Экзоскелет для голеностопа помог восстановиться после инсульта

Разработанный для самостоятельного использования в общественных местах, новый экзоскелет помог перенёсшим инсульт улучшить походку и стать увереннее в себе.

Более 80% перенёсших инсульт испытывают проблемы с походкой, часто связанные с потерей контроля над голеностопным суставом. Уже в хронической стадии недуга большинство из них продолжают ходить медленнее и с затруднениями.

Гибкий и простой в использовании экзоскелет для голеностопного сустава способен изменить ситуацию: облегчить подвижность, повысить уверенность в себе и способность передвигаться. Работу команды под руководством Конора Уолша из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) опубликовали в журнале Annals of the New York Academy of Sciences («Хроника Нью-Йоркской академии наук»).

Исследования доказали, что участники испытаний после инсульта смогли улучшить скорость и дальность ходьбы, двигательные способности и симметрию походки с помощью вспомогательного роботизированного экзоскелета.

Более десяти лет лаборатория биодизайна Уолша в Гарварде разрабатывает вспомогательные и реабилитационные технологии экзоскелета для различных целей. Некоторые из этих технологий уже лицензированы и вышли на рынок.

Чтобы разработать экзоскелет для голеностопного сустава для использования в общественных местах, группе Уолша пришлось упростить и механические компоненты экзоскелета, и способ управлять им для пользователей.


— Ричард Наколс, бывший научный сотрудник лаборатории Уолша в SEAS и соавтор статьи.

Вместо активного привода для сгибания спины в новый экзоскелет включили пассивный материал, который действует подобно пружине, помогая пальцам оставаться поднятыми во время отрыва стопы и предотвращая шарканье по земле. Замена активного привода на пассивный элемент сделала экзоскелет даже безопаснее: в случае неожиданного отключения питания или сбоя контроллера снизился риск споткнуться и упасть, объяснил Наколс.

Чих-Кан Чанг, кандидат наук в лаборатории Уолша и соавтор статьи, добавил, что они также разработали мобильное приложение, чтобы пациентам было проще взаимодействовать с устройством и держать связь с разработчиками. Приложение позволяет инвалидам самостоятельно включать устройство и сообщать экзоскелету, когда они приступают к ходьбе.

Кроме того, изобретатели внедрили датчики, чтобы дистанционно отслеживать прогресс пользователя с течением времени. Показания датчиков на ступне, голени и в области таза преобразуются с помощью алгоритма машинного обучения в оценки движения. И тем самым помогают учёным понять, насколько хорошо больные оттачивают правильную механику движений и насколько эффективно ходят. В дальнейшем собранная информация служит для долгосрочной реабилитации в партнёрстве с физиотерапевтом.

Первичные наблюдения проводили в лабораториях или клинике. Чтобы протестировать экзоскелет «в полях», команда Уолша привлекла коллег из Бостонского университета. Учёные набрали четырёх участников, чтобы те носили устройство в обычных для себя условиях в течение четырёх недель, самостоятельно передвигаясь пешком три-пять раз в неделю. Все испытуемые благополучно завершили исследование. Участники с более низкой мобильностью увидели наибольший терапевтический эффект. Двое улучшили свою двигательную способность в среднем на 27%. Кроме того, после исследования они прошли за неделю в среднем на 4000 шагов больше, чем за неделю до начала экспериментов.

У 51-летнего участника исследования Брайанта Батлера случился инсульт, когда ему было 33 года. В результате у него снизилась чувствительность всей левой стороны тела, и ходьба превратилась в настоящее испытание. Он стал хуже чувствовать пальцы ноги, а саму ногу стало трудно сгибать. Брайант часто шаркал носком обуви и иногда спотыкался.

Во время исследования Батлер носил экзоскелет в торговом центре в Бостоне, прогуливаясь по 20–30 минут несколько дней в неделю. Батлер заметил, что вскоре стал ощущать устройство уже как часть одежды, за исключением проводов и батарейного блока. И затем признал, что ходьба в экзоскелете принесла ему освобождение: больше не приходилось тратить столь много умственных усилий на простое для здоровых людей, обычное перемещение.

Экзоскелет шаг за шагом исправлял походку пациента. Брайант Батлер стал ощущать мышцы слабой ноги, её колено и пальцы даже когда продолжил ходьбу уже без электронного устройства, а его походка улучшилась. То есть новинка робототехники научила его, как лучше компенсировать недостатки левой ноги после инсульта.