Na kilka tygodni przed ślubem niewidomy Marc Pollock wypadł z okna i doznał urazu czaszki, co skutkowało paraliżem. W takiej sytuacji łatwo się załamać, ale zamiast tego mężczyzna rozpoczął ambitne leczenie eksperymentalne z użyciem egzoszkieletu. Te urządzenia to perełki światowej rehabilitacji. Przedstawiamy najciekawsze z nich

Współczesne egzoszkielety to roboty, wykorzystujące najnowsze nowinki techniczne, elektroniczne, czujniki nowej generacji, silniki, a nawet możliwości uczenia maszynowego. Ich główną wadą jest cena, niektóre kosztują nawet kilkaset tysięcy dolarów. Aby to zmienić naukowcy starają się tak budować egzoszkielety, by ich koszt był jak najniższy. Pacjenci po udarach, z przerwanym rdzeniem kręgowym lub urazami czaszki czekają na takie rozwiązania, by móc stanąć na nogi.

Rehabilitacja to podstawa

Udar mózgu to druga przyczyna zgonów na całym świecie, a także najczęstszy powód niepełnosprawności dorosłych. W Polsce rocznie zdarza się 70 tys. udarów mózgu, które wystąpiły pierwszy raz oraz 30 tys. powtórnych. Z kolei według statystyk Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), każdego roku średnio 350 tysięcy osób na świecie doznaje mniejszego lub większego uszkodzenia rdzenia kręgowego. Blisko 90 procent przypadków jest następstwem tragicznych wypadków komunikacyjnych, sportowych lub aktów przemocy, a 10 procent jest efektem przewlekłych chorób bądź zmian zwyrodnieniowych. Pacjenci z tymi schorzeniami wymagają długotrwałej, a najczęściej trwającej całe życie rehabilitacji.

Udar mózgu to druga przyczyna zgonów na całym świecie, a także najczęstszy powód niepełnosprawności dorosłych

Około 8 na 10 osób, które przeżyły udar, cierpi na „niedowład połowiczy”, paraliż, który zwykle uderza w kończyny i mięśnie twarzy po jednej stronie ciała i często powoduje poważne trudności w chodzeniu, utratę równowagi i zwiększone ryzyko upadku, a także zmęczenie mięśni, które szybko pojawia się podczas wysiłku. Osoby takie, jeśli chodzą samodzielnie, robią to bardzo wolno i przemieszczają się na niewielkie odległości. Często upośledzenia te uniemożliwiają im wykonywanie podstawowych, codziennych czynności.

Wspomaganie algorytmami

Aby umożliwić pacjentom po udarze szybszy powrót do zdrowia, wiele ośrodków rehabilitacji szuka najlepszych robotycznych egzoszkieletów.

W 2017 r. zespół inżynierów mechaników i elektryków, projektantów odzieży i ekspertów neurorehabilitacji z USA opracował miękki egzoszkielet. Zasilany akumulatorem i silnikiem, jest w stanie znacznie poprawić funkcje chodu, podczas noszenia na bieżni przez pacjentów po udarze.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=Eab7y4z8I4M

Naukowcy użyli dodatkowo uczenia maszynowego do personalizacji kontroli miękkich egzoszkieletów. Algorytm szybko identyfikuje najlepsze parametry kontrolne dla urządzenia, aby zminimalizować ilość energii zużywanej do chodzenia. Badacze zastosowali technikę zwaną „optymalizacją człowieka w pętli”, która rejestruje pomiary sygnałów fizjologicznych w czasie rzeczywistym, takich jak częstość oddechów, w celu dostosowania parametrów kontrolnych. Gdy algorytm opracowuje najlepsze parametry, przygotowuje egzoszkielet na to, kiedy i gdzie dostarczyć siłę wspomagającą.

Każdy chodzi inaczej

Naukowcy zaangażowali ośmiu mężczyzn do chodzenia po bieżni w miękkich egzoszkieletach. Po około 20 cyklach marszu komputer podłączony do kombinezonu za pomocą algorytmów uczenia i optymalizacji opracował idealny profil siły dla każdego „chodziarza”. Połączenie algorytmu i miękkiego egzoszkieletu obniżyło koszt metabolizmu o 17,4 procent w porównaniu do chodzenia bez urządzenia.

Teraz ten sam zespół zrobił duży skok w kierunku przełożenia swojej technologii na rehabilitację osób po udarze. Używając nowej wersji egzoszkieletu, który ma własną baterię i silnik, badacze wykazali, eksperymentując na sześciu osobach, że ich urządzenie może znacznie zwiększyć prędkość chodzenia osób z niedowładem nóg.

Hiszpańscy badacze mają ambitny plan, by jeszcze w tym roku wprowadzić do sprzedaży pierwszy egzoszkielet domowego użytku. Ma być lekki i niedrogi.

