Бионические протезы, реабилитационные системы для пациентов с двигательными нарушениями и роботизированные устройства, имитирующие действия оператора, представляют собой технологии, пользующиеся значительным спросом в современном мире. Комплексный метод картирования нейромышечной активности человека, разработанный исследователями Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана, способствовал развитию этих направлений. В 2024 году эта технология была отмечена премией Правительства Москвы среди молодых ученых. Какие возможности открывают в медицине и робототехнике устройства, функционирующие на основе многосторонней регистрации мышечной активности? С какими трудностями сталкиваются разработчики бионических протезов? Возможно ли применение инновации МГТУ для управления экзоскелетами? Какие еще технологии для медицинской диагностики и реабилитации создаются в университете? Об этом и многом другом корреспонденту портала «Научная Россия» рассказал лауреат премии Правительства Москвы среди молодых ученых, доцент кафедры «Медико-технические информационные технологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана, кандидат технических наук Андрей Николаевич Брико.
Андрей Николаевич Брико — кандидат технических наук, доцент кафедры «Медико-технические информационные технологии» факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Совместно с ассистентом кафедры Владиславой Вячеславовной Каправчук удостоен премии Правительства Москвы молодым ученым за 2024 год в номинации «Фармацевтика, медицинское оборудование и материалы» за создание технологий картирования нейромышечной активности для реабилитационных медицинских устройств и антропоморфных бионических систем.
— Пожалуйста, поделитесь информацией о том, как продвигаются ваши исследования и какие результаты уже достигнуты.
— Эта тема давно является одним из приоритетных направлений нашей кафедры. Мы проводим исследования в этой области около десяти лет, и я принимал в них участие еще в студенческие годы. На пятом курсе, при выборе специализации, я остановился именно на этом направлении. В то время коллектив кафедры сотрудничал с Ракетно-космической корпорацией «Энергия» в рамках совместного проекта, целью которого было создание отечественного протеза кисти. Нашей задачей было создание системы управления, которая сокращала бы время реабилитации и делала бы процесс управления более удобным и интуитивным. Именно тогда началась моя работа в университете в должности техника. Позже я поступил в аспирантуру, стал преподавателем кафедры и продолжил исследования по этой тематике.
Начав с определения необходимых действий по мышечным сигналам, мы приступили к исследованиям в данной области. Это было необходимо для формирования команд управления бионическим протезом. Позже, для более детального изучения процесса формирования этих сигналов, тематика исследований была расширена.
В начале работы, подобно многим другим ученым, мы применяли электромиографию 1 для анализа двигательной активности через регистрацию электрических сигналов мышц. Однако позже стало очевидно, что одного этого метода недостаточно для полного понимания работы мышц. Электромиография фиксирует только электрическую активность, но не дает информации о механических характеристиках мышечного сокращения.
Для достижения наилучших результатов мы приняли решение о сочетании подходов, использующих различные физические принципы. В частности, параллельно с электромиографией осуществлялась регистрация сигналов электрического импеданса 2 и миотонограммы3. Это дало возможность не только регистрировать электрическую активность мышц, но и изучать изменения в их структуре и упругости в процессе сокращения.
Использование комплексного подхода к регистрации нейромышечной активности, основанного на различных методах, позволяет не только определять тип движения и его величину, но и оценивать силу мышечного сокращения и степень участия мышцы в выполняемом действии. Это обеспечивает более точную настройку управления протезами и реабилитационными устройствами, приближая их к естественным движениям человека.
1Электромиография — способ фиксации биоэлектрической активности скелетных мышц, заключающийся в измерении электрических потенциалов, которые возникают во время их возбуждения и сокращения. Применяется для оценки работы мышечной ткани и нервно-мышечной связи.
2Электрический импеданс (биоимпеданс) — электрический импеданс — это комплексная характеристика, описывающая способность биологических тканей оказывать сопротивление переменному току. У мышечной ткани данный показатель определяется её строением, содержанием воды, состоянием клеточных мембран и степенью сокращения.
3Миотонография — это способ инструментального определения механических характеристик мышечной ткани, который предполагает фиксацию данных об ее упругости и тонусе. Он обеспечивает возможность количественной оценки изменений в жесткости, эластичности и способности мышцы оказывать сопротивление во время сокращения и расслабления.
