АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Нейромеханика ортезов

Нейромеха́ника орте́зов — область, изучающая взаимодействие человеческого организма с ортезами. Миллионы людей в США страдают последствиями инсульта, рассеянного склероза, полиомиелита, травмами спинного мозга и другими заболеваниями, при которых применяется ортезирование[1]. В то время как технологии создания активных ортезов и силовых экзоскелетов стремительно развиваются, мало исследований посвящено взаимодействию человека с такими человеко-машинными интерфейсами.

Активные ортезы

Активные, или силовые, ортезы отличаются от экзоскелетов тем, что ортезы обычно предназначены для помощи людям с нарушениями движений, чтобы поддерживать походку. Экзоскелеты чаще предназначены для усиления способностей здорового человека. Тем не менее, термины «активный ортез» и «экзоскелет» часто используются как синонимы.

Эти устройства могут быть созданы как для помощи движениям пользователя, так и для их ограничения. Поддержка движений полезна при реабилитации[2][3], для увеличения физической силы солдат и медиков[1][4], а также для предотвращения травм у рабочих с повторяющейся нагрузкой на опорно-двигательный аппарат. Кроме того, такие технологии позволяют ходить людям, которые обычно не имеют такой возможности[5].

Существуют также активные ортезы, предназначенные для сопротивления или изменения движений[6]. Их применяют для изучения адаптации человеческого тела к ограничениям или дополнительным усилиям. Например, если движение одной мышцы затруднено, может ли организм задействовать другие мышцы?

Энергоснабжение пользователя

Хотя большинство исследований экзоскелетов посвящено вопросам питания самого устройства, не менее важно обеспечить необходимую энергию и человеческому организму. При проектировании экзоскелета важно знать требования к мощности для каждого сустава[1]. Посредством анализа походки определяется распределение мощности на тазобедренном, коленном и голеностопном суставах; эти параметры сильно зависят от скорости движения, рельефа и других факторов[1].

Одной из сложностей является определение точной мощности, необходимой конкретному пользователю, а также момент её подачи.[1] Недостаток или избыток энергии снижает эффективность устройства, поэтому необходимо индивидуально настраивать каждый ортез.

Метаболическая стоимость

Главным критерием, показывающим помогает ли ортез или мешает, является метаболическая стоимость задачи[1] — то есть количество потреблённого кислорода и выделенного углекислого газа при совершении действия.[7][8] Проверка проводится сравнением метаболических затрат при выполнении задачи с ортезом и без него[1].

По состоянию на 2008 год только один экзоскелет (но не активный ортез) позволял реально снизить метаболическую стоимость ходьбы с грузом.[1][9] Проведённые исследования показали, что некоторые устройства могут даже увеличивать затраты энергии (например, на 40 % согласно испытаниям, проведённым Natick Soldier Center армии США)[10].

В 2012 году S. Galle и соавторы изучали ортез для стопы и голеностопа с электроприводом, помогающий отталкиваться при ходьбе. После адаптации (20 минут) метаболическая стоимость ходьбы снизилась на 9 %[11].

Управление

В работе D.P. Ferris «A Physiologist’s Perspective on Robotic Exoskeletons for Human Locomotion» подробно рассматривается влияние различных типов управляющих систем[9].

Существуют различные методы управления активными ортезами для нижних конечностей и экзоскелетами:

  • Использование информации от сенсоров экзоскелета с минимальным включением пользователя (пользователь лишь задаёт направление движения)[12]
  • Сенсоры в стопе определяют намерения пользователя[13]
  • Свободное движение бёдер пользователя и полный мост из тензодатчиков на голени, а также потенциометр в коленном суставе[14]
  • Датчики реакции опоры на обуви, накожные электромиографические (ЭМГ) электроды между тазобедренным и коленным суставом (спереди и сзади ноги), потенциометры на суставах, гироскоп и акселерометр на спинном рюкзаке для определения положения корпуса[13]
  • Эластичная лента с датчиками силы (FSR), прилегающими к коже над мышцей; по данным уровня мышечной активности и углам в суставах определяют необходимый крутящий момент[4]
  • Одновременное использование датчиков реакции опоры и датчиков давления (наступая вперёд/назад, пользователь манипулирует ими стопами)[15]
  • Управление с помощью кнопки для двустороннего голеностопного ортеза у частично парализованных. Пользователь вручную активирует устройство; такой способ некоторым показался слишком требующим концентрации[3].
  • EMG-управление: по силе сокращения мышцы определяется мощность «искусственной мышцы»[3]
  • Устройства с включением искусственной мышцы при касании носком земли (foot switch)[3]

