Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0128

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0128
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Название доклада
Разработка роботизированного комплекса для реабилитации постинсультных и посттравматических больных с использованием технологии интерфейс мозг-компьютер
Докладчик
Фролов Александр Алексеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: разработка и создание роботизированного комплекса (РК), состоящего из бимануального экзоскелета и управляющего им по сигналам электрической и гемодинамической активности мозга интерфейса мозг-компьютер, для реабилитации постинсультных и постравматических больных с серьезными двигательными нарушениями.
Задачи: создание компьютерной динамической модели бимануального экзоскелета, учитывающей механические характеристики его конструкции и свойства электродвигателей, приводящих его в движение;
разработка контроллера экзоскелета и подбор параметров контроллера;
создание бимануального экзоскелета с использованием электродвигателей постоянного тока и/или бесколлекторных двигателей постоянного тока и контроллера;
создание стенда для испытания макета экзоскелета и проверки его совместимости с движениями человека для выбора параметров контроллера, обеспечивающих наиболее комфортное его использование;
создание системы сопряжения контроллера экзоскелета и гибридного ИМК, управляемого по сигналам электрофизиологической и гемодинамической активности мозга;
создание методов поиска источников электрофизиологической и фокусов гемодинамической активности мозга, наиболее значимых для классификации ментальных состояний, связанных с воображением и исполнением различных движений;
оптимизация классификатора гибридного ИМК путем подавления вклада источников электрофизиологической и фокусов гемодинамической активности, незначимых для распознавания воображаемых движений;
предварительная оценка эффективности реабилитационной процедуры с использованием РК.
Актуальность и новизна исследования
По данным Всемирной организации здравоохранения сосудистые заболевания мозга занимают первое место в структуре инвалидизации населения. Поэтому актуальным является создание более совершенных методов восстановления движений, способствующих улучшению качества жизни таких больных. Все современные методы двигательной реабилитации направлены на интенсификацию активных целенаправленных движений паретических конечностей. Экзоскелеты оказались идеальным техническим устройством, обеспечивающим такую интенсификацию. Однако практически все современные методы реабилитации с использованием экзоскелетов предполагают частичное сохранение двигательных функций. Для больных, у которых они выражены слабо или полностью отсутствуют единственным способом активации пластических механизмов мозга, направленных на восстановление двигательных функций, является воображение движений. В мире проведено всего 5 контролируемых исследований эффективности описанной процедуры. Все они проведены с использованием экзоскелетов кисти руки. Показана эффективность восстановления двигательных функций по показателям стандартных неврологических шкал. Однако показано также, что эффективность использования паретичной руки в быту значительно отстает от роста показателей восстановления двигательных функций по неврологическим шкалам. Это отставание обусловлено тем, что экзоскелет кисти, совершая простейшее односуставное движение, не обеспечивает выполнения целевых бытовых движений. Для преодоления указанной проблемы необходимо создание экзоскелета, обеспечивающего полный репертуар движений рук, что и является целью проекта. Работ с использованием бимануального экзоскелета и ИМК в мире не проводилось.
Описание исследования

Исследования проводились по следующим основным направлениям:

1) Разработка бимануального экзоскелета, управляемого по биологически адекватным принципам.

2) Локализация источников электрофизиологической и фокусов гемодинамической активности мозга при воображении движений одной и двух рук.

3) Создание и исследование эффективности гибридного ИМК, основанного на одновременной регистрации электрофизиологической и гемодинамической активности мозга при воображении движений.

4) Поиск репертуара движений руки и экзоскелета, эффективных для исполнения системой ИМК + экзоскелет.

Управление по биологически адекватным принципам обеспечивает комфортное взаимодействие руки человека с экзоскелетом. Это достигается тем, что значения параметров управления в петле обратной связи для экзоскелета сравнимы по величине с аналогичными параметрами в руке человека. Это делает управление экзоскелетом податливым, т.е. способным откликаться на посторонние возмущения и мышечные усилия руки. Если параметры управления по обратной связи на порядок превосходят биологические значения (как это характерно для промышленных роботов и манипуляторов), то человек воспринимает движения, производимые экзоскелетом, как навязанные и не соответствующие его намерениям. Однако при значениях параметров управления экзоскелетом, сравнимых с биологическими, движения могут стать неустойчивыми и иметь большие резонансные колебания. Для поиска биологически адекватных параметров управления движениями экзоскелета, обеспечивающих его устойчивое движение без значительных резонансных колебаний была создана компьютерная модель бимануального экзоскелета с учетом его параметров его механической конструкции, моторов и волновых редукторов.  Эсперименты показали, что управление экзоскелетом с параметрами, полученными на компьютерной модели, не обеспечивает податливого управления из-за большого трения в волновых редукторах. Это потребовало создания модели волновых редукторов, включения этой модели в общую компьютерную модель и поиска способов преодоления трения в редукторах. 

