WO2017106953A1 - Система и способ восстановления двигательной активности человека - Google Patents
Система и способ восстановления двигательной активности человека Download PDFInfo
- Publication number
- WO2017106953A1 WO2017106953A1 PCT/BY2016/000004 BY2016000004W WO2017106953A1 WO 2017106953 A1 WO2017106953 A1 WO 2017106953A1 BY 2016000004 W BY2016000004 W BY 2016000004W WO 2017106953 A1 WO2017106953 A1 WO 2017106953A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- motor
- space
- movement
- training
- exoskeleton
- Prior art date
Links
- 230000037023 motor activity Effects 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 69
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 121
- 238000012549 training Methods 0.000 claims abstract description 50
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 210000002346 musculoskeletal system Anatomy 0.000 claims abstract description 15
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 claims description 74
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 36
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 claims description 23
- 238000012800 visualization Methods 0.000 claims description 15
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 14
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 12
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims description 11
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 9
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 4
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 claims description 4
- 210000002640 perineum Anatomy 0.000 claims description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000002355 dual-layer Substances 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 7
- 208000012902 Nervous system disease Diseases 0.000 abstract description 5
- 208000025966 Neurological disease Diseases 0.000 abstract description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002643 kinesiotherapy Methods 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 21
- 230000006870 function Effects 0.000 description 15
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 15
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 12
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 12
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 11
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 11
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 10
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 9
- 230000009184 walking Effects 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 238000011161 development Methods 0.000 description 8
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 7
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 7
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 description 7
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 7
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 description 6
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 6
- 230000003416 augmentation Effects 0.000 description 5
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 5
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 description 5
- 208000019430 Motor disease Diseases 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 208000035475 disorder Diseases 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 4
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 4
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 4
- 208000016192 Demyelinating disease Diseases 0.000 description 3
- 208000018737 Parkinson disease Diseases 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 3
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 3
- 230000006742 locomotor activity Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 208000020339 Spinal injury Diseases 0.000 description 2
- 206010044565 Tremor Diseases 0.000 description 2
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 208000006111 contracture Diseases 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000002354 daily effect Effects 0.000 description 2
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 2
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000008450 motivation Effects 0.000 description 2
- 230000002232 neuromuscular Effects 0.000 description 2
- 201000008482 osteoarthritis Diseases 0.000 description 2
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 2
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 2
- 230000002980 postoperative effect Effects 0.000 description 2
- 210000001364 upper extremity Anatomy 0.000 description 2
- 206010003591 Ataxia Diseases 0.000 description 1
- 206010003830 Automatism Diseases 0.000 description 1
- 206010008072 Cerebellar syndrome Diseases 0.000 description 1
- 208000027205 Congenital disease Diseases 0.000 description 1
- 206010019909 Hernia Diseases 0.000 description 1
- 208000006083 Hypokinesia Diseases 0.000 description 1
- 208000001953 Hypotension Diseases 0.000 description 1
- 206010023230 Joint stiffness Diseases 0.000 description 1
- 125000000174 L-prolyl group Chemical group [H]N1C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[C@@]1([H])C(*)=O 0.000 description 1
- 208000001132 Osteoporosis Diseases 0.000 description 1
- 206010033892 Paraplegia Diseases 0.000 description 1
- 206010073211 Postural tremor Diseases 0.000 description 1
- 206010071390 Resting tremor Diseases 0.000 description 1
- 208000005250 Spontaneous Fractures Diseases 0.000 description 1
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 description 1
- 230000037396 body weight Effects 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 230000006931 brain damage Effects 0.000 description 1
- 231100000874 brain damage Toxicity 0.000 description 1
- 208000029028 brain injury Diseases 0.000 description 1
- 230000002490 cerebral effect Effects 0.000 description 1
- 206010008129 cerebral palsy Diseases 0.000 description 1
- 238000013070 change management Methods 0.000 description 1
- 210000000038 chest Anatomy 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 230000003412 degenerative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001687 destabilization Effects 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 230000009187 flying Effects 0.000 description 1
- 230000005021 gait Effects 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 230000003483 hypokinetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000036543 hypotension Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 201000001801 internuclear ophthalmoplegia Diseases 0.000 description 1
- 230000003155 kinesthetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 1
- 230000004899 motility Effects 0.000 description 1
- 210000000653 nervous system Anatomy 0.000 description 1
- 230000004770 neurodegeneration Effects 0.000 description 1
- 208000015122 neurodegenerative disease Diseases 0.000 description 1
- 206010029864 nystagmus Diseases 0.000 description 1
- 208000028780 ocular motility disease Diseases 0.000 description 1
- 206010030875 ophthalmoplegia Diseases 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 210000004197 pelvis Anatomy 0.000 description 1
- 230000037081 physical activity Effects 0.000 description 1
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000001144 postural effect Effects 0.000 description 1
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000008672 reprogramming Effects 0.000 description 1
- 230000000392 somatic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001148 spastic effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 210000000115 thoracic cavity Anatomy 0.000 description 1
- 230000008733 trauma Effects 0.000 description 1
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
- G16H20/00—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance
- G16H20/30—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance relating to physical therapies or activities, e.g. physiotherapy, acupressure or exercising
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
- A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
- A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
- A61H1/0255—Both knee and hip of a patient, e.g. in supine or sitting position, the feet being moved together in a plane substantially parallel to the body-symmetrical plane
- A61H1/0262—Walking movement; Appliances for aiding disabled persons to walk
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F4/00—Methods or devices enabling patients or disabled persons to operate an apparatus or a device not forming part of the body
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
- A63B23/00—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
- A63B23/00—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
- A63B23/035—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously
- A63B23/04—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously for lower limbs
- A63B23/0405—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously for lower limbs involving a bending of the knee and hip joints simultaneously
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
- A63B24/00—Electric or electronic controls for exercising apparatus of preceding groups; Controlling or monitoring of exercises, sportive games, training or athletic performances
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
- A63B24/00—Electric or electronic controls for exercising apparatus of preceding groups; Controlling or monitoring of exercises, sportive games, training or athletic performances
- A63B24/0003—Analysing the course of a movement or motion sequences during an exercise or trainings sequence, e.g. swing for golf or tennis
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
- A63B24/00—Electric or electronic controls for exercising apparatus of preceding groups; Controlling or monitoring of exercises, sportive games, training or athletic performances
- A63B24/0062—Monitoring athletic performances, e.g. for determining the work of a user on an exercise apparatus, the completed jogging or cycling distance
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
- G16H20/00—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance
- G16H20/40—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance relating to mechanical, radiation or invasive therapies, e.g. surgery, laser therapy, dialysis or acupuncture
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
- A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
- A61H2001/0211—Walking coordination of arms and legs
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
- A63B24/00—Electric or electronic controls for exercising apparatus of preceding groups; Controlling or monitoring of exercises, sportive games, training or athletic performances
- A63B24/0075—Means for generating exercise programs or schemes, e.g. computerized virtual trainer, e.g. using expert databases
Definitions
- the patient can choose the desired exoskeleton mode of operation, but for the device to start moving, the patient must lean forward and rearrange the crutches.
- the Re Walk exoskeleton some of which allow you to customize the device according to the patient’s growth and take into account the features of body folding.
- this device does not allow its use in cases of severe impaired motor activity, primarily associated with neurological diseases caused by brain damage, because there is no function of maintaining the patient's body in an upright position and in balance.
- a targeted effect on the motor activity of the whole organism in the Whole is not ensured, despite the fact that practically the entire musculoskeletal system is involved in the process of performing the “elementary” step.
- the automatic device of the Swiss company Hocoma AG made on the principle of an exoskeleton, which is used for the treatment of "paretic” or “semi-paretic” patients in combination with a treadmill.
- the device automatically moves the patient's legs along the treadmill and consists of driven and controlled bioprostheses that control the legs in accordance with the physiology of movements, a treadmill and a safety device [4].
- the knee and femoral nodes of bioprostheses contain drives.
- the bioprosthesis is stabilized in relation to the treadmill using stabilization means so that the patient does not have to maintain balance.
- the robotic complex Reo Ambulator of the Israeli company Motorika is organized and used to restore human motor activity [6].
- the complex used an exoskeleton with a unique design of sliding robotic orthoses, which allows the doctor to easily adjust them to the desired leg length and width of the patient's pelvis.
- hardware and software calculates the appropriate stride length depending on the patient’s height, which makes it possible to use ReoAmbulator for both children from 2.5 years old (90 cm) and adults (up to 202 cm).
- the special program “Walking Analysis” offers the patient a step pattern (tracks on the track), and the doctor teaches the patient to control his step, contributing to the development of the correct stereotype of movements.
- the complex can work in various training modes.
- afferent signals containing information about the actual course of motion should continuously arrive at the central nervous system, and then be processed into correction signals.
- special and methodically optimal sequences for the activation of mobile elements in unpredictable variants lead to activation of the receptors of the cerebellar pathways (and related brain structures responsible for coordination).
- the action of the above additional factors makes it necessary to continuously take into account information about the state of the motor apparatus and the direct course of movement. This information is called “feedback signals”.
- feedback signals The role of feedback signals in motion control, as well as in control tasks in general, was described by N. A. Bernstein long before the appearance of similar ideas in cybernetics.
- the controlled movable frame is provided with at least one additional element selected from the group including at least fixing and shock absorbing elements, as well as elements of individual adaptation.
- a controlled rolling frame can be provided with pelvic, chest and other fixators, as well as, for example, a shock-absorbing pillow mounted on a support.
- the means of fixing the initial position of the body in a suspended state can be performed separately with the possibility of supporting the upper body in the upper body and lower body in the crotch with the possibility of regulating the distribution of the percentage of fixation between the upper and lower parts.
- fixation provides a high degree of gravitational unloading of the patient in an optimal way (especially taking into account the possibility of automatic or automated calculation of the distribution of the fixation percentage), compensating for the load on the spine, which is especially important for the rehabilitation of patients with spinal injuries, etc.
- the training motor program is composed taking into account the dosing of the load and the complexity of the training movements from simple, performed lying or standing, and / or in such a way that the motor images form, complicating them from static and statodynamic to dynamic. it provides the possibility of continuous rehabilitation of patients from the very initial stages until the completion of the course.
- FIG. 10 algorithm for determining the elastic properties of the joints of the musculoskeletal system
- the design of the means 28, 29 can be chosen by any person skilled in the art, providing the ability to move each horizontal 26 and vertical 27 element relative to it the remaining elements 26, 27 in the direction of the three coordinate axes for the angular means 28 and two coordinate axes for the upper means 29 for adjusting the geometric parameters of the space to change the position of the orthope wild modules 3.
- these means 28, 29 may have a telescopic structure, as illustrated in FIG. 4 - FIG. 6.
- Electromechanical drives 7 from the subsystem of electromechanical drives are located on the external rigid stationary frame 6. In FIG. 4 part of electromechanical drives 7 is schematically depicted without being “tied” to horizontal 26 and vertical 27 elements to illustrate the possibility of placing any number of them practically at any “point” of the stationary frame 6.
- electromechanical drives 7 on horizontal 26 and vertical 27 elements through special fastening with hinged mechanisms provides the ability to change the angle between the corresponding element 26, 27 and directly elements of the electromechanical actuator 7, providing positioning of flexible communication 8.
- Flexible communications 8 and a controlled movable frame 2 in FIG. 4 - FIG. 6 conventionally not shown.
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Pain & Pain Management (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Surgery (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
Группа изобретений относится к медицине, а именно к восстановлению двигательной активности при неврологических нарушениях, заболеваниях опорно-двигательного аппарата. Система в виде роботизированного кинезитренажера представляет собой двухслойный экзоскелет: внешний жесткий стационарный каркас (СК) в виде объемной рамной конструкции и управляемый подвижный каркас (УПК) из кинематически связанных ортопедических модулей (ОМ), фиксируемых на соответствующих частях тела. Система содержит приводы, размещенные на СК и гибко связанные с ОМ, подсистему визуализации виртуальной реальности, согласованно функционирующую с экзоскелетом, программно-аппаратные средства управления изменением положения (ПАСУИП) каждого ОМ на базе компьютера с контроллером, средства обратной связи на базе датчиков физиологических показателей организма (ДФПО), где каждый ОМ и ДФПО связаны ПАСУИП через СК. Для восстановления движений формируют матрицы двигательных стереотипов (МДС) в виде индивидуального виртуального моторного образа, передают его через зрительный канал пациенту с сигналом на УПК для вызова движения соответствующей части тела, связывают МДС и событие, требующее двигательной реакции, передают пациенту его образ и сигнал на УПК для вызова этой реакции. Группа изобретений обеспечивает облегчение дозирования гравитационной нагрузки, сохранение индивидуального положения пациента в пространстве, выбранного направления перемещения, возможность тренировок в любом положении тела, пассивно и активно, адаптацию системы под конкретного пациента.
