, яка збирає інформацію з секторів натискання, розташованих на стопі, а також різних mems-сенсорів, і створений зразок приводу, який знаходиться в процесі доопрацювання. В найближчому майбутньому будуть проведені перші клінічні випробування.

В Університеті ІТМО вивчають і інші технології, що використовуються при створенні екзоскелетів і активних протезів. Зокрема, вчені Університету ІТМО досліджують можливості керування подібними пристроями на основі інформації про біоелектричних потенціали, що виникають у скелетних м'язах при їх порушенні. Таку інформацію одержують за допомогою електроміографії, а аналіз сигналів дозволяє визначити заплановане людиною рух для приведення в дію екзоскелету або протеза. Тому головне — правильно розшифрувати сигнал, одержуваний від м'язів (для рішення цієї задачі дослідники використовують нейронні мережі, що дозволяє їм визначати тип руху з точністю до 94%).

Ще одне дослідження лягло в основу розробки багатофункціонального активного протеза руки. Виконавчий механізм такого протеза містить 9 датчиків силового впливу та реєстратор сигналів електроенцефалографа, електроди якого приєднані до голови оператора. Управління пензлем здійснюється за рахунок обробки сигналів електроенцефалографа, а симулятор руки дозволяє знімати показання з підсилювача біосигналів та візуалізувати їх. Завдяки такій технології можливо точно визначити індивідуальні параметри руки і підвищити точність управління.

Розвиток технологій протезування допомагає не тільки продовжувати період активного життя у людей. Юрій Баулін, провідний інженер Інституту еволюційної фізіології і біохімії ім. І. М. Сєченова, співробітник природничого факультету Університету ІТМО впевнений, що сучасні технології, у тому числі біонічні протези, зможуть збільшувати час життя до 150-200 років. Звичайно, станеться це нескоро, але людство повинно продовжувати розвиватися і перемагати хвороби.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.