Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка комплекса научно-технических решений для нейроинтеграции экзоскелетонных роботизированных устройств

Номер контракта: 14.578.21.0094

Руководитель: Казанцев Виктор Борисович

Должность: зав. каф. нейротехнологий Института биологии и биомедицины

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
Проект направлен на разработку научно-технических решений для создания систем нейроинтеграции, необходимых для реабилитации пациентов с нарушениями двигательных функций. Цель проекта - исследование механизмов и принципов, участвующих в реализации моторных функций у человека и поиск методов реализации схемы нейроинтеграции роботизированных экзоскелетонных комплексов с пациентами при частичном или полном нарушении опорно-двигательного аппарата.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках выполнения ПНИЭР планируется получить следующие основные результаты:
• Методика размещения биосенсоров с учетом анатомических особенностей человека.
Необходима для оптимального позиционирования миографических датчиков с целью получения биометрических данных о степени сокращения той или иной мышцы человека.
• Алгоритмы работы блоков обработки информационного сигнала с биосенсоров.
Выполняют задачу приёма, предварительной обработки данных с биосенсоров и её передачу на информационно-вычислительную систему.
• Алгоритмы детектирования паттернов биоэлектрической активности, соответствующих моторным движениям.
Алгоритмы способны непрерывно анализировать биометрические данные об активности пользователя и в режиме реального времени по отношению сигнал-шум распознавать паттерн, соответствующий характерному телодвижению (например - шагу), а также детектируют моменты времени каждого такого паттерна.
• Алгоритмы классификации моторных паттернов.
По детектированным паттернам алгоритмы классификации в режиме реального времени распознают воспроизводимый паттерн, к примеру - фазу шага.
• Макет системы нейроинтеграции экзоскелетонных роботизированных комплексов и пациентов с нижней параплегией.
Планируется проведение лабораторных испытаний макета СНИ-ЭРК для отработки технических решений, разработанных в рамках ПНИЭР. Тестирование работоспособности теоретических и экспериментальных разработок будет проведено с помощью антропоморфной робототехнической платформы.
• Предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.
• Проект технического задания на проведение ОКР по теме: “Разработка аппаратно-программного комплекса для нейроинтеграции экзоскелетонных роботизированных устройств”.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт – СНИ-ЭРК – будет представлять собой аппаратно-программный комплекс в виде надстройки-интерфейса, способного оценивать уровень остаточной мышечной активности пациента, управляющего роботизированным экзоскелетонным устройством либо его виртуальным аналогом, и вырабатывать управляющее воздействие на исполнительные механизмы. Разработка научно-технических решений для создания СНИ-ЭРК является одним из первых шагов на пути создания роботизированных комплексов с интеллектуальной системой управления, необходимых для реабилитационной медицины.
Развитие концепции нейроуправления является приоритетной задачей современных наукоёмких технологий. Как среди перспективных разработок, так и на рынке готовых коммерческих продуктов существуют устройства экзоскелетонного типа, в большинстве своем являющиеся, по сути, генераторами походки. Такие системы способны непрерывно воспроизводить кинематику шагательного паттерна, основываясь на табличных данных, полученных от здоровых людей, а также нивелируют внешние возмущения, в том числе и от пилота экзоскелетона. СНИ-ЭРК прежде всего будет представлять экзоскелетон и человека, управляющего им, как единую систему и реализовывать управляющее воздействие – моменты в исполнительных механизмах –для задач поддержания равновесия. Кроме того, на основе биометрических сенсоров (миографических датчиков) будет реализована биологическая обратная связь, применение которой существенно повышает вовлеченность в процесс управления и реабилитационный эффект. Принципиальной задачей для успешного выполнения проекта является разработка системы пропорционального управления внешним роботизированным устройством на основе биоинформационных сигналов. В настоящее время систем нейроинтеграции, способных успешно выполнять данную задачу, пока не существует.