Description
Система и способ восстановления двигательной активности человека
Заявляемое изобретение относится к медицине, в частности к системе восстановления Двигательной активности человека, выполненной на базе роботизированного кинезитренажёра, содержащего полный управляемый экзоскелет человека. Изобретение относится также к способу восстановления двигательной активности человека, основанному на методиках адаптивной кинезитерапии. Заявляемые устройство и способ могут быть использованы для восстановления двигательной активности при заболеваниях, сопровождающихся двигательными нарушениями, в таких областях, как реабилитация (восстановительная медицина); травматология и ортопедия; неврология (детская неврология), нейрореабйлитация (послеоперационная реабилитация); гериатрия; спортивная медицина.
Идее экзоскелета - устройства, которое позволяет механически увеличить мышечную силу конечностей человека, уже несколько десятков лет. Изначально, эта идея была предложена военными, в первую очередь, для увеличения выносливости и боеспособности солдат и придания им супервозможностей. Подключение к разработке этой идеи гражданских специалистов позволило существенно расширить возможные сферы применения экзоскелетов - от создания специальных скафандров для работы в условиях перегрузки до применения в качестве устройства реабилитации пациентов, в частности, для восстановления функции ходьбы у людей с травмами и различными заболеваниями центральной нервной системы в целом. В настоящее время экзоскелеты для медицинского (реабилитационного) применения активно разрабатываются специалистами из Израиля, Швейцарии, Германии, США, России и некоторых других стран. В основном, разработка идёт в направлении экзоскелетов для отдельных конечностей, в частности кистей рук [1], и/или поясов конечностей - пояса нижних или пояса верхних конечностей. Экзоскелеты отдельных конечностей имеют очень узкую специфическую сферу применения - чаще всего их используют в качестве роботов- манипуляторов, хотя, в общем случае не исключена возможность их использования для восстановления двигательной активности конечности/ей, утраченной в результате травмы или неврологического заболевания.
Аналогичным образом, экзоскелеты поясов конечностей имеют ограниченную функциональность и могут быть использованы для восстановления двигательной активности только соответствующего пояса верхних или нижних конечностей. Так, известен экзоскелет израильской фирмы ARGO, который называется Re Walk - «ходить заново» - и представляет собой костюм, который пациент надевает на нижние
конечности и на пояс [2]. Сам экзоскелет представляет собой систему, которая объединена в одно целое и приводится в движение миниатюрными электромоторами, а также оснащена сенсорами, позволяющими устройству определить, чего хочет в данный конкретный момент пациент - идти, сесть, взбираться по лестнице и т.д. Питание устройства осуществляется через специальный аккумулятор, который носится на спине в специальном рюкзаке. Один заряд аккумулятора может обеспечить непрерывную работу экзоскелета в течение почти четырёх часов. Пациент может сам выбирать нужный режим работы экзоскелета, но чтобы устройство начало движение, пациент должен наклониться вперед и переставить костыли. На сегодняшний день существует несколько разработок экзоскелета Re Walk, некоторые из которых позволяют подгонять устройство по росту пациента и учитывать особенности сложения тела. Однако, данное устройство не позволяет применять его в случаях тяжёлых нарушений двигательной активности, прежде всего, связанных с неврологическими заболеваниями, обусловленными поражением головного мозга, т.к. отсутствует функция поддержания тела пациента в вертикальном положении и в равновесии. Кроме того, не обеспечивается целенаправленное воздействие на двигательную активность всего организма в Целом, несмотря на то, что в процесс выполнения «элементарного» шага вовлечён, практически, весь опорно-двигательный аппарат человека.
С учётом приведенного выше замечания большинство известных экзоскелетов пояса нижних конечностей используются, в основном, только в травматологии и ортопедии.
Известны также более сложные экзоскелеты, как например, EXOATLET [3], предназначенный для вертикализации и ходьбы пациента с локомоторными нарушениями нижних конечностей, подходящий пациентам очень широкого спектра заболеваний. В этом экзоскелете предусмотрена система управления, которая построена на сигналах силомоментных датчиков и электромиограммы. Алгоритмы управления позволяют осуществлять в автоматическом режиме передвижение пациента с повторением максимально естественного паттерна ходьбы человека, что позволяет существенно ускорить процесс восстановления двигательной И нервной активности. Несмотря на расширение возможностей использования данного экзоскелета, в частности возможности его использования для восстановления двигательной активности человека при различных неврологических заболеваниях, направленное воздействие, как и в описанных выше случаях, осуществляется только на пояс нижних конечностей. Кроме того, в рассматриваемом экзоскелете используемая «обратная связь, не обеспечивает достаточную «гибкость» экзоскелета в корректировке
различных характеристик передвижения пациента (угол подъёма ноги, скорость выполнения шага, возможность отведения ноги в сторону). Фактически, данный экзоскелет обеспечивает возможность выполнения пациентом только самых простых движений.
Описанные выше «частичные» экзоскелеты предпочтительно могут использоваться индивидуально вне специальных лечебных или реабилитационных учреждений и без постоянного контроля со стороны специалистов, т.к. обеспечивают человеку, прежде всего, мобильность и «маневренность» - возможность «самостоятельного» перемещения без использования инвалидных колясок и т.п. вспомогательных средств. С учётом особенностей использования таких экзоскелетов одним из предъявляемых к ним требований является сравнительно небольшая масса, что существенно сокращает возможности по расширению функциональных возможностей экзоскелета. Отсутствие постоянного контроля со стороны специалистов, а также достаточно ограниченная функция «обратной связи», предусмотренная в таких устройствах, не позволяет вносить корректировки в программу восстановления, что существенно снижает эффективность восстановления.
Более перспективными, с точки зрения эффективности восстановления двигательной активности и расширения области управляемого воздействия с охватом, практически, всего организма, представляются «полные» экзоскелеты.
Так, известно автоматическое устройство швейцарской фирмы Hocoma AG, выполненное по принципу экзоскелета, которое используется Для терапии «паретических» или «полупаретических» пациентов в комплексе с беговой дорожкой. Устройство автоматически передвигает ноги пациента по беговой дорожке и состоит из приводных и контролируемых биопротезов, которые управляют ногами в соответствии с физиологией движений, беговую дорожку и предохранительное устройство [4]. Коленный и бедренный узлы биопротезов содержат приводы. Биопротез стабилизирован по отношению к беговой дорожке с помощью средств стабилизации таким образом, что пациент не должен сам поддерживать равновесие.
Известен также усовершенствованный роботизированный комплекс LokomatPro для локомоторной терапии с расширенной обратной связью упомянутой швейцарской фирмы Hocoma AG [5]. Механическая часть комплекса представляет собой полный экзоскелет человека, сформированный управляемым подвижным каркасом, состоящим из кинематически связанных между собой соответствующих частям тела ортопедических модулей, выполненных с возможностью фиксации на соответствующих частях тела, и приводимых в движение подсистемой приводов.
Комплекс также содержит программно-аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля, выполненные на базе компьютера с контроллером с возможностью управляемой связи с каждым ортопедическим модулем через соответствующий привод. LokomatPro комбинирует функциональную локомоторную терапию с мотивацией и оценкой состояния пациента посредством расширенных инструментов обратной связи и виртуальной реальности. Интегрированная система обратной связи мониторирует походку пациента и визуально отображается в реальном времени, повышая мотивацию пациента и стимулируя его на активное участие. Для восстановления двигательной активности человека с использованием комплекса LokomatPro для каждого пациента с учётом диагноза, текущего физиологического состояния и т.д. составляют индивидуальную тренирующую двигательную программу восстановления и осуществляют формирование по заданной программе в центральной нервной системе двигательных стереотипов посредством принудительного соответствующего изменения положения в пространстве частей тела с использованием комплекса LokomatPro, включающей экзоскелет, связанный со средством управления на базе компьютера.
Аналогично описанной системе LokomatPro организован и используется для восстановления двигательной активности человека роботизированный комплекс Reo Ambulator израильской фирмы Motorika [6] . В комплексе использован экзоскелет с уникальной конструкцией раздвижных роботизированных ортезов, что позволяет врачу легко подстроить их под нужную длину ног и ширину таза пациента. При этом программно-аппаратные средства производят расчёт подходящей длины шага в зависимости от роста пациента, что дает возможность применять ReoAmbulator как для детей от 2,5 лет (90 см), так и для взрослых (до 202 см). Специальная программа «Анализ ходьбы» предлагает пациенту шаблон шага (следы на дорожке), а врач учит пациента контролировать свой шаг, способствуя выработке правильного стереотипа движений. Кроме того, комплекс может работать в различных режимах тренировок. Роботизированный (пассивный) режим применяется для пациентов неспособных к активному движению и формирует у них правильный стереотип ходьбы. При инициированном (активно-пассивном) режиме пациент начинает, а робот помогает ему закончить любое движение, даже если функционально пациент к этому в текущий момент не готов, продолжая формировать правильный стереотип ходьбы. Следующий, ускоряющий (активно-пассивный) режим мотивирует пациента постоянно прикладывать усилия, заставляя двигаться роботизированные ортезы, а робот подключается по мере необходимости. И, наконец, в активном (самостоятельном)
режиме заложена возможность не только движения вперёд, но и отработка боковых движений, движения назад, что помогает тренировать координацию пациента и моделировать ситуации, которые могут встретиться в повседневной жизни.
Как и в случае комплекса LokomatPro, реализуемый с его помощью способ восстановления двигательной активности человека включает составление индивидуальной тренирующей двигательной программы восстановления и формирование по заданной программе в центральной нервной системе Двигательных стереотипов посредством принудительного соответствующего изменения положения в пространстве частей тела с использованием комплекс eo Ambulator.
Одним из основных недостатков двух последних из описанных выше комплексов, несмотря на их высокий уровень автоматизации и адаптации к каждому пациенту, является недостаточное количество степеней свободы, обеспечиваемых отдельными ортопедическими модулями и экзоскелетом в целом. Это связано с особенностями конструкции ортопедических модулей и их существенной громоздкостью. Также, в рассматриваемых комплексах вертикализация пациента достигается за счёт системы «подвешивания» тела пациента, которая обеспечивает стабильность положения тела в вертикальном состоянии только за счёт веса тела. Однако, при выполнении движении, имитирующих ходьбу и неточном расчёте значения разгрузки массы тела возникает эффект дестабилизации положения тела, в частности, в зонах, соответствующих отдельным отделам позвоночника, что приводит к формированию ошибочного стереотипа движения (без учёта координации всех частей тела в процессе выполнения движения). Кроме того, в недостаточной степени в процесс формирования двигательных стереотипов вовлечены все каналы, доступные для получения человеком (пациентом) информации (в частности, зрительный канал и т.д.), и обратные связи комплекса. С учётом этого, прежде всего, принимая во внимание «слабые» обратные связи при реализации способа восстановления с использованием рассматриваемых комплексов, остаётся не решённой проблема эффективного формирования/восстановления у пациентов стереотипов сложных движений. Также конструкция отдельных ортопедических модулей и экзоскелета в целом не обеспечивают возможность проработки отдельных суставов.
Анализ уровня техники показал, что наиболее близким по совокупности общих технических признаков для заявляемый системы й способа восстановления двигательной активности человека является рассмотренный выше комплекс Reo Ambulator [6] и реализуемый с его использованием способ. Указанные комплекс
(система) и способ могут быть приняты в качестве прототипов для заявляемых в рамках данной заявки системы и способа восстановления двигательной активности человека.
Таким образом, задачей изобретения является создание системы восстановления двигательной активности человека, выполненной в виде роботизированного кинезитренажёра, содержащего полный экзоскелет человека, а также разработка способа восстановления двигательной активности человека с использованием такой системы. Система и способ должны иметь более высокую эффективность за счет повышения интенсивности восстановления двигательной активности, как в отдельных суставах, так и всей опорно-двигательного системы человека в отношении как простых, так и сложных движений. Система и способ должны обеспечивать также возможность реабилитации на самых ранних стадиях, при которых управляемая Дозированная «разработка» суставов и формирование двигательных стереотипов осуществляется у лежачих больных, т.е. в горизонтальном положении тела.
