Экзоскелет + нейроинтерфейс = новое качество жизни больного

Главным призом в конкурсе стартапов в рамках Startup Village был отмечен проект ExoAtlet. Его реализует московская компания «Экзороботикс». В основе проекта — запатентованные разработки ученых из Института механики МГУ, нацеленные на создание медицинского экзоскелета, устройства для реабилитации людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата и локомоторных функций. Один из лидеров команды — Александр Каплан, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов на биологическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова и научный руководитель сколковской компании «Инновационные технологии» (резидент биомедицинского кластера). Для профессора Каплана участие в экзоскелетном проекте стало естественным продолжением ведущихся в его лаборатории уже много лет — и успешных — работ в области интерфейсов мозг-компьютер. В интервью sk.ru г-н Каплан не исключил, что со временем коллектив, реализующий проект ExoAtlet, будет претендовать на статус резидента «Сколково»

— Принято считать, что экзоскелет — это совокупность разнообразных приводов, шарниров и датчиков. Каким образом в проекте используются нейрокомпьютерные наработки вашей лаборатории?

— В нашей лаборатории на основе технологии интерфейсов мозг-компьютер (ИМК) создается нейротренажер для реабилитации пациентов после инсульта или черепно-мозговой травмы. Суть его заключается в том, что с помощью технологии ИМК на основе регистрации и расшифровки электрической активности мозга обнаруживается намерение пациента выполнить движение парализованной конечностью. Формируется команда для экзоскелетной конструкции, которая тут же механически перемещает соответствующую конечность, например, сжимает кисть в кулак или, наоборот, разжимает пальцы.

Таким образом, возникает основа для тренировки конечности в условиях, когда поначалу она не может двигаться самостоятельно в ответ на намерения пациента. В этом состоит одна из стратегий восстановления двигательных функций конечностей у таких пациентов на основе ИМК, которая дает надежду на то, что оставшиеся неповрежденными после травмы или инсульта участки мозга в процессе тренировки как бы соберутся в новую композицию, ради восстанавливающегося движения, пусть поначалу чисто механического. Отсутствие таких тренировок чревато тем, что мозг со временем (как правило, в течение нескольких месяцев) оставит попытки наладить новую координацию для управления мышцами и паралич останется навсегда. Мы создаем нейротренажеры на основе хорошо проработанных в нашей лаборатории технологии ИМК и нами же изготовленных экзоскелетных конструкций для кисти руки.

На Startup Village был представлен прототип более сложного экзоскелета, который позволяет поднять на ноги человека с парализованными нижними конечностями. Это разработка Института механики МГУ. Экзоскелет не только позволяет инвалидам поддерживать вертикальное положение, но и содержит в себе основу для организации шагательных движений. При всей элегантности реализации механики экзоскелета, выполненных коллегами из   Института механики МГУ, проблемой оставалось управление экзоскелетом в зависимости от намерений испытуемого. Как передать эти намерения на экзоскелет? Вот здесь и получилось объединить интересы обеих лабораторий, что в итоге привело к созданию экзоскелета нижних конечностей, имеющих биометрический канал управления, напрямую от мозга пользователя.

Конечно, конструированием экзоскелетов нижних конечностей занимаются десятки лабораторий в мире. Отличительной чертой прототипа, продемонстрированного на Startup Village, является то, что он построен практически на чистой механике, без сложных электронно-механических сопряжений, требующих внесения в конструкцию множества обратных связей, сервоприводов и т.д. ,как это сделано, например, у экзоскелета из Новой Зеландии стоимостью 150 тысяч долларов.

Большинство демонстрируемых в мире экзоскелетов нижних конечностей действуют по принципу заводной машинки: нажали кнопку – устройство пришло в движение. Они в принципе не могут учитывать намерение человека. Например, человек хотел бы сменить темп ходьбы или вообще остановиться через несколько метров. Наиболее органично было бы расшифровывать команды мозга и подавать их на регуляторы экзоскелетной конструкции.

Объединение экзоскелета с нейрокомпьютерным интерфейсом в рамках проекта ExoAtlet позволит сделать экзоскелетные конструкции более практичными, более адаптивными и эргономичными для пользователя, так как он сможет силой своих намерений подстраивать параметры работы экзоскелета под свои нужды. Речь идет не только о восстановительном тренинге, но и новом состоянии психики, ведь пациент перестает быть прикован к больничной койке или инвалидному креслу и получает возможность фактически ходить рядом со здоровыми людьми.

— То, что вы рассказываете, это теоретические выкладки или практические достижения? Через вашу лабораторию уже прошли реальные пациенты? 

— Я бы сказал, что мы находимся на половине, а то и на одной трети пути. Экзоскелетные конструкции хорошо проработаны нашими коллегами по проекту из Института механики МГУ, опробованы на здоровых испытуемых и доказали высокую эффективность. Что до наших нейрокомпьютерных систем, то они испытаны на здоровых людях и также готовы к применению. Описанные во множестве научных статей результаты подтверждают, что мы можем регистрировать и расшифровывать намерения человека совершить то или иное движение на уровне мировых стандартов, с очень высокой надежностью — 85-90 процентов. С медицинской точки зрения для тренинга человека, который находится в больничной палате, это очень хорошие показатели.