Использование в исследованиях

Некоторые активные ортезы создаются исключительно для научных исследований. По словам нейрофизиолога Кита Гордона: «адаптация локомоции у человека слабо изучена. Чтобы понять перестройку нервной системы после нарушения моторных связей, мы связали работу экзоскелета с ЭМГ-профилем икроножной мышцы при ходьбе»[6]. D.P. Ferris отмечает: «многие ключевые вопросы физиологии локомоции либо мало изучены, либо остаются предметом острых дискуссий»[9]. Его команда создавала ортезы для использования на беговой дорожке. Если участник исследований напрягал камбаловидную мышцу для плантарного сгибания, устройство ограничивало движение, вынуждая стопу к тыльному сгибанию[6]. После одного часа ходьбы уменьшалась активность камбаловидной и икроножной мышц, но полной адаптации к требованиям устройства не наблюдалось[6].

В другом исследовании команда Гордона показала, что когда устройство «помогает» мышцам, человек адаптируется легче. Например, при помощи активного ортеза, усиливающего плантарное сгибание, человек был вынужден резко снизить активность камбаловидной мышцы; на такую адаптацию требовалось менее 30 минут.[16] Похожие результаты получила группа С. Галле[11].

Грегори Савики, Кит Гордон и Даниэль Феррис провели исследование активного ортеза для нижних конечностей для понимания его роли в моторной реабилитации. Испытывались различные системы управления (например, некоторые пользователи отмечали, что кнопочное управление требует слишком высокой концентрации внимания, тогда как другим нравилось самостоятельное включение устройства). Было сделано заключение, что для реабилитационных целей ортез голеностопа требует дальнейших доработок, но может быть полезным для изучения связи между механикой походки и метаболическими затратами[3].

Важные аспекты

Хью Герр отмечает, что производительность ортеза должна определяться по метаболической стоимости передвижения, скорости, плавности и воспроизводимости движений, усталости мышц и устойчивости, а также по снижению нагрузки на опорно-двигательный аппарат.[1]

Основные сложности — источник энергии, мобильность, вес. Современные батареи слишком тяжелы, чтобы использовать их в автономных устройствах, поэтому большинство активных ортезов привязывают к внешнему источнику (это приемлемо для исследований и стационарной реабилитации, где всегда есть компьютер и питание).[1]

Сложности вызывает и непосредственный интерфейс «ортез—человек»: требуется точное сопоставление осей суставов, комфорт, безопасность, точное определение влияния на биомеханику движения.[1][17]

Пользователям активных ортезов часто необходимы индивидуальные настройки ввиду разной патологии (слабость, спастичность мышц, повреждения мозга, сенсорные нарушения, последствия травм); каждому пациенту требуется специфическая коррекция походки и индивидуальные схемы активации устройства[18].

Примеры

  • LOPES
  • Lokomat
  • AutoAmbulator
  • The Mechanized Gait Trainer
  • Hardiman (General Electric, 1971)[19]
  • Берлинский экзоскелет для нижних конечностей
  • Ekso Bionics

Колено

Тысячи людей страдают травмами колена. Поскольку именно колено принимает на себя нагрузку при опоре, всё больше активных ортезов направлено на снятие этого давления[18].

После нейрологических нарушений пациенты обычно проходят сложную тренировку походки с участием нескольких физиотерапевтов. Для облегчения работы специалистов разработаны такие устройства, как Lokomat, AutoAmbulator, Mechanized Gait Trainer — они используются на беговых дорожках. Переносные устройства позволили бы тренировать ходьбу вне клиники, но это усложняет их управление (необходимо учитывать старт/остановку шага, повороты, подъёмы/спуски, равновесие)[18].

Стопа

Проводилось исследование, целью которого было определить, как толщина подошвы ботинка влияет на движения солдата. Было установлено, что подошва толщиной 2,5 см затрудняет некоторые положения на корточках и менее удобна по сравнению с тонкой, но в экзоскелетной обуви допустима. Исследование определяло объём возможных сенсоров в конструкции ботинка экзоскелета[20].

Пассивные ортезы

Пассивные ортезы не нуждаются во внешнем источнике энергии и обычно имеют минимум подвижных частей. Однако многие такие устройства всё же используют пружины и другие простые механизмы для поддержки движений[1][21].

Примеры

  • Стелька
  • Kickstart (ортез)
  • eExo (Мичиганский университет)[21]

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Dollar, Aaron M.; Herr, Hugh. «Lower extremity exoskeletons and active orthoses: challenges and state-of-the-art.» Robotics, IEEE Transactions on, том 24, № 1, 2008, с. 144—158.
  2. ↑ Ferris, DP; Sawicki, GS; Domingo, A (2005). “Powered lower limb orthoses for gait rehabilitation”. Top Spinal Cord Inj Rehabil [англ.]. 11 (2): 34—49. DOI:10.1310/6gl4-um7x-519h-9jyd. PMC 1414628. PMID 16568153. |access-date= требует |url= (справка)
  3. ↑ 1 2 3 4 5 Sawicki, Gregory S.; Gordon, Keith E.; Ferris, Daniel P. «Powered lower limb orthoses: applications in motor adaptation and rehabilitation.» Rehabilitation Robotics, 2005. ICORR 2005. 9th International Conference on. IEEE, 2005. Powered lower limb orthoses: applications in motor adaptation and rehabilitation (англ.). University of Michigan (2005). Дата обращения: 1 июня 2024.
  4. ↑ 1 2 Ishii, Mineo; Yamamoto, Keijiro; Hyodo, Kazuhito (2005). “Stand-alone wearable power assist suit-Development and availability”. Journal of Robotics and Mechatronics [англ.]. 17 (5): 575—583. DOI:10.20965/jrm.2005.p0575. Дата обращения 2024-06-01.
  5. ↑ Kao, PC; Lewis, CL; Ferris, DP (2010). “Invariant ankle moment patterns when walking with and without a robotic ankle exoskeleton”. J Biomech [англ.]. 43 (2): 203—9. DOI:10.1016/j.jbiomech.2009.09.030. PMC 2813403. PMID 19878952. |access-date= требует |url= (справка)
  6. ↑ 1 2 3 4 Gordon, Keith E.; Kinnaird, Catherine R.; Ferris, Daniel P. (2013). “Locomotor Adaptation to a Soleus EMG Controlled Antagonist Exoskeleton”. Journal of Neurophysiology [англ.]. 109 (7): 1804—14. DOI:10.1152/jn.01128.2011. PMC 3628010. PMID 23307949. |access-date= требует |url= (справка)
  7. ↑ Brockway, J. M. «Derivation of formulae used to calculate energy expenditure in man.» Hum Nutr Clin Nutr, том 41, № 6, 1987, с. 463—471.
  8. ↑ Donelan, J. Maxwell; Kram, Rodger; Kuo, Arthur D. «Mechanical work for step-to-step transitions is a major determinant of the metabolic cost of human walking.» Journal of Experimental Biology, том 205, № 23, 2002, с. 3717-3727.
  9. ↑ 1 2 3 Ferris, DP; Sawicki, GS; Daley, MA (2007). “A Physiologist's Perspective on Robotic Exoskeletons for Human Locomotion”. International Journal of Humanoid Robotics [англ.]. 4 (3): 507—528. DOI:10.1142/S0219843607001138. PMC 2185037. PMID 18185840. |access-date= требует |url= (справка)
