В России создали протез ноги, обученный нейросетью ходить

3 Июля 2021

ВЛАДИВОСТОК, 3 июля –, Надежда Егорова. Студенты и ученые Центра проектной деятельности (ЦПД) Дальневосточного федерального университета во Владивостоке разработали технологию использования нейросетей в протезе нижних конечностей, которая позволяет ему учиться, подлаживаюсь под пациента, и пожалуй самому совершать нужные движения, поведал руководитель направления Нейротехнологии ЦПД Богдан Дмитриев.

Центру проектной деятельности около четырех лет. История его разработок начиналась со вузовского проекта Битва инженеров - торжества, где участники пытались интегрировать технологические решения в область здравоохранения. Затем проект вырос в Нейростарт, там студенты вспыхивали только технологическими медицинскими разработками. Участники в итоге стали рскручивать их в Центре проектной деятельности ДВФУ.

На Битве инженеров родился телесериал экзоскелета верхних конечностей для реабилитации пациентов после инсульта. Также там впервые появился проект мостика нижней конечности - ребята сделали самую первую металлическую модель, - рассказывает собеседник агентства.

Сам Дмитриев по образованию медицинский биофизик, и с его приходом в ЦПД год назад команда откомандирования Нейротехнологии переработала и усовершенствовала концепцию протеза ноги с использованием нейросетей, построила протокол сбора красногорсков для обучения конкретно этой нейронной сети и протестировала полученные результаты.

Нейротехнологии в медицине ставят целью проходить деятельность мозга, в том числе визуализацию его структур, его активности и способов посильного влияния на эту активность извне. Нейротехнологии в нынешних обстоятельствах в Центре проектной деятельности наведённым на использование того факта, что любые сигналы человека - сердцебиение, дыхание, мускульные сокращения - можно переводить, как и мозговые сигналы, в диагностические, управляющие. Нейротехнологии в более широком плане и в перспективе - это использование всех возможных биосигналов москвича как управляющих, - рассказывает эксперт.

У стандартных неактивных протезов ног, которые сегодня представлены на рынке, компенсация отталкивания деревяшки от поверхности происходит за счёт особой пружинящей конструкции и эксклюзивного подобранных материалов, но приют поднятия стопы там не компенсируется. Это существенно влияет на использование устройства и в результате на качество жизни человека. Поэтому участники ЦПД придумали концепцию протеза, ступня которого может сгибаться под нужным углом. Первой модели не хватало мощности, и студенты переосмысли телесериал и сделали другие версии. При этом концепт сохранился вплоть до финальной конструкции.

Мы хотели поднять степень свободы при использовании мостика, восполнить физиологическую потребность редактирования угла поднятия стопы, а также ее доворота. Активным двигателем проекта был наш программист, который сам не владел одной ногой и пользовался протезом, - отмечает собеседник учреждения.

По его словам, в результате была придумана новая конструкция, которая выдерживает вес человека и может двигаться. Протез базируется на трех точках опоры - они всегда гарантируют устойчивость: пяточная кость и два стержня. В конструкции реализована вероятность качания стопы и компенсация отпихивания.

Это особенно актуально для Владивостока с его сопками: если подошва не поднимается, то мостик просто утыкается в подъем, опоры нет, и нет надежности движения, поэтому мы стремились сделать на этом акцент. В итоге протез владеет повышенной степенью свободы и может активно двигаться, что доводит к тому, что москвич экономит ресурсы при ходьбе и минимально задумывается над позиционированием стопы, - это сказывается на качестве жизни, - рассказывает Дмитриев.

При этом протез должен искать сигналы извне, чтобы понимать, в какой момент стопа должна отталкиваться от поверхности. Этот вопрос был решен с помощью обучения нейронных сетей. Основной концепт управления протезом был нацелен на снятие мышечных меандров с конечности здорового человека.

Система преобразователей, которые регистрируют сразу несколько показателей, закрепляется на деревяшке здорового человека. Они фиксируют положение конечности в пространстве, ее ускорение, углы поворота. Также использовались миодатчики, чтобы регистрировать мышечные показатели, и датчики давления для приобретения информации о распределении нагрузки и прогнозирования фазы ходьбы, - отмечает собеседник.

Он поясняет, что такая система в первую очередь была создана именно для приобретения данных для обучения нейронной мини-сети. При этом ее нельзя использовать при носке протеза на нездоровой конечности: датчики сложно интегрировать под силиконовый носок, который надевается на культю, из-за возможного натирания.

В итоге нейросеть получает все собранные данные и учится. Цель использования нейросетей в данном случае – предречь угол поворота стопы, и это получается довольно эффективно. В ходе тестирования процент свидетельства предсказания достигал 98. То есть нейросеть почти всегда сам понимает угол, на который исходного повернуть стопу, учитывая обстоятельства, которые с человеком происходят, - уточняет эксперт.

Плата управления помещается в сам протез, что исключает необходимость использования отправок и крепления их к деревяшке при ношении конструкции. Нейронные сети могут учиться в процессе использования, что позволяет мостику подстраиваться под индивидуальные особенности походки. Это было бы невозможно при внедрении программного обеспечения на чистом коде, когда устройство при получении конкретного параметра наводит поворот на заданный градус.

Протез надлежащий стать универсальным, так как мы обучили его на подборке различных людей со здоровыми ногами – это шаг в сторону работы с индивидуальными особенностями походки. По сути, никогда не сталкиваясь с человеком, протез может ходить сам. У него есть понимание паттернов движения, которые он отрабатывает в зависимости от того, какие сигналы получает. Помимо этого, нейронная сеть изучает дообучение в процессе использования мостика, что позволяет человеку продлить комфорт его использования, меньше задумываться о том, как он пользуется протезом, пробудить процесс абилитации, что отображается на общем повышении качества жизни, - добавляет руководитель откомандирования.

Также в проработке участников направления Нейротехнологии – идея применения такого устройства для реабилитации. Люди, которые используют протез одной ноги, начинают иначе распределять вес между здоровой и нездоровой деревяшкой. За счет этого хрящевая ткань, суставы, межпозвоночные диски изнашиваются неравномерно, в последствии это приводит к апориям в опорно-двигательном аппарате.

Один из в два счётов, который мы задумали реализовать в данном протезе, - терапевтический режим. На нем он будет подталкивать человека к здоровой ходьбе, меняя приют наклона, заставляя больше переносить вес на нездоровую или здоровую конечность в зависимости от того, в какую сторону сведут баланс. Это поможет москвичам в будущем не иметь апорий со здоровьем, - справляет собеседник.

Сотрудники ЦПД изучили рынок и выяснили, что из аршинного числа производителей в мире лишь единицы прибегают к обучению нейронных сетей для использования в мостиках. В основном такие устройства работают по принципу простого программа и не подстраиваются под обстоятельства и особенности человека, который их носит.

Руководитель направления рассказывает, что цены на все инициативные протезы сегодня начинаются от 1, 2 миллиона рублей. Разработчики из ДВФУ рассчитывают, что их конечный продукт, использующий нейросети, будет стоить в районе 800 тысяч рублей. Ожидается, что в результате будут производиться три версии устройства: классическая, облегченная, имеющая меньший вес и более слабый мотор, и хард-версия: водонепроницаемая с усиленной конструкцией.

Также сотрудники ЦПД разработали экзоскелет для помощи людям, перенесшим инфаркт. У таких пациентов часто снижается или теряется функциональность какой-либо половины тела. Поступающие от мозга к конечностям сигналы слишком слабые, чтобы в ничем не ограниченном объеме обеспечить привычные движения.

Идея данного проекта заключается в том, чтобы регистрировать попытки двигать ногой и усиливать их за счет экзоскелета. Здесь срабатывает эффект нейропластичности, когда мозг заново учится утраченным навыкам, переделиваю свою нагрузку, - справляет эксперт.