Dostarcza mechaniczną moc za pomocą systemu silników i kabli, które wraz z innymi częściami egzoszkieletu są przymocowane do ciała za pomocą lekkich, funkcjonalnych tkanin. Pacjenci noszą go tylko po upośledzonej stronie ciała, w przeciwieństwie do sztywnych systemów egzoszkieletowych – z których wiele należy nosić po obu stronach.

Osoby, które przeżyły udar, często wykazują niezdolność do podniesienia stopy z kostek. W trakcie badań osoby, poproszone o przejście w jednostronnym egzoszkielecie tak daleko, jak to możliwe w 6 minut, były w stanie przejść średnio o 32 metry dalej, niż bez urządzenia, przy czym jedna osoba przeszła ponad 100 metrów dalej. Miękki egzoszkielet waży mniej niż pięć kilogramów i jest w pełni mobilny: wspomaga zgięcie podeszwowe, ruch kostki, który popycha stopę w dół, oraz zgięcie grzbietowe, w którym stopa jest unoszona, a palce u nóg ciągnięte w kierunku goleni.

Ortezy z napędem

Ciekawe rozwiązanie dla osób z urazem rdzenia kręgowego opracował hiszpański start-up ABLE, który otrzymał unijne dofinansowanie z programu Horyzont 2020. Projekt zakończył się w ub. roku, a firma nadal rozwija i zamierza skomercjalizować zrobotyzowane egzoszkielety. Wizją ABLE jest zbudowanie świata, w którym każdy ma możliwość poruszania się niezależnie. Badacze mają ambitny plan, by jeszcze w tym roku wprowadzić do sprzedaży pierwszy egzoszkielet domowego użytku. Ma być lekki i niedrogi.

Inżynierowie pracujący nad projektem TWIICE zgodzili się podjąć wyzwanie polegające na umożliwieniu Loosowi powrotu do pasji – wchodzeniu na nartach i zjeździe po ośnieżonych stokach Szwajcarii

Egzoszkielet ABLE przywraca zdolność chodzenia osób z porażeniem kończyn dolnych w naturalny i intuicyjny sposób. Opiera się na elektrycznym siłowniku, który wygina i rozciąga nogę naśladującą naturalny ruch człowieka, oraz czujniku bezwładnościowym, który wraz z dedykowanymi algorytmami wykrywa zamiar zrobienia kroku naprzód.

Urządzenie ABLE zdobyło wiele nagród m.in. za innowacyjną technologię poprawy opieki zdrowotnej.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?time_continue=20&v=GTIdDpmMyZo&feature=emb_logo

Ludzkie historie

Nadzieją dla osób po całkowitym porażeniu z minimalną sprawnością przedramion jest egzoszkielet Ekso GT/NR amerykańskiej firmy Ekso Bionics. To przenośny bioniczny szkielet, który pomaga trenować mózg i mięśnie, umożliwiając pacjentom z udarem mózgu, uszkodzeniem rdzenia kręgowego lub innymi chorobami neurologicznymi ponowną naukę chodzenia.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=RtBaQEKcguk

Przeznaczony jest praktycznie dla każdego pacjenta z porażeniem lub niedowładem kończyn dolnych. Pozwala na wykonywanie ruchów wstawania z i siadania na krześle oraz chodzenie z prawidłowym przenoszeniem obciążenia między kończynami. Jest zasilany bateriami, a ruchy są wykonywane za pomocą silników, co wspomaga utracone funkcje nerwowo-mięśniowe.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=Zn__1Pi0q-E&feature=emb_logo

Ten egzoszkielet jest przeznaczony do użytku pod nadzorem terapeuty u pacjentów o różnym stopniu porażenia lub niedowładu, które mogą być wynikiem schorzeń neurologicznych lub urazów. Programowanie o nazwie Step Generator pozwala na optymalny dobór parametrów treningu, tak aby pacjent zaczął jak najszybciej chodzić. Egzoszkielet wyposażony jest również w specjalne narzędzie do kontrolowania poprawności i symetryczności wykonywania ruchów z punktu widzenia biomechaniki chodu. Według Jacka Peuracha, prezesa Ekso Bionics, z egzoszkieletu korzysta około 300 szpitali.

Przygoda z egzoszkieletem

Swoją historię o tym, jak z niepełnosprawności wrócił do chodzenia, opowiedział Marc Pollock podczas ubiegłorocznej edycji krakowskiej konferencji IMPACT CEE, pierwszy niewidomy, który stanął na Biegunie Południowym. W 2010 roku, na kilka tygodni przed ślubem, Pollock wypadł z okna na piętrze, łamiąc kręgosłup i doznając urazu czaszki. To spowodowało krwawienie do mózgu i paraliż. Pollock rozpoczął ambitne leczenie eksperymentalne, próbując przezwyciężyć unieruchomienie we współpracy z innowacyjnym centrum leczenia w Kalifornii, gdzie testował egzoszkielety Ekso Bionics.

