Sprawność po udarze dzięki egzoszkieletowi kończyny górnej

Dla osób po udarze, wypadkach lub z chorobami nerwowo-mięśniowymi – egzoszkielet rehabilitacyjny ręki wydrukowany w 3D pomoże ćwiczyć ruchy stawów barkowego i łokciowego. Do automatycznej analizy błędów pacjenta inżynierowie, programiści i fizjoterapeuci wykorzystają sztuczną inteligencję.

Chodzi o zewnętrzny, lekki mechaniczny szkielet, zakładany na kończynę górną w celach rehabilitacyjnych, który będzie mógł być wykorzystany w procesie fizjoterapii. Serwisowi Nauka w Polsce opowiada o nim laureat programu Lider NCBR, Piotr Falkowski, którego doktorat wdrożeniowy realizowany jest w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów i na Politechnice Warszawskiej.

Lekkość prawidłowego ruchu
Wspomniane urządzenie przeznaczone jest dla osób, które całkowicie lub częściowo utraciły zdolność poruszania całą kończyną górną. Mogą go też używać osoby powracające do zdrowia – podczas rehabilitacji, a nawet osoby utrzymujące dobrą kondycję, które chcą poprawić sprawność. Urządzenie może bowiem także generować opór podczas ruchu, pełniąc rolę swoistego „trenera”.

Piotr Falkowski zaprojektował pierwszy egzoszkielet na etapie studiów magisterskich, a podczas doktoratu zaadaptował go do zastosowań w rehabilitacji. Zanim jednak pierwszy pacjent założy urządzenie na rękę, fizjoterapeuta „nauczy” urządzenie prawidłowego ruchu. Następnie sztuczna inteligencja przystąpi do nauki, aby wykrywać wszelkie błędy popełniane przez pacjenta podczas korzystania z egzoszkieletu. Do tego potrzebni są elektronicy i programiści, a także mechanicy, którzy wybiorą najlepszy – lekki materiał i wydrukują w 3D nową wersję urządzenia.

– Mamy już prototyp egzoszkieletu wykonany w technologii proszkowego druku 3D. W projekcie Lider będziemy mierzyć się z dwoma ważnymi wyzwaniami. Po pierwsze – musi on być lżejszy niż obecnie, a być może także sztywniejszy. Dlatego będziemy szukać materiału, z którego wytworzymy użytkową wersję urządzenia – lekką i łatwą do obsługi w warunkach domowych – mówi Piotr Falkowski. Dodaje, że osoba obsługująca egzoszkielet musi być w stanie łatwo założyć go na ramię pacjenta, a sprzęt powinien być również łatwy do transportu.

W przyszłości takie urządzenia mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w szpitalach czy ośrodkach fizjoterapii, ale mogą zostać rozmieszczone także w remizach, klubach seniora czy domach kultury – czyli w miejscach, gdzie seniorzy, zwłaszcza na wsiach, mogą się łatwo dostać i ćwiczyć samodzielnie lub pod zdalnym nadzorem specjalisty.

Postęp w robotyce rehabilitacyjnej dzięki ai
Oprócz redukcji masy, istotnym wyzwaniem projektu będzie opracowanie skutecznej metody sterowania egzoszkieletem. Naukowcy stworzą algorytm, wykorzystujący sztuczną inteligencję, który będzie w stanie analizować dowolny ruch wprowadzony przez fizjoterapeutę. Fizjoterapeuta będzie jedynie prezentować oczekiwany ruch, a system dodatkowo oceni, czy występują niepożądane kompensacje anatomiczne oraz błędy funkcjonalne.

– Ćwiczenia z wykorzystaniem egzoszkieletu polegają na tym, że urządzenie powtarza ruch po precyzyjnej trajektorii, którą pacjent powinien naśladować. W trakcie tego procesu egzoszkielet wspomaga lub stawia opór ruchom w poszczególnych stawach, zależnie od ustawionego trybu. W przypadku pacjentów całkowicie pozbawionych zdolności ruchowej, egzoszkielet może także wykonywać ruchy za nich – objaśnia Piotr Falkowski.

Naukowcy biorą pod uwagę fakt, że osoby niepełnosprawne często wykonują ruchy w sposób nietypowy, próbując kompensować ból lub ograniczenia. – Jeśli prawidłowy ruch sprawia ból, pacjent może próbować go zrealizować w inny sposób, co nazywamy kompensacją. Choć próby te bywają skuteczne, to nieprawidłowe wykonywanie ruchu może prowadzić do nadmiernego obciążenia pewnych grup mięśniowych i do potencjalnych kontuzji. Osoby w trakcie rehabilitacji mogą nabywać również nieprawidłowe nawyki ruchowe – dodaje badacz.

Egzoszkielet musi oceniać, w jaki sposób pacjent wykonuje ruch w porównaniu do wzorca. Urządzenie analizuje trajektorię ruchu pacjenta i porównuje ją z oczekiwaną ścieżką. Ponadto ruch pacjenta jest oceniany pod kątem ewentualnych kompensacji anatomicznych, wynikających m.in. z ograniczeń w stawach. Kolejnym krokiem jest identyfikacja błędów istotnych w kontekście rehabilitacji funkcjonalnej, czyli skupiającej się na codziennych czynnościach życiowych. Przykładem błędu funkcjonalnego może być unoszenie ręki w nieprawidłowy sposób podczas picia z kubka, co prowadzi do rozlania napoju.

W ocenie lidera sztuczna inteligencja odgrywa tu niezastąpioną rolę. Pobiera wiedzę od fizjoterapeuty, dotyczącą wzorcowego ruchu, i identyfikuje charakterystyczne błędy, które mogą wystąpić podczas prób. Jej zadaniem jest odwzorowanie procesu typowej dziś fizjoterapii – obserwacja ruchu oraz bieżąca ocena jego poprawności i dokładności w każdym stawie przy dbałości o zachowanie prawidłowej postawy ciała pacjenta (np. unikanie garbienia się).

Entuzjaści bioinżynierii chcą pomóc chorym i ich rodzinom
Do skutecznego sterowania egzoszkieletem niezbędne są umiejętności inżynieryjne, fachowa wiedza fizjoterapeuty i zdolność matematycznego modelowania świata. Dlatego zespół Piotra Falkowskiego jest „międzyobszarowy”. Sam lider to inżynier z doświadczeniem w robotyce rehabilitacyjnej i biomechanice. W skład zespołu wchodzi także mechanik, specjalista od projektowania pod druk 3D – jest to osoba z doświadczeniem we własnej firmie zajmującej się skanowaniem i drukowaniem w technologii trójwymiarowej. Ponadto, uczestniczy w nim specjalista od automatyk i specjalista w obszarze informatyki, posiadający doświadczenie w programowaniu urządzeń rehabilitacyjnych. Oczywiście nie może zabraknąć fizjoterapeuty, który, podobnie jak pozostali, jest entuzjastą łączenia fizjoterapii z inżynierią. Dodatkowo, w ramach projektu współpracować będą „pomocnicy”, zajmujący się montażem, dokumentacją techniczną i przygotowywaniem danych do nauki dla systemów sztucznej inteligencji.

– Roboty rehabilitacyjne mogą być doskonałym rozwiązaniem w terapii osób po udarach, które mają problem z podróżami do centrów specjalistycznych i w ogóle z przemieszczaniem się. Kiedy myślę o pomaganiu takim osobom, to myślę również o pomaganiu ich najbliższym – rodzinie, która z reguły bardzo wiele poświęca dla chorych, wożąc ich na częste sesje rehabilitacyjne. Obecnie mamy na tyle rozwiniętą technologię, a medycyna z inżynierią powszechnie się przeplatają, że dzięki niej możemy pomóc tym ludziom, a także osobom po wypadkach, pacjentom ze wszelkimi innymi zaburzeniami neurologicznymi, które sprawiają, że te mięśnie nie pracują tak jak powinny pracować – podsumowuje naukowiec.

Projekt „Przygotowanie uniwersalnej i lekkiej konstrukcji oraz sposobu sterowania egzoszkieletu do zdalnej domowej rehabilitacji funkcjonalnej” zaplanowano na dwa lata. Prace są finansowane ze środków NCBR. (PAP – Nauka w Polsce)

Karolina Duszczyk, fot. freepik.com

Data publikacji: 15.01.2024 r.