  10. ↑ Gregorczyk, Karen N. и др. The effects of a lower body exoskeleton load carriage assistive device on oxygen consumption and kinematics during walking with loads. ARMY NATICK SOLDIER CENTER MA, 2006.
  11. ↑ 1 2 Galle, S. и др. «Adaptation to walking with an exoskeleton that assists ankle extension.» Gait & Posture, 2013.
  12. ↑ Zoss, Adam B.; Kazerooni, H.; Chu, Andrew. «Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX).» Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, том 11, № 2, 2006, с. 128—138. Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX) (англ.). BLEEX (2005). Дата обращения: 1 июня 2024.
  13. ↑ 1 2 Guizzo, Erico; Goldstein, Harry. «The rise of the body bots.» IEEE SPECTRUM, том 42, № 10, 2005, с. 42. IEEE Spectrum: The Rise of the Body Bots (англ.). IEEE Spectrum. Дата обращения: 1 июня 2024. Архивировано 4 мая 2009 года.
  14. ↑ Walsh, Conor James и др. «Development of a lightweight, underactuated exoskeleton for load-carrying augmentation.» Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006. Proceedings 2006 IEEE International Conference on. IEEE, 2006. Development of a lightweight, underactuated exoskeleton for load-carrying augmentation (англ.). MIT (2006). Дата обращения: 1 июня 2024.
  15. ↑ Krupp, Benjamin T.; Morse, Christopher J. «The RoboKnee: An Exoskeleton for Enhancing Strength and Endurance During Walking.» The RoboKnee: An Exoskeleton for Enhancing Strength and Endurance During Walking (англ.). University of Michigan (2004). Дата обращения: 1 июня 2024.
  16. ↑ Gordon, Keith E.; Ferris, Daniel P. (2007). “Learning to walk with a robotic ankle exoskeleton”. Journal of Biomechanics [англ.]. 40 (12): 2636—2644. DOI:10.1016/j.jbiomech.2006.12.006. PMID 17275829. Дата обращения 2024-06-01. |access-date= требует |url= (справка)
  17. ↑ Crowell III, Harrison P.; Boynton, Angela C.; Mungiole, Michael. Exoskeleton power and torque requirements based on human biomechanics. No. ARL-TR-2764. ARMY RESEARCH LAB ABERDEEN PROVING GROUND MD, 2002. Exoskeleton power and torque requirements based on human biomechanics (англ.). DTIC (2002). Дата обращения: 1 июня 2024.
  18. ↑ 1 2 3 Shamaei, Kamran; Dollar, Aaron M. «On the mechanics of the knee during the stance phase of the gait.» Rehabilitation Robotics (ICORR), 2011 IEEE International Conference on. IEEE, 2011.
  19. ↑ Fick, B. R.; Makinson, J. B. «Hardiman I prototype for machine augmentation of human strength and endurance: Final report.» General Electric Company, Schenectady, NY, GE Tech. Rep. S-71-1056 (1971).
  20. ↑ Boynton, Angela C.; Crowell III, Harrison P. A human factors evaluation of exoskeleton boot interface sole thickness. No. ARL-TR-3812. ARMY RESEARCH LAB ABERDEEN PROVING GROUND MD HUMAN RESEARCH AND ENGINEERING DIRECTORATE, 2006. A human factors evaluation of exoskeleton boot interface sole thickness (англ.). DTIC (2006). Дата обращения: 1 июня 2024.
  21. ↑ 1 2 Cherry, Michael S.; Kota, Sridhar; Ferris, Daniel P. «An elastic exoskeleton for assisting human running.» Proc. of IDETC/CIE 2009, ASME 2009 Int. Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conf., 2009. An elastic exoskeleton for assisting human running (англ.). ASME (2009). Дата обращения: 1 июня 2024.

Литература

Ссылки

Категории