Учёные из Сколтеха разработали инновационный метод реабилитации пациентов с обездвиженными после инсульта или травмы ногами. В его основе — интерфейс «мозг — компьютер» с виртуальной реальностью и неинвазивная электрическая стимуляция спинного мозга. Решение помогает парализованным пациентам вернуть контроль над нижними конечностями, восстановив связь между намерением совершить движение и сокращением необходимых для этого мышц. Система способствует освоению движений, которые выглядят естественно. Разработку представили на IV Международной конференции «Нейротехнологии и нейроинтерфейсы».
«Перенёсшие инсульт пациенты зачастую сталкиваются с необходимостью проходить программу реабилитации, чтобы заново связать намерение мозга пошевелить конечностью и соответствующую мышечную активность; иногда это актуально и при обездвиживании вследствие травмы, — рассказывает первый автор работы, стажёр-исследователь Сколтеха Иван Ниненко. — Созданный нашим коллективом тренажёр впервые совмещает следующие элементы: VR-шлем, который поддерживает иллюзию свободной конечности и демонстрирует пациенту виртуальную цель, к которой нужно совершить движение; нейроинтерфейс, который регистрирует намерение пациента; робот, который реализует движение ноги по естественной траектории; и, наконец, электростимуляция спинного мозга через кожу, которая, грубо говоря, усиливает поступающий от головного мозга сигнал».
Нейроинтерфейс в составе тренажёра — стандартное устройство, представляющее собой шапочку с электродами, которые регистрируют электрическую активность мозга. А вот программное обеспечение специально доработано исследователями и заточено именно на то, чтобы распознавать намерение совершить движение.
Перемещающий конечность робот — промышленный манипулятор производства KUKA с высокоточными датчиками крутящего момента. Он перемещает ногу пациента в направлении цели в виртуальной реальности, на которой тот сосредотачивается. Написанное командой программное обеспечение позволяет роботу воспроизводить естественные телодвижения, простраивая траеткорию, характерную для конечностей здорового человека.
В очках виртуальной реальности видно несколько целей, в направлении одной из которых пациент совершает движение ногой. Он сосредотачивается на движении, и намерение считывается интерфейсом «мозг — компьютер» по нейронной активности, а робот выполняет движение, но в виртуальной реальности пользователь видит лишь движущуюся ногу, без манипулятора. Для мозга движение выглядит как будто он его вызвал и контролировал, и это помогает восстановить разорванную связь.
Наконец, последний элемент системы — неинвазивная электростимуляция спинного мозга поверхностными электродами, прилепленными к спине в области позвоночника. Дело в том, что нейроны могут получать от мозга так называемый подпороговый сигнал, которого не хватает для активации. А внешняя стимуляция позволяет преодолеть этот барьер и в конечном итоге сформировать надёжные нейронные связи, которые смогут функционировать без искусственной поддержки.
«По данным Международной федерации робототехники, в 2021 году продажи медицинских роботов выросли на 23% и в мире было продано 14 823 медицинских робота, в основном хирургических и реабилитационных. Наша работа — важный шаг к тому, чтобы понять потребности пациентов в отношении ключевых функциональностей. В перспективе мы можем в сотрудничестве с больницами разработать реабилитационные роботы для российского рынка с целью повышения качества жизни инвалидов в нашей стране», — добавляет соавтор исследования, доцент Сколтеха Дмитрий Тетерюков, который возглавляет в институте Лабораторию интеллектуальной космической робототехники и имеет опыт разработки реабилитационных роботов и VR-систем для обучения медперсонала в Японии.
«Предстоит ещё много работы, прежде чем метод можно будет использовать в клинической практике. У нас в планах строгая проверка эффективности системы и добавление элементов геймификации — надеемся, пациенты их оценят и найдут полезными», — заключает Ниненко.
*****
Сколтех — негосударственный международный университет, который готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: искусственный интеллект и коммуникации, науки о жизни и здоровье, прорывная инженерия и передовые материалы, энергоэффективность и ESG, фотоника, перспективные исследования. Основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, к 2019 году Сколтех единственный от России вошёл в первую сотню молодых университетов рейтинга Nature Index, самого престижного в сфере науки. Сайт: https://www.skoltech.ru/.