Поставленная задача решается заявляемой системой восстановления двигательной активности человека, выполненной в виде роботизированного кинезитренажёра, содержащего полный экзоскелет человека, сформированный управляемым подвижным каркасом, состоящим из кинематически связанных между собой соответствующих частям тела ортопедических модулей, выполненных с возможностью фиксации на соответствующих частях тела, и приводимых в движение подсистемой приводов, программно-аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля, выполненные на базе компьютера с контроллером с возможностью управляемой связи с каждым ортопедическим модулем через соответствующий привод, и средства обратной связи на базе, по меньшей мере, одного датчика, по меньшей мере, одного физиологического показателя организма человека. Поставленная задача решается за счёт того, что управляемый подвижный каркас кинематически связан с внешним жёстким стационарным каркасом, выполненным в виде объёмной рамной конструкции, определяющей пространство для изменения положения ортопедических модулей и формирующей совместно с управляемым подвижным каркасом двухслойный экзоскелет. На внешнем стационарном каркасе размещена подсистема электромеханических приводов, каждый из которых связан с соответствующим ортопедическим модулем посредством гибкой связи. Каждый ортопедический модуль и каждый датчик физиологического показателя организма человека связаны с программно-аппаратными средствами управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля через внешний стационарный каркас. Программно-аппаратные средства управления изменением
положения в пространстве каждого ортопедического модуля дополнительно содержат подсистему визуализации виртуальной реальности, выполненную с возможностью согласованного функционирования с подсистемой электромеханических приводов. Внешний стационарный каркас снабжён средством фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии с опорой в тазобедренной области и/илй в области верхней части туловища.
По существу, заявляемая система восстановления двигательной активности человека, выполненная в виде роботизированного кйнезитренажёра представляет собой тренирующий симулятор сложных движений человека - аппаратно-программный комплекс, осуществляющий индивидуально дозируемую (по двум функциональным разделам: «4-х ступенчатое дозирование физическими факторами» и «5-ти ступенчатое нейробиомеханическое дозирование») и динамически контролируемую симуляцию базовых движений человека. Реализация данной функции обеспечивается за счёт запускаемых моторных «программ-аугментаторов», представляющих собой разнообразные двигательные паттерны в виде «Assisby- оделей. Высокая эффективность реабилитации в части восстановления двигательной активности Достигается за счёт объединения программной и механической составляющих с системой визуализации виртуальной реальности в единый реабилитационный комплекс.
При этом механическая составляющая включает следующие элементы:
- полный экЗоскелет человека, сформированный управляемым подвижным каркасом, состоящим из кинематически связанных между собой соответствующих частям тела ортопедических модулей с подвесной системой;
- внешний жёсткий стационарный каркас, выполненный в виде объёмной рамной конструкции (гравитационная рама);
- подсистема электромеханических приводов.
Двухслойная конструкция экзоскелета, сформированная управляемый подвижным каркасом, кинематически связанным с внешним жёстким стационарным каркасом, обеспечивает возможность более эффективной индивидуальной адаптации экзоскелета под различные требования, существенно расширяя сферы применения (заболевания и состояния, при которых возможна реабилитация).
В составе программно-аппаратных средств, куда включена и система визуализации виртуальной реальности, предусмотрены:
- специфическая среда виртуальной реальности;
- визуализатор;
- персональный компьютер;
- контроллер.
В функциональном плане заявляемая система восстановления двигательной активности человека, выполненная в виде роботизированного кинезитренажёра, объединяет в себе ряд функциональных блоков, реализующих самостоятельные направления в системе современной кинезитерапии, а именно:
- андроидные механизмы - экзоскелет;
- аппаратно-программные средства восстановления шаговой локомоций;
- аппаратные средства для проведения механотерапии отдельных суставов;
- аппаратно-программные средства для проведения занятий по восстановлению мышечного тонуса;
- аппаратные массажёры.
Наличие гибких связей управляемого подвижного каркаса с внешним жёстким стационарным каркасом (поддерживающей гравитационной рамой), имеющей собственные электромеханические приводы (система гравитационного дозирования), позволяет реалйзовывать следующие функции:
- облегчение подъёма пациента;
- дозирование гравитационной нагрузки/разгрузки;
- сохранность определенного пространственного положения пациента и выбранных направлений для необходимого перемещения;
- средовая аугментация с перемещением по 6-ти степеням свободы (крен, тангаж и рысканье);
- перспективная связь с системой полноценной виртуальной реальности.
Под аугментацией в смысле изобретения следует понимать совокупность факторов способствующих усилению представлений о выполняемом действии. Аугментатором является искусственно трансформируемый средовой фактор, адаптирующий выполнение моторной задачи под индивидуальное пространство движения. По своей сути средовая аугментация предназначена для стабилизации системы восприятия, за счёт снижения скачков качественных параметров колебаний внешней среды.
Основная задача, которую позволяет решить заявляемая система восстановления двигательной активности человека, состоит в дозированном запуске сложных тренирующих движений от простых, выполняемых лежа и стоя, до более сложных, выполнение которых может осуществляться с внешней поддержкой и без неё. Наличие фиксирующих и амортизирующих элементов позволяет осуществлять тренировки в
безопасном режиме для нервно-мышечной и костно-суставной систем. Главная цель подобных тренировок - восстановление в мозге образа сложного движения, которое может выполнять тело - двигательного стереотипа. В свою очередь, основная цель двигательного стереотипа состоит в формировании автоматизма ходьбы, осанки, синергического распределения активности мышц различного назначения в поддерживании позы и двигательной активности.
При восстановлении двигательной активности следует принимать во внимание тот факт, что отсутствие движения в крупном суставе, в течение месяца приводит к практически полному стиранию представления об этом движении в мозге, в результате чего прекращается импульсация из головного мозга к этому суставу. Заявляемая система позволяет на самых ранних стадиях восстановления решить важную задачу, связанную с разработкой суставных контрактур (тугоподвйжности суставов) посредством СРМ-терапии (Constant Passive Motion), при этом, помимо мягкого дозирования нагрузки кинезитренажёр в различных формах реализации системы выполняет массаж и вибрационную активацию мышц, утративших способность к сокращению (вибрационная тренировка). Следующая задача, решение которой возможно благодаря кинезитренажёру - это проведение координаторной тренировки. Координаторная функция является основополагающей при выполнении сложного действия. Простое движение, например коленный рефлекс или отдергивание руки от огня, может произойти в результате прямого проведения моторных команд от центра к периферии. Но сложные двигательные акты, которые призваны решить какую-то задачу, достичь какого-то результата, так строиться не могут. Специалистам известно, что результат любого сложного движения зависит не только от собственно управляющих сигналов, но и от целого ряда дополнительных факторов, которые вносят отклонения в запланированный ход движения, сами же не поддаются предварительному учету. В результате окончательная цель движения может быть достигнута, только если в него будут постоянно вноситься поправки, или коррекции. А для этого центральная нервная система (ЦНС) должна знать, какова реальная судьба текущего движения. Иными словами, в ЦНС должны непрерывно поступать афферентные сигналы, содержащие информацию о реальном ходе движения, а затем перерабатываться в сигналы коррекции. В рамках заявляемой системы и заявляемого способа, который подробно будет рассмотрен ниже, специальные и методически оптимальные последовательности активации подвижных элементов в непредсказуемых вариантах приводят к активации рецепторов проводящих путей мозжечка (и связанных с ним структур головного мозга, ответственных за координацию).
Действие упомянутых выше дополнительных факторов обусловливает необходимость непрерывного учёта информации о состоянии двигательного аппарата и о непосредственном ходе движения. Эта информация получила название «сигналов обратной связи». Роль сигналов обратной связи в управлении движениями, как и в задачах управления вообще, Н. А. Бернштейн описал задолго до появления аналогичных идей в кибернетике. Тезис о том, что без учета информации о движении последнее не может осуществляться, имеет веские фактические подтверждения. При этом «сигналы обратной связи» при выполнении движения важно получать не только специалисту, проводящему реабилитацию, но и самому пациенту, как было указано выше. Одним из наиболее эффективных каналов передачи «сигналов обратной связи» пациенту является визуальный канал. Для этих Целей в заявляемой системе программно-аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля дополнительно содержат подсистему визуализации виртуальной реальности, выполненную с возможностью согласованного функционирования с подсистемой электромеханических приводов и визуального воспроизведения движения для пациента.
В предпочтительных формах реализации заявляемой системы подсистема визуализации виртуальной реальности содержит, по меньшей мере, один визуализатор, при этом программно-аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля дополнительно содержат блок формирования связанной с визуализатором, по меньшей мере, одной специфической среды виртуальной реальности для создания моторных образов движений.
Используемый в рамках настоящего описания термин «специфическая среда виртуальной реальности» подразумевает под собой блок программно-аппаратных средств, обеспечивающих формирование в головном мозге иллюзии (пространственного образа) правильного движения, т.е. формирование «двигательного стереотипа» на базе «моторного образа движений». При этом мозг воспринимает данную иллюзию как полноценное движение.
В также предпочтительных формах реализации заявляемой системы восстановления вигательной активности человека каждый ортопедический модуль может быть выполнен с возможностью проведения механотерапии отдельных суставов. Понятие «механотерапия отдельных суставов» основано на классическом значении понятия «механотерапия», но при этом «механотерапия» может проводиться в индивидуальном для каждого сустава режиме (интенсивность нагрузки, угловой диапазон движений и т.п.), задаваемом в автоматическом или автоматизированном
режиме программно-аппаратными средствами управления изменением положения в пространстве соответствующего ортопедического модуля, в том числе, на основании анализа и обработки данных, поступающих от средств обратной связи. Кроме того, ортопедические модули могут быть выполнены с возможностью передачи на соответствующие части тела вибрационных и/или массирующих воздействий. Это, как уже было упомянуто выше, позволяет проводить вибрационную тренировку, начиная с самых ранних стадий восстановления, решая тем самым важную задачу, связанную с разработкой суставных контрактур посредством СРМ-терапии.
Также предпочтительными являются формы реализации заявляемой системы, в которых управляемый подвижный каркас снабжён, по меньшей мере, одним дополнительным элементом, выбранным из группы, включающей, по меньшей мере, фиксирующие и амортизирующие элементы, а также элементы индивидуальной адаптации. Так, в управляемом подвижном каркасе могут быть предусмотрены тазовый, грудной и другие фиксаторы, а также, например, амортизирующая подушка, установленная на опоре.
В предпочтительных формах реализации заявляемой системы кинематическая связь между ортопедическими модулями может быть обеспечена электромеханическими узлами. Электромеханические узлы, в общем случае, могут быть реализованы на базе электродвигателей, связанных с рычагами, установленными между ними. При этом, в общем случае, каждый электромеханический узел соответствует определённому модулю - бедренному, коленному и т.д., и кроме электродвигателя может содержать связанные с двигателем или валом привода различные датчики (угла поворота, температуры двигателя и т.д.) и установленный на валу привода редуктор. В зависимости от конкретного модуля между рычагами может быть предусмотрено шарнирное соединение.
Как уже было упомянуто выше, существенным для заявляемой системы является наличие в средстве фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии опоры для тела в тазобедренной области. При этом, предпочтительно, предусмотрена опора нижней части тела в области промежности. Такое выполнение средства фиксации исходного положения тела, с учётом упомянутого выше предпочтительного наличия амортизирующего элемента - амортизирующей подушки, установленной на опоре, обеспечивает не только более комфортное состояние пациента, но и абсолютно стабильное вертикальное положение тела пациента в процессе выполнения движений, обеспечиваемое без дополнительных усилий со стороны самого пациента, что особенно важно на начальных стадиях реабилитации.
В альтернативных предпочтительных формах реализации заявляемой системы средство фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии может быть выполнено с возможностью опоры верхней части тела в области верхней части туловища, например, в области подмышечных впадин. Как и в описанной выше форме реализации здесь также предпочтительно наличие амортизирующих элементов - амортизирующих подушек, установленных на подмышечных опорах.
