35

Российская компания делает детский биоэлектрический протез

Большинство наших протезов — детские. Это механические протезы кисти и предплечья. С лета 2017 взрослые тестируют биоэлектрический протез Страдивари. В новом году мы начинаем разработку детского бионического протеза.

  •  © motorica.org

Что мы хотим учесть и над чем работаем:

  1. Проблемы и вызовы
  2. Что есть в России и мире
  3. Что могло бы быть (последние разработки — вживление, степени свободы, обратная связь)
  4. Дизайн
  5. Наше предложение

1. Проблемы и вызовы

  •  © motorica.org

Детский протез должен соответствовать возрасту ребёнка по размеру и весу. Вес, помноженный на рычаг гильзы, определяет степень усталости руки. При несоответствии параметров может заметно измениться осанка, появятся боли в позвоночнике и суставах. Масса протеза — это аккумулятор, моторы и приёмная гильза.

В существующих протезах аккумулятор находится в культеприемной гильзе. Чтобы не увеличивать ее, нужен аккумулятор меньшего размера и, соответственно, ёмкости. Можно рассмотреть вариант «горячей» замены аккумулятора (3-4 раза в день), применять тонкопленочные аккумуляторы или дождаться разработки графеновых аккумуляторов (а в перспективе и ядерной батарейки).

С моторами сложнее: мощные+лёгкие = дорогие, а мощность даёт скорость и силу сжатия. Допустим, поступимся силой. Ребёнок сможет выполнять рукой разные манипуляции, даже складывать жесты. Но поднять и удержать что-то тяжелое (хотя бы 2-3 кг) возможности уже не будет. Можно пожертвовать скоростью. Зато надежно и цепко. Тоже спорно. Медленно сгибать и разгибать кисть крайне не удобно, да и не высокотехнологично. Отсутствие дешевых мощных микродвигателей — ключевая проблема в разработке детского протеза. Лишь несколько компаний в мире занимаются разработкой таких двигателей, они применяются в авиации, марсоходах, медицинских роботах.

Вторая проблема — это стоимость и необходимость замены по мере роста ребёнка. Бионические протезы редко вписывают в программу детской реабилитации, несмотря на рекомендации специалистов. Замена гильзы потребуется уже через полгода-год. Модуль кисти станет заметно меньше второй руки через полтора-два года. Стоимость бионического протеза не может быть ниже 200 тыс руб (цена мотор-редукторов, индивидуальное изготовление гильзы). И получается, что такие расходы нужны будут регулярно. Как решить эту проблему?

Мотор-редукторы — их либо 6 (на каждый палец, на большой — два) и есть возможность управлять пальцами отдельно; либо один — тогда рука делает только схват в щепоть. По опыту взрослых пользователей, количество жестов не принципиально, но схват (даже один) должен быть надежным и быстрым.

Гильзы для протезов традиционно дорогие. По общим правилам, они состоят из 2 частей — внешней жесткой несущей гильзы, выполненной из слоистых пластиков или карбона, и внутреннего мягкого вкладыша из силикона или полиуретанов. Материалов и технологий изготовления достаточно много, у каждого есть свои преимущества и недостатки. Изготавливаются гильзы строго по слепку, даже если они предназначены для использования быстрорастущими детьми. Кроме того, постоянное ношение устройства, которое не совсем подходит, может быть болезненным и вызывает разочарование, вплоть до отказа от использования. Классический способ изготовления гильзы — гипс, каркас, смола и ламинирование:

©Видео с youtube.com

Стоит задача придумать гильзу, которая будет расти с ребенком и настраиваться индивидуально.Подходящим вариантом будет скелетная система с регулируемым компрессионным гнездом с закрывающим устройством для шнуровки. Эти гнезда расширяются для обеспечения быстро растущей конечности и позволяют использовать протез более длительный период времени между фитингами. Кроме того, скелетная гильза будет существенно легче.

©Видео с youtube.com

  •  © motorica.org

Другой путь решения проблемы — разделить 2 процесса. Гильза делается индивидуально раз в полгода, с соблюдением нового единогласного стандарта в части крепления кисти и размещения датчиков. А модуль кисти заменяется по мере роста ребенка раз в 1,5-2 года и используется повторно другим ребенком. При регулярном ТО модуль прослужит более 5 лет, при этом сохраняется внутренняя механика кисти с обновлением внешнего вида по желанию нового пользователя. Сейчас же после года использования дорогостоящие зарубежные протезы часто лежат на полке.

