Скелеты в шкафу: как развивается рынок медицинских экзоскелетов

Количество случаев травм спинного мозга и инсультов растет во всем мире. Это формирует повышенный спрос на медицинские экзоскелеты (МЭ). Количество стартапов, которые специализируются на их создании, стремительно увеличивается. Сегодня расскажем о некоторых, наиболее интересных из них.

Рынок медицинских экзоскелетов

Экзоскелеты (в переводе с латинского «внешний скелет») — носимые устройства, которые используются для улучшения, усиления или восстановления работоспособности человека и разрабатываются для применения в медицинской, военной, гражданской и промышленной областях.

По данным ReportLinker, объем мирового рынка экзоскелетов достигнет 2,2 млрд долларов по итогам текущего года, а к 2026 году, согласно прогнозу, он превысит 5 млрд долларов. Сегмент МЭ будет расти со среднегодовым темпом 20,8% и через пять лет достигнет 1,2 млрд долларов. 

Лидером рынка роботов-экзоскелетов выступает США. Их доля составляет 43,07%. На втором месте — Китай. Далее идут Япония и Канада, Германия. Улучшение инфраструктуры здравоохранения, большой пул пациентов и государственное финансирование медицинских устройств являются основными факторами, способствующими росту рынка в Азиатско-Тихоокеанском регионе, указывают аналитики. 

Основными игроками рынка МЭ являются Ottobock (Германия), DIH Medical (Китай), CYBERDYNE (Япония), Ekso Bionics (США), Lockheed Martin Corporation (США), ATOUN (Япония), BIONIC (Канада), B-Tamia (Канада), MediTouch (Израиль), ReWalk Robotics (США).

Также рынок делится на сегменты в зависимости от того, для какой части тела рассчитан экзоскелет: нижнюю, верхнюю или для всего туловища.

Кто развивает бионическую инженерию

В лаборатории бионической инженерии в Университете штата Юта (США) создали экзоскелет, который призван помочь людям, перенесшим ампутации ноги. Он снижает нагрузку почти на 16%, что сравнимо с снятием рюкзака весом более 10 кг с плеч участников. 

«Даже самые лучшие протезы ног действительно не способны воспроизводить функцию биологических ног, потому что они пассивны, — говорит руководитель группы исследователей, профессор машиностроения Томмазо Ленци. — Поэтому, когда человек идет, включается механизм компенсации, что в конечном счете приводит к асимметрии и дисбалансу».

Многие существующие экзоскелеты громоздкие и тяжелые. Исследователи из Университета Юта хотят решить эти проблемы. Они нацелены на создание продукта, который люди с ампутированными конечностями будут носить регулярно и который будет помогать им не только ходить, но потенциально даже бегать и подниматься по лестнице. 

По оценке разработчиков, потребуется еще примерно три года на доведение технологии, лежащей в основе их устройства, до ума и вывод экзоскелета на рынок. Недавно команда получила грант в размере почти 600 тыс. долларов от Национального научного фонда, который пойдет на дальнейшее усовершенствование и тестирование продукта с привлечением большего количества людей.

Развивается бионическая инженерия и в Университете Мичигана. Разработку нового типа экзоскелета с приводом для нижних конечностей финансирует Национальный институт здравоохранения в размере 1,7 миллиона долларов.

Каждый восьмой американец сталкивается с ограниченными физическими возможностями, с серьезными трудностями при ходьбе или подъеме по лестнице. Исследователи планируют сделать модульную систему экзоскелета с приводом, которую можно было бы использовать на одном или нескольких суставах ног. 

В рамках трехлетнего пилота сначала ученые изучат рабочих, поднимающих и опускающих тяжелые предметы, и пожилых людей, утративших подвижность с возрастом. Далее разработчики привлекут к своему проекту людей с ограниченными возможностями.

«Представьте, что к велосипеду добавляется небольшой мотор — велосипедист все еще крутит педали, но есть дополнительная мощность, чтобы подниматься на холмы, не вспотев, — поясняет руководитель проекта, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Роберт Грегг. — Точно так же мы можем взять обычные скобы для голеностопного, тазобедренного или коленного суставов, используемые сегодня, добавить автономный специализированный двигатель и систему передач и обеспечить питание определенного сустава для повышения мобильности».

