«Умная» нога: как ученые научили протез понимать сигналы головного мозга. Протезы

Российский инженер Максим Ляшко из Норильска разработал роботизированный протез руки, который в 10-100 раз дешевле импортных аналогов, сообщает Hi-Tech.Mail.ru со ссылкой на Hightech.fm. Детали устройства можно будет распечатать на 3D-принтере, и вместе с электроникой цена протеза составит около 1 тысячи долларов. Промышленные импортные варианты обойдутся в 25-250 тысяч долларов.

Три года назад Максим Ляшко потерял руку во время работы в шахте. После этого 28-летний инженер решил создать роботизированный протез руки, который был бы доступен каждому. Основная идея созданного им протеза MaxBionic - открытость платформы. В разработку Ляшко вложил порядка 300 тысяч рублей. Третья версия протеза будет на металлической основе и пойдет в серию, ее масса составит 400 граммов.

Протез имеет оригинальную систему тяги пальца с самоблокировкой, электромиографические датчики, плату управления и систему упругого удержания. Она лучше зарубежных вариантов: чтобы удержать предмет, здесь не требуется постоянной работы мотора. При этом, если предмет выпадает, рука сжимает его сильнее. На наладку устройства требуется 10 минут.

Доступность своего устройства Ляшко объясняет тем, что практически все его части он заказывал у компаний-производителей по собственным чертежам и документации. Если использовать импортные комплектующие, стоимость протеза существенно возрастает. Чтобы выпустить opensource-версию протеза, Максим пытается собрать 1,5 млн рублей на Boomstarter. Разработчик не верит, что ему удастся собрать нужную сумму, хотя от идеи отказываться не собирается.

Инженер рассказал, что инвесторы не верят в opensource-версию, однако Ляшко намерен параллельно разрабатывать и ее, и серийный протез, а также вариант для детей 7-12 лет. Возможно, Максиму придется выйти на зарубежную площадку, чтобы собрать необходимые средства.

Более 15% людей на сегодняшний день страдают из-за нарушений в организме, которые не дают им полноценной физической активности и препятствуют нормализации социальной жизни. Сложно себе представить, но всего лишь за 12 месяцев свыше 50 миллионов людей получают инвалидность. И все это ведет к огромным денежным расходам. Например, за 2015 год было потрачено практически четыре с половиной триллиона долларов. Эти расходы нельзя назвать потерями. Но можно сравнить с бедами мировой экономики – например, с ситуацией 2008 года, когда был провал в экономике. Вышеназванная сумма значительно выше годового ВВП РФ.

Никто не говорит о том, что нужно экономить на здоровье, например, инвалидов. Дело в другом – эти расходы можно было бы уменьшить без потери оказания медицинской помощи нуждающимся. Например, если бы в массы поступили качественные и функциональные протезы , то экономия была бы колоссальной. И это не пустые слова, а исследования Высшей школы экономики.

Сейчас есть возможности и материалы для создания многофункциональных протезов , которые по функциям ничем не уступали бы обычным, грубо говоря, человеческим рукам. Протез позволяет сгибать даже кисть, о чем раньше даже боялись говорить в медицине. Сгиб в запястье – это огромные возможности для инвалида и возможность вести полноценную жизнь. сегодня есть такие протезы, которые способны вращаться на 360 градусов, без какого-либо вреда человеку. Казалось бы, что мешает ученым наконец-то выпустить в медицину такие новшества? Все просто – для инвалидов модели станут непозволительной роскошью. То, что раньше казалось фантастикой, сейчас уже реализовано. Проблема в цене, которая по-прежнему фантастическая.

Бионический протез рук «BeBionic»

Сложно себе представить, но компания RSLSteeper посвятила области протезирования уже более 90 лет – и добилась в этой отрасли больших высот, начав производить целый ряд моделей бионических рук . Уже в 2010 году состоялась первая презентация технологии – она прошла в Германии. Один из протезов обладал четырьмя функциональными охватами, которые можно было переключить с помощью большого пальца, что достаточно удобно.

Дальше презентовали вторую модель протеза. У нее уже был прекрасный дизайн, причем вырос функционал охвата. Данный протез позволял работать даже с компьютерной мышью и делать быстрый двойной клик. С помощью сенсоров протез научился подстраиваться под габариты и формы объекта.

После вышла третья модель «BeBionic 3» — появилась она в 2012 году. Вы можете посмотреть видео ниже, чтобы посмотреть, на что способна данная технология.

Еще одна примечательная разработка – это «BeBionic Small». Это так называемый компактный протез , который отличается от третьей модели только размером. Также протез получил реалистичные подушечки на пальцах руки. Они нужны для комфортной и аккуратной работы с небольшими вещами.


Представители компании заявили, что проработать протез может весь день. Дальше его необходимо заряжать. Из минусов – нельзя ложиться спать с протезом. Так как покупка дорогостоящая, на нее идет гарантия на 12 месяцев. При желании клиент может доплатить и увеличить гарантию даже сроком на 5 лет.

Каждый палец работает благодаря своему мотору. Причем он очень грамотно расположены, чтобы не возникало у модели проблем с равновесием. За положение пальца отвечает микропроцессор. Огромное количество дел можно переделать за счет 14 хватов – этого количества вполне достаточно. Можно уменьшить силу хвата, скорость движения протеза. То есть, полноценная имитация настоящей руки . Если нужно что-то поднять, увеличиваешь силу, если просто берешь пластиковый стакан в руки, уменьшаешь ее. Что больше удивляет, автоматический захват. Если система понимает, что предмет в руке человека начинает падать, она сразу же усиливает охват в пределах нормы.

Протез будет достаточно легким. Производитель решил использовать алюминий и углепластик. Причем, несмотря на свою легкость, протез способен справиться с нагрузкой вплоть до 45 килограмм. Вращение в 360 градусов – один из приятнейших бонусов представленной модели.

