Экзоскелет как новое средство в абилитации и реабилитации инвалидов (обзор)

Экзоскелет (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для увеличения силы человека за счет внешнего каркаса [1, 2].

Существуют модели экзоскелетов с активным и пассивным принципом работы — активные и пассивные экзоскелеты. Активные модели используют в качестве источника энергии внешние устройства, тогда как механика пассивных экзоскелетов основана на использовании кинетической энергии и силы человека.

Активные экзоскелеты нашли широкое применение в военных целях, однако из-за секретности разработок особенности их конструкций невозможно проанализировать. Максимальное количество таких разработок приходится на Пентагон. Один из извест­ных экзоскелетов HULC (Lockheed Martin, США) позволяет солдату быстро перемещаться с грузом по пересеченной местности, при этом отмечается высокая скорость перемещения. HULC помогает не только переносить, но и поднимать груз с земли. Масса устройст­ва — 25 кг, большая ее часть приходится на батареи, заряда батарей хватает на пару часов. Конструкция экзоскелета увеличивает массу снаряжения солдата на 25 кг. Эксплуатация устройства ограничивается климатическими условиями — высокой и низкой температурами. Обслуживание и ремонт HULC могут проводить только специалисты [3, 4].

Экзоскелет XOS (Sarcos, США) представляет собой специализированный костюм, предназначенный для военнослужащих полевых подразделений. Его существенный недостаток — конструкция требует постоянной связи с источником энергии. Масса конст­рукции — 70 кг, что также ограничивает его применение [5–7]. Оба описанных экзоскелета направлены на увеличение выносливости, силы как верхних, так и нижних конечностей у здоровых людей, в данном случае — военных.

В ряде стран разработка активных экзоскелетов является темой социальных проектов. В их задачу входит восполнение утраченных функций и осуществление физической и социальной реабилитации пациентов. Примером могут служить экзоскелеты ReWalk, REX, HAL, eLEGS, конструктивные особенности которых направлены на помощь людям, имеющим сложности в передвижении.

Экзоскелет ReWalk (ARGO Medical Technologies, Израиль) — позволяет людям с параличом нижней половины тела (нижний парапарез) вставать на ноги и ходить, опираясь на палки. Работа конструкции основана на датчиках, улавливающих наклон тела вперед и передающих сигнал к поддерживающим ноги приборам. Цена аппарата — 100 тыс. долл. США. Питание осуществляется от аккумулятора, размещенного в специальном рюкзаке за спиной. Применение конструкции возможно только у лиц с сохраненными функциями верхних конечностей [8–10].

REX (REX Bionics, Новая Зеландия) — обеспечивает дополнительную поддержку тела человека в пространст­ве при перемещении. Управление осуществляется при помощи джойстика и планшета. Масса экзоскелета — 38 кг, что вместе с высокой себестоимостью — 150 тыс. долл. США — делает его недоступным для массового применения [11].

HAL — Hybrid Assistive Limb (Cyberdyne, Япония) — предназначен для пожилых людей и инвалидов, испытывающих затруднения в передвижении. Общая масса конструкции — 23 кг, высота — 160 см. Кроме того, аккумуляторная батарея весит 10 кг, а время автономной работы (в условиях максимальной нагрузки) составляет 2,5 ч. Стоимость изделия — 4200 долл. США [12].

eLEGS (Ekso Bionics, США) — специальный гидравлический экзоскелет, предназначенный для пациентов с частично парализованными нижними конечностями. Конструкция позволяет им передвигаться с помощью костылей или специальных ходунков. В основе работы — интерфейс-аппаратно-программный комплекс, который использует естественное человеческое движение, чтобы безопасно перевести его в действие экзоскелета с помощью микрокомпьютера [13, 14].

Примером активного экзоскелета верхней конечности является проект студентов-инженеров из Университета Пенсильвании — это фрагмент экзо­скелета Titan Arm. Конструкция компактна, дешева в производстве (элементы экзоскелета напечатаны на 3D-принтере). Система питается от аккумуляторов, которые крепятся на спине, и приводится в действие с помощью кабелей и тросиков. Конструктивные особенности этого проекта находятся под патентной охраной и не представлены конкретными чертежами [15, 16].

Пассивные экзоскелеты нашли свое основное применение в военных целях.

В России фирмой «Транспортные шагающие системы» создан пассивный экзоскелет К-2, предназначенный для нужд военных и МЧС [17]. Данное устройство помогает человеку переносить тяжести (типа рюкзак, бронежилет, защита сапера, снаряжение пожарного) массой до 50 кг длительное время без больших усилий и нагрузки на собственный опорно-двигательный аппарат. Минимальные размеры и масса устройства (от 2 кг), эргономичность, неприхотливость в обслуживании делают его незаменимым помощником в длительных экспедициях, военных марш-бросках, в районах с чрезвычайной ситуацией. Основной материал, из которого сделан экзоскелет, — углепластик, обеспечивающий изделию большую прочность и малую массу. Также экзоскелет может использоваться при ранениях опорно-двигательного аппарата, позволяя человеку перемещаться на значительное расстояние с поврежденной нижней конечностью, вплоть до перелома, путем фиксации ее дополнительно бинтами или ремнями выше и ниже повреждения на устройст­ве К-2. При использовании экзоскелета К-2 человек получает дополнительную защиту нижних конечностей и позвоночника от механических повреждений. Разработчики этой системы отмечают также возможность ее применения у инвалидов с нарушением функ­ции нижних конечностей.

Группой российских ученых НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова создан действующий образец экзо­скелета пассивной модификации ExoAtlet P для солдат и спасателей МЧС, который позволяет человеку-оператору переносить большие грузы (70–100 кг). Модификация экзоскелета — ExoAtlet P-1 — создана для снятия нагрузки с бойцов при переноске штурмового щита. Конструкция данной версии экзоскелета снабжена устройством для фиксации и быстрого снятия щита, что крайне важно во время боевых действий. В качестве показаний для его использования предлагаются следующие ситуации [18–22]:

разбор завалов при аварийно-спасательных работах и ликвидация последствий стихийных бедствий или техногенных катастроф, выполнение операций пожаротушения при ограниченных запасах воздуха в дыхательных аппаратах;

строительные работы и решение задач, сопровождаемых переноской тяжелых грузов на большие расстояния;

разминирование и проведение антитеррористических мероприятий;

помощь людям с ограниченными физическими возможностями и транспортировка лежачих больных — пациенты получают возможность ходить, подниматься и спускаться по лестницам, садиться и вставать без посторонней помощи.

По мнению разработчиков, аппарат ExoAtlet P — это решение проблемы симбиоза человека и машины на уровне механо-тактильного взаимодействия. Это интеграция человека и робота [18].

В зарубежной литературе нам встретились следующие описания пассивных экзоскелетов.

Мягкий пневматический экзоскелет, созданный группой исследователей из университета Карнеги Меллон, Гарвардского университета, университета Южной Калифорнии, Массачусетского технологического института и разработчиком носимых датчиков BioScience. Он включает в себя гибкие искусственные мышцы, легкие сенсорные датчики и управляющее программное обеспечение. Изготовлен аппарат из мягкого эластичного полимера.

В настоящее время его можно носить лишь на голени, биологическая структура которой кропотливо воспроизведена в устройстве. В новом устройстве три цилиндрические искусственные мышцы соответствуют мышцам передней части голени и одна — задней. Искусственные сухожилия (стальные кабели) протянуты от концов этих мышц вниз к стопе и служат для перемещения лодыжки.

Обратная связь обеспечивается с помощью гипер­упругих тензометрических датчиков, расположенных на верхней и боковой части лодыжки. Каждый датчик состоит из резинового пласта, содержащего микроканалы, заполненные жидким проводником из металлического сплава. Форма этих каналов изменяется, когда эластичный материал растягивается или сжимается, тем самым изменяя электрическое сопротивление металла. Когда изменение сопротивления зарегистрируется, программное обеспечение может установить положение голеностопного сустава.

Подвижность обеспечивается благодаря гибким материалам, но гибкость создает и определенную проблему: такое устройство гораздо тяжелее контролировать, чем экзоскелет из привычных жестких материалов, поэтому и датчики здесь должны быть чувствительнее, и способы контроля — более точные. Лабораторные тесты показали, что устройство в состоянии передвигать лодыжками испытуемых в достаточном для нормальной ходьбы 27-градусном диапазоне движения. Но это только опытный образец, в настоящее время ученые пытаются усовершенствовать конструкцию так, чтобы пациентам с реальными проблемами подвижности было удобнее носить аппарат [23–25].

При использовании экзоскелетов подобного типа уменьшаются метаболические затраты, возникающие при ходьбе [26, 27], в связи с чем эти аппараты успешно используются при обучении ходьбе и возвращении утраченных функций у постинсультных больных и больных с реабилитацией после спинномозговой травмы [28–32].

Экспериментальная модель экзоскелета верхней конечности Exoskeleton Prototype 3 (EXO-UL3, Университет Калифорнии, США) благодаря приводам, управляемым нейронными сигналами самого владельца, позволяет перемещать конечность во всех плоскостях. Принцип работы такой системы заключается в следующем. Желание человека сместить куда-либо руку (плечо, кисть) машина обнаруживает благодаря неинвазивной поверхностной электромиографии — набору датчиков, снимающих биотоки, командующие мышцами. Естественную неуловимую глазом задержку между появлением первых миоэлектрических сигналов и фактическим началом движения той или иной мышцы компьютер использует, чтобы успеть вычислить предполагаемое смещение руки, применяя свою цифровую модель человеческой конечности (дополнительно задействуется обратная связь от датчиков фактической позиции и скорости частей машины). В результате приводы костюма-робота срабатывают абсолютно синхронно с сокращениями мышц и «давят» в ту сторону, в какую носитель аппарата желает согнуть свою руку. Однако система управления (биопорт) несовершенна [23–25]. Чувствительный к миотокам костюм способен повышать силу мышц конечностей у людей, страдающих нейродегенеративными заболеваниями, но, по мнению авторов, данная система нуждается в дальнейшей доработке [33]. Конструкции, аналогичные приведенной выше, были использованы и в работах других авторов. При этом они старались устранить целый ряд выявленных недостатков прототипа [34–36].

В настоящее время ведутся активные разработки, касающиеся различных аспектов восполнения фундаментальных знаний по экзоскелетам. В основном их можно сгруппировать по следующим направлениям:

исследование кинематических и биомеханических свойств новых аппаратов и создание на этой основе оптимальных принципов и схем их использования [17, 37–45];

создание методов определения системных параметров экзоскелета и контроля его работы, позволяющих разработчику оперативно и системно оценивать различные варианты конструкции исполнительного механизма в соответствии с выбранными критериями [46–48];

применение компьютерного анализа виртуальных топографо-анатомических сред при проектировании биомеханических систем [49–57];

создание и совершенствование принципиальных узлов и материалов экзоскелета, обеспечивающих его эффективную работу [58–66].

Наиболее востребованной, судя по описаниям авторов, ссылкам на ряд трудов этой группы ученых и длительности публикаций на эту тему, является разработка исследователей под руководством Тарика Рахмана из Университета штата Делавэр [33]. Данная конструкция получила название WREX — Wilmington Robotic Exoskeleton. Она ориентирована на детей со слабостью верхних конечностей и представляет собой подвижную систему поддерживающих соединений, которая устанавливается на активные суставы и мышцы ребенка с помощью специальной куртки-жилета и закрепляется обычно на инвалидной коляске. Движения конечности осуществляются с небольшим усилием. Конструкция позволяет выполнять движения с ограниченной амплитудой в трех измерениях.