Проблема с двигателем заключается в том, чтобы обеспечить достаточный крутящий момент — экзоскелетный эквивалент мышечной силы — при этом он должен быть небольшим и достаточно легким. Команда Грегга хочет решить эту проблему, используя плоские двигатели типа «блин», которые первоначально использовались в дронах. Этим двигателям не нужно столько шестерен, чтобы обеспечить достаточный крутящий момент, чтобы помочь человеку, что позволяет им легко двигаться задним ходом.

Чтобы управлять двигателем и трансмиссией, команда разработает «инвариантный к задачам» алгоритм управления, который не будет полагаться на знание задачи, которую пытается выполнить пользователь, чтобы эффективно оказывать помощь.

С помощью своего метода исследователи намерены компенсировать гравитацию: независимо от того, куда двигается человек, двигатель будет помогать ему. 

Грегг надеется, что результатом проекта станет недорогая система, которую любой клиницист сможет воспроизвести, просто добавив ее в существующие готовые ортезы для голеностопных, тазобедренных и коленных суставов. По его мнению, разработка может быть полезна широким слоям населения, которым требуется небольшая помощь в передвижении.

Компания Biomotum из штата Аризона уже прошла стадию клинических испытаний и готовится перейти к стадии коммерциализации своего роботизированного экзоскелета голеностопного сустава Biomotum SPARK. 

Активный экзоскелет Biomotum SPARK — система передвижения, которая прикладывает вспомогательные и резистивные силы к голеностопному суставу, чтобы помочь реабилитировать и восстановить подвижность людей, пострадавших от таких состояний, как церебральный паралич и инсульт.

В Канаде проект по бионической инженерии родился в Университете Саймона Фрейзера. Стоящий у его истоков Сиамак Арзанпур впоследствии создал свою компанию Human in Motion Robotics, которая готова начать клинические испытания экзоскелета для верхней части тела в США и Канаде. Арзанпур надеется получить одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) и Министерства здравоохранения Канады на использование экзоскелета в реабилитационных клиниках.

Продукт будет стоить от 100 тыс. долларов, но стартапер надеется, что сможет договориться о покрытии со страховыми компаниями. 

«Умный» кроссовок

В Австралии, в Институте здоровья и спорта Университета Виктории создан новаторский автономный экзоскелет лодыжки доктора Баджелана (SPAE). Его фишка заключается в том, что он не требует батарей или датчиков. Экзоскелет «собирает» энергию от движений тела пользователя. 

SPAE сводит к минимуму риск споткнуться и упасть, активно контролируя расстояние от ног до земли и пересечение препятствий. При этом он не заметен постороннему глазу и выглядит как обычные кроссовки. 

По оценке «отца» SPAE доктора Сохейла Баджелана, внедрение его «умного» кроссовка будет способствовать сокращению падений и будет способствовать ежегодной экономии около 32 миллионов долларов на медицинских расходах на каждый процент снижения падений.

В будущем, по задумке Бажелана, SPAE будет служить источником энергии для питания различных интеллектуальных устройств и носимых гаджетов. А пока инноватор подал заявку на патент и намерен коммерциализировать свою идею.

Для детей и врачей

В России пионером бионической инженерии выступает компания ExoAtlet Russia. Его продукт ExoAtlet I — новейший инструмент роботизированной механотерапии, предназначенный для реабилитации пациентов с локомоторными нарушениями нижних конечностей, наступивших в результате травм, заболеваний опорно-двигательного аппарата или нервной системы. Он может быть полезен пациентам после инсульта, со спинно- и черепномозговой травмой, рассеянным склерозом, ДЦП, а также после эндопротезирования.

Зимой этого года продукты компании ExoAtlet II и Bambini получили регистрационные удостоверения Росздравнадзора. А летом в Научно-практическом центре детской психоневрологии Департамента здравоохранения Москвы стартовали научные исследования по теме «Научно-методические наблюдения применения изделия ExoAtlet Bambini со встроенным модулем миостимуляции в клинической практике». В годовом исследовании будет участвовать более 60 пациентов основной и контрольной групп. Основная цель исследования – сбор данных и анализ влияния экзореабилитации на восстановление ходьбы у детей со спастическими формами детского церебрального паралича и другими нарушениями двигательных функций, написание методических рекомендаций по применению детского экзоскелета для реабилитации ExoAtlet Bambini.