Touch Bionics установили первую в мире бионическую руку

Компания «BeBionics» не сидит где-то в тени, создавая новые проекты. Сотрудничество с СМИ дает свои плоды – бренд этой фирмы известен во многих странах. Вдобавок в 2007 году не было конкурентов у данной компании. Они первые выпустили на рынок бионическую руку , чем и завоевали славу. Даже на момент 2007 года производитель научил работать протезы таким образом, что они справлялись с различными охватами.

Наступает 2014 год. Выходит протез под названием «i-Limb Revolution». Эта модель позволяла людям с легкостью упаковывать вещи, работать с мелкими предметами, носить продукты в пакете, закрывать и открывать шкаф и даже завязывать шнурки обоими руками.

Вы может и не замечали, но без запястий многие бы действия мы совершать не могли. Поэтому производитель начал работать над запястьем протеза. И добился успеха – движение кистью возможно на 40 градусов, причем в обе стороны – это значительно расширяет возможности протеза.

Наступает 2015 год. Рождается еще одна модель – «i-Limb Quantum». Ее функционал кажется удивительным. 24 хвата, вдобавок еще 12 может настроить сам владелец протеза. Это был прорыв в данной сфере технологий.

Чтобы выбрать охват, владельцам протеза нужно работать с мобильным приложением – оно программирует искусственную руку . Больше всего данная модель впечатляет тем, что можно контролировать и регулировать охваты жестами. Жест в одно направление сменяет охват, в другое – укрепляет его. Работает протез под четыре направления жестов – этого достаточно для комфортного и функционального управления искусственной рукой .


Компания «Touch Bionics» ведет активную деятельность на ютьюбе, постоянно публикуя интересные ролики, связанные с протезами. Например, один ролик посвящен тому, как с помощью искусственных рук человек готовит блюдо.

Отметим, что компания была основана в 2003 году. Ее основание произошло в 2003 году. Всего за 2015 год фирма заработал свыше 15 млн. долларов. Больше всего покупателей пришло из Германии и Франции. В 2016 году компанию продали Исландии. Стоимость сделки составила 27 с половиной миллионов фунтов. Продать Touch Bionics решили ввиду неправильно построенной бизнес-модели, из-за которой компания теряла прибыль.

Новый владелец компании, «Ossur» — далеко не новичок на рынке бинических протезов . Фирма уже давно работает над технологиями нижних конечностей, причем работает с огромными объемами. А за счет Touch Bionics выйдет на новый уровень.

Ottobock

Это немецкий концерн, входящий в тройку лидеров. Даже до нашей страны дошли разработки данной корпорации.

Компания представляет линейку «MyoFacil2». Это миолектрические устройства. Пока их функционал минимален. Подходят данные технологии для инвалидов, у которых ампутированы ниже локтя руки. Ниже мы разместим видео, где инвалид с таким протезом решает обычные домашние дела. Ему не составляет труда навести дома порядок, позавтракать, поехать на работе на автомобиле и т.д.

Стоимость такого товара может достигать пол миллиона рублей. Можно найти и за 400 тысяч протез – все зависит от того, какие расходники установлены, какое предприятие занимается их продажей.

У модели впечатляющие скоростные показатели схватывания рукой – показатели могут достигать 300 миллиметров за 1 секунду. С помощью протеза можно работать даже с мелкими деталями. Минус все же есть. Грубо говоря, перед нами миоэлектрический «крюк» с перчаткой, что пока пиком технологий назвать нельзя.


Есть еще одна интересная технология у организации – это «Michelangelo». Всего у модели семь хватов. Она позволяет с легкостью работать с плоскими и миниатюрными вещами. Эта модель отличный конкурент для «i-Limb».

Представители компании заявляют, что минимальная цена такого протеза составляет 2 миллиона рублей. Причем срок эксплуатации – 3 года. Дополнительные расходы – это покупка перчатки не реже чем раз в 6 месяцев. Увеличить цену протеза можно своеобразность культи инвалида. В итог цена может достигать 2 500 000 рублей при лучшей комплектации модели.

Работает искусственная рука за счет новой системы «Axon-Bus». Она ранее использовались в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Далее компания решила адаптировать технологию с целью создания протезов. Было использование шарнирное соединение с учетом технологии «AxonWrist», в результате чего человек получил возможность как сгибать, так и поворачивать протезом без малейшего дискомфорта.

Проблем со здоровьем от использования протеза у инвалида не возникает. Напротив, модель позволяет держать правильно осанку, не допустить искривления позвоночника. В конце концов, человек получает возможность выполнять какие-то незначительные, но все же необходимые действия даже в процессе, например, прогулки.. Причем протез получился достаточно реалистичным, поскольку при ходьбе он покачивается, как реальная рука. И не в реализме дело, в том, что на осанку в данном случае не идет отрицательного влияния, а от ампутации она часто портится.


Из нюансов – есть два мотора, которые отвечают за работу среднего, указательного и большого пальца. Два остальных пальца работают уже на основе трех других, а не самостоятельно. Для кончиков пальцев установили мягкий материал, чтобы хрупкие и маленькие предметы не портились, не ломались при работе с ними. Всего у протеза 7 хватов. Хват «открытая ладонь» присутствует.


Представители компании заявляют, что даже если человек активно пользуется протезом в течение дня, до вечера он точно не разрядится. Также компания отметила, что протезов для нижних конечностей сейчас больше, чем для верхних. Например, на территории России хороших моделей в продаже не более 7000. А что касаемо биоэлектрики, здесь точное число назвать сложно. Пока и модель «MyoFacil» не сильно популярна в России.


И вполне очевидно, в чем беда продаж в России. Рынок далек от пика развития. Специалистов в стране минимум, комплектующих всегда не хватает. В результате лишь единицы инвалидов покупают себе такие протезы, если смогут их найти на рынке.

Бионическая рука имеет свой не достаток

Батарея

Все мы знаем, что день активного пользования смартфоном – это предел его возможностей батареи. Какими бы невероятными технологии протезов не казались, они также не живут без подзарядки больше суток точно. День человек поработал с протезом, ночью придется ставить его на зарядку через обычную розетку. А что если человек любит путешествовать, часто в дороге? Приходится тратиться на покупку дополнительных аккумуляторов – и стоят они не так дешево, как аккумуляторы для гаджетов.