Однако данная модель доступна только в США, а конструкция экзоскелета нуждается в постоянной адаптации его к анатомическим параметрам ребенка. Подробная конструктивная информация по данной разработке в опубликованных материалах не представлена, что делает ее реализацию без проведения дополнительных исследований практически невозможной [67, 68].

В России в настоящее время встречаются описания лишь единичных исследований по разработке экзоскелета для верхней конечности человека. Часть работ находится в стадии проектирования. Описана математическая модель экзоскелета руки человека, для которой решены прямая и обратная задачи кинематики, а также определена погрешность позиционирования устройст­ва в пространстве, зависящая от линейной и угловой погрешностей [69–71].

Авторами данного сообщения сформулированы клинико-анатомические критерии, предъявляемые к экзо­скелетам для людей с потерянными функциями верхней конечности. В доступной литературе мы не нашли такие требования. При разработке критериев мы исходили из строения и функций здоровой конечности. Для этого был проанализирован материал по активной и пассивной амплитуде движений верхней конечности у здорового человека в случае потери их при различных состояниях. Установлено, что для пациентов, имеющих выраженные ограничения активной подвижности в верх­них конечностях, необходимо создавать экзоскелет, который обладает объемом движений, приближенным к показателям здорового человека:

1) фрагменты конструкции должны повторять строение верхней конечности человека;

2) конструкция должна быть легкой и в то же время прочной;

3) экзоскелет должен изготавливаться из безопасных материалов;

4) должна существовать возможность замены элементов конструкции по мере роста ребенка;

5) цена должна быть доступна для массового потребителя;

6) модель не должна зависеть от источников питания;

7) экзоскелет должен обладать определенным объемом движений для крупных суставов, чтобы осуществлять привычные для жизнедеятельности двигательные акты.

При выполнении данных условий возможно создание конструкции экзоскелета, позволяющей осуществить как абилитацию и реабилитацию людей-инвалидов, так и их социальную адаптацию [72–74].

В настоящее время экзоскелет используется в основном для реабилитации и в меньшей степени — для абилитации [75], однако социальная значимость последнего направления заставляет уделять внимание при конструировании экзоскелета расширению его возможностей для адаптации инвалидов к повседневной жизни посредством восполнения функций, без которых человек не может самостоятельно существовать [72–74].

Использованию экзоскелетов верхней конечности посвящен целый ряд исследований, позволяющих представить область их возможного применения. В максимальном количестве работ подобного плана рассматривается лечение постинсультных параличей верхней конечности [76–86]. Гораздо меньшее число исследований посвящено реабилитации последствий спинномозговой травмы [87] и реабилитации при рассеянном склерозе [88], а в педиатрической практике — реабилитации верхней конечности при параличах, связанных с нарушением целостности плечевого сплетения при родах [89], и для восполнения хватательной функции кисти при параличе большого пальца кисти [90]. Однако вследствие новизны данного направления четких показаний к применению экзоскелетов верхней конечности не выработано.

Для наших разработок интерес представляли те случаи, где «ядром» клинической картины служит синдром двух/одностороннего верхнего вялого/смешанного паралича (пареза). Был создан перечень данных заболеваний [91–97]:

артрогриппоз — системное заболевание скелетно-мышечной системы, характеризующееся контрактурами и деформацией конечностей, недоразвитием суставов и мышц, а также фиброзом;

смешанные формы детского церебрального паралича;

невральная амиотрофия;

спинальная амиотрофия — группа генетических заболеваний, характеризующаяся поражением двигательных нейронов на уровне передних рогов спинного мозга;