Третья проблема — хрупкость бионических протезов. Мало того, что они реагируют на влагу и магнитные поля, так и дети используют протез по-разному.

Макс катается на роликах, на хоккейных коньках. Носится, бегает, прыгает. Временами отцепляет руку и использует её как дубину. И тоже самое делают его друзья. Обычный пацан. Не уследить

  •  © motorica.org

Нам нужен прочный, либо ремонтопригодный протез, желательно влагоустойчивый и моющийся. Иначе протез будет использоваться только по особым случаям.

2. Что есть в России и мире

  •  © motorica.org

Протезирование рекомендуют с года, иногда даже полугода. К протезам верхних конечностей дети готовы, когда они начинают сидеть и использовать обе руки — в возрасте от 3 до 7 месяцев. Плюсы раннего протезирования — формирование привычки и симметричное развитие мышц верхнего плечевого пояса. Ребёнку в таком возрасте еще сложно справиться с активным протезом.

Косметические протезы — это подобие руки из телесного силикона или ПВХ. Хват такой рукой не сделать, но тяжесть, хоть и небольшая, создаёт нагрузку на мышцы, а ребёнок привыкает к правильным движениям рукой. Косметические протезы включают также в ИПРА детей старшего возраста. Функционала у такой руки нет, а неподвижная рука манекена выглядит довольно подозрительно, поэтому обычно протез не надевают.

Косметический протез получить просто. Налажено производство по типоразмерам. В региональных протезных предприятиях всегда можно бесплатно получить такой протез. При самостоятельном приобретении его стоимость составит 20-30 тыс. руб.

  •  © motorica.org

В Германии даже производят косметические протезы с полной детализацией — волоски на коже, акриловые ногти, — их стоимость от 100 000 руб.

Второй вид детских протезов — тяговые (активные). Протезы кисти работают за счёт движения лучезапястного сустава. Предплечья — локтя или другой руки. Плеча — за счёт мышц плечевого пояса. Согнул руку — пальцы сжались. Разогнул — выпрямились. Или наоборот. В соревнованиях Кибатлон и Кибатлетика тяговые протезы пока легко побеждают биоэлектрические. Тяговый протез проще в управлении. Нет задержки в реакции, есть возможность контролировать силу сжатия. При наличии сопротивления, когда предмет жёсткий, возникает своеобразная обратная связь. Минусы тяговых протезов, которые можно преодолеть в биоэлекрическом протезе, — это сила сжатия и потеря степени свободы в лучезапястном/локтевом/плечевом суставе.

Вернемся к тяговым детским протезам, которые есть в мире.

  •  © motorica.org

В Штатах распространены протезы-крюки. Между двумя металлическими частями можно зажимать различные вещи, управление по тяговому принципу.

©Видео с youtube.com

В протезных предприятиях России тяговые протезы традиционно делают пятипалыми и используют косметическую оболочку, схват кисти осуществляется за счет движения в локте или плечевом поясе.

  •  © motorica.org

Мы также делаем протезы антропоморфными, но дизайн при этом далёк от имитации здоровой руки. Протез позволяет выполнять схват в щепоть, держать небольшие предметы, есть регулировка силы и очередности сжатия пальцев.

  •  © motorica.org

Каждый протез оснащается дополнительно функциональными и игровыми насадками — для скакалки, телефона, столовых приборов, фонарика — и даже позволяют играть в компьютерные/мобильные игры.

©Видео с youtube.com

Тяговые детские протезы делают на open source площадках e-nable, open bionics и robohand.

  •  © motorica.org

Используется модель единой благотворительной площадки для конструкторов, владельцев 3D-принтеров и детей, которым нужен протез. В открытый доступ выложены файлы для печати элементов на бытовых FDM принтерах. Преимущества Open source в возможности сделать низкой стоимость изделия и привлечь к работе новых людей из других областей со всего мира. Именно robohand вдохновил нас в 2013 году. Из минусов — низкое качество, отсутствие полноценной технической поддержки, не учитываются сложные индивидуальные особенности культи и нет программы подготовки к протезированию и последующей реабилитации.

Отдельно стоит выделить специализированные «рабочие» протезы. Это протезы для выполнения определенной узкой задачи. Например, катание на велосипеде,стрельба из лука или занятия гимнастикой.