Интеграция всей схемотехнической реализации комплексной регистрации сигналов мышечной активности в единый корпус электродной системы, при этом не увеличив существенно ее размеры, стала важным достижением. Это позволило сохранить существующую технологию протезирования и впоследствии упростить внедрение разработанных нами решений.
В настоящий момент мы исследуем биомеханические аспекты мышечного сокращения, используя ультразвуковые системы, которые обеспечивают возможность отслеживания динамики сокращений в реальном времени. Полученные данные необходимы для разработки математических моделей биомеханического процесса мышечного сокращения, с целью установления количественных взаимосвязей со значимыми параметрами регистрируемых сигналов. При этом особое внимание уделяется сигналу электрического импеданса, так как он демонстрирует изменения структуры и состояния мышечной ткани в процессе ее работы.
В настоящее время мы также изучаем движение мышц с помощью ультразвуковой диагностики. Данный метод позволяет наблюдать за динамикой сокращения в режиме реального времени и оценивать изменения в глубоких мышечных слоях, что имеет особое значение при разработке адаптивных систем управления.
В процессе исследований мы изучали характеристики мышц и особенности их сокращения, используя мультимодальные измерения. Мы сосредоточились на механике сокращения мышц предплечья, определении наиболее показательных параметров их активности и выборе оптимальных мест для регистрации сигналов. Разработанные нами методы уже применяются на практике, что подтверждает их результативность. Результатом этой работы стала заявка на премию Правительства Москвы, а положительная оценка экспертной комиссии указывает на важность наших исследований. Я доволен тем, что наша работа получила признание, и это стимулирует дальнейшее развитие данного направления.
— Используются ли уже созданные вами технологии в реальных условиях, или некоторые разработки проходят клинические испытания?
— МГТУ им. Н.Э. Баумана поддерживает взаимодействие как с промышленными предприятиями, так и с научно-исследовательскими институтами. Среди партнеров — Федеральный научно-образовательный центр медико-социальной экспертизы и реабилитации им. Г.А. Альбрехта Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации, Российский научный центр хирургии им. ак. Б.В. Петровского, компания «Моторика». Также некоторые выпускники МГТУ им. Н.Э. Баумана, ставшие коллегами, создали собственные инженерные компании, которые разрабатывают решения в близких областях.
В связи с новизной нашей технологии, ее практическое применение нуждается в дополнительных исследованиях. Тестирование методов регистрации сигналов на себе или на коллегах под контролем внутреннего этического комитета – это одно, а интеграция технологии в медицинское изделие с последующей апробацией на большой группе пациентов – совсем другое.
Существенная разница в сигналах наблюдается между здоровыми людьми и пациентами с ампутацией, что затрудняет адаптацию алгоритмов. Для каждого пользователя требуется индивидуальная калибровка процесса записи сигналов с оценкой эффективности управления протезом. Точность выполнения движений может значительно варьироваться: у одного пациента она достигает 99%, а у другого – всего 80%. Также наблюдается разница в количестве доступных движений – один человек способен выполнять более широкий спектр, в то время как у другого их число ограничено. Таким образом, испытания демонстрируют высокую эффективность на лабораторном этапе, однако при переходе к практическому применению возникают дополнительные технические и клинические трудности. Однако я уверен, что эти барьеры будут преодолены. Мы рассчитываем, что в ближайшее время технология пройдет клиническую оценку, что станет важным шагом на пути ее внедрения в медицинскую практику и коммерциализации.
— Можете привести примеры устройств, в которых используется технология картирования мышечной активности?
— Данная технология находит применение в разнообразных роботизированных системах. Наиболее востребованным и очевидным направлением являются бионические протезы, которые особенно актуальны для России. Это одна из основных сфер использования картирования нейромышечной активности, над которой мы активно работаем.
Ключевым аспектом является разработка систем реабилитации, направленных на восстановление двигательных навыков, которые могли быть утрачены, например, вследствие инсульта. Также создаются приспособления, облегчающие людям с ограниченными возможностями удержание предметов и выполнение повседневных задач. Даже если пациент не может самостоятельно выполнить движение, его намерения фиксируются в мышечных сигналах, что позволяет преобразовать их в управляющие команды для реабилитационных устройств.