Локализация источников электрофизиологической активности мозга проводилась четырьмя методами. Первый метод основан на использовании метода независимых компонент и решении обратной задачи ЭЭГ с учетом индивидуальной геометрии мозга и его покровов, полученных по данным МРТ. Этот метод был подробно описан в отчете за прошлый год. Три оставшихся метода (LORETA, BESA и DipFit) являются стандартными и реализованы в пакете EEGlab в среде MATLAB. В методе LORETA (Low Resolution Electromagnetic Tomography) сглаживается пространственное распределение активности источников с помощью минимизации лапласиана от этой активности. Метод BESA (Brain electric source analysis) основан на предположении, что запись содержит временные интервалы, на протяжении которых активность создается ограниченным числом дипольных источников, не меняющих своего положения.  Число источников не известно заранее, и либо производится анализ всего временного интервала, когда минимизируется только остаточная дисперсия и число источников, либо выбирается временное окно, которое затем сдвигается, причем новые источники добавляются к уже найденным только в том случае, если последние не могут объяснить ЭЭГ-активность на данном интервале. Метод DipFit, как и первый из использованных методов, основан на решении обратной задачи ЭЭГ для каждой отдельной дипольной независимой компоненты, но без учета индивидуальной геометрии мозга и его покровов. В этом методе используется либо сферическая четырехслойная модель головы, либо конечно-элементная модель стандартной головы.

Поиск фокусов гемодинамической активности по данным спектрометра ближнего инфракрасного диапазона (БИКС) проводился с помощью решения уравнений переноса излучения в тканях мозга и его покровов. Рассматривались такие элементарные события как акт упругого рассеяния (изменение угла распространения без потери энергии) и акт неупругого поглощения (потеря энергии без изменения параметров траектории). Для  описания переноса излучения использовалось приближение Шварцшильда-Шустера.

В качестве репертуара движений, доступных для управления экзоскелетом по ИМК, рассматривались движения к целям, расположенным в различных точках пространства из фиксированного начального положения кисти руки на расстоянии 15 см от центра груди.

Результаты исследования

1. С помощью компьютерной модели было показано, что устойчивое управление экзоскелетом с биологически адекватными параметрами в петле обратной связи достижимо с помощью ПД (пропорциональный, дифференциальный) - контроллера, обеспечивающего управление силовыми мометами по полному состоянию. Матрицы "жесткости" и "вязкости", задающие пропорциональное и дифференциальное слагаемые рассчитывались по принципу независимого управления "естественными синергиями", которыми являются собственные вектора уравнения движения. Этот принцип управления реализуется при движениях корпуса стоящего человека в сагиттальной плоскости. После расчета требуемых силовых моментов  токи  электромоторов рассчитываются с помощью интегрального контроллера. Для этого каждая ось вращения моторов снабжена датчиками силового момента.    

2. Разработана модель волнового редуктора. Она проверена на макете экзоскелета руки с двумя степенями свободы (сгибание - разгибание в плечевом и локтевом суставах). Модель учитывает наличие трения покоя и скольжения в редукторе, а также эластичность неподвижного и подвижного колец редуктора. Модель включена в полную модель бимануального экзоскелета. На модели показано, что с помощью регуляции напряжения моторов интегральным контроллером можно почти полностью преодолеть трение в редукторах, сделав экзоскелет максимально податливым. Эта же возможность продемонстрирована на макете экзоскелета одной руки. 

3. Показано, что все методы решения обратной задачи ЭЭГ при использовании индивидуальной модели головы (кроме, естественно, метода DipFit, который основан на использовании стандартных моделей), дают схожие результаты по локализации источников электрофизиологической активности мозга. Для описанного нами ранее источника, демонстрирующего наиболее выраженные реакции синхронизации и десинхронизации при воображении движений, все методы, кроме DipFit, дают локализацию вблизи основания центральной борозды в области Бродмана 3а, ответственной за проприоцептивную чувствительность руки. При локализации этих источников для 7 здоровых испытуемых разброс их положений укладывается в сферу радиусом 1.5 см, а при использовании стандартной модели головы локализация сдвигается вперед и ближе к поверхности мозга, имея разброс, в пределах сферы радиусом 3 см.

4. Методом решения уравнений переноса излучения в ткани мозга показано, что область, в которой концентрируется наибольшая плотность излучения от его источника к приемнику имеет характерную форму "банана", глубина которого пропорциональна расстоянию между оптодами, с коэффициентом пропорциональности равным 0.8, т.е каждый канал БИКС регистрирует изменение гемодинамической активности в области, находящейся на глубине, пропорциональной расстоянию между оптодами и по середине между ними. При этом мощность излучения, получаемая приемником, быстро падает при увеличении расстояния между оптодами, делая невозможным анализ подкорковой активности. 

5. Показано, что гибридный ИМК, основанный на регистрации электрофизиологической и гемодинамической активности, способен различать воображение раскрытия кисти и движения руки к цели, однако не удалось выявить специфических источников электрофизиологической и фокусов гемодинамической активности, наиболее значимых для такого различения, т.е.  возможность различать воображение этих движений обеспечивается распределенным изменением  электрофизиологической и гемодинамической активности.     

    

Практическая значимость исследования
В результате проведения исследования будет создана новая реабилитационная технология для восстановления двигательных функций у постинсультных и посттравматических больных с серьезными двигательными нарушениями и разработано высокотехнологичное оборудование для ее реализации. Внедрение разрабатываемой технологии в клиническую практику позволит существенно повысить эффективность нейрореабилитации и повысить качество жизни постинсультных и посттравматических больных.
Постер

Frolov2016.ppt