Разрабатываемые алгоритмы и методики соответствуют уровню мировых аналогов. Аппаратные решения, использованные при разработке блока регистрации миографических данных, позволяют получать сигналы с двигательных единиц с минимальным уровнем шума и артефактов. Разработанные алгоритмы и модели являются уникальными и позволяют добиться приемлемых показателей по части скорости работы на имеющихся аппаратных ресурсах и точности классификации фазы шага. Показана возможность системы протоколировать моторные паттерны в режиме реального времени, а также достигнут высокий процент правильно распознаваемых фаз шага при ходьбе.
Для достижения заявленных результатов необходимо проведение экспериментальных исследований. Создание макета СНИ-ЭРК и его лабораторные испытания по разработанной Программе и методикам являются ключевыми работами завершающей части проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Применение системы нейроинтеграции будет способствовать прогрессу в решении медицинских и реабилитационных задач, оптимизации повседневного быта, а также развитию в производственной сфере. Разработка системы нейроуправления будет способствовать развитию средств помощи (в частности экзоскелетонов) людям, испытывающим двигательный дефицит, наступивший из-за травм или по причине болезни. Создание подобных систем в сочетании с экзоскелетонными комплексами позволит существенно улучшить качество жизни пациентов, страдающих нарушениями опорно-двигательного аппарата, что также повлечёт за собой положительные изменения в экономических показателях (увеличение трудоспособности самих пациентов и их близких, снижение затрат на обслуживание пациентов и модернизацию дома для комфортного пребывания и т.д.) Разрабатываемая СНИ-ЭРК может быть использована для управления роботизированным устройством виртуального присутствия. Подобные устройства могут обеспечить пациентам, прикованным к постели, возможность удовлетворения потребностей в общении, социализации, выполнения удалённой работы. Разработка и активное внедрение систем нейроуправления исполнительными устройствами способствует развитию фундаментального подхода к созданию более сложных, превосходящих существующие аналоги систем управления в области антропоморфной техники и производства гражданского и военного назначения.
Кроме общих улучшений социальной и экономической обстановки, которые будут наблюдаться из-за увеличения количества трудоспособного населения (благодаря развитию средств реабилитации), данные разработки будут способствовать интенсификации внедрения высоких технологий в современное общество. В частности, это приведет к распространению социальных роботов, роботов способных заменить человека на вредном производстве и при ликвидации ЧС, продвижению концепции «умного дома». Все это в свою очередь, также будет стимулировать развитие экономики, обеспечивая высокотехнологичные предприятия заказами на производство, что будет способствовать открытию новых рабочих мест.
Ожидаемые результаты исследований могут найти применение во многих отраслях промышленности, в том числе в машиностроении и нефтегазовой сфере при решении инжиниринговых задач различного класса сложности. Введение роботизированных комплексов с системой нейроинтеграции в перспективе будет способствовать улучшению качества выпускаемой продукции, увеличению производительности труда и минимизации человеческого фактора на производстве. И, что самое главное, это позволит исключить риск тяжёлых травм на производстве. Подобная повсеместная модернизация структуры бытовых и технологических процессов положительно скажется на социально-экономической ситуации в стране.

Текущие результаты проекта:
Разработан блок регистрации электрической активности мышц человека.
Выбрана оптимальная конфигурация блока усилителя и электродов.
Разработана методика размещения биосенсоров на теле человека.
Разработаны алгоритмы регистрации, предварительной обработки и статистического анализа сигналов.
Разработана математическая модель, воспроизводящая паттерны биоэлектрической активности.
Разработаны алгоритмы детектирования и классификации паттернов, соответствующих моторным движениям, а также проведено их тестирование на различных типах данных.
Получены образцы ЭМГ активности, характеристики сигналов согласуются с современными литературными данными.
Изучен и апробирован ряд алгоритмов обработки информационного сигнала на выходе биоэлектрических датчиков.
Применяемый набор методов и подходов широко применяется в данной области исследований, но в то же время реализации алгоритмов фильтрации и статистического анализа данных являются уникальными и не уступают зарубежным аналогам.