В также альтернативных предпочтительных формах реализации заявляемой системы средство фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии может быть выполнено отдельно с возможностью опоры верхней части тела в области верхней части туловища и нижней части тела в области промежности с возможностью регулирования распределения процента фиксации между верхней и нижней частями. Такая фиксация обеспечивает высокую степень гравитационной разгрузки пациента, оптимальным образом (особенно с учётом возможности автоматического или автоматизированного расчёта распределения процента фиксации), компенсируя нагрузку от веса тела на позвоночник, Что особенно важно для реабилитации пациентов со спинальными травмами и т.п.
Также предпочтительными являются формы реализации заявляемой системы восстановления двигательной активности, в которых средства фиксации тела снабжены амортизационными узлами, усиливающими пассивное приведение части тела по направлению, по меньшей мере, к одной точке жёсткого стационарного каркаса. Средства фиксации с амортизационными узлами в сочетании с гибкими, и возможно эластичными, связями позволяют осуществлять комфортное для пациента «управление» его движениями по принципу «марионетки» с обеспечением достаточного числа степеней свободы, что способствует повышению ощущения реальности и естественности движения, выполняемого под «управлением» ортопедических модулей экзоскелета.
Также предпочтительными формами реализации заявляемой системы восстановления двигательной активности являются те, в которых программно- аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля выполнены с возможностью дистанционной записи и/или корректировки программы согласованного функционирования подсистемы визуализации виртуальной реальности и подсистемы электромеханических приводов. В общем случае, экзоскелет может программироваться дистанционно (через интернет), либо непосредственно в присутствии пациента на месте расположения кинезитренажёра. При дистанционном программировании (мод «Удаленный тренер»)
предусмотрено дистанционное получение полной информации, как о процессе выполнения поставленных задач, так и об оценке качественных параметров тренировок, исходя из чего можно осуществлять своевременную корректировку настроек кинезитренажера. При программировании непосредственно на месте расположения кинезитренажера (мод «Виртуальный тренер») регулировка тренировочной программы кинезитренажера происходят автоматически - программа самостоятельно меняет дозировку и режим тренировки. Может быть предусмотрена также функция «Индивидуального дозирования», которая позволит пациенту регулировать тренировочные нагрузки самостоятельно, исходя из полученных рекомендаций специалистов, что особенно важно для форм реализации заявляемой системы для индивидуального использования в домашних условиях.
В ряде предпочтительных форм реализации заявляемой системы восстановления двигательной активности человека, в частности, для реализации упомянутой выше функции «Индивидуального дозирования», программно-аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля дополнительно могут содержать модуль управления в виде манипулятора, выполненного с возможностью самостоятельного ручного управления тренирующимся изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля.
Поставленная задача решается также заявляемым способом восстановления двигательной активности человека, включающим составление индивидуальной Тренирующей двигательной программы восстановления и формирование по заданной программе в центральной нервной системе двигательных стереотипов посредством принудительного соответствующего изменения положения в пространстве частей тела с использованием системы восстановления двигательной активности человека, включающей экзоскелет, связанный со средством управления на базе компьютера. Поставленная задача решается за счёт того, что в качестве системы восстановления двигательной активности человека используют описанную выше заявляемую систему. При этом восстановление проводят в два этапа. На первом этапе создают изначально или восстанавливают в ЦНС устойчивые матрицы двигательных стереотипов. При этом дополнительно в соответствии с индивидуальной тренирующей двигательной программой формируют моторный образ, по меньшей мере, одного виртуального движения, который визуализируют и передают через зрительный канал в ЦНС тренирующегося с параллельной передачей управляющего воздействия, соответствующего этому движению, на управляемый подвижный каркас экзоскелета, принудительно приводящий в движение, по меньшей мере, одну соответствующую
часть тела с многократным повторением. На втором этапе восстанавливают связи между окружающими событиями и восстановленными матрицами двигательных стереотипов в качестве реакций на указанные события. При этом формируют моторный образ, по меньшей мере, одного виртуального события, требующего ответной двигательной реакции, который визуализируют и передают через зрительный канал в центральную нервную систему тренирующегося с последующей передачей управляющего воздействия, соответствующего двигательной реакций, на управляемый подвижный каркас экзоскелета, принудительно приводящий в движение, по меньшей мере, одну соответствующую часть тела с многократным повторением. При этом на каждом этапе контролируют состояние тренирующегося, в частности состояние опорно-двигательного аппарата, посредством средств обратной связи.
Заявляемый способ восстановления двигательной активности человека положен в основу нового научного направления, обозначенного как «адаптивная кинезитерапия», направленного на повышение социальной адаптации лиц с ограниченными двигательными возможностями посредством осуществления нейросенсорного перепрограммирования в их системе управления пространственной ориентацией. Под адаптивной кинезитерапией понимается метод восстановительной терапии двигательных нарушений, основанный на формировании аугментированных «жёстких матриц» двигательных стереотипов, предназначенных для эффективного пространственного ориентирования (использования внешнего пространства). В процессе выполнения тренировочных движений, поступающая в мозг и согласованная во времени информация от сложного рецепторного аппарата, интегрируется с информацией от среды виртуальной реальности, что приводит к иллюзорному представлению (иллюзии) выполнения реального движения происходящего в среде виртуальной реальности. При этом, организованный в соответствии с заявляемым способом тренировочный/реабилитационный процесс обеспечивает формирование у пациента ряда базовых двигательных стереотипов в виде «жёстких матриц», произвольная комбинация которых позволяет изменять структуру двигательного навыка пациента: в форме программирования нового умения либо его коррекции.
В различных предпочтительных формах реализации заявляемого способа восстановления двигательной активности тренирующую двигательную программу составляют с учётом дозирования нагрузки и усложнения тренирующих движений от простых, выполняемых лежа или стоя, и/или таким образом, что моторные образы формируют, усложняя их от статических и статодинамических до динамических. Это
обеспечивает возможность непрерывной реабилитации пациентов с самых начальных стадий до завершения курса.
Дозирование тренировочной нагрузки, предпочтительно, осуществляют на основе результатов предыдущих тренировок и текущей, в том числе, и динамической (определяемой в процессе тренировки) оценки упруго-эластичных свойств активных структур опорно-двигательного аппарата тренирующегося в автоматическом либо ручном режиме. Такой, в общем, традиционный подход к дозированию нагрузки в рамках заявляемого способа позволяет оптимизировать в автоматическом или автоматизированном режиме тренирующую двигательную программу для каждого пациента индивидуально в соответствии с его текущим соматическим состоянием.
В заявляемом способе восстановления двигательной активности на более поздних стадиях реабилитации в различных формах реализации способа для формирования двигательных стереотипов более сложных движений, связанных с рядом особых ограничений, тренирующую двигательную программу, предпочтительно, составляют:
- с учётом ограничений пространства движения за счёт виртуального компонента который, ориентирует виртуальное движение в сторону ограничения пространства движения, формируя таким образом в ЦНС пациента представление о потенциальной готовности опорно-двигательного аппарата к использованию данного участка пространства движения;
- с учётом ограничений пространства движения за счёт управляемого подвижного каркаса экзоскелета, посредством которого ориентируют тренируемое движение в сторону ограничения пространства движения, таким образом, формируют в ЦНС пациента представление о потенциальной способности опорно-двигательного аппарата к использованию данного участка пространства движения;
- с учётом ограничений пространства движения за счёт виртуального компонента и управляемого подвижного каркаса экзоскелета, которые совместно усиливают матрицу движения, ориентированного в сторону ограничения пространства движения.
Также предпочтительными являются формы реализации заявляемого способа восстановления двигательной активности, в которых обеспечивают активную тренировку с преодолением сопротивления амортизационных узлов, усиливающих пассивное приведение части тела, за счёт произвольного перемещения части тела, по меньшей мере, в одном направлении матрицы двигательных стереотипов.
Упомянутые выше и другие достоинства и преимущества заявляемых системы и способа восстановления двигательной активности человека будут рассмотрены далее со ссылками на позиции фигур чертежей, на которых представлены некоторые возможные
предпочтительные, но не ограничивающие формы реализации заявляемой системы в целом и отдельных её составных частей, а также на некоторых не ограничивающих примерах реализации способа восстановления.
На чертежах, в частности, схематично представлены:
Фиг. 1 - общий вид заявляемой системы в одной из форм реализации (с пациентом);
Фиг. 2 - экзоскелет (управляемый подвижный каркас) в одной из возможных форм реализации в виде сзади (с пациентом);
Фиг. 3 - экзоскелет в виде сбоку (с пациентом);
Фиг. 4 - внешний жёсткий стационарный каркас в одной из возможных форм реализации в общем виде (с пациентом);
Фиг. 5 - каркас по Фиг. 4 в виде сбоку;
Фиг. 6 - каркас по Фиг. 4 в виде снизу;
Фиг. 7 - схема реализации принципа «программирования моторики» заявляемого способа;
Фиг. 8 - схема реализации принципа «управления моторикой» заявляемого способа;
Фиг. 9 - упрощённая функциональная блок-схема программно-аппаратных средств;
Фиг. 10 - алгоритм определения упруго-эластичных свойств сочленений опорно- двигательного аппарата;
Фиг. 1 1 - алгоритм автоматического подбора упражнений, выполняемых с опорой на две ноги (двухопорные упражнения) и на одну ногу (одноопорные упражнения).
На Фиг. 1 схематично представлен общий вид одной из форм реализаций заявляемой системы восстановления двигательной активности человека с пациентом. Система выполнена в виде роботизированного кинезитренажёра, содержащего полный экзоскелет человека 1. Экзоскелет сформирован управляемым подвижным каркасом 2, состоящим из кинематически связанных между собой соответствующих частям тела ортопедических модулей 3. Ортопедические модули 3 снабжены фиксаторами 4 для фиксации на соответствующих частях тела и приводятся в движение подсистемой приводов (на Фиг. 1 позициями не обозначены). Система содержит также программно- аппаратные средства 5 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3, выполненные на базе компьютера с контроллером (на чертежах позициями не обозначены) с возможностью управляемой связи с каждым ортопедическим модулем 3 через соответствующий привод. Система содержит также
средства обратной связи на базе датчиков (на Фиг. 1 позициями не обозначены) физиологических показателей организма человека 1. Управляемый подвижный каркас 2 кинематически связан с внешним жёстким стационарным каркасом 6, выполненным в виде объёмной рамной конструкции, определяющей пространство для изменения положения ортопедических модулей 3 и формирующей совместно с управляемым подвижным каркасом 2 двухслойный экзоскелет. На внешнем жёстком стационарном каркасе 6 размещена подсистема электромеханических приводов 7, каждый из которых связан с соответствующим ортопедическим модулем 3 посредством гибкой связи 8, Каждый ортопедический модуль 3 и каждый датчик физиологического показателя организма человека 1 связаны с программно-аппаратными средствами 5 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3 через внешний стационарный каркас 6. Программно-аппаратные средства 5 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3 дополнительно содержат подсистему визуализации виртуальной реальности, выполненную с возможностью согласованного функционирования с подсистемой электромеханических приводов. Двухслойный экзоскелет снабжён средством 9 фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии с опорой в тазобедренной области и/или в области верхней части туловища. Каждый ортопедический модуль 3 выполнен с возможностью проведения механотерапии отдельных суставов.
На Фиг. 2 схематично представлен экзоскелет - управляемый подвижный каркас 2 в одной из возможных форм реализации в виде сзади, а на Фиг. 3 - в виде сбоку. Ортопедические модули 3 (бедренный, коленный и т.д.) кинематически связаны между собой посредством электромеханических узлов 10, реализованных на базе электродвигателей 1 1 , связанных с соответствующими рычагами 12. Ортопедические модули 3 (бедренный, коленный и т.д.) могут быть выполнены с возможностью передачи на соответствующие части тела вибрационных и/или массирующих воздействий. Соответствующие средства на чертежах детально не представлены, но специалисты в данной области техники могут реализовать данную функцию с использованием доступных подходящих блоков и устройств.
