Printer friendly version Share

News Release

Sterowany umysłem egzoszkielet, umożliwiający osobom niepełnosprawnym poruszanie się

15 March 2013 European Commission, CORDIS

Każdego roku tysiące osób w Europie dotyka paraliż będący następstwem urazu rdzenia kręgowego. W wielu przypadkach są to osoby młode, które będą musiały spędzić resztę życia na wózku inwalidzkim. Chociaż obecnie nie istnieją stuprocentowo skuteczne metody terapii, w przyszłości osoby te być może będą mogły ponownie chodzić, dzięki sterowanemu umysłem, robotycznemu egzoszkieletowi, opracowywanemu przez naukowców finansowanych ze środków unijnych.

Powyższy system, obejmujący innowacyjny interfejs "mózg-komputer" ('brain-neural-computer interface' - BNCI), w połączeniu z lekkim egzoszkieletem przytwierdzanym do nóg użytkowników, a także środowiskiem treningowym bazującym na rzeczywistości wirtualnej, być może znajdzie także zastosowanie w kontekście rehabilitacji ofiar udarów mózgu oraz w przypadku astronautów, zmuszonych do odbudowywania masy mięśniowej bo długim pobycie w przestrzeni kosmicznej.

W Wielkiej Brytanii średnio co osiem godzin ktoś doznaje urazu rdzenia kręgowego. Tego typu urazy często skutkują częściowym lub całkowitym paraliżem kończyn dolnych. Natomiast w Stanach Zjednoczonych ponad 250 000 obywateli zmaga się z paraliżem, będącym następstwem tego rodzaju urazu, mającego zazwyczaj miejsce podczas wypadku drogowego, upadku lub urazu sportowego. Wiele sparaliżowanych osób nie przekroczyło jeszcze 50 roku życia, jednak ze względu na to, że nie istnieją leki ani procedury medyczne, pozwalające naprawiać uszkodzone nerwy, grozi im spędzenie reszty życia w wózku inwalidzkim.

Ominięcie rdzenia kręgowego i przesyłanie sygnałów bezpośrednio z mózgu do robotycznego egzoszkieletu powinno umożliwić osobom sparaliżowanym ponowne stanięcie na nogach. To właśnie cel, jaki wyznaczyli sobie naukowcy uczestniczący w trzyletnim projekcie o nazwie "Umożliwianie chodzenia osobom sparaliżowanym dzięki sterowanemu umysłem egzoszkoieletowi oraz wirtualnemu środowisku szkoleniowemu" ('Mind-controlled orthosis and VR-training environment for walk empowering' - Mindwalker), który uzyskał wsparcie finansowe w kwocie 2,75 milionów euro ze strony Komisji Europejskiej.

"Mindwalker to ambitny projekt, którego celem jest zbadanie obiecujących metod wykorzystania sygnałów wysyłanych przez mózg w kontekście rehabilitacji osób dotkniętych paraliżem, a także zaprojektowanie i zbudowanie prototypowego systemu, ilustrującego potencjał powyższych technologii", tłumaczy Michel Ilzkovitz, koordynator projektu oraz pracownik belgijskiej firmy Space Applications Services.

Podejście obrane przez uczestników projektu bazuje na zaawansowanym systemie BNCI, który przemienia sygnały elektroencefalograficzne (EEG), wysyłane przez mózg, oraz sygnały elektromiograficzne (EMG), pochodzące z mięśni naramiennych, w elektroniczne komendy, sterujące pracą egzoszkieletu.

Pracownicy Laboratorium Neurofizjologii oraz Biomechaniki Ruchu, będącego częścią Wolnego Uniwersytetu Brukselskiego ('Université Libre de Bruxelles' - ULB) skupili się na wykorzystaniu sygnałów EEG oraz EMG, przetwarzanych dzięki sztucznej sieci neuronowej, natomiast członkowie włoskiej Fundacji Santa Lucia opracowali techniki oparte na sygnałach EMG, w których wykorzystuje się połączenie oscylatorów neuronowych i biomechanicznych.

W jednej z metod sterowania egzoszkieletem wykorzystuje się tak zwane potencjały wywołane bodźcami wizualnymi ('steady-state visually evoked potential'), czyli metodę wzbudzania sygnałów EEG w wyniku stymulacji wzrokowej o zmiennej częstotliwości. Powyższe sygnały EEG przemieniane są następnie w polecenia, takie jak "wstań", "idź", "szybciej", "wolniej" itd.

