Нейромеханика ортезов

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?

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.

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].

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]

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].

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].

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

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].

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 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].

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