Регистрация / Вход
Прислать материал

Реабилитационный комплекс на базе пассивного экзоскелета

Сведения об участнике
ФИО
Шишков Григорий Сергеевич
Вуз
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Науки о жизни и медицина
Раздел области наук
Медицинская физика и медицинская техника
Тема
Реабилитационный комплекс на базе пассивного экзоскелета
Резюме
В работе представлена разработка реабилитационного комплекса, предназначенного для снятия нагрузки с костного и мышечного скелета пользователя в реабилитационный период времени после травм, ведущих к иммобилизации конечности на срок более 5-ти дней. В основу положен пассивный экзоскелет, представляющий собой конструкцию повторяющую анатомически правильные движения человеческого тела. Конструкция содержит отдельные узлы, способные работать независимо и в комплексе. Каждый узел соответствует определенному элементу костно-мышечного скелета человека.
В систему включены не только пассивный скелет, но и датчики биотока, преобразователи, управляющий компьютер и привода.
Ключевые слова
Реабилитация, реабилитационный комплекс, экзоскелет, биотоки
Цели и задачи
Целью данного научного проекта является разработка легкого и функционального реабилитационного комплекса на базе пассивного экзоскелета для удовлетворения по-требности человека в быстрой реабилитации после травм, ведущих к иммобилизации ко-нечности на срок более 5-ти дней.
Цель предопределила решение следующих задач:
1) Формулирование проблемы быстрой реабилитации после травм с использова-нием технических средств.
2) Проведение анализа рынка медицинских товаров в области реабилитационно-го оборудования.
3) Определение актуальности и потенциальных путей развития научной разра-ботки.
4) Проведение патентного поиска и патентных исследований в области реабили-тационного оборудования.
5) Проектирование и разработка пассивного скелета.
6) Создание проектной документации для сборки опытного образца.
7) Изготовление опытного образца.
8) Составление проекта организации работ по производству опытного образца.
9) Разработка системы из активных приводов, датчиков, преобразователей, управляющего компьютера и программного обеспечения.
10) Проведение апробирования, доводки и регулировки опытного образца.
11) Проведение стендовых и производственных испытаний.
12) Доработка технической и рабочей документации.
13) Проведение испытаний и передача опытного образца экспертному сообществу.
Введение

Не секрет, что к иммобилизации могут вести не только переломы, но и ушибы мягких тканей, вывихи, повреждения сухожилий и связок выше 1-й степени, а также разрыв мышцы.

Уже после 5-ти дней без движения начинается атрофия мышц. После снятия гипсовой лонгеты наступает курс реабилитационных мероприятий для возвращения функциональности конечности. 

В это время у человека есть множество движений, вызывающих дискомфорт, и линейные движения, которые могут привести к еще большим травмам.

Понятие реабилитации основано на возвращении человеку автономности, трудоспособности и здоровья, необходимых для удовлетворения каждодневных потребностей, а по сему, не будем забывать и о неврологических заболеваниях при которых у больных резко затруднены движения.

Методы и материалы

Для уменьшения риска получить травму во время реабилитации после длительной иммобилизации конечности лучшим решением будет выключить опасные движения в данной плоскости и оставить изолированно работать нужные мышечные области.

В случае неврологических заболеваний, таких как, например, болезнь Штрюмпеля, при которой у больных резко затруднены движения в нижних конечностях, мышцам нужна помощь, чтобы человек мог нормально передвигаться.

Эти проблемы можно решить с помощью роботизированного костюма - экзоскелета. Он помогает людям с ограниченными физическими возможностями перемещать свои тела. В момент, когда человек пытается пошевелить руками или ногами, специальные датчики на коже считывают небольшие изменения в электрических сигналах организма, приводя в рабочее состояние механические элементы экзоскелета.

После проведения анализа рынка медицинских товаров, патентного поиска и патентных исследований в области реабилитационного оборудования, были выявлены технические средства, обладающие набором свойств, ведущих к быстрой реабилитации пациента после длительной иммобилизации конечности и позволяющих быть мобильными. Примерами могут послужить экзоскелет HAL от компании Cyberdyne, аппарат Parker Hannifin, Walking Assist Device (вспомогательное устройство для ходьбы) от японской компании Honda, экзоскелет NASA Х1 и многие другие.

Описание и обсуждение результатов

В основу реабилитационного комплекса положен пассивный экзоскелет, представляющий собой конструкцию повторяющую анатомически правильные движения человеческого тела. Конструкция содержит отдельные узлы, способные работать независимо и в комплексе. Каждый узел соответствует определенному элементу костно-мышечного скелета человека: кисть, предплечье, плечо, голеностоп, тазобедренный сустав, поясничный и грудной отделы позвоночника.

С использованием математической модели и новых конструкторских технических решений был изготовлен опытный образец пассивного экзоскелета, содержащий систему узлов плечо – предплечье – кисть, и прошедший испытания на практике.

Относительно аналогов, данный экзоскелет на 95% выполнен из листового алюминия Д16АТ, обладающего большей плотностью, нежели композитные материалы на основе углеродного волокна. Однако в производстве он значительно удобнее и дешевле, поскольку не является токсичным при изготовлении и обработке. Вес пассивного экзоскелета не превышает 4-х кг.

Для определения пропорций между элементами костно-мышечного скелета была написана программа, в основе которой лежит алгоритм, работающий по принципу «золотого сечения». Данная программа позволяет сделать расчеты для изготовления одного или нескольких узлов исходя из размеров всего лишь нескольких параметров пользователя.

 После апробирования опытного образца, как реабилитационного оборудования, в настоящее время ведется разработка системы из активных приводов, датчиков, преобразователей и управляющего компьютера с целью преобразования пассивного экзоскелета в активный. Также на этом этапе разрабатывается программное обеспечения и строится математическая модель для управления реабилитационным комплексом.

Для уменьшения времени реагирования приводов предполагается использование одного микроконтроллера не более чем на две группы мышц. Более того, его расположение не будет выходить за пределы костно-мышечного элемента, где происходит прием сигнала от поверхности кожи. Данное техническое решение позволит уменьшить внешние наводки, мешающие обработке и преобразованию сигнала от датчиков биотока. Координация и отладка работы всей системы микроконтроллеров осуществляется по принципу «сетки», которая образовывает из себя управляющий компьютер. В отличии от аналогов, использующих для обработки информации один процессор, наш реабилитационный комплекс устойчив к повреждениям и даже при выходе из строя нескольких узлов способен продолжать функционировать.

По завершении разработок предполагается произвести апробирование, регулировку и доводку опытного образца – активного экзоскелета, осуществить стендовые и производственные испытания, доработать техническую и рабочую документацию, после чего передать опытный образец экспертному сообществу для сертификации соответствия в качестве реабилитационного оборудования.

Используемые источники
Сомиков В.А.: Ваше здоровье. Медицинская робототехника в наши дни [Электронный ресурс] // ROBOTICS.ua 19.02.2014. URL: http://robotics.ua/shows/series_robots_and_humans/3345-your_health_health_robotics_today (дата обращения: 06.06.2016)
Information about the project
Surname Name
Shishkov Grigoriy
Project title
Rehabilitation complex based on passive exoskeleton.
Summary of the project
The work presents development of a rehabilitation complex, intended to relieve the bone and the muscle of the skeleton during the rehabilitation period of time after injury, leading to limb immobilization for more than 5 days.It is based on a passive exoskeleton, which is a repeating structure anatomically correct movements of the human body. The construction comprises individual components capable of operating independently and in combination. Each component corresponds to a specific element of the musculoskeletal human skeleton.
The system includes not only the skeleton of a passive, also it has biotok sensors, transducers, control computer and the drive.
Keywords
Rehabilitation, a rehabilitation complex, exoskeleton, biotok