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 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.
Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk
