Студенты и ученые Центра проектной деятельности (ЦПД) Дальневосточного федерального университета во Владивостоке разработали технологию использования нейросетей в протезе нижних конечностей, которая позволяет ему «учиться», подстраиваясь под пациента, и самому совершать нужные движения, рассказал РИА Новости руководитель направления «Нейротехнологии» ЦПД Богдан Дмитриев.

Центру проектной деятельности около четырех лет. История его разработок начиналась со студенческого проекта «Битва инженеров» — мероприятия, где участники пытались интегрировать технологические решения в область здравоохранения. Затем проект вырос в «Нейростарт», там студенты занимались только технологическими медицинскими разработками. Участники в итоге стали развивать их в Центре проектной деятельности ДВФУ.

«На „Битве инженеров“ родился проект экзоскелета верхних конечностей для реабилитации пациентов после инсульта. Также там впервые появился проект протеза нижней конечности: ребята сделали самую первую металлическую модель», — рассказывает собеседник агентства.

Сам Дмитриев по образованию медицинский биофизик, и с его приходом в ЦПД год назад команда направления «Нейротехнологии» переработала и усовершенствовала концепцию протеза ноги с использованием нейросетей, построила протокол сбора данных для обучения конкретно этой нейронной сети и протестировала полученные результаты.

«Нейротехнологии в медицине ставят целью изучать деятельность мозга, в том числе визуализацию его структур, его активности и способов возможного влияния на эту активность извне. Нейротехнологии в нынешних обстоятельствах в Центре проектной деятельности нацелены на использование того факта, что любые сигналы человека — сердцебиение, дыхание, мышечные сокращения — можно переводить, как и мозговые сигналы, в диагностические, управляющие. Нейротехнологии в более широком плане и в перспективе — это использование всех возможных биосигналов человека как управляющих», — рассказывает эксперт.

Протез, который учится

У стандартных неактивных протезов ног, которые сегодня представлены на рынке, компенсация отталкивания ноги от поверхности происходит за счет особой пружинящей конструкции и специально подобранных материалов, но угол поднятия стопы там не компенсируется. Это существенно влияет на использование устройства и в итоге на качество жизни человека. Поэтому участники ЦПД придумали концепцию протеза, ступня которого может сгибаться под нужным углом. Первой модели не хватало мощности, и студенты переосмысли проект и сделали другие версии. При этом концепт сохранился вплоть до финальной конструкции.

«Мы хотели увеличить степень свободы при использовании протеза, восполнить физиологическую потребность изменения угла поднятия стопы, а также ее доворота. Активным „двигателем“ проекта был наш программист, который сам не обладал одной ногой и пользовался протезом», — отмечает собеседник агентства.

По его словам, в итоге была придумана новая конструкция, которая выдерживает вес человека и может двигаться. Протез базируется на трех точках опоры — они всегда гарантируют устойчивость: пяточная кость и два пальца. В конструкции реализована возможность качания стопы и компенсация отталкивания.

«Это особенно актуально для Владивостока с его сопками: если ступня не поднимается, то протез просто утыкается в подъем, опоры нет, и нет надежности движения, поэтому мы стремились сделать на этом акцент. В итоге протез обладает повышенной степенью свободы и может активно двигаться, что приводит к тому, что человек экономит ресурсы при ходьбе и минимально задумывается над позиционированием стопы, — это сказывается на качестве жизни», — рассказывает Дмитриев.

При этом протез должен получать сигналы извне, чтобы «понимать», в какой момент стопа должна отталкиваться от поверхности. Этот вопрос был решен с помощью обучения нейронных сетей. Основной концепт управления протезом был нацелен на снятие мышечных сигналов с конечности здорового человека.

«Система датчиков, которые регистрируют сразу несколько показателей, закрепляется на ноге здорового человека. Они фиксируют положение конечности в пространстве, ее ускорение, углы поворота. Также использовались миодатчики, чтобы регистрировать мышечные показатели, и датчики давления для получения информации о распределении нагрузки и прогнозирования фазы ходьбы», — отмечает собеседник.

Он поясняет, что такая система в первую очередь была создана именно для получения данных для обучения нейронной сети. При этом ее нельзя использовать при носке протеза на нездоровой конечности: датчики сложно интегрировать под силиконовый носок, который надевается на культю, из-за возможного натирания.

«В итоге нейросеть получает все собранные данные и „учится“. Цель использования нейросетей в данном случае — предсказать угол поворота стопы, и это получается довольно эффективно. В ходе тестирования процент подтверждения предсказания достигал 98. То есть нейросеть почти всегда знает угол, на который нужно повернуть стопу, учитывая обстоятельства, которые с человеком происходят», — уточняет эксперт.

Плата управления помещается в сам протез, что исключает необходимость использования проводов и крепления их к ноге при ношении конструкции. Нейронные сети могут учиться в процессе использования, что позволяет протезу подстраиваться под индивидуальные особенности походки. Это было бы невозможно при внедрении программного обеспечения на чистом коде, когда устройство при получении конкретного параметра делает поворот на заданный градус.

«Протез должен стать универсальным, так как мы обучили его на выборке различных людей со здоровыми конечностями — это шаг в сторону работы с индивидуальными особенностями походки. По сути, никогда не сталкиваясь с человеком, протез может ходить сам. У него есть понимание паттернов движения, которые он отрабатывает в зависимости от того, какие сигналы получает. Помимо этого, нейронная сеть проходит дообучение в процессе использования протеза, что позволяет человеку повысить комфорт его использования, меньше задумываться о том, как он пользуется протезом, ускорить процесс абилитации, что отражается на общем повышении качества жизни», — добавляет руководитель направления.

Режим для реабилитации

Также в проработке участников направления «Нейротехнологии» — идея применения такого устройства для реабилитации. Люди, которые используют протез одной конечности, начинают иначе распределять вес между здоровой и нездоровой ногой. За счет этого хрящевая ткань, суставы, межпозвоночные диски изнашиваются неравномерно, впоследствии это приводит к проблемам в опорно-двигательном аппарате.

«Один из моментов, который мы задумали реализовать в данном протезе, — терапевтический режим. На нем он будет „подталкивать“ человека к здоровой ходьбе, меняя угол наклона, заставляя больше переносить вес на нездоровую или здоровую конечность в зависимости от того, в какую сторону сдвинут баланс. Это поможет людям в будущем не иметь проблем со здоровьем», — отмечает собеседник.

Сотрудники ЦПД изучили рынок и выяснили, что из большого числа производителей в мире лишь единицы прибегают к обучению нейронных сетей для использования в протезах. В основном такие устройства работают по принципу простого кода и не подстраиваются под обстоятельства и особенности человека, который их носит.

Руководитель направления рассказывает, что цены на все активные протезы сегодня начинаются от 1,2 миллиона рублей. Разработчики из ДВФУ рассчитывают, что их конечный продукт, использующий нейросети, будет стоить в районе 800 тысяч рублей. Ожидается, что в итоге будут производиться три версии устройства: классическая, облегченная, имеющая меньший вес и более слабый мотор, и хард-версия: водонепроницаемая с усиленной конструкцией.

Мозг нужно обмануть

Также сотрудники ЦПД разработали экзоскелет для помощи людям, перенесшим инсульт. У таких пациентов часто снижается или теряется функциональность одной половины тела. Поступающие от мозга к конечностям сигналы слишком слабые, чтобы в полном объеме обеспечить привычные движения.

«Идея данного проекта заключается в том, чтобы регистрировать попытки двигать конечностью и усиливать их за счет экзоскелета. Здесь срабатывает эффект нейропластичности, когда мозг заново учится утраченным навыкам, перераспределяя свою нагрузку», — отмечает эксперт.
По его словам, мозг ограничивает поврежденную часть тела в ресурсах, и в этом случае его нужно обмануть. При использовании экзоскелета мозг воспринимает поврежденную конечность как здоровую и выделяет ей нужное количество ресурсов. Это приводит к тому, что процесс реабилитации ускоряется и повышается объем реабилитированных функций.

Сегодня действующие системы реабилитации перенесших инсульт базируются на использовании функциональной стимуляции мышц, в том числе с помощью легких разрядов тока. Также начинают применять технологии виртуальной реальности. По словам Дмитриева, эти методы эффективны не для всех пациентов, так как сигналы до мышц доходят не всегда, а VR все еще воспринимается нами как что-то близкое к реальности, но ею не являющееся.

«При использовании экзоскелета мы считываем дошедший до мышц сигнал и усиливаем его, укрепляем проводящие связи. Эффект должен быть лучше», — говорит собеседник.

Экзоскелет планируется доработать до модульной системы. Пока готова часть устройства — функциональный прототип, который работает с движением локтя, а в перспективе будет восстанавливаться и плечевая, и кистевая функции. В будущем такой экзоскелет может быть внедрен в работу Медцентра ДВФУ, уточняет Дмитриев.

Чувствительный протез и управление глазами

Также в ЦПД студенты и ученые занимаются и другими разработками в области здравоохранения. Например, один из проектов — создание системы управления инвалидной коляской за счет движения глаз. Также студенты разработали учебную модель аппарата ИВЛ с принципом биологической обратной связи: он определяет давление, синхронизируется с дыхательными движениями пациента и без вреда для организма помогает восстановить естественную функцию дыхания.

Со школьниками в ЦПД был реализован инновационный проект очувствления протеза верхних конечностей. Обычно такие устройства управляются с помощью нажатия мышцей культи на кнопку внутри протеза. Но, как правило, в этом случае человек не может контролировать силу сжатия протеза.

«Чтобы этот момент нивелировать, мы попытались внедрить в протезе тактильную функцию. У нас была open source-модель протеза, и мы, используя датчики давления, придумали универсальную систему, подходящую под любой протез кисти с пальцами, в виде перчатки. Мы закрепляем датчики давления на нескольких пальцах, они передают сигнал по беспроводной сети на модуль, отвечающий за передачу вибрации, который ставится на остаток здоровой части конечности. Это делается, чтобы ассоциативная связь между протезированной конечностью и здоровой ее частью была эффективной. Напрягаем мышцы, привод двигается, приводит в движение протез, и он что-то схватывает. Человек получает обратную связь и регулирует степень сжатия протеза», — поясняет собеседник.

Он рассказывает, что проект со школьниками был сделан за две недели, а сама система довольно простая.

«Но даже такой простой системы нет у людей, которые в повседневной жизни пользуются протезами. Ее применение позволяет снизить момент отчужденности человека от протеза, который снижает качество жизни, а также подарить им такую простую возможность, как съесть любимую малину, не раздавив ее. Если восстановить систему обратной связи между протезом и человеком, это приведет к тому, что носитель начнет воспринимать эту конечность как здоровую. Это, в свою очередь, улучшит качество использования устройства», — говорит собеседник.

В планах отдела ЦПД также начать работу по направлению биохакинга.

«При работе с протезами рук, помимо того, чтобы „восстанавливать“ чувствительность верхних конечностей, можем попробовать одарить человека свойствами, которые он изначально не имел, новыми функциями восприятия информации извне. Например, восприятия магнитного поля или радиационного фона. Это биохакинг. Работа по этому направлению запланирована на следующий учебный год. Это технологии будущего, и применить их в протезировании несложно, так как не нужно соблюдать инвазию: просто крепишь датчики на протезах и используешь в повседневной жизни», — резюмирует Дмитриев.