Управляемый подвижный каркас может быть снабжён дополнительными фиксирующими и амортизирующими элементами, а также элементами индивидуальной адаптации. В представленной на Фиг. 2 и Фиг. 3 в качестве примера конструкции управляемый подвижный каркас 2 снабжён тазовым фиксатором 13 и амортизирующей подушкой-седлом 14, размещённой на опорной части 15 вертикальной опорной рамы
16 с подвесной системой 17. Амортизирующими могут быть выполнены, например, и коленный, бедренный модуль и т.д. Опорная часть 15 вертикальной опорной рамы 16, как составная часть средства фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии, обеспечивает возможность опоры нижней части тела в области промежности. В то же время, в общем случае, специалистами в данной области техники также могут быть реализованы средства фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии с возможностью опоры верхней части тела в области верхней части туловища, например, в области подмышечных впадин. Причём на опорных (горизонтальных) участках таких средств могут быть предусмотрены амортизирующие подушки. Аналогичным образом, могут быть реализованы средства фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии с возможностью опоры верхней части тела в области верхней части туловища и нижней части тела в области промежности с возможностью регулирования распределения процента фиксации между верхней й нижней частями, как правило, в автоматизированном или автоматическом режиме посредством программно-аппаратных средств 5. Также могут быть реализованы средства фиксации тела, снабженные амортизационными узлами, усиливающими пассивное приведение части тела по направлению к заданной/ым точке/ам жёсткого стационарного каркаса 6.
В качестве элементов индивидуальной адаптации могут быть предусмотрены, например, регулируемые по длине рычаги 12, регулируемые по величине обхвата фиксаторы 4 ортопедических модулей 3, регулируемый по ширине обхвата тазовый фиксатор 13 и т.д. Все эти элементы могут быть выбраны специалистами в данной области техники из известных в уровне техники или разработаны для использования в каждом конкретном экзоскелете в зависимости от его общей конструкции, условий использования и т.д.
Ортопедические модули 3 (коленный, бедренный и т.д.) для обеспечения выполнения анатомически правильных управляемых движений, кроме электродвигателей 1 1 , содержат также вал 18 привода, редуктор 19, датчик 20 угла поворота вала 18 привода, датчик 21 температуры электродвигателя 1 1 и т.д. Рычаги 12 ортопедических модулей 3 связаны между собой механическими передачами, например шарнирами 22.
Медицинский ортез 23, который надевается на пациента, крепится в определённых точках 24 к элементам управляемого подвижного каркаса 2, например к вертикальной опорной раме 16 и т.п. Медицинский ортез 23, как правило, снабжён встроенными датчиками физиологических показателей организма человека 1 (датчик
температуры, датчик давления, датчик частоты сердечных сокращений и т.д.), которые на чертежах не представлены. Указанные датчики размещаются в медицинском ортезе 23 таким образом, что показания с них по каналу обратной связи через управляемый подвижный каркас 2, гибкие связи 8, внешний жёсткий стационарный каркас 6 поступают на аппаратно-программные средства 5 и обрабатываются там.
Позицией 25 обозначены эластичные элементы подвесной системы, связанные, в представленной на Фиг. 2 и Фиг. 3 форме реализации, с внешним жёстким стационарным каркасом 2.
На Фиг. 4 - Фиг. 6 в различных проекциях схематично изображён внешний жёсткий стационарный каркас в одной из возможных форм реализации.
Внешний жёсткий стационарный каркас 6 выполнен в виде объёмной рамной конструкции из горизонтальных и вертикальных элементов 26, 27, соответственно, определяющей пространство для изменения положения ортопедических модулей 3. При этом горизонтальные 26 и вертикальные 27 элементы внешнего жёсткого стационарного каркаса 6 связаны между собой угловыми 28 и верхними 29 средствами регулировки геометрических параметров пространства для изменения положения ортопедических модулей 3. В качестве параметров пространства для изменения положения ортопедических модулей 3 в представленном примере реализации рассматриваются высота Н, ширина В и глубина L. В общем случае, конструкция средств 28, 29 может быть выбрана специалистами в данной области техники любой, обеспечивающей возможность перемещения каждого горизонтального 26 и вертикального 27 элемента относительно связанных с ним остальных элементов 26, 27 в направлении трёх осей координат для углового средства 28 и двух осей координат для верхнего средства 29 регулировки геометрических параметров пространства для изменения положения ортопедических модулей 3. В частности, указанные средства 28, 29 могут иметь телескопическую конструкцию, что проиллюстрировано на Фиг. 4 - Фиг. 6. На внешнем жёстком стационарном каркасе 6 размещены электромеханические приводы 7 из состава подсистемы электромеханических приводов. На Фиг. 4 часть электромеханических приводов 7 схематично изображена без «привязки» к горизонтальным 26 и вертикальным 27 элементам для иллюстраций возможности размещения любого их количества, практически, в любой «точке» стационарного каркаса 6. Кроме того, установка электромеханических приводов 7 на горизонтальных 26 и вертикальных 27 элементах посредством специальных креплениё с шарнирными механизмами обеспечивает возможность изменения угла между соответствующим элементом 26, 27 и непосредственно элементами электромеханического привода 7,
обеспечивающими задание положения гибкой связи 8. Гибкие связи 8 и управляемый подвижный каркас 2 на Фиг. 4 - Фиг. 6 условно не изображены.
На Фиг. 7 и Фиг. 8 представлены схемы реализации двух базовых принципов - принципа «программирования моторики» и принципа «управления моторикой», соответственно, положенных в основу заявляемого способа восстановления двигательной активности, использующего методы адаптивной кинезитерапии, с применением заявляемой системы восстановления двигательной активности. Светлыми стрелками обозначен «сенсорный канал отображения виртуального события», а тёмными стрелками - «механический канал повторения виртуального события».
Римскими цифрами на Фиг. 7 обозначены следующие стадии реализации принципа «программирования моторики» в рамках заявляемого способа: I - адаптация двухслойного экзоскелета под индивидуальные особенности пациента; II - запуск виртуального сценария на компьютере с передачей основных его событий на систему визуализации и контроллер; III - передача виртуального события на «Сенсорный канал визуального отображения виртуального события» и «Механический канал синхронного повторения виртуального события» (систему электромеханических приводов двухслойного экзоскелета); IV - восприятие выполняемого действия.
Римскими цифрами на Фиг. 8 обозначены следующие стадии реализации принципа «программирования управления моторикой» в рамках заявляемого способа: I - выполнение активации манипуляторов (манипулятора) в ответ на некое виртуальное событие (например: необходимость уклониться от препятствия); II - передача данной информации на контроллер и систему сенсорной визуализации; III - изменение пространственного положения двухслойного экзоскелета и соответствующей визуальной информации; IV - оценка происходящих сенсорных изменений; V - восприятие пространственного перемещения.
На Фиг. 9 представлена упрощённая функциональная блок-схема программно- аппаратных средств 5. Программно-аппаратные средства включают следующие основные функциональные блоки: персональный компьютер 30, включающий блок 31 сбора и анализа данных, блок 32 выбора программы воздействия, блок 33 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3 и блок 34 формирования специфической среды виртуальной реальности; подсистему 35 визуализации; контроллер 36 и манипулятор 37. Блок 34 формирования специфической среды виртуальной реальности, в свою очередь, включает множество «Аз51з1:»-моделей 38. Подсистема 35 визуализации включает, по меньшей мере, один визуализатор 39, который связан с блоком 34 формирования специфической среды виртуальной
реальности и направляет в центральную нервную систему пациента информацию в соответствии с визуализируемой « Assist «-моделью 38. Контроллер 36 и манипулятор 37 связаны с подсистемой электромеханических приводов. Блок 31 сбора и анализа данных связан со средствами 40 обратной связи, включающими множество датчиков 41 физиологических показателей организма человека и через контроллер 36 с подсистемой электромеханических приводов.
Программно-аппаратные средства 5 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3 выполнены с возможностью дистанционной записи и/или корректировки программы согласованного функционирования подсистемы 35 визуализации виртуальной реальности и подсистемы электромеханических приводов с помощью соответствующих средств 42 дистанционного управления.
На Фиг. 10 представлен алгоритм автоматического определения упруго- Эластичных свойств (упругого барьера) сочленений опорно-двигательного аппарата посредством программно-аппаратных средств 5 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3 и средств обратной связи (датчиков 41). Данный алгоритм реализуется в блоке 31 сбора и анализа данных.
Фиг. 1 1 представлен алгоритм автоматического подбора упражнений выполняемых с опорой на две ноги (двухопорные упражнения) и на одну ногу (одноопорные упражнения), который также реализуется в блоке 31 сбора и анализа данных.
Приведенные на Фиг. 10, Фиг. 1 1 алгоритмы являются только примерами функциональных возможностей блока 31 сбора и анализа данных и программно- аппаратных средств 5 в целом и не ограничивают возможности программно- аппаратных средств 5.
Заявляемый способ восстановления двигательной активности человека реализуется с использованием заявляемой системы следующим образом.
На человека 1 одевается медицинский ортез 23, снабжённый встроенными датчиками физиологических показателей организма человека. Управляемый подвижный каркас 2 (экзоскелет) одевается на пояс нижних конечностей и верхний плечевой пояс человека 1 и фиксируется на теле человека, в частности, в зоне ортопедических модулей 3 посредством соответствующих фиксаторов 4, а также посредством тазового фиксатора 13. При этом медицинский ортез 23 крепится к элементам управляемого подвижного каркаса 2, в частности, к вертикальной опорной
раме 16 в соответствующих/ей точках/е 24 крепления таким образом, что опора для нижней части тела человека 1 формируется в области его промежности горизонтально ориентированной опорной частью 15 вертикальной опорной рамы 16 с размещённой на ней амортизирующей подушкой-седлом 14. Подвесная система в представленных на чертежах формах реализации посредством эластичных элементов 25 крепится к горизонтальным элементам 26 внешнего жёсткого стационарного каркаса 6. Регулируемое посредством программно-аппаратных средств 5 натяжение эластичных элементов 25 обеспечивает заданное для каждого конкретного пациента и для каждого конкретного случая значение гравитационной нагрузки/разгрузки.
Управляемый подвижный каркас 2 посредством гибких связей 8 связан с внешним жёстким стационарным каркасом 6, выполненным в виде объёмной рамной конструкций из горизонтальных и вертикальных элементов 26, 27, соответственно, определяющей пространство для изменения положения ортопедических модулей 3 и формирующей совместно с управляемым подвижным каркасом двухслойный экзоскелет. При этом управляемый подвижный каркас 2 посредством гибких связей 8 связан с внешним жёстким стационарным каркасом 6 через соответствующие электромеханические приводы 7, размещённые на раме стационарного каркаса 6. Горизонатльные 26 и вертикальные 27 элементы внешнего жёсткого стационарного каркаса 6 связаны между собой угловыми 28 и верхними 29 средствами регулировки геометрических параметров пространства для изменения положения ортопедических модулей 3. Угловые средства 28 регулировки геометрических параметров пространства для изменения положения ортопедических модулей 3 обеспечивают возможность перемещения каждого из горизонтальных 26 и вертикальных 27 элементов относительно связанных с ним остальных горизонтальных 26 и вертикальных 27 элементов по всем трём осям координат. Верхние средства 29 регулировки геометрических параметров пространства для изменения положения ортопедических модулей 3 обеспечивают возможность перемещения каждого из горизонтальных 26 и вертикальных 27 элементов относительно связанных с ним остальных горизонтальных 26 и вертикальных 27 элементов по двум осям координат, расположенным в горизонтальной плоскости. Благодаря этому в широком диапазоне значений может быть изменена высота Н, ширина В и глубина L пространства для изменения положения ортопедических модулей 3, а также пространственное положение электромеханических приводов 7 по отношению к телу человека 1 (управляемому подвижному каркасу 2/медицинскому ортезу 23). Кроме того, путём изменения положения на соответствующем горизонтальном 26 или вертикальном 27 элементах
электромеханического привода 7, а также путём изменения (например, посредством соответствующего шарнирного соединения), в том числе и управляемого в автоматическом/автоматизированном режиме, углового положения относительно указанного элемента 26 или 27 блок фиксации гибкой связи 8 электромеханического привода 7, можно задать в практически неограниченном диапазоне исходные положения и траектории перемещения гибкой связи 8 и ортопедических модулей 3 и других элементов управляемого подвижного каркаса 2.
