Экзоскелеты в здравоохранении: настоящее и будущее

Не так давно авторы научно-фантастических книг и фильмов фантазировали о том, как дать людям больше силы, защиты и выносливости с помощью металлических мышц и костей, и вот, наконец, такие устройства появились в виде экзоскелетов.

Это, как правило, роботизированные системы, которые прикрепляются к суставам для усиления силы мышц, когда это необходимо. Мобильные каркасы содержат компьютер в рюкзаке, который может управлять роботизированными компонентами в течение нескольких часов. Их цель - обеспечить поддержку спины, плеч, талии и бедер, чувствовать движение пользователя, а также помочь при подъеме и удержании тяжелых предметов при одновременном снижении нагрузки на спину. Первые прототипы не могли имитировать ходьбу, но они определенно становятся лучше, элементы становятся тоньше, их источник энергии становится сильнее, и, как показали последние новости, они уже могут управляться с помощью мыслей.

Хотя кажется, что их легко изготовить, инженеры-механики сталкиваются с серьезными проблемами. Как обеспечить достаточную мощность для системы? Как создать гибкие в работе суставы? Как обнаружить и контролировать ложные движения? Как уменьшить вес компонентов таким образом, чтобы экзоскелет можно было носить в течение длительного времени? Как их настраивать под конкретного пользователя? На данный момент это требует серьезных усилий со стороны пользователя - обычным пациентам необходимо от 20 до 70 сеансов, чтобы научиться использовать существующие носимые роботизированные экзоскелеты.

Тем не менее, у этих мобильных систем есть потенциал в том, чтобы вернуть парализованным чувство движения, помочь врачам во время долгих часов хирургического вмешательства или даже удержать пенсионеров дольше на рабочих местах, требующих тяжелого физического труда.

Помощь парализованным людям

Компания Ekso Bionics, пионер в области робототехнических экзоскелетов, совместно Калифорнийским университетом в Беркли разработала экзоскелет, возвращающей движение людям с ослабленными конечностями и пациентам с параличом нижней части тела.

Это легкий по весу и простой в обращении экзоскелет на подвижной алюминиевой раме, который объединен с неинвазивной системой стимуляции спинного мозга. Пользователь надежно закрепляет его застежками на лодыжках, голенях, бедрах, на тазе и на груди и может снова ходить, используя собственные ноги и одновременно пользуясь поддержкой экзоскелета.

Сегодня эти роботизированные устройства используются лицами с различной степенью паралича, вызванного разными причинами, а также рабочими в различных отраслях промышленности в целях повышения силы и выносливости.

Первая версия устройства EksoGT получила одобрение FDA еще в 2015 году.

Последняя версия экзоскелета EksoNR воссоздает естественное движение ног и помогает пациентам заново научиться ходить, сидеть и делать все то, что они делали раньше. Новая модель отличается оптимизированной походкой, которая более естественна и лучше подходит для каждого пациента, она оснащена новым контроллером EksoView с сенсорным интерфейсом для врачей, а также множеством аналитических инструментов для мониторинга эффективности и настройки терапии в режиме реального времени.

Похожий по своим размерам на крупный смартфон, EksoView обеспечивает визуализацию различных упражнений, помимо тренировки походки, таких как балансировка, приседание с сидячего положения, подъем одной ноги или стояние на месте, для активного вовлечения пациентов и расширения использования этих полезных функций.

Оптимизированное программное обеспечение обеспечивает симметрию походки и обратную связь по позе и позволяет терапевтам отслеживать прогресс пациента с помощью облачного аналитического решения.

Еще одна замечательная компания - израильская компания ReWalk Robotics. Ее основателем стал доктор Амит Гоффер, который начал свои разработки в 2001 году после несчастного случая, изменившего его жизнь и сделавшего его парализованным. Он стал автором изобретения и инициатором разработки экзоскелета ReWalk Robotics, позволяющего снова ходить людям с параличом нижних конечностей. Несмотря на то, что в настоящее время эта технология не позволяет ему самому ходить из-за тяжести полученных им травм, его упорство в разработке легкого экзоскелета, чтобы другие могли ходить, проложило путь к созданию систем ReWalk Rehabilitation and Personal, которые используют сегодня более чем 1000 человек по всему миру. Система разрешена к использованию регулирующими органами в нескольких странах, включая США.

Эта система состоит из мягкой оболочки типа манжеты, которая накладывается на ногу, пострадавшую от инсульта, контрольного блока, похожего на небольшой рюкзак, и соответствующего приложения, которое позволяет специалистам по реабилитации корректировать его настройки.

Когда пациент делает шаги по полу пораженной ногой, ReStore Exo-Suit тянет эту ногу, чтобы обеспечить правильность выполнения шага. Система контролирует как силу, так и равномерность шага, что помогает пациенту заново научиться правильно ходить. Интересно, что в отличие от жестких экзоскелетов, устройство не мешает естественному движению человека и не дает пациенту почувствовать, что он находится внутри робота.

ReStore Exo-Suit предназначен для использования в реабилитационных центрах, поэтому пациенты не смогут тренироваться самостоятельно.

Роботизированную систему разработала и российская компания «ЭкзоАтлет». Она предназначена для больных с нижней параплегией, весит около 20 кг и стоит существенно меньше иностранных аналогов. Этот экзоскелет позволяет людям с нарушением двигательных функций ног передвигаться: ходить, подниматься и спускаться по лестницам, садиться и вставать без посторонней помощи. Алгоритмы управления экзоскелетом в автоматическом режиме воспроизводят максимально естественный для пациента паттерн ходьбы, что существенно ускоряет восстановление двигательной и нервной активности. Сейчас дорабатывается и версия роботизированного устройства для пациентов после инсульта.

Система управления экзоскелета для реабилитации пациентов с травмой позвоночника повторяет структуру ходьбы здорового человека. Ходьба инициируется с пульта управления или «умного костыля». На ранних этапах реабилитации система управления позволяет использовать для инициации движения шаг здоровой ноги, а на более поздних стадиях дает возможность ходить самостоятельно, контролируя правильность паттернов.

Новинки технологий для пациентов и… не только для них

За последние годы увеличилось количество компаний, занимающихся созданием экзоскелетов, которые могут помочь парализованным. В 2018 году японская компания Cyberdyne получила разрешение от Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для своего экзоскелета нижней части тела Hybrid Assisted Limb или HAL, которое теперь используется не только в США, но и в других странах.

Итальянские инженеры из Perceptual Robotics Laboratory разработали роботизированный экзоскелет Body Extender, который может помочь перемещать тяжелые предметы, поднимая около 50 килограммов в каждой из своих рук. В Европе сразу несколько компаний, например, швейцарские Hocoma и Reha Technology, также работают над созданием роботизированных систем, помогающих больным людям.

Французский стартап Wandercraft разработал экзоскелет, использующий алгоритмы, способные анимировать 12 степеней свободы, необходимые для динамической и самосбалансированной ходьбы, а испанская компания Marsi Bionics работает над созданием носимого устройства, специально предназначенной для детей с заболеваниями нервно-мышечной системы.

Это только начало. По оценкам исследователей, мировой рынок таких устройств уже сегодня составляет более $125.6 млн и приносит более $100 млн в год, но к 2025 году его размер, как ожидается, достигнет почти $1.9 млрд.

Подобные автоматизированные системы могут помогать не только пациентам, перенесшим инсульт или травму спинного мозга, но и оказать большую поддержку медицинскому персоналу. Представьте себе, что спасатели убирают огромные камни, накрывшие людей под обрушившимися зданиями, медсестер, которым стало проще переносить тяжелых пациентов, или врачей, которым помогают экзоскелеты, выдерживающие долгие часы операций.

В марте 2019 года врачи одной из российских больниц заявили, что провели первую в Европе операцию с помощью экзоскелетов. Разработанный при участии "Лаборатории робототехники" Сбербанка промышленный экзоскелет ExoChair, оказывал поддержку хирургам во время операций длительностью более 12 часов.

В ходе тестирования ExoChair поддерживал как основного, так и ассистирующего хирургов во время операций разной степени сложности, в том числе эндоскопической и лапароскопической.

ExoChair — пассивный промышленный экзоскелет, предназначенный для разгрузки мышц спины и ног при выполнении работы в положении стоя, разрабатываемый ООО «Полезные роботы» при поддержке Лаборатории робототехники Сбербанка.

Подобные роботизированные устройства могут принести пользу не только врачам, но и медсестрам. Например, японские специалисты из Технологического института Канагавы разработали и создали прототип "силового костюма" с металлическим каркасом, который пристегивается к конечностям пользователя, чтобы буквально снять бремя с плеч (и спины) медсестер. Основная роль Power Assist Suit - помогать медсестрам и физиотерапевтам поднимать пациентов на кровати и с кроватей. При тестировании медсестра весом 64 килограмма смогла взять на руки и перенести пациента весом 70 килограммов.

Проведенное в 2019 исследование показало, что медсестры относятся к подобным устройствам в целом позитивно, но их чувства после эксперимента по отношению к экзоскелетам были неоднозначными. Они считали, что конструкции все еще нуждаются в доработке: они должны быть максимально простыми при использовании и легкими, а не обязательно стопроцентно надежными. Кроме того, привыкать к экзоскелетам необходимо еще во время обучения, поскольку студенты-медсестры могут легче адаптироваться к ним, чем те, кто уже привык применять свои собственные методы работы с пациентами.

В настоящее время экзоскелеты стоят очень дорого и практически недоступны для рядовых пациентов, даже имеющих хороший страховой полис. Но, учитывая их потенциал и предполагаемое экспоненциальное падение цен в ближайшие годы, экзоскелеты в скором времени станут действительно распространенными.

Подумайте, как экзоскелеты могут помочь нашему стареющему обществу. Они могли бы помочь пенсионерам дольше оставаться на работе, поскольку физические силы и выносливость больше не будут ограничивать их работу. И представьте себе все возможности "умных" экзоскелетов, которые могут предвидеть действия пользователей и реагировать на них, или роботизированные системы, управление которыми будет осуществляться напрямую с помощью мыслей. А ведь такие технологии уже на подходе.