Вода враг – протезов

К сожалению, покупаться в протезах не получится. Даже перед походом в душ придется снимать искусственную руку. Чтобы в устройство не попадала влага, да и не влияла агрессивная среда в целом, нужно надевать специальные перчатки. Конечно, сделать герметичный корпус для протезов – не так уже сложно. В будущем такие модели будут, и их не нужно будет постоянно снимать. Лишь для технического обслуживания.

Управление не всегда работает корректно

В плане скорости у протезов все нормально. Если покупать хорошую модель, то она будет способна справиться с теми нагрузками, с которыми настоящая рука просто не справиться. И вроде бы все замечательно, но миоэлектричесские датчики не всегда срабатывают грамотно. Проблема в том, что первым делом мозг отправляет команду в мышцу у датчика, дальше в работу вступает датчик, который передает команду двигателю. И только после этого совершается жест. К чему мы клоним? Протез работает быстро, но в плане скорости реакции все пока печально.

Кстати, в плане протезов для нижних конечностей уже с реакцией все хорошо. Опять же, это заслуга «Ossur». Всего лишь за 15 минут хирурги могут установить ступни . Поскольку их работа заключается в установке в остатке конечностей специальных сенсоров. А скорость реакции гарантирует мыслительное управление, а не механическое. То есть, не нужно соединять протез с мышцами или нервами. Сигнал будет идти конкретно на нервную систему, чем и достигается прекрасная скорость работы.

Стоимость

Как мы уже сказали, удовольствие за два миллиона рублей (а то и больше), позволить себе может не каждый инвалид. А когда ценовая политика станет более-менее приемлемой, сложно представить.

". Перевод на русский язык редакции сайт

2.3 Медицина и робототехника

2.3.1 Обзор области

Здравоохранение и роботы

В результате демографических изменений во многих странах системы здравоохранения сталкиваются с возрастающей нагрузкой, поскольку им приходится обслуживать стареющее население. На фоне роста спроса на услуги совершенствуются процедуры, что приводит к улучшению результатов. Одновременно растут затраты на оказание медицинских услуг, несмотря на снижение числа людей, занятых в области оказания медицинской помощи.

Применение технологий, включая робототехнику, представляется частью возможного решения. В данном документе отрасль медицины разделена на три подобласти:

- Роботы для больниц (Clinical Robotics) : Можно определить соответствующие робототехнические системы, как те, что обеспечивают процессы "заботы" и "излечения". Прежде всего - это роботы для диагностики, лечения, хирургического вмешательства и ввода медикаментов, а также в системах экстренной помощи. Такие роботы управляются персоналом больницы или обученными специалистами в области заботы о пациентах.

- Роботы для реабилитации (Rehabilitation) : Такие роботы обеспечивают послеоперационную или посттравматическую помощь, когда прямое физическое взаимодействие с робототехнической системой будет либо ускорять процессс восстановления (выздоровления), либо обеспечивать замену утраченной функциональности (например, когда речь идет о протезе ноги или руки).

- Вспомогательные роботы (Assistive robotics) : В этот сегмент относят другие аспекты робототехники, применяемой в медицинской практике, когда первичным назначением робототехнических систем является обеспечение поддержки либо тому, кто оказывает медицинскую помощь, либо непосредственно пациенту, независимо от того, идет ли речь о больнице или о другом медицинском учреждении.

Все перечисленные поддомены характеризуются тем, что требуют обеспечения системами безопасности, которые принимают в расчет клинические потребности пациентов. В типовом случае управлением или настройками таких систем занимается квалифицированный больничный персонал.

Медицинская робототехника - больше, чем просто технология

Кроме развития непосредственно робототехнических технологий, важно, чтобы соответствующие роботы внедрялись, как часть процессов лечения в больнице или других медицинских процедур. Требования к системе должны формироваться на основе четко выявленных потребностей пользователя и получателя услуг. При разработке таких систем, принципиально важно демонстрировать ту дополнительную пользу, которую они могут обеспечить при их внедрении, это критически важно для дальнейшего успеха на рынке. Получение дополнительной пользы требует прямого вовлечения в процесс разработки данной техники профессионалов в области медицины, а также пациентов, как на стадии дизайна, так и на стадии внедрения при разработке роботов. Разработка систем в контексте среды их будушего применения обеспечивает вовлечение заинтересованных сторон. Ясное понимание существующей медицинской практики, очевидная необходимость обучения медицинского персонала пользованию системой, владение различной информацией, которая может потребоваться для разработки, - критически необходимые факторы при создании пригодной к дальнейшему внедрению системы. Введение роботов в медицинскую практику потребует адаптации всей системы оказания медицинских услуг. Это деликатный процесс, в рамках которого технология и практика оказания медицинских услуг оказывают взаимное влияние и должны будут адаптироваться друг к другу. С момента начала разработки, важно принимать во внимание этот аспект "взаимозависимости".

Разработка роботов для нужд медицины включает очень широкий набор различных потенциальных приложений. Рассмотрим их ниже, в контексте выделенных ранее трех основных сегментов рынка.

Роботы для больниц

Этот сегмент представлен разнообразными приложениями. Можно выделить, например, такие категории:

Системы, которые непосредственно расширяют возможности хирурга в плане ловкости (гибкости и точности) и силы;

Системы, которые позволяют проводить дистанционную диагностику и вмешательства. В эту категорию можно включать, как телеуправляемые системы, когда врач может находиться на большем или меньшем удалении от пациента, так и системы для использования внутри тела пациента;

Системы, которые обеспечивают поддержку во время диагностических процедур;

Системы, которые обеспечивают поддержку во время хирургических процедур.

Кроме этих приложений для больниц, существует некоторое количество вспомогательных приложений для больниц, включая роботов для взятия образцов, лабораторных исследований образцов ткани, а также других услуг, необходимых в больничной практике.

