В МФТИ представили оригинальный импортонезависимый экзоскелет руки для реабилитации после инсульта

Персональный прототип экзоскелета руки, с нейросетевым программным обеспечением разработал  студент Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ. Устройство повышает эффективность реабилитации за  сигналов электроимпульсов, которые напрямую поступают в поврежденные мышцы, сообщает пресс-служба вуза.

Инсульт — это острое нарушение мозгового кровообращения, которое приводит к потере двигательных функций, речи и может вызывать другие когнитивные и физические нарушения. В России ежегодно регистрируется около 450 тысяч случаев заболевания. Это состояние требует немедленного лечения и последующей реабилитации для восстановления утраченных функций.  

Разработанный студентом МФТИ Германом Карнупом программно-аппаратный комплекс экзоскелета руки собран из отечественных комплектующих, что делает технологию импортонезависимой.

Комплекс состоит из трех частей: 

• каркаса, который надевается на верхнюю конечность, поддерживает ее и облегчает движения; 
• системы регистрации, которая фиксирует активность мышц, что в последующем используется для их стимуляции; 
• системы адаптивной функциональной миостимуляции, которая по считанным сигналам и с помощью алгоритмовнейросетей формирует сигнал, идентичный биологическим импульсам мышц человека.  

«Обученная нейросеть загружается в вычислитель, установленный на экзоскелете и управляет последним. В итоге мы получаем персональный прототип экзоскелета руки, способный считывать данные конкретного человека, а нейросети  в свою очередь будут на этих данных обучаться и предсказывать стимулирующий сигнал в реальном времени. Мы предлагаем неинвазивно считывать электромиографические сигналы с мышц человека и зарегистрировать фактическое положение руки. Обученная нейросеть по этим данным будет предсказывать, какой сигнал наиболее вероятен в промежуток 0,2 – 0,3 миллисекунды. Таким образом, мы получаем активное естественное усиление движения, быстро и точно предсказывая биопотенциал ключевых мышц с учетом индивидуальных физических особенностей пользователя”, — пояснил принцип работы экзоскелета Герман Карнуп, студент Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ/ 

Также оборудование не ограничивает пациента в движениях — он может совершать махи и вращения рукой любой траектории. Проходить реабилитацию человек может без постоянного присутствия медиков, что позволяет выстроить персональный график активности, а за счет автоматизации — повысить пропускную способность реабилитационных центров. 

«Эффективность реабилитации пациента существенно возрастает именно за счет того, что сигналы в виде электроимпульсов попадают напрямую в поврежденные мышцы. Дополнительным преимуществом использования нейросетевых алгоритмов является возможность предсказывать стимулирующий сигнал на некоторое время вперед. Таким образом компенсируются все задержки,связанные с обработкой и передачей импульсов. Каркас экзоскелета руки  состоит из высокопрочного пластика и алюминиевых конструкций, покрытых стекловолокном методом аппликации. В качестве системы регистрации сигналов мышц разработаны собственные сенсоры, превосходящие по точности и чистоте сигнала имеющиеся на рынке аналоги. Нейросеть построена на базе архитектуры трансформера на платформе PyTorch (фреймворк машинного обучения для языка Python с открытым исходным кодом)», — сказал автор проекта. 

Проект стал победителем конкурса УМНИК и получил грант в размере 500 тысяч рублей. Проект представлен в международном научно-техническом  журнале «Наноиндустрия».В ближайших планах разработчиков  — найти площадку для пилотирование и запустить производство. 

По информации  аналитического агентства Mordor Intelligence, к 2027 году мировой рынок экзоскелетов достигнет 1620 миллионов долларов США, среднегодовой темп роста составит 12,5% в течение 2022-2027 годов. На рост рынка влияет увеличение числа неврологических заболеваний, все более широкое распространение экзоскелетов и рост количества пожилых людей.  

Фото: МФТИ