Помимо использования в медицине, технология картирования нейромышечной активности находит применение и в других областях, таких как создание роботов-манипуляторов. На нашей кафедре, в рамках программы «Приоритет-2030», был успешно реализован проект по адаптации системы управления для подводного манипулятора. Данное устройство разработано нашим индустриальным партнером — Специальным конструкторско-технологическим бюро прикладной робототехники ( СКТБ ПР), управление осуществлялось посредством браслета, который крепился на предплечье. Разработка была направлена на то, чтобы робот мог выполнять три основных движения: захват и освобождение, сгибание и разгибание, поворот. Пользователь совершал эти действия, а манипулятор воспроизводил их с высокой точностью.
— Как мне представляется, различные научные коллективы занимаются изучением нейромышечной активности. Какие аспекты ваших исследований вы бы хотели подчеркнуть и какие новые перспективы открывают ваши работы?
— Практически все компании, разрабатывающие бионические протезы, используют технологии регистрации биоэлектрических сигналов. В основном для этого применяется поверхностная электромиография, позволяющая фиксировать электрическую активность мышц. Некоторые разработчики также используют оптические датчики или регистрируют намерение пациента посредством контактных сенсоров, которые отслеживают изменения формы мышц культи при их сокращении. Полученные сигналы затем используются для управления протезами.
Мы применяем мультимодальный анализ, который предполагает объединение данных, полученных на основе различных физических принципов. В дополнение к электромиографии, мы регистрируем электрический импеданс мышц, измерение которого может проводиться одновременно с электромиограммой при использовании одной электродной системы за счет использования разных частотных диапазонов. Также мы используем миотонографию для оценки упругости мышц и степени их деформации в процессе движения.
Использование нескольких модальностей предоставляет ряд значительных преимуществ. Прежде всего, это увеличивает диапазон движений, доступных для пользователя бионического протеза или устройства реабилитации. Кроме того, это обеспечивает более точный анализ силы и степени сокращения мышц, что является ключевым фактором для естественного и интуитивного управления. Таким образом, наша технология обеспечивает расширенный функционал, более высокую точность срабатываний и возможность пропорционального управления, что повышает удобство и точность работы бионических систем для пользователя.
— Ваша работа имеет значение для разработки реабилитационных роботизированных комплексов, предназначенных для людей с ограниченными двигательными возможностями. Имеются ли в виду экзоскелеты или другие устройства?
— Прежде всего, рассматриваются реабилитационные ортезы — устройства, предназначенные для поддержки или помощи в выполнении движений, помогая человеку совершать действия, которые он не может выполнить самостоятельно. Эти системы могут иметь вид, например, моторизованной перчатки, которая надевается на руку и позволяет пользователю удерживать предметы или восстанавливать утраченные функции.
Экзоскелеты также являются многообещающей технологией. Отличительной особенностью этих устройств является их способность поддерживать как верхние, так и нижние конечности, а в некоторых случаях – всё тело. Следовательно, для обеспечения их эффективного управления необходимо фиксировать сигналы не только от рук, но и от ног.
В ходе наших исследований мы сосредоточились на анализе нейромышечной активности верхних конечностей, поскольку разработанная нами технология в первую очередь предназначена для управления протезами руки и реабилитационных устройств для пациентов, перенесших инсульт. Тем не менее, ее можно адаптировать и для экзоскелетов, хотя для этого потребуется дополнительное изучение биомеханики сокращений мышц нижних конечностей и тестирование системы в новых условиях. Мы видим в этом перспективное направление для будущих исследований.
— Какие ключевые трудности возникают сегодня при создании бионических протезов и других реабилитационных устройств для людей с ограниченными двигательными возможностями, как в России, так и за рубежом? Могут ли решения, созданные вашей командой, помочь в решении некоторых из этих проблем?
— Этот вопрос имеет большое значение, так как подобные трудности встречаются достаточно часто.
Одной из основных проблем является получение биоэлектрических сигналов. В большинстве коммерческих протезах, как отечественного, так и зарубежного производства, применяется поверхностная электромиография. Однако этот подход имеет свои недостатки: поскольку электроды фиксируют активность мышц через кожу, качество контакта является критически важным. Любое смещение электродов, изменения в состоянии кожи или потоотделение могут вызывать нестабильность сигналов и ухудшать контроль. Электродная система, расположенная внутри гильзы протеза, должна обеспечивать плотное прилегание к телу, иначе снижается точность управления.
