Робопротезы нового поколения: решение проблем с бедром и спиной

Исследователи разработали инновационный алгоритм, который впервые объединяет оптимизацию движения роботизированного протеза с естественным паттерном ходьбы пользователя. Этот новый подход призван помочь восстановить и сохранить различные аспекты движений, решая связанные с ампутацией проблемы со здоровьем.

Существующие алгоритмы для роботизированных протезов фокусировались исключительно на улучшении работы самого устройства. Однако данная разработка является первым алгоритмом, который комплексно улучшает и физическое поведение человека, взаимодействующего с протезом.

При ампутации выше колена нарушается привычный способ движения других частей тела, что может приводить к болям в пояснице, проблемам с бедром и другим последствииям. Ранее роботизированные протезы были нацелены лишь на замену движений утраченного сустава, например, программное обеспечение для роботизированных коленных протезов оптимизировало только движение самого коленного сустава.

Цель новой разработки:

• Обеспечить правильное функционирование протезированного коленного сустава.
• Добиться того, чтобы тело пользователя двигалось так же, как до ампутации.

Это не только восстановит полный диапазон движений ноги, но и поможет избежать болей в пояснице и проблем с бедром.

Новое исследование основано на предыдущих работах, где была создана интеллектуальная система для «настройки» активных коленных протезов. Эта система позволяла пациентам комфортно ходить с протезом за считанные минуты, в отличие от часов, необходимых для настройки опытным клиницистом. Система была первой, которая использовала исключительно обучение с подкреплением для настройки роботизированного протеза.

Предыдущая работа достигла оптимального управления протезом с помощью алгоритма обучения с подкреплением, но фокусировалась только на поведении протеза. В новой работе система дополнена новым алгоритмом, использующим обратное обучение с подкреплением для учета движений как протеза, так и человека, который его использует.

Тестирование с датчиками и участниками исследования:

Роботизированное коленное протез оснащено датчиками для отслеживания его движения. В ходе экспериментального тестирования исследователи также сосредоточились на движении бедра пользователя, которое отслеживалось с помощью датчиков, подключенных к протезу.

Новый алгоритм учитывает движения обоих суставов — протезированного колена и бедра пользователя — и корректирует поведение коленного протеза, чтобы помочь пользователю выполнять естественные движения бедра.

Хотя в данном исследовании основное внимание уделялось движению бедра, алгоритм может быть использован для улучшения движений корпуса, симметричной ходьбы или других аспектов человеческой активности.

Для тестирования нового алгоритма были привлечены пять участников: двое с ампутацией выше колена и трое без ампутаций. Все участники выполнили серию задач с использованием роботизированного коленного протеза в двух режимах. Первый режим использовал ранее разработанное программное обеспечение для управления коленом. Второй режим использовал новое сочетание алгоритмов.

Результаты и дальнейшие направления:

Основной вывод заключается в том, что новый алгоритм улучшил диапазон движений бедра у всех пяти испытуемых, что демонстрирует его положительное влияние на здоровье тазобедренного сустава.

Также было обнаружено, что новый алгоритм изменил походку участников таким образом, что движение стало более естественным. Например, они делали более длинные шаги при ходьбе.

С практической точки зрения, следующие шаги включают работу с клиницистами для оценки влияния этого алгоритма на самочувствие пользователей в долгосрочной перспективе. Исследователи также заинтересованы в сотрудничестве с компаниями-производителями роботизированных протезов для изучения возможностей интеграции этого подхода в их программное обеспечение.

С исследовательской точки зрения, ведется работа над определением того, как этот подход может быть использован для решения широкого спектра проблем, связанных с двигательными функциями человека.