Контролируемый Экзоскелет, Поможет Инвалидам Снова Ходить
| 
Каждый год десятки тысяч людей в Мире, становятся парализованными из-за травмы спинного мозга. Многие молодые люди, остаются на всю жизнь прикованными к инвалидной коляске. Несмотря на отсутствие медицинского лечения в настоящее время, в будущем они могли бы быть в состоянии опять ходить, благодаря новому виду контролируемого робота экзоскелета, который разрабатывается исследователями при финансировании Евросоюза.
Новая система, основанная на инновационной "Брейн-нейронно-машинном интерфейс (BNCI) технологии, в сочетании с легким экзоскелетом, прикрепленным к ногам пользователей, и специально созданной виртуальной реальностью - для обучения, может найти широкое применение в реабилитации жертв инсульта, травм спинного мозга, и оказании помощи космонавтам, при восстановлении мышечной массы после длительных полетов в космос.
В Великобритании, каждые восемь часов кто-то получает повреждение спинного мозга, что часто приводит к частичному или полному параличу нижней части тела. В России, ежегодно травму спинного мозга получает более 7,5 тысяч человек, а в совокупности со странами СНГ, эта цифра достигает 15 тыс.
В Соединенных Штатах, более 250 000 людей, живут с параличом в результате повреждения спинной мозг, которое, как правило, происходит из-за дорожно-транспортного происшествия, падения или из-за спортивных травм. Многие из пострадавших находятся в возрасте до 50 лет, так-как никому ещё не известно - медицинское лечение или способ ремонта поврежденных спинномозговых нервов, многие остаются на всю оставшуюся жизнь в инвалидном кресле.
Именно они, при помощи таких экзоскелетов, должны быть в состоянии встать на ноги, так-как минуя поврежденный спинной мозг, сигналы от головного мозга будут прямиком доставляться на экзоскилет, и приводить в движения различные части тела. Это и есть конечная цель исследователей, работающих в «компании Mind-контролируемые ортезы и VR-обучающая среда, для ходьбы и расширения прав и возможностей» (Mindwalker) проект, это трехлетняя инициатива, поддержанная со стороны Европейской комиссии.
"Mindwalker - был предложен в качестве очень амбициозного проекта предназначенного для исследования перспективных подходов в использовании сигналов головного мозга, для управления передовыми ортезами. Она также призвана разработать и реализовать прототип системы, демонстрирующей потенциал технологий", объясняет Мишель Иисковитз, координатор проекта по применению космической техники в Бельгии.
Подход команды разработчиков опирается на передовые системы BNCI, которые преобразуют сигналы от мозга при помощи электроэнцефалографии (ЭЭГ), или электромиографии (ЭМГ)- сигналы от мышц плеча, в электронные команды для управления экзоскелетом.
Один из подходов для управления экзоскелетом, это использование так называемых «стационарных визуально вызванных потенциалов, метод, который читает мерцающие визуальные стимулы, производимые на разных частотах, чтобы побудить появление ЭЭГ сигналов. Обнаружение этих ЭЭГ-сигналов используется для запуска команд, таких как «Встать», «Прогулка», «Быстрый» или «Медленный» шаг.
Второй подход основан на обработке сигналов (ЭМГ)от пораженных участков пользователя, и использует природные (собственные) руки-ноги для координации человеческой походки: модели качающихся-рук могут быть восприняты таким образом, что они в последствии преобразуются в сигналы для управления командным устройствам ног экзоскелета.
Третий подход, "мысли", также основан на ЭЭГ-сигналах. Он использует определение и использование ЭЭГ тета корковых сигналов, создаваемых естественными психическими процессами, связанными с ходьбой. Этот подход был исследован Mindwalker командой, но из-за трудностей, от эго пришлось отказаться.
Независимо от того, какой метод используется, BNCI сигналы должны быть отфильтрованы и обработаны, прежде чем они могут быть использованы для контроля за экзоскелетом. Чтобы добиться этого, Mindwalker исследователи посылали сигналы в «Динамические рекуррентные нейронные сети" (DRNN), технология способная к обучению и использованию динамического характера сигналов BNCI.
"Это является привлекательным фактором для кинематического контроля и позволяет быть гораздо более естественным способом управления экзоскелетом", говорит Иисковитз.
