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 зарубежных устройств может доходить до 4 млн рублей.
Расценки на российские образцы более демократичны, но они сочетают 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.
Протезы для маленьких супергероев
Илья Чех, выпускник факультета точной механики и технологий Университета ИТМО, вместе со своей командой основал компанию «Моторика», чтобы помочь детям с травмами рук почувствовать себя обычными, играть в снежки и просто продолжать активно развиваться. Технология 3D-печати расширяет возможности протезирования: удешевляет 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 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 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. 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 на первом пользователе.
Технологии для реабилитации
Еще один стартап на базе Университета ИТМО — проект Rehabot, 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 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 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 клинически, и началось его внедрение в клиники России.
«Протез» для незрячих
Еще один проект, созданный при Университете ИТМО — компания Oriense. Команда разработчиков создала устройство, которое позволяет слепым и слабовидящим людям ориентироваться 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 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, 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 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 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 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 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 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 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 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, 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