Роботы для реабилитации

Реабилитационная робототехника включает такие устройства, как протезы или например, роботизированные экзоскелеты или ортезы, которые обеспечивают тренировку, поддержку или замену утраченных активностей или нарушенной функциональностей человеческого тела и его структуры. Такие устройства могут применяться, как в больницах, так и в повседневной жизни пациентов, но как правило требуют первичной настройки медицинскими специалистами и последующего наблюдения за их правильной работой и взаимодействием с пациентом. Постоперационное восстановление, особенно в ортопедии, согласно прогнозам, будет основной сферой применения таких роботов.

Поддержка специалистов и ассистивная робототехника

Этот сегмент включает ассистивных роботов, предназначенных для использования в больницах или в домашней среде, которые разработаны для того, чтобы помогать персоналу больниц или сиделкам выполнять рутинные операции. Можно отметить существенную разницу в дизайне и внедрениях робототехнических систем, связанную с местом и условиями их использования. В контексте использования квалифицированным персоналом, будь то условия больницы или домашние условия при использовании робота для заботы о пожилом человеке, разработчики могут рассчитывать на то, что роботом управляет квалифицированный специалист. Такой робот должен соответствовать требованиям и стандартам больницы и системы здравоохранения и обладать соответствующими сертификатами. Эти роботы будет оказывать помощь персоналу соответствующих медицинских учреждений в их повседневной работе, особенно медсестрам и сиделкам. Такие робототехнические системы должны позволять сиделке проводить больше времени с пациентами, сокращая физическую нагрузку, например, робот сможет поднимать пациента для того, чтобы провести с ним необходимые рутинные операции.

2.3.2 Возможности в настоящее время и в перспективе

Робототехника для медицины - это чрезвычайно сложное направление для разработок в силу мультидисциплинарной природы и необходимости соблюдения различных жестких требований, а также из-за того, что во многих случаев медицинские робототехнические системы физически взаимодействуют с людьми, которые к тому же могут находиться в весьма уязвимом состоянии. Приведем основные возможности, существующие в выделенных нами сегментах медицины.

2.3.2.1 Больничные роботы

Это роботы для хирургии, диагностики и терапии. Рынок роботов для хирургического вмешательства велик по размерам. Робото-ассистивные возможности могут использоваться практически во всех областях - кардиологии, сосудологии, ортопедии, онкологии и неврологии.

С другой стороны, есть множество технических проблем, связанных с ограничениями на размеры, емкость, связанных с окружающей средой и небольшим числом технологий, которые доступны для немедленного использования в больничных условиях.

Кроме технологических проблем, есть и коммерческие. Например, связанные с тем, что США старается сохранять монопольное положение на этом рынке за счет объемной интеллектуальной сосбственности. Обойти эту ситуацию можно только за счет разработки принципиально нового "железа", ПО и концепций управления. Также для таких разработок требуется солидная финансовая поддержка высокозатратных, но необходимых разработок и соответствующих клинических испытаний. Типичные области, где сейчас есть возможности:

Минимально инвазивная хирургия (MIS)

Здесь можно добиться успеха за счет разработки систем, способных расширить возможности гибкости движений инструментов за пределы, обеспечиваемые анатомией рук хирурга, повысить эффективность, или дополнить системы обратной связью (например, позволяющей судить о силе нажатия), или дополнительными данными, помогающими осуществлять процедуру. Успехи рыночного внедрения могут зависеть от ценовой эффективности продукта, сокращенного времени его развертывания (подготовки к работе) и сокращения уровня дополнительного обучения, которое необходимо, чтобы научиться использованию роботизированной сситемы. Любая разработанная система должна наглядно демонстрировать "добавленную ценность" в контексте хирургии. Клинические опытные внедрения и оценки в ходе такого тестирования в клиниках являются обязательными для того, чтобы систему приняло хирургическое сообщество.

Если сравнивать с другими направлениями малоинвазивной хирургии, робото-ассистивные системы потенциально обеспечивают хирургу лучшее управление хирургическими инструментами, а также лучший обзор во время операции. От хирурга более не требуется стоять все время операции, поэтому он не устает столь же быстро, как при традиционном подходе. Тремор рук может быть почти полностью отфильтрован программным обеспечением робота, что особенно важно для применения в хирургии, имеющей дело с микромасштабами, например, хирургии глаза. В теории, хирургический робот можно использовать почти 24 часа в день, заменяя бригады хирургов, которые с ним работают.

Робототхеника может обеспечивать быстрое восстановление, сокращение травматизма и снижение негативного влияния на ткани пациента, а также снижение нобходимой радиационной дозы. Роботизированные хирургические инструменты могут разгрузить мозг врача, сократить "кривую обучения" и повысить эргономику рабочего процесса для хирурга. Способы терапии, использование которых сдерживают границы возможностей человеческого тела, также становятся возможными при переходе к использованию робототехнических технологий. Например, новое поколение гибких роботов и инструментов, позволяющих добраться до органов, глубоко скрытых в теле человека, позволяют сократить размер входного разреза в человеческом теле или обойтись естественными отверстиями в человеческом теле для выполнения хирургических операций.

В долгоросрочной перспективе, использование обучающихся систем в хирургии может сократить сложность проведения операции за счет увеличения потока полезной информации, которую хирург будет получать в ходе операции. Другие потенциальные преимущества включают возможность повышения уровня возможностей бригад парамедиков ("скорой помощи") при проведении с помощью роботов стандартных клинических экстренных процедур в полевых условиях, а также проведение теле-хирургических операций на удаленных объектах, где есть только соответствующий робот и нет квалифицированного хирурга.

Можно выделить следующие возможности:

Новые совместимые инструменты, обеспечивающие повышение уровня безопасности, при сохранении всех возможностей манипулции ими, включая негнущиеся инструменты. За счет использования новых методов управления или специальных решений (которые, например, могут встраиваться в инструмент или являться внешними по отношениюк к нему) функционирование инструметов может подстраиваться в реальном времени так, чтобы обеспечить совместимость или стабильность, когда что важнее;

Введение усовершенствованных ассистивных технологий, которые ведут и предупреждают хирурга во время операции, что позволяет говорить об упрощении решения задач хирургии и снижении числа ошибок медиков. Такая "обучающая поддержка" должна повысить "совместимость" оборудования и хирурга, что обеспечит интуитивность и отсутствие сомнений при использовании системы.