Команда приняла аналогичный, практический подход к сбору (ЭЭГ) сигналов, от головы пользователя. Большинство BNCI систем, либо инвазивны, требуют применение электродов, которые должны быть размещены непосредственно в тканях головного мозга, или требуют, чтобы пользователи носили «мокрый» шлем на голове, что требует длительной процедуры установки и использования специальных гелей для уменьшения электрического сопротивления на границе кожи и электродов. Хотя такие системы доставки сигналов очень хороши, в отношениях сигнал-шум, но они непрактичны для повседневного использования.
Именно поэтому, Mindwalker команда, обратилась к «сухой» технологии, разработанной берлинской eemagine Medical Imaging Solutions: она состоит из крышки покрытой электродами, которые пользователь может поместиться на себя, и которая использует инновационные электронные компоненты для усиления и оптимизации сигналов перед отправкой их в нервные сети.
"Сухие электроды (ЭЭГ) с крышкой, могут быть размещены на голове сами по себе менее чем за минуту, так же, как к примеру - шапочка для плавания", говорит Мишель.
Эффективная и надежная робота ног
Университеты Делфта и Твенте в Нидерландах, предложили инновационный подход для разработки экзоскелета, и его контроля. Их разработка, может быть достаточно прочной, чтобы выдержать вес в 100 кг, и достаточно мощным, чтобы восстановить баланс от внешних причин нестабильности, таких как собственное туловище пользователей - при движении во время ходьбы, или при небольшом толчке со спины или сбоку. По сравнению с другими экзоскелетами, разработанными на сегодняшний день, это относительно легкая конструкция, весом менее 30 кг - без батарей, и, поскольку окончательный вариант системы должно быть с автономным питанием, это в свою очередь призвано свести к минимуму потребление энергии.
Mindwalker исследователями достигнута прекрасная энергоэффективность за счет использования пружин установленных внутри суставов, которые способны поглощать и восстановливать часть энергии, которая рассеивается во время ходьбы, а также посредствам разработки эффективной стратегии борьбы с основными проблемами экзоскелета.
Большинство экзоскелетов разработаных сегодня, уже сбалансированны, как стационарные или квази-статические, и, способны лишь двигаться маленькими шагами с относительной стабильностью по периметру, подход, который ещё известен как «нулевая точка момента", или (ZMP). Хотя этот подход обычно используется для управления гуманоидными роботами, при его использовании в экзоскелетах, делает их тяжелыми и медленными - и обычно требует от пользователей дополнительных устройств: ходунков, трости или других приспособлений для поддержки, когда они двигаются.
Кроме того, более продвинутые и более естественные стратегии управления могут повторить путь людей, которые на самом деле ходят, с контролируемой потерей равновесия при ходьбе.
"Такой подход называется «Лимит цикла шага» и он был реализован с использованием модели интеллектуального управления, чтоб предсказать поведение пользователей и экзоскелета, а также для управления экзоскелетом - во время прогулки. Этот подход и был исследован в Mindwalker ", говорит Иисковитз.
Для обучения пользователя управлению экзоскелетом, исследователи применили космические технологии и разработали виртуальную реальность для подготовки спец. платформы, обеспечивая погружение в среды, в которых новые пользователи могут безопасно адоптироваться, к использованию системы - для тестирования её в клинических условиях, команда же надеется, использовать это и в повседневной жизни.
К концу этого года, тесты с трудоспособными пользователями будут завершены. Система будет передана в фонд Santa Lucia, для проведения клинических исследований до мая 2013 года, на людях, которые страдают от травмы спинного мозга. Данные исследования помогут выявить недостатки в любой области, по словам координатора проекта.
В то же время партнеры по этому проекту продолжают исследования по различным компонентам, для различных потенциальных областей их применений. Координатор проекта отмечает и то, что элементы системы могут быть адаптированы для реабилитации жертв инсульта, травм и повреждений спинного мозга, или же они способны разработать простые в использовании экзоскелеты, для пожилых людей, и для обеспечения мобильности инвалидов.
Применение космической техники в Услугах и в повседневной жизни, также изучает и команда Mindwalker при подготовке космонавтов, чтоб помочь им восстановить мышечную массу, после долгого времени в условиях невесомости.