Весной 2019 года в Областной клинической больнице №2 Ростова-на-Дону хирург урологического отделения провел 12-часовую операцию, «облачившись» в промышленного экзоскелета, который предназначен для разгрузки мышц спины и ног при выполнении работы в положении стоя. Инженерное изобретение получило название ExoChair. Оно было создано российским стартапом «Полезные роботы» и конструкторским бюро «Карфидов Лаб» при инженерной поддержке Лаборатории робототехники Сбербанка.

В целом, впечатления от поддерживающего устройства у врачей остались положительные, но некоторые моменты, по их словам, требуют доработки. В частности, хирурги хотели бы обходиться без посторонней помощи при смене вынужденного положения (при переходе из стоячего в сидячее, например) и чувствовать себя менее скованно. 

Персональные настройки

Как сделать экзоскелеты максимально эффективными? Для этого необходимо обучать пациентов самостоятельно пользоваться ими и правильно подбирать МЭ. К такому выводу пришли исследователи Стэнфордской лаборатории биомехатроники Стэнфордского университета.

Сотрудники лаборатории наблюдали за 15 пользователями эмулятора экзоскелета голеностопного сустава — устройства, которое крепится к обуви и вокруг голени и имитируют экзоскелет с электроприводом, но допускает перенастройку с помощью специальных лабораторных контроллеров. 

Участники эксперимента никогда раньше не использовали экзоскелет, однако результаты его применения по итогам пилота у всех оказались совершенно разные. 

Одним людям оказалось достаточно несколько часов тренировок, чтобы продемонстрировать хорошие результаты. Другим — наряду с обучением потребовалась техническая поддержка для подбора оптимальных настроек с учетом индивидуальных особенностей. 

Наилучший результат показали испытуемые, которые после соответствующего обучения расходовали почти на 40% меньше энергии при ходьбе с помощью экзоскелета по сравнению с ходьбой без него. Исследование подробно описано в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.

К слову, в персонализации экзоскелета огромная роль отводится технологии 3D-печати. Считается, что она даст возможность вносить изменения в конструкцию продукции без дополнительных затрат и сложных машин или инструментов. 

Использование 3D-печати при разработке сложных медицинских устройств даст такие преимущества, как лучшие результаты, уменьшение осложнений и сокращение времени восстановления. Аналитики убеждены, что растущее использование медицинских экзоскелетов, напечатанных на 3D-принтере, будет стимулировать рост самого мирового рынка МЭ.

Бросить мозгу перчатку

Тем временем в Швеции исследователи заинтересовались другой стороной проблемы  — как использование мягкого активного экзоскелета влияет на активность мозга. В проекте участвуют Центр реабилитации Алерис в Стокгольме, Каролинский институт и Королевский технологический институт. 

Цель исследования — выяснить, может ли использование экзоскелета в форме перчатки, усиливающей захват повлиять на нейрофизиологические активные области в двигательной части мозга. Эксперимент проводится с привлечением здоровых людей (2-4 человека) и пациентов с инсультом (6-8 человек). Для сравнения результатов между этими группами ученые используют функциональную магнитно-резонансную томографию и функциональную ближнюю инфракрасную спектроскопию.

Измеряя активность мозга, когда испытуемые держатся за объект в перчатке и без нее, исследовательская группа может выяснить, влияет ли использование МЭ на области, близкие к поврежденной области мозга после инсульта. Гипотеза состоит в том, что с помощью мягкого активного экзоскелета окружающие здоровые ткани мозга могут быть активированы, тем самым можно смягчить эффект его повреждения. В таком случае перчатку можно использовать для сокращения времени реабилитации и улучшения функции руки после травмы.

Если будет продемонстрирован лечебный или реабилитационный эффект, области применения этого типа мягкого активного МЭ будут расширены.

«В долгосрочной перспективе существует вероятность того, что перчатку можно будет использовать для лечения острой стадии после инсульта, чтобы снизить риск потери функции», — предполагает бывший главный врач нейрохирургии Каролинской университетской больницы и профессор нейроники в Королевском технологическом институте Ганс фон Хольст.

«Функциональная магнитно-резонансная томография никогда раньше не выполнялась с использованием активного экзоскелета. Это исследование открывает совершенно новую область использования нашей запатентованной технологии», — комментирует генеральный директор Bioservo Technologies AB Петтер Бэкгрен.

Исследование планируется завершить в 2022 году.

Корреспондент МВ и ФВ Екатерина Погонцева специально для evercare.ru