Применение подходящих уровней автономии роботов в хирургической практике вплоть до полной автономности конкретных хорошо детерминированных процедур, например: автономная аутопсия; взятие образцов крови (Veebot); биопсия; автоматизация части хирургических действий (затягивание узлов, поддержка камеры...). Повышение автономности обладает потенциалом повышения эффективности.

- "Умные" хирургические инструменты по-сути условно управляются хирургами. Эти инструменты находятся в прямом контакте с тканью и повышают уровень мастерства хирурга. Миниатюризация и упрощение хирургических инструментов в будущем, также как и доступности хирургических процедур внутри и снаружи "операционного театра" - основной путь развития таких технологий.

Обучение : Обеспечение физически точных моделей, что достигается за счет использования инструментов с тактильной обратной связью обеспечивают потенциал улучшения обучения, как на ранних стадиях обучения, так и при достижении уверенных навыков работы. Возможность симулирования широкого разнообразия условий и сложностей также могут повышать эффективность данного типа обучения. Сейчас качество тактильной обратной связи еще содержит ряд ограничений, что создает сложности в демонстрировании превосходства данного типа обучения.

Клинические образцы : Есть много областей для применения автономных систем для взятия образцов - от систем для взятия анализов крови и образцов ткани для биопсии до менее инвазивных методов аутопсии.

2.3.2.2 Робототехника для реабилитации и протезирования

Робототехника для реабилитации покрывает широкий диапазон различных форм реабилитации и может быть разделена на подсегменты. В Европе существует достаточно сильная промышленность в данном секторе и активное взаимодействие с ней ускорит технологическое развитие.

Средства реабилитации

Это средства, которые могут использоваться после травмы или после операции для тренировки и поддержки восстановления. Роль этих средств - поддержка выздоровления и ускорение восстановления, при одновременной защите пользователя и его поддержке. Такие системы могут использоваться в больничных условиях под надзором врачебного персонала или выступать самостоятельным упражнением, когда устройство управляет движениями или ограничивает движения - в зависимости от того, что требуется в данном конкретном случае. Такие системы также могут обеспечивать ценную данные о процессе восстановления и мониторить состояние более непосредственно чем даже при наблюдении за пациентом в условиях больницы.

Средства функциональной замены

Назначение такой робототехнической системы - это замена утраченной функциональности. Это может быть результатом старения или травматического ранения. Такие устройства разрабатывают с целью повышения мобильности и моторных навыков пациента. Они могут выполняться, как протезы, экзоскелеты или ортопедические устройства.

В развитых реабилитационных системах критически важно, чтобы существующие европейские производители были вовлечены в процесс в качестве известных участников рынка, а релевантные клиники и партнеры клиник были вовлечены в процесс разработки. Европа в настоящее время лидирует в мире в этой области.

Нейро-реабилитация

(Сеть COST TD1006, Европейская сеть Робототехники для Нейро-реабилитации обеспечивает платформу для обмена стандартизации определений и примеров разработок по всей Европе).

В настоящее время используется немного роботизованных устройств для нейро-реабилитации, поскольку еще не удалось обеспечить их широкого распространения. Робототехника используется для после-инсультной реабилитации в после-острой фазе и других нейро-моторных патологий, таких, как болезнь Паркинсона, множественный склероз и атаксия. Позитивные результаты с использованием роботов (не хуже или лучше, чем при использовании традиционной терапии) в реабилитационных целях начинают подтверждаться результатами исследований. В последнее время позитивные результаты также подтвержадются исследованиями в области нейро-визуализации. Было доказано, что интеграция с FES показала усиление позитивного результата (как для мышечной системы, так и периферийной и для центральной моторной). Упражнения с биологической обратной связью и игровыми интерфейсами начинают рассматриваться как решения, которые можно реализовать, но такие системы все еще находятся на ранней стадии разработки.

Для того, чтобы разрабатывать работоспособные системы необходимо решить несколько проблем. Это низкая стоимость устройств, проверенные результаты клинических испытаний, хорошо определенный процесс оценки состояния пациента. Возможности систем по корректной идентификации намерений пользователя и тем самым предотвращение травм, в настоящее время ограничивает эффективность таких систем. Управление и мехатроника, интегрированные для того, чтобы отвечать возможностям человеческого тела, включая когнитивную нагрузку, находятся на ранних стадиях развития. Должны быть достигнуты улучшения в надежности и в продолжительности рабочего времени до того, как могут быть разработаны пригодные к коммерческому использованию системы. Также целями разработки должны быть быстрое время развертывания и востребованность терапевтами.

Протезирование

Существенный прогресс может быть получен в области производства умных протезов, которые способны адаптироваться к особенностям движений пользователя и к условиям окружающей среды. Робототехника обладает потенциалом для комбинирования улучшенных способностей самообучения и повышенной гибкости и управления, особенно по части протезов верхних конечностей и кистевых протезов. Частные области исследований включают возможности адаптации к персональному, полу-автономному управлению, обеспечение искуственной чувствительности за счет обратной связи, улучшенная проверка, улучшенная энергоэффективность, self power recovery, улучшенный процессинг миоэлектрических сигналов. Смарт протезы и ортезы, управляемые активностью мышц пациента, позволят воспользоваться преимуществами таких систем обширным группам пользователей.

Системы поддержки мобильности

Пациенты с сокращением физических возможностей, временным или постоянным, могут воспользоваться преимуществами, связанными с повышением мобильности. Роботизированные системы могут обеспечивать поддержку и упражнения, необходимые для увеличения мобильности. Уже есть примеры разработок таких систем, но они находятся на ранней стадии развития.

В будущем возможно что такие системы смогут компенсировать даже когнитивные расстройства, предотвращая падения и несчастные случаи. Ограничения таких систем связаны с их стоимостью, а также с возможностью длительно носить на себе такие системы.

В ряде реабилитационных приложений, есть возможность использования натуральных интерфейсов, таких как миоэлектрика, снятие сигналов с головного мозга, а также интерфейсов, основанных на речи и жестах.

2.3.2.3 Поддержка специалистов и ассистивные роботы.

Поддержка со стороны специалистов и ассистивная робототехника могут быть разделены на ряд областей применения.

Системы поддержки заботящегося о пациенте : Поддерживающие системы, используемые лицами, заботящимися о пациентах, которые взаимодействуют с пациентами или системы, используемые пациентами. Они могут включать роботизированные системы, которые обеспечивают использование лекарственных средств, берут образцы, улучшают гигиену или процессы восстановления.

Подъем и перемещение пациента : Системы подъема и позиционирования пациента могут обладать различными возможностями от точного позиционирования во время хирургических вмешательств или сеансов лучевой терапии до содействия младшему медицинскому персоналу или лицам, заботящимся о пациенте, в подъеме человека с кровати или укладывании на нее, а также в транспортировке пациентов по больнице. Такие системы могут быть разработаны так, чтобы их можно было конфигурировать в зависимости от состояния пациента и использовать их так, чтобы у пациента была определенная степень управления их положением. Ограничения здесь могут быть связаны с необходимостью получения сертификатов безопасности и безопасного управления силами, достаточными для перемещения пациентов так, чтобы исключить возможные травмы пациентов. Энергоэффективные структуры и дизайн, выполненный с учетом необходимости экономии пространства, будут критичны для эффективных внедрений.

При разработке ассистивных робототехнических решений, важно придерживаться набора базовых принципов. Разработка должна фокусироваться на поддержке дефицита функциональности, а не на создании специфических условий. Решения должны быть практичными с точки зрения их использования и обеспечивать заметные преимущества для пользователя. Это может включать использование технологий для мотивирования пациентов делать для себя как можно больше, при одновременном сохранении безопасности. Внедрение таких систем не будет жизнеспособным и востребованным, если они не обеспечат воможности снижения нагрузки на персонал, создавая экономический кейс для внедрения, при одновременной надежности и безопасности использования.

Роботы для биомедицинских лабораторий для медицинских исследований

Роботы уже находят примнение в биомедицинских лабораториях, где они сортируют образцы и манипулируют ими в процессе проведения исследований. Приложения для создания сложных роботизированных систем расширяют возможности еще более, например, в область усовершенствованного скрининга клеток и манипуляций, связанных с клеточной терапией и избирательной сортировкой клеток.

2.3.2.4 Требования в среднесрочном периоде

Следующий список представляет "точки роста" в области медицинской робототехники

Экзоскелеты для нижней части туловища, которые подстраивают свое функционирование к индивидуальным особенностям поведения пациента и/или особенностям его анатомии, оптимизируя поддержку в зависимости от пользователя или условий окружающей среды. Системы могут адаптироваться пользователем к различным условиям и выполнению различных задач. Области применение: нейро-реабилитация и поддержка работников.

Роботы, предназначенные для автономной реабилитации (например, реабилитация в "игровом" режиме, реабилитация верхних конечностей после инсульта) должны воспринимать нужды пациента и его реакции, а также подстраивать под них терапевтическое воздействие.

Роботы, предназначенные для поддержки мобильности и возможностей пациента к манипуляции, должны поддерживать натуральные интерфейсы, гарантируя безопасность и работоспособность в условиях окружающей среды, близкой к "натуральной".

Реабилитационные роботы, разработанные для того, чтобы обеспечивать интеграцию сенсоров и двигателей, за счет обеспечения двунаправленной связи, включая мультирежимный ввод команд (миоэлектрика + инерциальная сенсорика) и мультирежимной обратной связи (электро-тактильной, вибро-тактильной и/или визуальной).

Протезы рук, запяться, кисти, которые автоматически адаптируются к пациенту, позволяя ему управлять по-отдельности любым пальцем, вращением большого пальца, кистевыми DOF-ами. Это должно сопровождаться применением множественных сенсоров и алгоритмов распознавания паттернов, чтобы обеспечить естественность управления (постоянное управление силой) за счет возможных DOFs. Области применения: восстановление функциональности руки для ампутантов.

Протезы и реабилитационные роботы, оснащенные системами полу-автоматического управления для улучшения качества функционирования и/или сокращения когнитивной нагрузки на пользователя. Системы должны позволять восприятие и интерпретацию окружения вплоть до определенного уровня, чтобы сделать возможным автономное принятие решений.

Протезы и реабилитационные роботы способные задействовать разнообразные онлайн-ресурсы (хранилища информации, процессинг) за счет использования облачных вычислений, чтобы внедрить усовершенствованную функциональность, которая находится существенно за пределами возможностей "бортовой" электроники и/или возможностей прямого управления со стороны пользователя.

Недорогие протезы и робототехнические решения, созданные с использованием аддитивных технологий или массовых производств (3D-печать и т.п)

Надомная терапия, снижающая интенсивность невропатической боли или фантомной боли верхних конечностей за счет усовершенствованной интерпретации сигналов, снимаемых с мышц, благодаря использованию роботизированных конечностей (с меньшей гибкостью, чем в предыдущих примерах) и/или "виртуальной реальности".

Биомиметрическое управление взаимодействием с роботом-хирургом.

Адекватные технологии механической актуации и сенсорики для разработки гибких миниатюрных роботов с силовой обратной связью, а также инструментов для усовершенствованной и расширенной хирургии с минимальной инвазивностью.

Системы подзарядки от окружающей среды для имплантируемых микро-роботов.

Для получения биомиметрического управления процессами реабилитации: интеграция волевых "импульсов" при движении субъекта, при поддержке FES для улучшенного повторного обучения моторике, при управлении роботом.

Разработка применимых в условиях больницы методов для восстановления двигательной активности, которая выходит за пределы парадигмы обычно используемых статичных механизмов с ручной настройкой.