Электромеханические приводы 7 связаны с блоком управления (контроллером 36) и, при его наличии, с модулем (манипулятором) 37 управления из состава программно-аппаратных средств 5 управления. Таким образом, экзоскелет (управляемый подвижный каркас 2) связан с контроллером 36 и/или манипулятором 37, при его наличии, из состава программно-аппаратных средств 5 управления, осуществляющим непосредственную активацию (включение и запуск различных тренирующих двигательных программы й, соответственно, изменение положения электромеханических приводов 7 и других приводных элементов) элементов, изменяющих положение ортопедических модулей 3, перемещающих части тела в установленном режиме (согласно требованиям тренирующей программы). При этом электромеханические приводы 7, размещённые на раме стационарного каркаса 6 (на горизонтальных 26 и вертикальных 27 элементах каркаса 6), формируют систему гравитационного дозирования, которая:
- позволяет облегчить подъём пациента,
- обеспечивает дозирование гравитационной нагрузки/разгрузки пациента за счёт управления положением электромеханических приводов 7 относительно пространства для изменения положения ортопедических модулей 3 и «натяжением» эластичных элементов 25 и гибких связей 8,
- обеспечивает сохранность определенного пространственного положения пациента и выбранных направлений для необходимого перемещения,
- обеспечивает средовую аугментацию с перемещением по 6-ти степеням свободы (крен, тангаж и рысканье),
- формирует перспективную связь с системой полноценной виртуальной реальности.
Благодаря описанным выше особенностям «двухслойной» конструкций экзоскелета, обеспечивается высокоэффективная индивидуальная адаптация системы под индивидуальные, в том числе антропометрические, особенности конкретного
пациента, а также под широкий спектр реализуемых методик, под различные требования, условия и цели использования.
Дополнительным преимуществом заявляемой системы является наличие средств обратной связи (датчиков 41 физиологических показателей организма человека), а также датчиков 20 угла поворота вала из состава электромеханических приводов 7 и т. п., которые обеспечивают возможность проведения диагностики в автоматическом/автоматизированном режиме, например в соответствии с алгоритмом определения упруго-эластичных свойств сочленений опорно-двигательного аппарата, представленного на Фиг. 10, с обработкой данных, полученных от средств обратной связи (датчиков 41) и контроллера 36 в блоке 31 сбора и анализа данных и выбора программы воздействия в соответствующем блоке 32. Диагностика может осуществляться в непрерывном режиме в процессе тренировки (выполнения ранее выбранной программы воздействия) с автоматической/автоматизированной корректировкой программы воздействия по результатам обработки данных, поступающих в блок 31 сбора й обработки данных. Пример осуществления автоматической/автоматизированной корректировки программы воздействия в процессе тренировки приведен на Фиг. 1 1 в виде алгоритма автоматического подбора упражнений, выполняемых с опорой на две ноги (двухопорные) и на одну ногу (одноопорные). При этом возможность диагностики, в частности определение упруго- эластичных свойств сочленений опорно-двигательного аппарата, в автоматическом/ автоматизированном режиме обеспечивает составление и реализацию индивидуальной для каждого пациента программы воздействия, что предупреждает неэффективное и небезопасное «форсирование» нагрузок, в частности, выполнение упражнений в режимах (выбор диапазона изменения суставных углов) пока недостижимых для данного пациента.
Программно-аппаратные средства 5 содержат так'же блок 34 формирования специфической реабилитационной среды виртуальной реальности с виртуальными аугментаторами в виде базовых « Assist »-моделей 38, а также средства интеграции виртуальных аугментаторов в виде базовых « Assist «-моделей 38 с электротехническими и электромеханическими узлами кинезитренажера, выполненные в виде блока 33 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3, который через контроллер 36 передаёт соответствующие управляющие воздействия в подсистему электромеханических приводов на каждый электромеханический привод 7 и, далее, на управляемый подвижный каркас 2. Наличие данных блоков обеспечивает возможность эффективной пространственно-
ориентированной симуляции различных, прежде всего, сложных движений человека с использованием заявляемого способа восстановления двигательной активности, который позиционируется авторами как методика «Smart Dosing» этапного формирования в мозге «жёстких» матриц двигательных стереотипов: двухуровневое интеллектуальное методическое дозирование тренировочной нагрузки, составляемое автоматически для каждого пациента на основе результатов предыдущих тренировок и текущей оценки упруго-эластичных свойств суставов. Данная методика, т.е. заявляемый способ восстановления двигательной активности человека, основана на двух, используемых по определённым схемам принципах функционирования заявляемой системы - роботизированного кинезитренажёра, а именно:
1. «Принцип программирования моторики», представленный на Фиг. 7.
2. «Принцип управления моторикой», представленный на Фиг. 8.
Принцип «программирования моторики» заключается в параллельном запуске двух квазитехнических каналов:
1. «Сенсорный канал визуального отображения виртуального события», который на Фиг. 7 отмечен светлыми стрелками и обеспечивается взаимосвязями между блоком 34 формирования специфической реабилитационной среды виртуальной реальности с виртуальными аугментаторами в виде базовых «Assist»-MOflenefi 38, подсистемой 35 визуализации и пациентом/ тренирующимся.
2. «Механический канал синхронного повторения виртуального события», который на Фиг. 8 отмечен тёмными стрелками и обеспечивается взаимосвязями между блоком 34 формирования специфической реабилитационной среды виртуальной реальности с виртуальными аугментаторами в виде базовых «Азз18Ъ>-моделей 38, средством интеграции виртуальных аугментаторов в виде базовых «Assistw-моделей 38 с электротехническими и электромеханическими узлами кинезитренажёра, выполненным в виде блока 33 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3, и пациентом/тренирующимся.
Использованный в данном описании термин «квазитехнйческий канал» включает в себя обеспечивающие передачу базовых «Аз51з1:»-моделей 38 от блока 34 формирования специфической реабилитационной среды виртуальной реальности в ЦНС пациента/тренирующегося, как чисто технические каналы/средства, так и информационные каналы/средства, а также каналы, формируемые зрительным и
кинестетическим каналами восприятия информации и проводящими путями нервной системы пациента/тренирующегося.
В ходе выполнения «программирования моторики», которое, по сути, составляет первый этап заявляемого способа, выполняются следующие действия (шаги):
1. Адаптация двухслойного экзоскелета (регулировка охвата конечностей ортопедическими модулями 3 за счёт регулировки фиксаторов 4; регулировка, если предусмотрена, длины рычагов 12; регулировка натяжения гибких связей 8; регулировка подвесной системы 17 для обеспечения заданной гравитационной нагрузки/разгрузки и т.д.) под индивидуальные особенности пациента.
2. Запуск виртуального сценария, состоящего из базовых «АззхзЪ моделей 38 на компьютере 30 с передачей основных его событий на подсистему визуализации 35 и контроллер 36.
3. Параллельная передача виртуального события на «Сенсорный канал визуального отображения виртуального события» и «Механический канал синхронного повторения виртуального события» с передачей соответствующего управляющего воздействия через контроллер 36 в подсистему электромеханических приводов 7 на электромеханические приводы 7 двухслойного экзоскелета, установленные на внешнем жёстком стационарном каркасе 6, и на электромеханические узлы 10 (электродвигатели 1 1) ортопедических модулей 3.
4. Восприятие пациентом выполняемого действия посредством сопоставления визуального и механического образов выполняемого/ых движения/ий.
На последнем шаге в процессе выполнения базовых движений в мозг пациента поступает согласованная во времени информация от сложного рецепторного аппарата, которая интегрируясь с информацией от среды виртуальной реальности поступающей через зрительный канал формирует иллюзию того движения, образ которого осуществляется в среде виртуальной реальности. В процессе подобных многократных повторений мозг начинает формировать «жёсткую матрицу» данного движения, как собственного. В результате тренировок в мозге происходит нейросенсорное программирование базовых двигательных стереотипов. Данные двигательные паттерны могут в дальнейшем произвольно использоваться в различных комбинациях, для составления пациентом собственных моторных программ и являются основой для реализации второго принципа - принципа «управления моторикой».
Как и в случае принципа «программирования моторики», принцип «управления моторикой» заключается в последовательном запуске двух квазитехнических каналов:
1. «Механический канал синхронного повторения виртуального события», который на Фиг. 8 отмечен тёмными стрелками и обеспечивается взаимосвязями между блоком 34 формирования специфической реабилитационной среды виртуальной реальности с виртуальными аугментаторами в виде базовых « Assist «-моделей 38, средством интеграции виртуальных аугментаторов в виде базовых «А551з1»-моделей 38 с электротехническими и электромеханическими узлами кинезитренажера, выполненным в виде блока 33 управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля 3, и пациентом/ тренирующимся.
2. «Сенсорный канал визуального отображения виртуального события», который на Фиг. 8 отмечен светлыми стрелками и обеспечивается взаимосвязями между блоком 34 формирования специфической реабилитационной среды виртуальной реальности с виртуальными аугментаторами в виде базовых « Assist «-моделей 38, подсистемой 35 визуализации и пациентом/ тренирующимся.
В ходе выполнения «программирования моторики», которое, по сути, составляет второй этап заявляемого способа, выполняются следующие действия (шаги):
1. Выполнение активации манипуляторов/а 37 в ответ на некое виртуальное событие (например: необходимость уклониться от препятствия).
2. Передача данной информации на контроллер 36 и подсистему 35 сенсорной визуализации.
3. Изменение пространственного положения двухслойного экзоскелета и соответствующей визуальной информации.
4. Оценка происходящих сенсорных изменений.
5. Восприятие пространственного перемещения.
Упрощённая функциональная блок-схема программно-аппаратных средств 5 в составе заявляемой системы восстановления двигательной активности человека, представленная на Фиг. 9, содержит только основные блоки и связи, которые имеют специфическое выполнение для решения поставленных перед заявляемой системой задач и для оптимальной реализации заявленного способа. Помимо упомянутых специфических блоков и связей программно-аппаратные средства 5 в составе заявляемой системы включают в себя также стандартные для систем управления блоки и связи, обеспечивающие общую работоспособность системы.
Следует также отметить, что автором был проведен подробный сравнительный анализ и оценка возможностей известных из уровня техники, рассмотренных выше кйнезитренажёров Lokomat и ReoAmbulator й предложенной им системы в виде роботизированного кинезитренажёра, названного «TRiNiTi». Результат сравнения по ряду существенных характеристик и возможностей приведены в нижеследующей Таблице 1.
Таблица 1. Сравнение характеристик и возможностей кйнезитренажёров
ФУНКЦИЯ Система по Lokomat/ изобретению ReoAmbulator
Воздействие на один сустав + -
Воздействие на несколько суставов одновременно + +
Тренировка в горизонтальном положении + -
Тренировка в вертикальном положении + +
Тренировка в условиях дозированной гравитации + +
(дозирование функции опоры)
Разнообразие моторных образов (Assist-моделей) + -
Нейробиомеханическое дозирование интенсивности +
моторных образов
Многоуровневое ступенчатое дозирование физическими +
факторами
Функция «Виртуальный тренер» + -
Функция «Удаленный тренер» + -
Многопользовательский дизайн + +
Индивидуальная адаптация + -
Не специфичность узлов + -
Конструкционная амортизация + +
Тазовая и грудная фиксация + +
Мотивационная коррекция + +
Тренировка пространственной ориентации + +
СРМ-терапия (Continuous Passive Motion therapy) + -
Координаторная тренировка + -
Вибрационная тренировка + -
Сложная локомоция / Датчики движения +/+ -/+
Таким образом, сравнительная таблица наглядно демонстрирует преимущества заявляемых системы и способа восстановления двигательной активности по сравнению с ближайшими аналогами по большому числу характеристик и подтверждает возможность реализации с использованием заявляемой системы активных и пассивных методик кинезитерапии с имитацией процесса запуска, контроля и оценки полученного результата различных, прежде всего, сложных движений.
Реализация заявляемого способа восстановления двигательной активности далее будет проиллюстрирована на некоторых не ограничивающих примерах. Примеры.