Drugie podejście bazuje na przetwarzaniu sygnałów EMG, generowanych przez mięśnie naramienne, a także na wykorzystaniu naturalnej koordynacji pomiędzy ramionami a kończynami dolnymi, występującej podczas chodu. Podejście to polega na rejestrowaniu ruchów ramion, a następnie przetwarzaniu pozyskanych danych w sygnały kontrolujące nogi egzoszkieletu.

Trzecie podejście, tzw. "ideacja", również oparte jest na przetwarzaniu sygnałów EEG. W podejściu tym wykorzystuje się fale korowe EEG Theta, powstające podczas naturalnych procesów umysłowych, związanych z chodzeniem. Uczestnicy projektu Mindwalker przeanalizowali powyższe podejście, jednak odrzucili je ze względu na stopień złożoności oraz długi czas niezbędny do przemienienia wyników wczesnych eksperymentów w kompleksowe rozwiązanie.

Niezależnie od obranego podejścia sygnały BNCI muszą być poddawane filtracji i przetwarzaniu, zanim wykorzysta się je do kontrolowania egzoszkieletu. By osiągnąć powyższy cel, naukowcy uczestniczący w inicjatywie Mindwalker przesyłali sygnały BNCI przez "dynamiczną, rekurencyjną sieć neuronową" ('Dynamic recurrent neural network' - DRNN), która jest w stanie "uczyć się" natury tego rodzaju sygnałów i odpowiednio je wykorzystywać.

"Powyższe podejście sprawdza się w przypadku kontroli kinetycznej i pozwala sterować egzoszkieletem w sposób płynny i naturalny", twierdzi Ilzkovitz.

Członkowie zespołu projektowego obrali równie praktyczne podejście do rejestrowania sygnałów EEG pochodzących z mózgu. Stosowane obecnie systemy BNCI są zwykle inwazyjne, gdyż bazują na elektrodach, które wszczepia się bezpośrednio w tkankę mózgową, lub też wymagają, by użytkownik nosił "mokre" nakrycie głowy, którego dopasowanie jest czasochłonne i wymaga stosowania specjalnego żelu, zmniejszającego opór elektryczny pomiędzy skórą a elektrodami. Chociaż powyższe systemy pozwalają rejestrować sygnały o bardzo wysokiej jakości i dobrym stosunku sygnał-szum, ich stosowanie na co dzień jest niepraktyczne.

Dlatego uczestnicy projektu Mindwalker zastosowali "suche" rozwiązanie, oparte na technologii opracowanej przez berlińską firmę eemagine Medical Imaging Solutions. W systemie tym stosuje się nakrycie głowy, które użytkownicy mogą zakładać samodzielnie, wyposażone w elektrody oraz innowacyjne układy elektroniczne, wzmacniające i optymalizujące sygnał elektryczny, zanim zostanie on przesłany do sieci neuronowej.

"Suchy rejestrator EEG może być zakładany przez użytkowników samodzielnie, w czasie krótszym niż minuta, podobnie jak czepek kąpielowy", twierdzi Ilzkovitz.

Silne i wytrzymałe kończyny robotyczne 

Pracownicy holenderskich uniwersytetów Delft oraz Twente opracowali natomiast innowacyjne podejście do projektowania egzoszkieletu oraz jego mechanizmów sterujących. Egzoszkielet zaprojektowano w taki sposób, że jest wystarczająco wytrzymały, by unieść ciężar osoby ważącej 100 kg oraz wystarczająco silny, by przeciwdziałać utracie równowagi powodowanej przez czynniki zewnętrzne, np. ruchy klatki piersiowej użytkownika, związane z chodzeniem, czy też lekkie popchnięcie z tyłu lub z boku. W porównaniu z innymi egzoszkieletami rozwiązanie zaproponowane przez uczestników projektu Mindwalker jest stosunkowo lekkie (waży niecałe 30 kg) i nie wymaga stosowania baterii, gdyż ostateczna wersja systemu będzie posiadać własny układ zasilania oraz zostanie zoptymalizowana pod kątem zużycia energii.