Сейчас наша задача — соединить нейрокомпьютерную систему с экзоскелетной конструкцией, понять, какие параметры экзоскелета нужно корректировать силой намерения пользователя, создать этот биотехнический комплекс и адаптировать его для реальных пациентов. Для этого мы прямо сейчас набираем фокус-группы из людей, перенесших черепно-мозговые травмы и инсульты. Предполагаю, что на этап адаптации экзоскелетных конструкций к реальным пациентам уйдет примерно полгода.

Согласно заданию Минздрава, к концу 2015 года мы должны поставить в клинику опытные образцы нейротренажеров для оценки терапевтических эффектов новых технологий и контингентов пациентов, для которых эти технологии будут показаны.

Предварительные прикидки показывают, что стоимость таких конструкций будет сравнима с ценой традиционного терапевтического оборудования, которое закупают больницы и поликлиники.

— В свете этих планов 900 тысяч рублей, которые вашей команде принесла победа в конкурсе Startup Village, вряд ли будут лишними.

— Безусловно, это очень нужные сейчас деньги. Конечно, этой суммы не хватит для опытно-конструкторских работ, но это значительный вклад в дело объединения наших технологий в один реабилитационный комплекс. Эти деньги пойдут, в том числе, на оплату труда коллег с медицинской стороны и исследование терапевтического эффекта наших разработок.

— Чьей инициативой было участие команды, реализующей проект ExoAtlet, в Startup Village? 

— Коллег из Института механики МГУ, с которыми мы уже довольно давно сотрудничаем. Им хотелось рассказать об этом проекте широкой аудитории. Грант от «Сколково», которым были отмечены наши успехи в лаборатории нейрофизиологии и нейроинтерфейсов на биологическом факультете МГУ, длится уже третий год и близится к завершению, и мы фактически на выходе нейроинтерфейсных технологий. И вот сейчас логическое продолжение этой деятельности – объединение интерфейса мозг-компьютер с экзоскелетными конструкциями. Для продолжения работ совместно с Институтом механики мы планируем встроиться в новые сколковские программы. Отрадно, что уже сейчас мы получили поддержку от Фонда в виде главного приза Startup Village.

— Со временем проект ExoAtlet может стать резидентом «Сколково»?

— Мы рассчитываем на это, и участие в Startup Village было своеобразной пробой пера. Хотелось понять, как воспримут этот проект, особенно на фоне весьма достойных конкурентов, например, представлявших роботизированные тележки, хорошо проработанных роботов присутствия и так далее. Теперь, после победы в конкурсе, мы уверены, что надо двигаться к резидентству в «Сколково», чтобы иметь больше шансов реализовать проект. С нашей стороны все возможности для этого есть.

— Как бы вы оценили профессиональный уровень выступлений на Startup Village? C одной стороны, устроители создали максимально неформальную атмосферу, с другой, конференция собрала ведущих мировых ученых.

— Да, действительно, это был очень представительный форум. На сессии «Мозг и креативность», например, на главной сцене выступили ведущие ученые с мировым именем, поделившиеся реальными результатами своих исследований. Причем, что важно, форма изложения была доступной для большей части аудитории.

В павильоне биомедицинского кластера я вел круглый стол на тему об интерфейсах мозг-компьютер. Мне удалось собрать для круглого стола ученых — лидеров в соответствующих областях науки и практики. Получилось агрегировать довольно компактную и очень профессиональную команду.

Одним из выступавших был Михаил Лебедев из университета Дьюка в США. Именно там при непосредственном участии Михаила впервые были созданы компьютерные интерфейсы с вживленными в мозг обезьян электродами. Теперь же американцы предлагают проекты переноса технологии на человека. У таких инвазивных решений есть определенные перспективы. Мы в России серьезно отстаем в этой области, и мне хотелось, чтобы у аудитории была возможность узнать об успехах американских коллег из первоисточника. Михаил Лебедев рассказал не только об уже известных по научной литературе результатах свой лаборатории, но и поделился еще не опубликованными данными, свидетельствующими о том, что можно расшифровать паттерны движения обезьяны, чтобы наложить их на роботизированную руку или экзоскелетную конструкцию части тела.

Другим докладчиком был замдиректора НИИ им. Бурденко профессор Александр Потапов, рассказавший о ведущейся в России работе в области нейрохирургии, сопряженной с возможностью применения нейроинженерных технологий. Было приятно, когда профессор Потапов сообщил о намерении института испытать технологии нейрокомпьютерных интерфейсов для их использования при вживлении в мозг по медицинским показаниям электродов. Это очень перспективный путь для пациентов, находящихся в крайне тяжелом состоянии.

Отмечу и моего коллегу из МГУ Алексея Желтикова. Он физик и занят, в частности, разработкой новейших технологий формирования контактов с мозгом. Это совершенно новое направление — не электрического, а оптического контакта с мозгом на основе регистрации излучений мембран нервных клеток с помощью оптоволоконных приборов. До сих пор в этой области лидировали американцы из MIT. И вот теперь российский коллектив может самостоятельно разрабатывать оптоволоконные системы для организации большого числа контактов с мозгом, буквально тысячи контактов на одном оптоволокне. Это позволит расшифровывать намерения человека не только к крупным движениям целой конечности, но и к движениям, например, отдельных пальцев конечностей. Практическим результатом этих работ будут не только новые возможности в области разработки высокопроизводительных нейрокомпьютерных интерфейсов, но и новая парадигма познания механизмов мозга.

There are no comments

Add yours

Отменить ответ

Comment

Name

Email

Url

Введите код с картинки (CAPTCHA) *