Второй задачей является обработка сигналов в реальном времени. Чтобы обеспечить удобное и естественное управление бионическим протезом, задержка между возникновением намерения и выполнением движения не должна превышать 100–200 мс. Однако для обработки сигналов, фильтрации шумов и адаптации системы к индивидуальным особенностям пользователя требуются значительные вычислительные мощности. Неэффективные алгоритмы обработки или неточные данные могут вызывать ощущение задержки, что усложняет использование протеза.
Третья проблема заключается в необходимости индивидуальной настройки системы. Анатомические особенности каждого пациента влияют на расположение датчиков, силу сигнала и результативность управления. В то время как у одного человека система может функционировать с высокой точностью, у другого результаты могут быть менее стабильными. Для обеспечения оптимальной работы требуется персонализированная настройка протеза и индивидуальная калибровка алгоритмов, что препятствует широкому распространению подобных технологий.
Протезы, основанные на электромиограмме, способны воспроизводить лишь ограниченный спектр движений. В отличие от естественной руки, которая характеризуется пропорциональным управлением и высокой степенью гибкости, многие бионические системы до сих пор функционируют по принципу дискретного управления, выполняя движения только по заданным командам. Это негативно сказывается на удобстве эксплуатации и сужает возможности для пользователя.
Решение этих проблем представляет собой весьма актуальную задачу. Обзор научных публикаций демонстрирует активное развитие этого направления, и мы рассчитываем на преодоление существующих ограничений в будущем. Наш подход предполагает комбинированную регистрацию сигналов, которая использует различные физические принципы в рамках единой электронной системы. Кроме того, мы исследуем биомеханику мышечного сокращения, что открывает новые возможности для анализа и интерпретации нейромышечной активности.
— Могут ли результаты ваших исследований найти применение в областях, отличных от медицины? Вы уже говорили о разработке робота-манипулятора, есть ли какие-либо другие перспективы?
— Главным препятствием для использования нашей технологии в других областях, помимо медицины, является необходимость физического контакта электродной системы с кожей, что может быть неудобным и не всегда целесообразным. Например, зарубежная компания Thalmic Labs разрабатывала устройство, аналогичное нашим технологиям, основанное на регистрации электромиографических сигналов. Оно представляло собой браслет, который надевался на предплечье и позволял управлять компьютеризированными интерфейсами — например, перелистывать слайды движениями руки. Однако проект был закрыт, что, вероятно, связано с недостаточным удобством использования или невысоким спросом со стороны пользователей.
Значительные возможности для внедрения нашей технологии существуют в сфере изготовления медицинских изделий, как я уже упоминал, или в производстве антропоморфных роботизированных систем, для управления которыми требуется пропорциональный контроль усилия. Особый интерес представляет разработка систем тактильной обратной связи. Это позволит оператору воспринимать сопротивление при взаимодействии с различными объектами, что критически важно при работе с деликатными предметами, например, с яйцом или стеклом. Таким образом, можно будет точнее настраивать усилие захвата и избегать повреждения объектов. В настоящее время данное направление находится на стадии исследований и разработки полноценных устройств.
— Какие еще исследования, по вашему мнению, стоит отметить, выполненные вашей командой? Может быть, даже такие, которые не касаются картирования нейромышечной активности?
— Я в первую очередь связываю нашу команду с кафедрой «Медико-технические информационные технологии», поскольку там проводятся исследования в широком спектре направлений. В нашей команде работают специалисты нескольких специализированных лабораторий, каждая из которых сосредоточена на разработке инновационных медицинских технологий.
Помимо изучения нейромышечной активности, важным направлением нашей работы является создание интерфейса «мозг — компьютер». В этой технологии электроды размещаются на скальпе головы, и на основе зарегистрированных сигналов определяется намерение человека совершить движение или взаимодействовать с окружающей средой. Однако данный метод имеет ограничение – значительная задержка сигнала, достигающая 300 мс, что снижает удобство использования и препятствует применению в реальном времени.