Naukowcom zaangażowanym w inicjatywę Mindwalker udało się osiągnąć wysoki stopień sprawności energetycznej dzięki zastosowaniu sprężyn zlokalizowanych w stawach egzoszkieletu, pozwalających absorbować i ponownie wykorzystywać część energii traconej zwykle podczas chodu, a także dzięki optymalizacji procesu sterowania egzoszkieletem.

Większość egzoszkieletów projektowana jest w taki sposób, by znajdowały się w stanie równowagi, gdy są całkowicie lub prawie całkowicie nieruchome, a także by poruszały się w sposób iteracyjny, zachowując pełną stabilność. Takie podejście określa się jako "punkt momentu zerowego" ('zero moment point' - ZMP). Chociaż technika ZMP jest często stosowana w przypadku sterowania robotami człekokształtnymi, wykorzystanie jej w kontekście egzoszkieletów sprawia, że są ciężkie i powolne, a także zwykle oznacza, że użytkownicy muszą korzystać z ruchomych ram, lasek lub innych urządzeń podpierających.

Bardziej zaawansowana i naturalna metoda sterowania polega na odzwierciedleniu sposobu, w jaki poruszają się ludzie, z uwzględnieniem kontrolowanej utraty równowagi.

"Powyższe podejście, określane jako 'Limit-cycle walking', wdrożono bazując na sterowaniu predykcyjnym, polegającym na przewidywaniu zachowań użytkownika oraz egzoszkieletu i odpowiednim kontrolowaniu egzoszkieletu podczas chodu. Podejście to badano w ramach projektu Mindwalker", twierdzi Ilzkovitz. 

By uczyć użytkowników sterowania egzoszkieletem, naukowcy zatrudnieni w firmie Space Applications Services stworzyli platformę szkoleniową, bazującą na rzeczywistości wirtualnej, dzięki której użytkownicy mogą w sposób bezpieczny przyzwyczajać się do korzystania z systemu, zanim przetestują go w środowisku klinicznym, a także, na co liczą uczestnicy projektu, zaczną korzystać z niego w życiu codziennym.

Jeszcze w tym roku zostaną zakończone testy, w których uczestniczą pełnosprawni użytkownicy. Następnie system zostanie dostarczony do Fundacji Santa Lucia, gdzie będzie testowany w warunkach klinicznych do maja 2013, przez 10 ochotników cierpiących na uraz rdzenia kręgowego. Powyższe testy pozwolą zidentyfikować niedoskonałości rozwiązania Mindwalker oraz potencjalne usprawnienia w zakresie jego wydajności, twierdzi koordynator projektu.

Jednocześnie partnerzy projektu prowadzą dalsze badania nad wieloma komponentami, mającymi liczne, potencjalne zastosowania. Przykładowo koordynator projektu podkreśla, że niektóre komponenty systemu mogłyby zostać dostosowane do rehabilitacji ofiar udaru, lub też do stworzenia łatwego w użyciu egzoszkieletu wspierającego mobilność osób starszych.

Tymczasem firma Space Applications Services rozważa wykorzystanie technologii Mindwalker w kontekście szkolenia astronautów oraz ułatwiania im odbudowywania masy mięśniowej, utraconej w wyniku długotrwałego przebywania w stanie nieważkości.

Projekt Mindwalker był koordynowany przez firmę Space Applications Services NV oraz uzyskał wsparcie finansowe na badania naukowe w ramach Siódmego Programu Ramowego UE (7PR).

Odnośnik do projektu na stronie CORDIS:

- informacje na temat 7PR w bazie danych CORDIS - http://cordis.europa.eu/fp7/home_en.html
- informacje na temat projektu Mindwalker w bazie danych CORDIS - http://cordis.europa.eu/projects/rcn/93837_en.html

Odnośnik do strony internetowej projektu:

- strona internetowa projektu "Umożliwianie chodzenia osobom sparaliżowanym dzięki sterowanemu umysłem egzoszkoieletowi oraz wirtualnemu środowisku szkoleniowemu" - 'Mind controlled orthosis and VR training environment for walk empowering' - http://mindwalker-project.eu/

Pozostałe odnośniki:

- strona internetowa Agendy Cyfrowej Komisji Europejskiej - http://ec.europa.eu/digital-agenda/

SOURCE: Michel Ilzkovitz, Space Applications Services, Belgia

http://cordis.europa.eu/results/home_pl.html

Attached files

  • © MINDWALKER


App animated no finger Facebook-Twitter3 Translation page link eNEWS ad2 WCSJ ad