Пример 1. Способ восстановления двигательной активности при болезни Паркинсона
Пациент С. 57 лет с диагнозом «болезнь Паркинсона акинетико-ригйдная форма 2,5 ст. по Хену-Яру» был обследован амбулаторно. У пациента в состоянии спокойной стойки были отмечены визуальные признаки поетурального дисбаланса, проявляющегося изменением позы. Также у обследуемого при выполнении толчкового теста отмечалось нарушение постуральной устойчивости в виде ретропульсий. У пациента зарегистрированы клинические признаки гипокинезии, проявляющейся, в первую очередь, снижением общего объёма выполняемых простых движений, в виде умеренного моторного дефицита и нарушения ходьбы. У пациента отмечалось наличие тремора покоя - мелкоамплитудный тремор сочетаемый с лёгким постуральным тремором. При оценке состояния мышечного тонуса у пациента отмечалось умеренно выраженное его изменение по экстрапирамидному типу с вовлечённостью левой половины. Отмечались достаточная прямая и содружественная реакции зрачков на свет с лёгким ослаблением реакция аккомодации на конвергенцию. Выявлена лёгкая асимметрия сухожильно-периостальньгх рефлексов с положительным рефлексом Пуусеппа. Перед началом проведения в рамках реализации заявляемого способа восстановления двигательной активности сеансов адаптивной кинезитерапии с использованием системы восстановления двигательной активности пациенту выполнена объективная оценка качественных параметров шагового движения с помощью заявляемой системы (прежде всего, аппаратно-программных средств 5) в функционально усложнённом варианте «Step» с использованием системы видеозахвата. При этом в область проекции общего центра масс был размещён датчик в виде активного светодиодного маркера. При выполнении диагностического движения проводилась видеофиксация пространственного перемещения маркера и, далее, в блоке
... сбора и анализа данных (программе обработки видеоряда) рассчитывался показатель Psign (показатель целенаправленных движений) и показатель Pnoise (показатель нецеленаправленных движений), также рассчитывался показатель КПДв (коэффициент полезности движения). В результате диагностики выявлены следующие значения показателей: Psign - 8561 ,5; Pnoise - 560,6; КПДв - 6,6.
Данные показатели отражают эффективность сложной стандартизированной локомоции преимущественно стабилизируемой во фронтальной и сагиттальной плоскостях. При этом нормальные значения показателей у здоровых лиц составляют: Psign - 7840,1 [10160, 1/5864,6]; Pnoise - 60,7 [102,9/45,4]; КПДв - 0,9 [1 ,4/0,6].
По результатам оценки показателей в соответствии с «выбором» блока ... выбора программы воздействия пациенту было назначено и проведено 20 сеансов адаптивной кинезитерапии по следующей схеме, состоящей из двух этапов:
1 этап. Состоял из 12 ежедневных процедур, во время которых пациента фиксировали в управляемом подвижном каркасе 2 двухслойного экзоскелета. Учитывая специфику заболевания связанную с левосторонней латерализацией двигательных нарушений и результаты диагностики, блоком 32 выбора программы воздействия из состава программно-аппаратных средств 5, в качестве инициирующего блока, выбрано шаговое движение с опорой на правую ногу и постановкой левой ноги вперед (фронтальный выпад левой ноги), с последующим возвратом её в исходное положение к опорной ноге. Данное движение в текущей тренирующей программе являлось тренируемой двигательной матрицей, образ которой восстанавливался в центральной нервной системе. При этом пациенту через визуализатор 39 транслировалась среда виртуальной реальности, в которой при каждой активации элементов управляемого подвижного каркаса 2 двухслойного экзоскелета, посредством активации электромеханических приводов 7, расположенных на внешнем жёстком стационарном каркасе 6, пациент перемещался вперед. По своей структуре данное виртуальное движение соответствует движению, выполняемому принудительно в реальном пространстве. На протяжении 12 сеансов управляющей программой индивидуально, согласно разработанному алгоритму, происходило увеличение амплитуды суставной кинематики и кинематической скорости.
2 этап. Состоял из 8 ежедневных процедур, во время которых происходило восстановление связей между окружающими событиями в среде виртуальной реальности и структурой восстановленного ранее шагового двигательного стереотипа. При этом, пациент фиксировался в управляемом подвижном каркасе 2 двухслойного экзоскелета. Вместе с этим в правой руке, являющейся полноценной в плане
реализации сложных движений, фиксировался беспроводной манипулятор 37, позволяющий контролировать события виртуальной реальности. В среде виртуальной реальности через визуализатор 39 транслировалась задача с движущимися ступеньками, которые пациент должен перешагивать. При приближении ступеньки пациент перемещает вперед правую руку с манипулятором 39, при этом в виртуальной реальности происходит перешагивание ступеньки, а подвижный каркас 2 экзоскелета запускает шаговое движение с выпадом вперёд и возвратом в исходное положение. Если пациент не успевает во время прореагировать на стимул среды виртуальной реальности, то управляющая программа эмулировала падение за счёт активации приводов 7 каркаса экзоскелета.
По окончании курса адаптивной кинезитерапии выполнена оценка эффективности сложных движений с использованием видеоанализа движений. Получены следующие результаты: Psign - 7661 , 1 ; Pnoise - 210,5; КПДв - 2,7.
Таким образом, проведенные в соответствии с заявляемым способом сеансы адаптивной кинезитерапии с использованием заявляемой системы (кинезитренажёра) объективно повлияли на качественные характеристики сложного шагового движения с улучшением его эффективности, преимущественно в сагиттальной плоскости. Полученные данные указывают на формирование устойчивой матрицы двигательного стереотипа шагового движения.
Пример 2. Способ восстановления двигательной активности при демиелинизирующем заболеваний центральной нервной системы
Пациент В. 36 лет с диагнозом «демиелинизирующее заболевание центральной нервной системы» был обследован вне экзоцербации амбулаторно. У пациента отмечались коордйнаторные нарушения в виде атаксии в конечностях, асинергии движений, дисдиадохокинеза и мышечной гипотонии с преимущественной левосторонней заинтересованностью. У пациента повышения мышечного тонуса по спастическому типу, а также каких-либо двигательных нарушений зафиксировано не было. При этом отмечалась левосторонняя пирамидная недостаточность. У пациента вызывались патологические рефлексы в виде патологических стопных знаков. Также определялись поражения стволовых структур: регистрировался бинокулярный нистагм, легкая межъядерная офтальмоплегия. Чувствительные расстройства имели двусторонний характер с акцентом на диссоциированный тип. Перед началом проведения сеансов адаптивной кинезитерапии с использованием кинезитренажёра пациенту выполнена объективная оценка качественных параметров шагового движения
в функционально усложненном варианте «Step» с использованием системы видеозахвата. В результате диагностики выявлены следующие значения показателей: Psign - 8332,9; Pnoise - 10257,2; КПДв - 123, 1.
Пациенту было проведено 28 сеансов адаптивной кинезитерапии по следующей схеме, состоящей из двух этапов, структура которых изложена выше. При этом на первом этапе, учитывая специфику заболевания и результаты предварительной диагностики, в качестве инициирующего блока, выбран двигательный стереотип отведения бедра, состоящий в отведении правой ноги в сторону (вправо) и возврата её в исходное положение. Данное движение позволяет оптимизировать опорную функцию с левой стороны. На втором этапе, в качестве среды виртуальной реальности, выбрано решение задания, связанного с уклонением в сторону от летящих предметов. При этом, манипулятор 39 виртуальной реальности фиксировался в области проекции общего центра масс.
По окончании курса адаптивной кинезитерапии выполнена оценка эффективности сложных движений с использованием видеоанализа движений. Получены следующие результаты: Psign - 8951 ,5; Pnoise - 90,3; КПДв - 10.
Таким образом, проведенные в соответствий с заявляемым способом сеансы адаптивной кинезитерапии с использованием заявляемой системы (кинезитренажёра) объективно повлияли на качественные характеристики движения, связанного с отведением бедра и формированием опорной функции контралатеральной конечности с улучшением его эффективности, преимущественно во фронтальной плоскости.
Полученные данные указывают на формирование устойчивой матрицы двигательного стереотипа. Перспективными сферами использования заявляемых системы и способа восстановления двигательной активности человека являются: реабилитация (восстановительная медицина); травматология и ортопедия; неврология (детская неврология), нейрохирургия: нейрореабилитация (послеоперационная реабилитация); гериатрия; спортивная медицина.
Технические, программные и методические инновации, разработанные и применённые в заявляемых системе и способе восстановления двигательной активности человека, позволяют использовать их в качестве аппаратных и методических средств современной кинезитерапии при заболеваниях, сопровождающихся двигательными нарушениями, таких как: детский церебральный паралич; последствия мозговых катастроф, в том числе последствия инсультов;
нейродегенеративные заболевания (болезни Паркинсона, демиелинизирующие заболевания); спинальные травмы и травмы нижних конечностей; тяжёлые двигательные нарушения при межпозвонковых грыжах; врождённые заболевания нейромышечной и костно-суставной системы; остеопороз (патологические переломы); дегенеративные (возрастные) изменения костей и суставов (артрозы, остеоартрозы).
Источники информации.
1. Перспективные разработки, НИОКРы, изобретения. Рукй-роботы. Электронный ресурс «Сделано у нас». [Электронный ресурс] - 10 июня 2015. - Режим доступа: http://www.sdelanounas.ru/blogs/35662/
2. Применение экзоскелета при параплегии. Электронный ресурс Eurodoctor.ru.
[Электронный ресурс] - 10 июня 2015. - Режим доступа: http://rehabilitation.eurodoctor.ru/exoskeletonparaplegia/
3. EXOATLET - российский экзоскелет. Сайт проекта ЭкзоАтлет. [Электронный ресурс] - 21 мая 2015. - Режим доступа: http://www.exoatlet.ru/
4. Патент ЕР JSfe 1 137378 В 1 , опубл. 27.08.2003.
5. Lokomat®Pro. Восстановление навыков ходьбы. Реабилитация и механотерапия.
Сайт компании Бека РУС. [Электронный ресурс] - 21 мая 2015. - Режим доступа: http://www.beka.ru/ru/katalog/vosstanovlenie-navykov-khodby/lokomat-pro/
6. Реабилитационное оборудование. Роботизированная механотерапия с биологической обратной связью. ReoAmbulator. Электронный ресурс «Медицина и новые технологии». [Электронный ресурс] - 1 октября 2015. - Режим доступа: http://www.mednt.ru/catalog/reabilitaciya-posle- insulta robotizirovannaya-terapiya/reoambulator/
Claims
1. Система восстановления двигательной активности человека, выполненная в виде роботизированного кинезитренажёра, содержащего полный экзоскелет человека, сформированный управляемым подвижным каркасом, состоящим из кинематически связанных между собой соответствующих частям тела ортопедических модулей, выполненных с возможностью фиксации на соответствующих частях тела, и приводимых в Движение подсистемой приводов, программно-аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля, выполненные на базе компьютера с контроллером с возможностью управляемой связи с каждым ортопедическим модулем через соответствующий привод, и средства обратной связи на базе, по меньшей мере, одного датчика, по меньшей мере, одного физиологического показателя организма человека, отличающаяся тем, что управляемый подвижный каркас кинематически связан с внешним жёстким стационарным каркасом, выполненным в виде объёмной рамной конструкции, определяющей пространство для изменения положения ортопедических модулей и формирующей совместно с управляемым подвижным каркасом двухслойный экзоскелет, при этом на внешнем стационарном каркасе размещена подсистема электромеханических приводов, каждый из которых связан с соответствующим ортопедическим модулем посредством гибкой связи, каждый ортопедический модуль и каждый датчик физиологического показателя организма человека связаны с программно-аппаратными средствами управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля через внешний стационарный каркас, программно-аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля дополнительно содержат подсистему визуализации виртуальной реальности, выполненную с возможностью согласованного функционирования с подсистемой электромеханических приводов, двухслойный экзоскелет снабжён средством фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии с опорой в тазобедренной области и/или в области верхней части туловища.
2. Система по п. 1 , отличающаяся тем, что подсистема визуализации виртуальной реальности содержит, по меньшей мере, один визуализатор, при этом программно-аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля дополнительно содержат блок формирования связанной с визуализатором, по меньшей мере, одной специфической среды виртуальной реальности для создания моторных образов движений.
3. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждый ортопедический модуль выполнен с возможностью проведения механотерапии отдельных суставов и/или с возможностью передачи на соответствующие части тела вибрационных и/или массирующих воздействий.
4. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что управляемый подвижный каркас снабжён, по меньшей мере, одним дополнительным элементом, выбранным из группы, включающей, по меньшей мере, фиксирующие и амортизирующие элементы, а также элементы индивидуальной адаптации.
5. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что кинематическая связь между ортопедическими модулями обеспечена электромеханическими узлами.
6. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что средство фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии выполнено с возможностью опоры нижней части тела в области промежности.
7. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что средство фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии выполнено с возможностью опоры верхней части тела в области верхней части туловища.
8. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что средство фиксации исходного положения тела в подвешенном состоянии выполнено отдельно с возможностью опоры верхней части тела в области верхней части туловища и нижней части тела в области промежности с возможностью регулирования распределения процента фиксации между верхней и нижней частями.
9. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что средства фиксации тела снабжены амортизационными узлами, усиливающими пассивное приведение части тела по направлению, по меньшей мере, к одной точке жёсткого стационарного каркаса.
10. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что программно- аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля выполнены с возможностью дистанционной записи и/или корректировки программы согласованного функционирования подсистемы визуализации виртуальной реальности и подсистемы электромеханических приводов.
1 1. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что программно- аппаратные средства управления изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля дополнительно содержат модуль управления в виде манипулятора, выполненного с возможностью самостоятельного ручного управления
тренирующимся изменением положения в пространстве каждого ортопедического модуля.
12. Способ восстановления двигательной активности человека, включающий составление индивидуальной тренирующей двигательной программы восстановления и формирование по заданной программе в центральной нервной системе двигательных стереотипов посредством принудительного соответствующего изменения положения в пространстве частей тела с использованием системы восстановления двигательной активности человека, включающей экзоскелет, связанный со средством управления на базе компьютера, отличающийся тем, что в качестве системы восстановления двигательной активности человека используют систему по любому из пп. 1 - 1 1 , причём восстановление проводят в два этапа, где на первом этапе создают изначально или восстанавливают в центральной нервной системе устойчивые матрицы двигательных стереотипов, при этом дополнительно в соответствии с индивидуальной тренирующей двигательной программой формируют моторный образ, по меньшей мере, одного виртуального движения, который визуализируют и передают через зрительный канал в центральную нервную систему тренирующегося с параллельной передачей управляющего воздействия, соответствующего этому движению, на управляемый подвижный каркас экзоскелета, принудительно приводящий в движение, по меньшей мере, одну соответствующую часть тела с многократным повторением, а на втором этапе восстанавливают связи между окружающими событиями и восстановленными матрицами двигательных стереотипов в качестве реакций на указанные события, при этом формируют моторный образ, по меньшей мере, одного виртуального события, требующего ответной двигательной реакции, который визуализируют и передают через зрительный канал в центральную нервную систему тренирующегося с последующей передачей управляющего воздействия, соответствующего двигательной реакции, на управляемый подвижный каркас экзоскелета, принудительно приводящий в движение, по меньшей мере, одну соответствующую часть тела с многократным повторением, причём на каждом этапе контролируют состояние тренирующегося, в частности состояние опорно-двигательного аппарата, посредством средств обратной связи.
13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что тренирующую двигательную программу составляют с учётом дозирования нагрузки и усложнения тренирующих движений от простых, выполняемых лёжа или стоя.
14. Способ по любому из пп. 12 или 13, отличающийся тем, что тренирующую двигательную программу составляют таким образом, что моторные
образы формируют, усложняя их от статических и статодинамических до динамических.
15. Способ по любому из пп. 12 или 13, отличающийся тем, что дозирование тренировочной нагрузки осуществляют на основе результатов предыдущих тренировок и текущей, в том числе, и динамической - определяемой в процессе тренировки оценки упруго-эластичных свойств активных структур опорно-двигательного аппарата тренирующегося в автоматическом либо ручном режиме.
16. Способ по любому из пп. 12 или 13, отличающийся тем, что тренирующую двигательную программу составляют с учётом ограничений пространства движения за счёт виртуального компонента который, ориентирует виртуальное движение в сторону ограничения пространства движения, формируя таким образом в центральной нервной системе представление о потенциальной готовности опорно-двигательного аппарата к использованию данного участка пространства движения.
17. Способ по любому из пп. 12 или 13, отличающийся тем, что тренирующую двигательную программу составляют с учетом ограничений пространства движения за счёт управляемого подвижного каркаса экзоскелета, посредством которого ориентируют тренируемое движение в сторону ограничения пространства движения, таким образом, формируют в центральной нервной системе представление о потенциальной способности опорно-двигательного аппарата к использованию данного участка пространства движения.
18. Способ по любому из пп. 12 или 13, отличающийся тем, что тренирующую двигательную программу составляют с учётом ограничений пространства движения за счёт виртуального компонента и управляемого подвижного каркаса экзоскелета, которые совместно усиливают матрицу движения, ориентированного в сторону ограничения пространства движения.
19. Способ по любому из пп. 12 или 13, отличающийся тем, что обеспечивают активную тренировку с преодолением сопротивления амортизационных узлов, усиливающих пассивное приведение части тела, за счет произвольного перемещения части тела, по меньшей мере, в одном направлении матрицы двигательных стереотипов.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US16/062,849 US20180369053A1 (en) | 2015-12-23 | 2016-06-20 | System and method for restoring human motor activity |
| EP16877032.9A EP3415123A4 (en) | 2015-12-23 | 2016-06-20 | SYSTEM AND METHOD FOR RESTORING A PERSON'S MOTOR ACTIVITY |
| IL260204A IL260204A (en) | 2015-12-23 | 2018-06-21 | System and method for restoring human motor activity |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA201600137A EA030027B1 (ru) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | Система и способ восстановления двигательной активности человека |
| EA201600137 | 2015-12-23 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2017106953A1 true WO2017106953A1 (ru) | 2017-06-29 |
Family
ID=59088720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/BY2016/000004 WO2017106953A1 (ru) | 2015-12-23 | 2016-06-20 | Система и способ восстановления двигательной активности человека |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20180369053A1 (ru) |
| EP (1) | EP3415123A4 (ru) |
| EA (1) | EA030027B1 (ru) |
| IL (1) | IL260204A (ru) |
| WO (1) | WO2017106953A1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180303695A1 (en) * | 2017-04-24 | 2018-10-25 | Neurobotics Llc | Virtual reality-based rehabilitation |
| CN110368646A (zh) * | 2018-04-12 | 2019-10-25 | 亿慈(上海)医疗科技有限公司 | 一种步行康复训练和评测设备 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107157712B (zh) * | 2017-06-20 | 2023-07-11 | 深圳市瀚翔生物医疗电子股份有限公司 | 一种下肢训练康复设备 |
| CN108619655B (zh) * | 2018-05-25 | 2021-03-12 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种可穿戴设备、控制vr系统及其控制方法 |
| CN109986538A (zh) * | 2019-01-28 | 2019-07-09 | 西北工业大学青岛研究院 | 一种宇航员空间操控训练系统 |
| JP7136022B2 (ja) * | 2019-06-28 | 2022-09-13 | トヨタ自動車株式会社 | 処理システム、歩行訓練システム、処理方法、及びプログラム |
| CN114832311B (zh) * | 2022-04-29 | 2023-03-31 | 四川大学华西医院 | 一种用于髋关节的外展训练装置 |
| CN116665841B (zh) * | 2023-07-28 | 2023-10-31 | 山东大学 | 一种定向射击运动员反应训练装置与实时评估系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0911015A1 (en) * | 1997-10-27 | 1999-04-28 | Benito Ferrati | Orthopedic rehabilitation apparatus using virtual reality units |
| KR20120057081A (ko) * | 2010-11-26 | 2012-06-05 | 주식회사 바이오닉스 | 지능형 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 제어방법 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101301250A (zh) * | 2008-07-08 | 2008-11-12 | 哈尔滨工业大学 | 五自由度外骨骼式上肢康复机器人交互康复训练控制策略 |
| CN101810533B (zh) * | 2010-03-08 | 2011-06-29 | 上海交通大学 | 助行外骨骼康复机器人 |
| EP3133998B1 (en) * | 2014-04-21 | 2019-07-03 | The Trustees of Columbia University in the City of New York | Human movement research, therapeutic, and diagnostic devices, methods, and systems |
| US10512583B2 (en) * | 2014-05-06 | 2019-12-24 | Sarcos Lc | Forward or rearward oriented exoskeleton |
-
2015
- 2015-12-23 EA EA201600137A patent/EA030027B1/ru not_active IP Right Cessation
-
2016
- 2016-06-20 WO PCT/BY2016/000004 patent/WO2017106953A1/ru active Application Filing
- 2016-06-20 US US16/062,849 patent/US20180369053A1/en not_active Abandoned
- 2016-06-20 EP EP16877032.9A patent/EP3415123A4/en not_active Withdrawn
-
2018
- 2018-06-21 IL IL260204A patent/IL260204A/en unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0911015A1 (en) * | 1997-10-27 | 1999-04-28 | Benito Ferrati | Orthopedic rehabilitation apparatus using virtual reality units |
| KR20120057081A (ko) * | 2010-11-26 | 2012-06-05 | 주식회사 바이오닉스 | 지능형 외골격 로봇기반의 일상생활 보조 및 재활훈련 시스템 및 제어방법 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| KACZMARSKI M. ET AL.: "Rehabilitation robot RRH1", ARCHIVE OF MECHANICAL ENGINEERING, vol. LVIII, no. 1, 1 January 2011 (2011-01-01), pages 103 - 113, XP055393218 * |
| See also references of EP3415123A4 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180303695A1 (en) * | 2017-04-24 | 2018-10-25 | Neurobotics Llc | Virtual reality-based rehabilitation |
| CN110368646A (zh) * | 2018-04-12 | 2019-10-25 | 亿慈(上海)医疗科技有限公司 | 一种步行康复训练和评测设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201600137A1 (ru) | 2017-06-30 |
| EP3415123A1 (en) | 2018-12-19 |
| US20180369053A1 (en) | 2018-12-27 |
| EA030027B1 (ru) | 2018-06-29 |
| IL260204A (en) | 2018-07-31 |
| EP3415123A4 (en) | 2020-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2017106953A1 (ru) | Система и способ восстановления двигательной активности человека | |
| Meng et al. | Recent development of mechanisms and control strategies for robot-assisted lower limb rehabilitation | |
| Riener | Technology of the robotic gait orthosis Lokomat | |
| EP3151914B1 (en) | Functional electrical stimulation cycling device for people with impaired mobility | |
| US6846270B1 (en) | Method and apparatus for assisting or resisting postures or movements related to the joints of humans or devices | |
| US20160151176A1 (en) | Lower extremity exoskeleton for gait retraining | |
| JP4156933B2 (ja) | 人の下肢の再教育及び訓練の少なくとも一方を行うための装置 | |
| Pietrusinski et al. | Robotic gait rehabilitation trainer | |
| Sanchez-Manchola et al. | Development of a robotic lower-limb exoskeleton for gait rehabilitation: AGoRA exoskeleton | |
| CN107106398B (zh) | 增强外骨骼穿戴者的康复或训练的方法 | |
| Joel et al. | Review on Gait Rehabilitation Training Using Human Adaptive Mechatronics System in Biomedical Engineering | |
| Mohammed et al. | Towards intelligent lower limb wearable robots: Challenges and perspectives-State of the art | |
| Ekkelenkamp et al. | LOPES: a lower extremity powered exoskeleton | |
| KR20220058597A (ko) | Kinoped 하지 능력 향상, 부상 방지 및 재활 시스템 | |
| van der Kooij et al. | Design of a compliantly actuated exo-skeleton for an impedance controlled gait trainer robot | |
| Calderón et al. | Design, development and evaluation of a robotic platform for gait rehabilitation and training in patients with cerebral palsy | |
| Khan | Trunk rehabilitation using cable-driven robotic systems | |
| Chen et al. | Control strategies for lower limb rehabilitation robot | |
| de Paiva et al. | Gait devices for stroke rehabilitation: State-of-the-art, challenges, and open issues | |
| Chen et al. | Lower limb rehabilitation robot | |
| Goodworth et al. | Physical Therapy and Rehabilitation | |
| Riener | Robot-aided Gait Training | |
| McCall | Performance of a powered ankle exoskeleton using neuromuscular model-based control over a range of walking speeds | |
| Ferraro et al. | Artificial musculature: An overview of the different exoskeleton models and their applications | |
| Chu et al. | Biomechanical aspects of Tai Chi Chuan countermeasure against health threats during spaceflight |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16877032 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 260204 Country of ref document: IL |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2016877032 Country of ref document: EP |
|
| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2016877032 Country of ref document: EP Effective date: 20180723 |