В рамках деятельности нашей кафедры проводятся исследования, посвященные электромагнитной реабилитации и оценке кровоснабжения органов. Особое внимание уделяется развитию методов картирования сердечной активности. Недавно один из наших сотрудников успешно защитил диссертацию, в которой рассматриваются электроимпедансные методы изучения работы сердца. Созданная им технология позволяет определять изменения формы и положение сердца, используя электроимпедансные сигналы. Данный подход расширяет возможности диагностики и контроля состояния сердечно-сосудистой системы, что представляет значительный интерес для кардиологии.
— Какие исследования в данной области вы планируете проводить в будущем? Рассматриваете ли вы возможность усовершенствования существующих технологий или, возможно, разработки принципиально новых решений?
— Наше приоритетное направление — широкое внедрение данной технологии. Путь от экспериментального макета до готового медицинского изделия достаточно сложен и предполагает привлечение специалистов, сочетающих знания в области медицины и техники. Наш факультет «Биомедицинская техника» готовит именно таких профессионалов. В ближайшей перспективе мы намерены осуществить разработку опытного образца, провести технические и клинические испытания и зарегистрировать медицинское изделие.
В будущем мы планируем не только совершенствовать существующие технологии, но и расширять научные исследования в этой сфере. Одним из приоритетных направлений для меня является электроимпедансная томография предплечья. Хотя обычно томография ассоциируется с магнитно-резонансной и компьютерной диагностикой, существует альтернативный метод – электроимпедансная томография. Его особенность заключается в создании карт поперечного среза тканей на основе удельной электрической проводимости, что позволяет анализировать структурные и функциональные изменения в мышцах. Этот подход особенно важен для медицинской диагностики и реабилитации, поскольку он дает возможность объективно оценивать состояние мышечной ткани. Я надеюсь, что в скором времени смогу внести свой вклад в развитие этого направления, используя проверенные методики и разрабатывая новые способы анализа нейромышечной активности.
— Приводили ли ваши исследования к каким-либо неожиданным результатам? Возникли ли в процессе работы открытия, расширившие понимание функционирования мышечной системы человека, или появились неожиданные вопросы, требующие дальнейшего изучения?
— Используя различные физические принципы для картирования нейромышечной активности, мы фиксируем не только электрическую активность мышц, но и их биомеханические параметры, такие как упругость и структурные изменения мышечной ткани. Благодаря такому всестороннему подходу, удается получить более глубокое понимание механики мышечного сокращения и его физиологических аспектов.
Мы сейчас изучаем взаимосвязи между нашими данными и результатами УЗИ, КТ и МРТ, чтобы создать комплексную модель, описывающую механизмы мышечного сокращения. Полученные модели будут обобщенными, однако для их практического применения необходимо обоснование, калибровка и точная настройка параметров.
В перспективе мы планируем создать новые, подтвержденные и проверенные модели мышечного сокращения. Они не только углубят наши знания о работе мышц, но и будут полезны в диагностике, реабилитации и при создании управляемых бионических устройств.
— Какие чувства вы испытали, получив премию Правительства Москвы? Стала ли эта награда неожиданностью или, скорее, закономерным итогом длительных усилий?
— Получение таких наград всегда приятно удивляет. Безусловно, это вызывает радость и, прежде всего, гордость за нашу команду – за достижение нами уровня исследований, который был высоко оценен экспертной комиссией. Хочу отметить, что эта награда – не только заслуга Владиславы Вячеславовны и моя, но и результат труда всего коллектива нашей кафедры, вклад каждого из которых имеет огромное значение.
Такое признание, безусловно, вселяет вдохновение и служит мощным стимулом. Получение подобных наград не только дарит яркие переживания, но и побуждает к дальнейшему развитию, привлекая молодых специалистов к перспективным областям исследований. Это подтверждает актуальность, востребованность и высокий уровень поддержки нашей научной тематики.
В конкурсах такого масштаба невозможно гарантировать победу. Подача заявки, будь то на получение гранта или премии, всегда представляет собой вызов, а итоговый результат определяется не только качеством работы, но и решениями экспертов. Тем не менее, если заявка подготовлена на высоком уровне, то вероятность успеха, безусловно, велика.
Мы высоко ценим полученную поддержку и признание. Это стимулирует дальнейшее развитие нашего направления и подтверждает важность проводимых исследований.
Интервью стало возможным благодаря поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Изображения на странице взяты из источников: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия» и предоставлены А.Н. Брико (автор – А.Н. Брико).