Как модифицированное роботизированное протезирование может помочь решить проблемы с бедрами и спиной у людей с ампутированными конечностями

Исследователи разработали новый алгоритм, который сочетает в себе два процесса персонализации роботизированных протезных устройств, чтобы оптимизировать движение протезной конечности и — впервые — также помочь телу пользователя перейти к более естественной модели ходьбы. Новый подход может быть использован для восстановления и поддержания различных аспектов движения пользователя с целью решения проблем со здоровьем, связанных с ампутацией.

Статья «Обращение к Симбиоз человека и робота посредством двухуровневой оптимизации управления роботизированным протезом коленного сустава». опубликовано в журнале Транзакции IEEE в робототехнике.

«Алгоритмы, предназначенные для улучшения поведения роботизированных протезов, не новы, но это первый алгоритм, который также целостно улучшает физическое поведение человека, взаимодействующего с этими протезами», — говорит Варун Налам, соруководитель и соавтор статьи об этой работе.

«Когда у людей происходит ампутация выше колена, это влияет на то, как они двигают другими частями своего тела», — говорит Налам, доцент-исследователь Объединенного факультета биомедицинской инженерии Лампе в Университете штата Северная Каролина и Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл.

«Это может привести к болям в пояснице, проблемам с бедрами и так далее. Роботизированные протезы до сих пор были сосредоточены на замене движения отсутствующего сустава. Так, например, программное обеспечение, которое управляет поведением роботизированных протезов коленей, было сосредоточено исключительно на оптимизации движения протезного коленного сустава».

Как новый алгоритм улучшает движение

«Наша цель в этой работе заключалась в разработке нового алгоритма, который позволит нам делать две вещи», — говорит Налам. «Мы по-прежнему хотим убедиться, что протез коленного сустава функционирует правильно, но мы также хотим, чтобы тело пользователя двигалось так же, как и до ампутации. Это не только дает пользователю полный диапазон движений ноги, но также поможет избежать болей в пояснице, проблем с бедрами и т. д.».

Новое исследование основано на предыдущая работав ходе которого исследователи разработали интеллектуальную систему для «настройки» механических протезов коленей. Эта система позволяла пациентам комфортно ходить с протезом за считанные минуты, а не часы, необходимые, если бы устройство было настроено обученным практикующим врачом. Система была первой, которая полагалась исключительно на обучение с подкреплением для настройки роботизированного протеза.

«Эта работа позволила достичь оптимального управления протезом с помощью алгоритма обучения с подкреплением», — говорит Хелен Хуанг, старший автор статьи и заслуженный профессор биомедицинской инженерии семьи Джексонов в отделении суставов Лампе.

«Однако оно было сосредоточено исключительно на поведении протезов. В этой новой работе мы создали более раннюю систему с новым алгоритмом, который использует обучение с обратным подкреплением учитывать движение как протеза, так и человека, его использующего».

Тестирование с помощью датчиков и участников исследования

роботизированный протез колена включает в себя датчики для отслеживания его движения. В ходе тестирования концепции исследователи также сосредоточились на движениях бедер пользователя, которые отслеживались с помощью датчиков, подключенных к пользователю.

«Новый алгоритм по существу учитывает движение обоих суставов — протезного колена и бедра пользователя — и корректирует поведение протезного колена, чтобы помочь пользователю продемонстрировать естественное движение бедра», — говорит Налам.

«Хотя в этом исследовании мы сосредоточились на движении бедер, алгоритм также можно использовать, чтобы помочь пользователям с движением туловища, симметричной ходьбой или другими аспектами человеческой деятельности», — говорит Хуанг.

Для проверки нового алгоритма исследователи набрали пять участников исследования: двое участников были людьми, у которых была ампутация выше колена, трое участников не имели ампутации.

Все пять участников исследования выполнили серию задач с использованием роботизированного протеза колена в двух разных условиях. В первом случае колено управлялось с использованием программного обеспечения, включавшего только предыдущую систему контроля колена. Во втором случае программное обеспечение включило новую комбинацию алгоритмов.

Результаты и будущие направления

«Основной вывод заключался в том, что включение нового алгоритма улучшило диапазон движений бедер у всех пяти испытуемых, что демонстрирует, что он может иметь значение для здоровья бедер», — говорит Налам.

«Мы также обнаружили, что новый алгоритм изменил походку участников нашего исследования таким образом, что движения стали более естественными для пользователей. Например, они стали делать более длинные шаги при ходьбе».

«С практической точки зрения, следующие шаги включают работу с врачами, чтобы увидеть, как это повлияет на благополучие пользователей с течением времени», — говорит Хуанг. «Мы также заинтересованы в сотрудничестве с компаниями, производящими роботизированное протезирование, для изучения вопросов, связанных с включением этого подхода в их программное обеспечение».

«С точки зрения исследования мы заинтересованы в том, чтобы определить, как этот подход можно использовать для решения ряда проблем двигательного поведения человека», — говорит Налам.