Опираясь на успех проектов по увеличению силы путем добавления двигателей к обычным ортезам на колени, бедра и лодыжки, команда Мичиганского университета изучает, насколько хорошо этот подход может помочь облегчить боль в коленях от остеоартрита.

"Это может создать совершенно новый класс ортопедических вмешательств, которых сегодня не существует, которые потенциально могут отложить операцию или избавить людей от необходимости ее проходить", - сказал Роберт Грегг, профессор робототехники UM и руководитель финансируемого проекта. с 2 миллионами долларов от Национальных институтов здравоохранения.

В более ранней работе экзоскелеты, или экзо, разработанные командой Грегга, сократили усилия, затрачиваемые участниками исследования, на:

• 14,5 % при усилии квадрицепсов с экзосом колена

• 19,1 % при крутящем моменте нижней части голеностопного сустава с экзосом голеностопного сустава

• 25% в работа бедра с экзосом тазобедренного сустава

Мы провели пилотное исследование с участием четырех человек с остеоартритом коленного сустава. Все они почувствовали уменьшение боли. Если вы уменьшите пиковые мышечные усилия в суставе, вы уменьшите пиковые нагрузки на сократительные мышцы, стягивающие сустав. Вы уменьшаете этот пик и уменьшаете боль при артрите».

Роберт Грегг, профессор робототехники Университета штата Массачусетс и руководитель проекта

Уменьшение контактных сил внутри коленных суставов

Прежде чем пригласить участников исследования в лабораторию, исследователи оптимизируют их экзоскелеты для уменьшения боли при артрите. Команда Грегга имеет большой опыт моделирования мышечных усилий и крутящего момента суставов, но они ранее не вдавались в подробности происходящего.

Теперь они займутся моделями скелетно-мышечной системы, чтобы количественно оценить, как экзо-помощь снижает контактные силы кость-к-кости и, следовательно, боль внутри суставов. Они будут использовать эту информацию для адаптации алгоритма управления экзо-контактом, чтобы уменьшить контактные силы, а не просто мышечные усилия, и в конечном итоге оценить влияние на боль, о которой сами участники сообщают при различных видах деятельности.

Алгоритм управления будет основан на «энергии». «формирование», поддерживаемый группой Грегга, который способствовал более ранним успехам с экзо на основе брекетов. Старые стратегии управления часто основаны на угадывании того, что пытается сделать пользователь, например, подняться по лестнице или сесть на стул. Вместо этого алгоритм формирования энергии смотрит на текущее движение пользователя и предсказывает, сколько силы потребуется в следующую долю секунды. Прогнозы основаны на моделях человеческого движения, сделанных на основе данных захвата движения и физики. 

Дизайн Сами экзо будут очень похожи на предыдущую попытку повысить силу. Команда, в которую входит соавтор исследования Эллиотт Роуз, доцент кафедры робототехники Университета штата Массачусетс, использует «блинные» двигатели, популяризированные индустрией дронов. Ключевым преимуществом этих двигателей является высокий крутящий момент на низких скоростях, обеспечивающий силу, подобную человеческим суставам.

Раньше двигатели, которые были достаточно маленькими, чтобы их можно было устанавливать на коленные скобы, требовали большего количества шестерен, чтобы обеспечить более высокий крутящий момент. назад, в результате чего экзо становится жестким и шумным, по объему напоминающим бытовую дрель. Двигатели Pancake обеспечивают мощность и плавность работы, необходимые для совместимости с движениями человека, при этом почти бесшумные.

Клинические испытания с участием участников, страдающих артритом

Соавторы исследования Эдвард Войтис, профессор ортопедической хирургии из наследия Уильяма С. Смита, и Дэймон Бэгли-Эйрс, сертифицированный протезист и ортопед из США. Мичиганская медицина наберет участников с остеоартритом и поддержит клиническое исследование. Стивен Харт, доцент кафедры анестезиологии и внутренних болезней Мичиганского медицинского университета, поддержит тщательную оценку боли.

Хотя это исследование является лабораторным испытанием, Грегг надеется в конечном итоге отправить экзоскелеты домой с пользователями, чтобы увидеть, уменьшают ли они порочный круг атрофии мышц, сопровождающий остеоартрит. Поскольку экзоскелеты облегчают каждый шаг, может возникнуть атрофия мышц. хуже, если пользователи не двигаются больше. Команда делает ставку на то, что если пользователи экзо смогут двигаться с меньшей болью, они будут двигаться чаще, а увеличение совокупного уровня активности может укрепить мышцы пользователей экзо.