плечевая плексопатия на фоне тромбоцитопенической пурпуры Шенлейна–Геноха, родовой травмы («акушерский паралич» при переломе ключицы), дополнительных шейных ребер (синдром «верхней апертуры грудной клетки»), опухоли Панкоста (опухоль верхушки легкого), неправильного положения верхней конечности во время наркоза при длительном течении операционного периода, гранулематозной васкулопатии, ассоциированной с вирусом Herpes zoster, экзогенной интоксикации дофамином;

синдром Гийена–Барре–Штроля — острая аутоиммунная воспалительная демиелинизирующая полирадикулонейропатия;

синдром Ларсена — наследственное заболевание, отличающееся множественными врожденными вывихами, характерным видом лица и скелетными аномалиями;

синдром Элерса–Данлоса (коллагенозы);

дистрофическая дисплазия;

различные формы врожденной миопатии — синдром «центрального стержня», немалиновая миопатия и другие варианты синдрома «вялого ребенка»;

миотоническая дистрофия;

атонически-астатическая форма детского церебрального паралича, смешанные формы детского церебрального паралича с преобладанием гипотонуса мышц конечностей.

Синдром верхнего вялого паралича встречается при многих заболеваниях и может служить причиной инвалидизации. Поскольку верхние конечности играют преобладающую роль в освоении окружающего мира, у пациентов c верхним вялым параличом утрачиваются функции социальной адаптации, невозможными становятся навыки самообслуживания, что вынуждает инвалидов всецело зависеть от посторонней помощи [98].

При всем многообразии этиологии верхнего вялого/смешанного паралича клиническая картина у таких пациентов в целом однотипна. Основными признаками симптомокомплекса, требующими применения экзоскелета, являются снижение силы мышц верхних конечностей; ограничение скорости, объема (амплитуды) движений в проксимальных и дистальных отделах верхних конечностей с преобладающим ухудшением в проксимальных отделах; сниженный мышечный тонус в проксимальных и дистальных отделах верхних конечностей либо наличие смешанного тонуса с преобладанием гипофункции; снижение или отсутствие сухожильных рефлексов с рук (сгибательно-локтевой, разгибательно-локтевой, карпорадиальный).

По данным Госкомстата, численность лиц, впервые признанных инвалидами, в 2013 г. в России составила 1 141 969 человек или 77,6 на 10 000 населения. Заболевания, приводящие к инвалидизации населения, отмечаются в любом возрасте, но особенно остро они ощущаются среди детей и подростков [99–104].

В данной ситуации растет актуальность разработки для пациентов с синдромом верхнего вялого пареза такого вида реабилитационного лечения, при котором будет осуществляться воздействие, дополняющее медикаментозную терапию, на обратную биологическую связь между центральным и периферическим отделом нервной системы, а значит, косвенно и на прямую связь.

Решение этой задачи во многом становится возможным благодаря инновационному направлению биоинженерии — конструированию и внедрению экзоскелетов верхней конечности [105–108].

Резюмируя вышесказанное, можно сделать следующие выводы.

1. Модели с активным принципом работы позволяют выполнять больший объем движений, однако зависимость от источников внешнего питания, дороговизна, массивность конструкции ограничивают их широкое применение, в том числе и в медицинских целях. Этих недостатков лишены пассивные экзоскелеты. Они не зависят от источников внешнего питания, следовательно, масса конструкции меньше, надежность гораздо выше. Стоимость пассивных устройств и их обслуживания гораздо ниже, чем их активных аналогов.

2. Большинство известных конструкций ориентированы на военную промышленность, материалы разработок скудно представлены в публичном доступе, часто попросту засекречены. При этом такие модели предназначены для здоровых людей (военнослужащих).

3. Актуальной задачей настоящего времени является разработка экзоскелетов с расширением их возможностей для адаптации инвалидов в повседневной жизни посредством восполнения утраченных функций.

Финансирование исследования. Работа выполнена за счет бюджетных средств Волгоградского государст­венного медицинского университета и Волгоградского медицинского научного центра.

Конфликт интересов. У авторов нет конфликта интересов.