  •  © motorica.org

И, наконец, детские биоэлектрические протезы.Такие давно существуют. Реклама Electrohand 2000 от Оттобока в журнале 1989 года:

  •  © motorica.org

Протез хорошо зарекомендовал себя в использовании детьми, поэтому за 30 лет он почти не изменился:<

  •  © motorica.org

©Видео с youtube.com

Около 2 лет существует женский (он же детский) протез BeBionic. Его вес 390 г ( на 30% меньше стандартных взрослых моделей), длина 16,5 см. Такая рука может подойти подросткам. Рыночная цена — 1,5-2 млн руб. В прошлом году компанию Steeper (производитель BeBionic) приобрел Otto Bock, возможно, в скором времени путем коллаборации появится новый протез для детей.

  •  © motorica.org

Детская кисть есть также у Touch Bionics и довольно сильно похожих на них Vincent Systems. Стоимость протеза около 2-4 млн руб. Учитывая функциональные ограничения современных протезов — 2 миодатчика, ступенчатый выбор жеста, сложности крепления, низкая надежность, — такие расходы кажутся неоправданными.

  •  © motorica.org

И наш любимый биоэлектрический протез Lego. Его нельзя использовать в жизни, но интересны конструкторские решения.

©Видео с youtube.com

Коротко, можно выделить 4 класса изделий — косметические, механические, рабочие и миоэлектрические (бионические) протезы руки.

  •  © motorica.org
  •  © motorica.org
  •  © motorica.org
  •  © motorica.org

  •  © motorica.org
  •  © motorica.org

Благодаря множеству материалов в СМИ об очувствлении протеза и управлении силой мысли, кажется, что проблема уже давно решена, и, что используя open source, можно хоть сегодня заказать себе дешёвый, современный протез с полным функционалом.

  •  © motorica.org
  •  © motorica.org

На деле в США (госпиталь Шрайнерс, Лос-Анджелес) делают такие протезы:

  •  © motorica.org

И это на сегодня, пожалуй, самое функциональное решение для Вадима: тяговые протезы с двумя видами захватов — крюк и крокодил.

3. Что могло бы быть (последние разработки — вживление, степени свободы, обратная связь)

И всё-таки вернемся к Штатам и высоким технологиям. Учитывая технологические достижения последних 10-15 лет, очевидно, что протезы рук значительно отстают от возможностей нашего времени.

Интересные исследования ведутся во всем мире, но пока совсем рано говорить о массовом использовании: — инвазивные электроды для управления- очувствление протеза- появление новых степеней свободы- нейроинтерфейсы

Наиболее интересные и перспективные проекты :

DARPA MPL — остеоинтеграция, инвазивное управление, протез полной руки с максимально похожей кинематикой, виртуальное обучение

  •  © motorica.org

Протез плеча обладает 26 степенями свободы, 17 из которых моторизованы, т. е. должны управляться пользователем. Система управления таким протезом построена на реконструктивной хирургии и/или вживляемых в грудные мышцы датчиках.

©Видео с youtube.com

Для протеза предплечья и плеча разработчики остановились на поверхностных ЭМГ-электродах в протезе предплечья используются 4 электрода, в плече — 8. Электроды выполнены в виде браслета, который также содержит сборку инерциальных датчиков (гироскопы, акселерометры), что позволяет задавать режимы протезу в зависимости от движения руки в пространстве. Использование большего числа датчиков позволяет вычислять некоторые паттерны фантомных жестов, что существенно увеличивает количество программируемых хватов на 1 режим до 5-6 (вместо 1-2 у коммерческих протезов). Однако же большее число датчиков требует более тонкой настройки и вероятность сбоев и ложных распознаваний увеличивается. Кроме того стоит проблема жесткой фиксации датчиков, что делает использование браслета крайне неудобным (браслет сильно сдавливает руку).

OPRA Osseointegration — остеоинтеграция, инвазивное управление

  •  © motorica.org

Особенность протеза заключается в отсутствии культеприемной гильзы, вместо которой использован титановый штырь, вживленный в кость методом остеоинтеграции. Сложности существующих технологий остеоинтеграции заключаются в том, что среднее время жизни титановым имплантов — 5 лет, после чего требуется повторная операция по замене импланта.

LifeHand 2 — инвазивное управление, очувствление протеза (интеграция датчиков обратной связи с периферической нервной системой человека)

Главная цель исследований — создание двунаправленной биологической системы управления протезами. Т. е. одни и те же электроды должны считывать управляющие сигналы с периферических нервов культи, к которым подключены, а также передавать обратное воздействие от датчиков, расположенных в кисти.