На низком TRL

Автоматизированное когнитивное понимание необходимых задач в действующем окружении. Бесшовное физическое объединение человек-робот для условий "обычной" окружающей среды на базе дополнительного управляющего интерфейса. Полноценная, не требующая настроек адаптивность к пациенту. Надежность выявления намерений.

Когда человек теряет конечность, то самая главная его мечта - снова ощутить руку или ногу. И не просто ощутить, а выполнять конечностью все движения, доступные до травмы или болезни: взять чашку, зашнуровать ботинки, идти с опорой на обе ноги. Вернуть утраченные возможности позволяет бионический протез, или сложное устройство, улавливающее нервные импульсы.

Как появились «умные» протезы?

Прототип «живых» протезов придумали и описали фантасты. Это в их произведениях на смену утраченным в сражениях рукам, ногам, глазам и сердцам приходили механические помощники, работающие лучше живых органов. Самый известный пример - Терминатор Камерона, взявший от человека только внешний облик.

Мало кто знает, что прообраз современных протезов относится еще к 19-му веку, когда в деревянную ногу вставляли металлический шар, чтобы сделать нижнюю часть подвижной. Но в 20-м веке эти примитивные устройства заменил бионический протез, созданный на стыке нескольких наук: медицины, инженерии, бионики и электроники.

Ученые разных стран оспаривают первенство в этом вопросе, но факты таковы, что первый действующий бионический протез руки был представлен на ортопедической выставке в немецком городе Лейпциге в 2010 году. За несколько лет, прошедших с этого события, в мире было разработано огромное количество протезов стоп, ног и даже собачьих лап.

Что такое бионика?

Это целая наука, изучающая живую природу и возможность перенесения принципов работы живых существ в промышленные аналоги. Инженеры подсматривают идеи у природы и воплощают их в своих устройствах и сооружениях. В этом смысле бионические протезы - только капля в море. Так, известные всем застежки-липучки всего лишь копируют способ передвижения семян репейника. Присоски заимствованы у пиявок. При конструировании подводных лодок взяли за образец дождевого червя - у него все «отсеки» автономные. Невероятно выносливый металлический ажур Останкинской и Эйфелевой башен - это многократно увеличенная копия трубчатой кости человека. Переплетения металла, которые всех так восхищают - копия строения костной ткани, сочетающей прочность и гибкость.

Даже многоэтажный дом, в котором одновременно живут такие разные семьи, списан с пчелиных сот. Идея жизни разных людей в «ячейках» под одной крышей с общими коммуникациями копирует уклад жизни пчелиной семьи.

Бионические воплощения есть во многих предметах, окружающих нас: автомобильных шинах, самолетах, камерах наблюдения, водных судах и самых обычных

Как работает простейший бионический протез?

После травмы или в ходе болезни Оставшаяся культя состоит из множества тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов. Хирург во время операции выводит сохранившийся двигательный нерв на остающуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв может передавать двигательный сигнал. Этот сигнал воспринимает датчик, установленный на протезе. В процессе восприятия нервного импульса участвует сложная компьютерная программа.

Поэтому бионический протез может выполнять только те действия, которые в этой программе прописаны: взять ложку, вилку или шарик, нажать клавишу и тому подобное. По сравнению с отсутствием конечности возможность даже ограниченного числа движения - огромный прогресс. Однако даже самые лучшие и совершенные бионические протезы пока не могут выполнить всех тех мелких и точных движений, на которые способна живая конечность.

Как проходит от мозга к протезу?

Чтобы понять, как работают бионические протезы, нужно вспомнить нормальную физиологию человека.

Движения, которые мы совершаем многократно в течение дня, называются автоматическими. Подъем, поход в туалет, умывание, чистка зубов, одевание - все это никаких мыслей у нас не вызывает. Тело делает все что нужно как бы само собой. Но на самом деле начало любого движения - мысль. То есть вначале мы думаем: нужно почистить зубы, сварить кофе, одеться. Мозг посылает сигналы тем мышцам, которые в данном движении задействованы. Мышца может сокращаться или расслабляться только по сигналу мозга. Но процесс проходит настолько быстро и слаженно, что мы не успеваем осознать происходящее. В случае с протезом все сложнее: вначале сигнал о движении считывается электродом, расположенным рядом с выведенным на мышцу нервом, а затем отправляется на процессор внутри протеза. Этот процесс тоже достаточно быстрый, но скорость совершения действий все равно уступает живой конечности.

Искусственные человеческие «запчасти»

С тех пор как был представлен первый бионический протез, наука ушла далеко вперед. Если первые модели были громоздкими, требовали переключателей и могли выполнять только самые простые движения, то современные образцы трудно назвать протезами. Это элегантные инженерные изделия, словно сошедшие с экрана футуристических фильмов.

Протез абсолютно похож на здоровую руку, им можно писать, держать столовые приборы, руль автомобиля или куриное яйцо. Для совершенства движений иногда используются собственные ткани человека с других участков тела - с ног, например.

Идеи из будущего

Инженеры и ученые в своих фантазиях неудержимы. Так, ученые даже смогли «обойти» поврежденную сетчатку глаза, транслируя изображение окружающего прямиком на зрительный нерв. Человек, ослепший вследствие травмы, при сохранности зрительного нерва может рассчитывать на то, что снова увидит родные лица или прекрасный рассвет.

Уже появились устройства, улучшающие работу мозга. Так, с дрожательным параличом или болезнью Паркинсона можно справиться при помощи вживленного электрода.

Людям, ставшими неподвижными вследствие паралича, вживляют электроды прямо в мозг, чтобы они могли управлять искусственными руками и ногами. Для человека, полностью зависящего от окружающих, возможность самообслуживания - несказанная радость.

Обсуждается вопрос о вживляемых под кожу чипах, способных заменить ключи, банковскую карточку и одновременно.

А что у нас?

Наиболее известное предприятие, выпускающее бионические протезы в России, - это Московский протезно-реабилитационный центр. Здесь собирают протезы из модулей, используется продукция Германии, Исландии и России.