– Musimy połączyć te niesamowite technologie z badaniami, aby sparaliżowane nogi ożyły. Potrzebujemy nadziei. Mój świat nadziei był kiedyś wyścigiem przygód, teraz chodzi o wyleczenie paraliżu – opowiadał w trakcie wystąpienia na krakowskiej konferencji. Towarzyszyła mu żona. Oto jego historia:

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=zeFGaeSZSkI

Sterowanie umysłem

Nowe technologie dają nadzieję także całkowicie sparaliżowanym. Z pomocą przychodzi im Imperial College London, gdzie trwają prace nad egzoszkieletem sterowanym umysłem. Pacjent biorący udział w eksperymentach ma wszczepione do mózgu implanty – specjalne czujniki wysyłające sygnały do komputera, który przetwarza je na ruch egzoszkieletu, a tester dzięki temu porusza rękami i nogami. Testy systemu wykazały, że mężczyzna za pomocą specjalnego kombinezonu był w stanie znów chodzić. Chociaż nie pozwala mu to jeszcze samodzielnie się poruszać – kombinezon jest zawieszony na uprzęży, aby zapobiec upadkowi. Jednak test pokazał potencjał takiego rozwiązania.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=1GyJBBB8O_M&feature=emb_logo

Wprowadzenie implantów do czaszki to ryzyko infekcji, ponadto elektrody stopniowo przestają działać pokrywając się zbliznowaceniami. Nad rozwiązaniem tego problemu pracują naukowcy z University of Grenoble Alpes we Francji. Zdecydowali o umieszczeniu dwóch elektrod na twardszej powierzchni zewnętrznej mózgu, bazując na skanach tych obszarów, które stają się aktywne podczas chodzenia i poruszania rękami. Pierwsze eksperymenty polegały na sterowaniu komputerowym awatarem przez osobę niepełnosprawną, następnie poruszaniu się w egoszkielecie. Pacjent, który uczestniczył w teście stwierdził, że czuł się jak pierwszy człowiek na księżycu. Teraz analizowane są sposoby utrzymania równowagi człowieka w kombinezonie, by uwolnić go z uprzęży. Do tego wykorzystany zostanie superkomputer i jego wysokie prędkości obliczeniowe.

Szwajcarska precyzja

Uczestnicy programu badawczego REHAssist, wychodząc z założenia, że każda niepełnosprawność jest inna, zastosowali egzoszkielet modułowy. Prace nad urządzeniem trwają od pięciu lat. W ich efekcie powstał egzoszkielet kończyn dolnych TWIICE oraz start-up, który zajmuje się jego udoskonalaniem.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?time_continue=13&v=-QLwgImr1Kk&feature=emb_logo

Urządzenie jest konfigurowalne w zależności od potrzeb beneficjenta. Waży ok. 15 kg i umożliwia osobom z paraplegią wstanie i chodzenie. Podobnie jak w przypadku Ekso Biotics ma swoją ambasadorkę. Testerka Silke Pan od 2016 roku kilka razy w tygodniu sprawdza nowe rozwiązania TWIICE.

Zimowa pasja rodzi innowacje

Jeszcze bardziej niecodziennym rozwiązaniem było stworzenie egzoszkieletu do skitouringu. Na taki pomysł wpadł Martin Loos, amator sportów zimowych, który w trakcie wspinaczki kilka lat temu uległ wypadkowi i został sparaliżowany od pasa w dół. Loos, który studiuje inżynierię, skontaktował się z naukowcami programu REHAssist. Podjęli oni wyzwanie, adaptując do jego potrzeb TWIICE. Tak powstał WIITE. Dzięki niemu osoby z urazem rdzenia kręgowego mogą wstawać, chodzić, a także jeździć na nartach.

Adres filmu na Youtube: https://www.youtube.com/watch?time_continue=11&v=UPG782VibTQ&feature=emb_logo

Jedynym warunkiem jest to, że muszą mieć możliwość korzystania z górnej części ciała, aby operować kulami, co zapewnia równowagę i kontrolę. Użytkownik porusza egzoszkieletem, naciskając przycisk, idąc o kulach lub wspierając się kijkami narciarskimi. WIITE, to przegubowy system, który mocuje się do kolan i bioder pacjenta. Wspiera nogi, uda i górną część ciała. Zawiera małe silniki elektryczne, które wyginają i rozciągają stawy kolanowe i biodrowe, aby odtworzyć naturalne ruchy ciała podczas chodzenia i jazdy na nartach w terenie.

Jeśli to ciekawy temat, zajrzyjcie też na stronę: https://exoskeletonreport.com/.

• Able
• TWIICE
• uczenie maszynowe / machine learning
• udar
• uraz kręgosłupa
• WIITE