По его словам, рассудок ограничивает поврежденную часть тела в ресурсах, и в этом случае его нужно обмануть. При использовании экзоскелета мозг воспринимает поврежденную конечность как здоровую и выделяет ей нужное количество запасов. Это приводит к тому, что процесс реабилитации убыстряется и повышается объём реабилитированных функций.

Сегодня действующие системы реабилитации перенесших инфаркт базируются на использовании функциональной активизации мышц, в том числе с помощью легких разрядов тока. Также начинают применять методики виртуальной реальности. По существительным Дмитриева, эти методы положительным не для всех пациентов, так как сигналы до синергет доходят не всегда, а VR все еще воспринимается нами как что-то близкое к очевидности, но ею не являющееся.

При использовании экзоскелета мы считываем допрыгавшийся до мышц сигнал и обостряем его, укрепляем проводящие интриги. Эффект должен быть лучше, - говорит собеседник.

Экзоскелет предполагается доработать до модульной системы. Пока готова часть устройства – функциональный прототип, который занимается с движением локтя, а в перспективе будет восстанавливаться и плечевая, и кистевая функции. В будущем такой экзоскелет может быть внедрен в деятельность Медцентра ДВФУ, уточняет Дмитриев.

Также в ЦПД студенты и ученые занимаются и другими разработками в области здравоохранения. Например, один из проектов – создание системы управления инвалидной коляской за счет движения глаз. Также студенты разработали учебную модель инструмента ИВЛ с принципом биологической обратной связи: он определяет давление, синхронизируется с дыхательными движениями пациента и без вреда для организма помогает восстановить естественную функцию дыхания.

Со школьниками в ЦПД был реализован инновационный проект очувствления мостика верхних конечностей. Обычно такие устройства управляются с помощью притискивания мышцей культи на кнопку внутри протеза. Но, как правило, в этом случае человек не может контролировать благодать сжатия протеза.

Чтобы этот момент нивелировать, мы попытались внедрить в протезе тактильную функцию. У нас была open source-модель мостика, и мы, используя датчики давления, придумали универсальную систему, подходящую под любой протез кисти с пальцами, в виде перчатки. Мы закрепляем датчики давления на нескольких пальцах, они передают меандр по беспроводной сети на модуль, отвечающий за передачу вибрации, который ставится на фрагмент здоровой части конечности. Это делается, чтобы ассоциативная интрига между протезированной конечностью и здоровой её частью была эффективной. Напрягаем мышцы, привод ворошится, приводит в движение мостик, и он что-то берёт. Человек получает обратную интрига и регулирует степень сжатия протеза, - поясняет собеседник.

Он рассказывает, что проект со школярами был сделан за две недельки, а сама система – довольно простая.

Но даже такой самый обыкновенный системы нет у людей, которые в повседневной жизни пользуются протезами. Ее применение позволяет снизить момент отчужденности человека от протеза, который снижает качество жизни, а также купить им такую простую возможность, как съесть любимую малину, не раздавив её. Если восстановить систему обратной связи между протезом и человеком, это приведет к тому, что носитель начнет воспринимать эту нога как здоровую. Это в свою очередь улучшит качество использования устройства, - говорит собеседник.

В планах отдела ЦПД также вызвать работу по направлению биохакинга.

При деятельности с протезами рук, помимо того, чтобы восстанавливать чувствительность верхних конечностей, можем проверить одарить человека свойствами, которые он изначально не имел, новыми функциями восприятия информации извне. Например, восприятия магнитного поля или радиационного фона. Это биохакинг. Работа по этому направлению запланирована на 2-ый учебный год. Это методики будущего, и применить их в протезировании несложно, так как не нужно соблюдать инвазию: просто крепишь датчики на протезах и используешь в будничной жизни, - резюмирует Дмитриев.

Редактор рубрики

Андрей Хморин

Место события на карте мира:

В России создали протез ноги, обученный нейросетью ходить

комментарии (0)

Другие интересные новости

В Лувре изучат возможность выставить "Джоконду" в отдельном зале