Протез каждого человека имеет индивидуальные особенности. Это и уровень ампутации, и вес, и рост, и род занятий, особенности походки и мелких движений, возраст. Используется много самообучающихся модулей. Приспосабливается не только человек к протезу, но и протез к человеку. Самообучающийся модуль, оснащенный встроенным искусственным интеллектом, запоминает особенности походки и маршрута движения. Модуль «учит» не только ширину шага и нагрузку на конечность, но и запоминает количество и высоту ступеней, выбоин и ямок на пути. Модули копируют действия мозга, подготавливающего шаг или другое движение.

Сколько стоит «живой» протез?

Стоимость бионического протезирования пока высока и может достигать в сложных случаях миллионов рублей. Однако возврат к полноценной жизни трудно оценить в материальном исчислении. По сути, установка бионических протезов - единственная возможность для инвалида вернуться к нормальной жизни: строить и осуществлять планы, содержать семью, добиваться карьерных вершин.

Самое главное - это вернуться в сообщество здоровых, надеющихся на себя людей. Люди с «живыми» протезами продолжают вести привычный образ жизни, танцуют и даже получают спортивные награды. То есть протез становится частью человека настолько, что трудно отличить действия живых мышц от их бионических аналогов.

Протезирование: этапы развития

По сравнению с обычным бионический протез кисти - настоящий прорыв. Совсем недавно человек, потерявший кисть, мог рассчитывать только на две возможности: между локтевой и лучевой костью формировался кожный лоскут, чтобы человек мог захватывать крупные предметы, или к культе присоединялся крюк. И то, и другое было неудобно и малоэстетично. Сегодня даже формирование культи под будущий протез начинается еще в операционной. С первых дней послеоперационного периода с пострадавшим работает протезист, помогая подобрать наилучшее сочетание деталей. Культю формируют и тренируют, а части будущего протеза максимально приспосабливают к оставшимся возможностям. С кожей соприкасается нежная манжета из силикона со встроенными чипами. Потертостей от современных протезов не бывает. Программа для каждого изделия разрабатывается индивидуально, в зависимости от того, чем человек занимается. Задача - максимальное восстановление функции.

Помощь инвалидам

Человек, утративший конечность, в обязательном порядке проходит медико-социальную экспертизу. Одновременно с установлением для каждого разрабатывается программа социальной реабилитации. Реабилитация предполагает использование в первую очередь технических средств, способствующих возвращению человека к труду. Все бионические протезы конечностей входят в обязательный перечень таких технических средств. У человека есть выбор: в рамках программы реабилитации получить готовое изделие или приобрести его самостоятельно с последующим получением денежной компенсации. Размер компенсации рассчитывается по средней стоимости аналогичных протезных изделий.

Над чем трудятся разработчики?

Современные бионические протезы рук отлично выполняют тонкие движения, но человек не получает от них тех ощущений, к которым привык. Так, протезом можно погладить человека по волосам, но нельзя ощутить тепло кожи головы и мягкость волос. Устранением именно этого недостатка занимаются сейчас ученые. Специалисты уже научились сращивать кости с титаном, а датчики движений и чувств соединять непосредственно с живым нервом. Так, бионическая рука полностью заменяет живую, и человек получает которых был лишен много лет. Непосредственное соединение нервов и мышц с техническим приспособлением намного увеличивает скорость движений, приближая ее к природной.

Из каких частей состоит бионическая нога?

Современный бионический протез ноги включает несколько обязательных элементов, таких как:

• силиконовая манжета со встроенными датчиками;
• опора - титановый стержень, формой напоминающий голень;
• шарнирный модуль с микродвижками и процессором;
• блок искусственного интеллекта, обрабатывающий все поступающие сигналы.

Последние модели протезов ведущих немецких компаний имеют особое покрытие, очень похожее на кожу. Синтетическая кожа имеет двойное назначение: защищает детали протеза от влаги и выполняет косметическую функцию. Протез с покрытием можно не снимать, принимать с ним душ и ходить по лужам.

Немного фантазии

Сегодня живут на одной с нами планете несколько человек, имеющих 2 и даже 3 бионических протеза одновременно. Изобретена синтетическая кожа, меняющая жесткость. Придуманы экзоскелеты, помогающие ходить парализованным людям. Разрабатываются изделия, управляемые силой мысли. Проводятся эксперименты по выращиванию нервов в микроканалах. Теоретически недалек тот день, когда можно будет вырастить нерв нужной длины. Ученые пытаются стереть грань между живой природой и техническим устройством. Количество движений, совершаемых бионическими протезами, постоянно увеличивается, возрастает и их сложность.

Все это дает большие надежды на то, что человек станет сильнее болезни.

Протезирование конечностей становится рутинной процедурой, возвращающей человека в привычное русло. Возможно, наступит тот день, когда любую часть человеческого тела можно будет заменить искусственной. По крайней мере, очень хочется в это верить.

Протезы - искусственные конечности, призванные заменить или дополнить потерявшие возможность двигаться и функционировать природные части тела человека. Протезом может быть аналог кисти или ноги, части черепа или позвоночника и прочего. Задача научно-технических предприятий - создать протез, максимально приближенный к идеалу и заменяющий некогда рабочую или отсутствующую конечность человека на сто процентов (и даже больше). Основная проблема при создании протезов заключается в тактильной отдаче и управлении им с помощью силы мысли так же, как человек некогда управлял своей собственной конечностью. Возможно, однажды протезами, неотличимыми и превосходящими оригинал во много раз, можно будет заменить любую утраченную часть тела.

Современные протезы рук могут управляться специальными электродами, которые помещаются на кожу и считывают биоэлектрические сигналы мышц. Однако у данного метода имеются ограничения, позволяющие совершать лишь самые простые движения искусственной конечностью, например, сжимать и разжимать руку и ладонь. При этом человек, конечно же, совершенно не способен что-либо чувствовать искусственной рукой. Новая разработка европейских ученых решает эти недостатки.

Британский производитель протезов компания Open Bionics объединит свои усилия с американской компанией , чтобы разработать для детей-инвалидов серию уникальных протезов, стилизованных под популярные фильмы и мультфильмы. Подобная инициатива стала возможна во многом благодаря мероприятию