©Видео с youtube.com

Следует понимать, что протезы из представленных трех проектов не коммерциализированы и находятся в стадии разработок, не доступны к установке. Но уже появилась компания, которая будет представлять протезы LUKE arm (DARPA).

В конструкции протеза DARPA использованы самые передовые военные и гражданские технологии (двигатели, аккумуляторы, материалы), из-за чего стоимость протеза превышает по самым скромным оценкам $100.000

Итак, что могло бы быть:

©Видео с youtube.com

4. Дизайн: use your difference

  •  © motorica.org

По нашему опыту, для детей важна не столько функциональность протеза, сколько его внешний вид (хотя для родителей — наоборот). Рука робота, чудо-гаджет, стильный аксессуар — это возможность показать, что быть особенным может быть интересно.

К антропоморфной форме есть много вопросов. Учитывая характер управления и наличие всего 2 каналов передачи информации (традиционные 2 мио датчика), наличие 5 пальцев излишне. Всё, что мы можем делать сейчас, это сгибать и разгибать кисть.Рука при этом может выглядеть так:

  •  © motorica.org

Или так:

  •  © motorica.org
  •  © motorica.org

Большинство протезов выглядят как обычная рука или, точнее, рука манекена. Традиционный путь в дизайне протеза — это иммитация кожи. И мы оказываемся в «Зловещей долине». Не хочется идти этим путем.

Дети гораздо толерантнее и, наверно, эксцентричнее взрослых, которые маскируют травму.

Протез как перчатка:

  •  © motorica.org

Или рука терминатора:

  •  © motorica.org

Для Mercedes-Benz Fashion Week в этом году мы делали 2 таких протеза:

  •  © motorica.org

©Видео с youtube.com

Интересны варианты, когда есть умная начинка и съемный каркас, который можно менять на свой вкус.

  •  © motorica.org

5. Наше предложение

Резюмирую и выскажу наши идеи.

Детский протез должен быть меньше, легче, прочнее. Тяговый протез — хорошо, но все хотят роборуку. Биоэлектрический протез позволит удерживать более тяжелые предметы и хорошо бы, чтобы он обладал большей маневренностью и возможностью жестикуляции.Протез при этом должен выглядеть круто. Железный человек, терминатор и Люк Скайуокер научили детей, что это вполне возможно. Альтернатива на сегодня — это косметические протезы, активные тяговые и биоэлектрический протез предплечья от Otto Bock (цена от 500 000 руб).

Что хотим сделать мы: доступный (вернее даже бесплатный по ИПРА) детский электронный протез, в первой версии схват будет один (в силу веса, стоимости и надежности), выглядеть он должен интересно, пока не решили как, спорим; будут съемные, заменяемые детали или даже весь корпус.

Функционал.

Попробуем выделить важное и возможное уже сегодня:

— держать предметы разной формы (пользоваться столовыми приборами, ручкой, печатать на клавиатуре, держать стилус для сенсорных экранов или сделать проводящую насадку на самом протезе)

— потоковая система управления: скорость и сила сжатия контролируются пропорционально силе сигнала, полученного от мышц- лучезапястный шарнир, который позволяет выполнять сгибание, разгибание и вращение. Такая гибкость при пользовании протезом позволит избавиться от компенсаторных движений руки и тела

— протез как цифровое устройство с функционалом смартфона.

Кроме того сейчас мы работаем над новой системой снятия сигнала с мышц руки.Планируем применить это и в детском протезе, использовать сразу 4 ЭМГ датчика нашей разработки, которые позволят распознавать до 10 жестов в режиме реального времени (для протеза предплечья). Такая система управления необходима для создания второй, более функциональной версии протеза. Она будет обладать не только достаточными силовыми характеристиками, но и выполнять определенный набор жестов.

Если Вы хотите присоединиться к разработке или у вас есть идеи по механизму, конструкции, дизайну протеза, опыт использования, приглашаем Вас в наш рабочий чат:

https://t.me/cyborgsamongus

Продолжим обсуждение в формате диалога.

Заключение

Детские протезы могут и должны быть удобнее, полезнее и ,наверно, забавнее, чем те, которые обычно используются сейчас.

Пока родители задаются вопросом: сможет ли их особенный ребенок сделать то, что делают другие — дети думают, как можно еще использовать новую «роборуку» и что бы в нее добавить.

Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен и сделайте вашу ленту объективнее!

Написать комментарий
Отмена
Для комментирования вам необходимо зарегистрироваться и войти на сайт,