О выполнении ПНИЭР по проекту «Разработка роботизированного комплекса для реабилитации постинсультных и посттравматических больных с использованием технологии интерфейс мозг-компьютер»

Соглашение № 14.607.21.0128


2016 год

В ходе выполнения проекта по теме «Разработка роботизированного комплекса для реабилитации постинсультных и посттравматических больных с использованием технологии интерфейс мозг-компьютер» по Соглашению о предоставлении субсидии с Министерством образования и науки Российской Федерации от «27» октября 2015 г. № 14.607.21.0128 в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период 01 января по 31 декабря 2016 года выполнялись следующие работы:

  • Разработка вариантов реализации системы управления экзоскелетным комплексом
  • Разработка программной документации на систему управления
  • Разработка кинематической схемы экзосклета верхних конечностей.
  • Проведение серии экспериментов с использованием РК и разработанных методов локализации источников электрофизиологической и фокусов гемодинамической активности мозга и методов регистрации движений с участием не менее 10 здоровых испытуемых.
  • Проведение исследований совместимости экзоскелета с электроэнцефалографом "Нейровизор БММ 52", системой активных электродов ActiCap, БИКС NIRScout 16-8 и электромагнитной системы регистрации движений Flock-of-birds с 16 сенсорами.
  • Разработка электронных схем программного контроллера, реализующего управление экзоскелетом по прямой и обратной связи через двусторонний интерфейс экзоскелет-компьютер.
  • Разработка и изготовление электронных плат моторных драйверов управления приводами экзоскелета.
  • Определение диапазона параметров контроллера, обеспечивающих устойчивое управление экзоскелетом с помощью динамической компьютерной модели экзоскелета.
  • Исследование функционирования привода экспериментального образца экзоскелета.
  • Создание двустороннего интерфейса экзоскелет-компьютер, обеспечивающего получение компьютером данных о состоянии экзоскелета и получение экзоскелетом управляющих сигналов от компьютера.
  • Выбор репертуара воображаемых  движений для тестирования эффективности РК на здоровых испытуемых.
  • Разработка программы и методик испытаний экспериментального образца экзоскелета двух рук.
  • Исследование адаптивного взаимодействия образца экзоскелета с руками человека при выполнении различных движений здоровыми испытуемыми.
  • Анализ точности воспроизведения экзоскелетом воображаемых движений путем сравнения их с соответствующими  реально исполняемыми движениями.
  • Разработка методов оценки комфортности сопряжения рук человека и экзоскелета.
  • Выбор параметров управления движениями экзоскелета, оптимальных по комфортности сопряжения экзоскелета с руками человека, по отзывам испытуемых.
  • Разработка 3D модели экзоскелета верхних конечностей, учитывающая его электромеханические характеристики.
  • Испытания экспериментального образца экзоскелета.
  • Выделение паттернов электрической активности мозга, наиболее значимых для управления экзоскелетом двух рук при  помощи ИМК, по записям ЭЭГ, полученным в ходе экспериментов на здоровых испытуемых.
  • Локализация  источников выделенных паттернов электрической активности мозга с помощью решения обратной задачи ЭЭГ.
  • Выделение фокусов гемодинамической активности мозга, наиболее значимых для управления экзоскелетом при  помощи ИМК, по записям БИКС, полученным в ходе экспериментов на здоровых испытуемых.
  • Выбор тестов клинического контроля для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК
  • Выбор тестов нейропсихологического контроля для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК.
  • Разработка методических рекомендаций для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК.
  • Разработка методики клинического, нейропсихологического и электрофизиологического контроля хода реабилитационной процедуры.
  • Разработка методических подходов для локализации фокусов гемодинамической активности мозга, регистрируемой с помощью БИКС.
  • Разработка методических подходов к регистрации и анализу кинематики движений с помощью электромагнитной системы Flock-of-birds c 16 сенсорами.
  • Разработка конструкторской документации для изготовления экспериментального образца экзоскелета верхних конечностей.
  • Разработка конструкторской документации для изготовления экспериментального образца стенда для проведения испытаний.
  • Разработка и изготовление программного контроллера, реализующего управление экзоскелетом по прямой и обратной связи через двусторонний интерфейс экзоскелет-компьютер.
  • Закупка материалов и комплектующих для изготовления экспериментального образца РК.
  • Изготовление экспериментального образца экзоскелета верхних конечностей.
  • Изготовление экспериментального образца стенда для испытаний. 

Соисполнитель проекта: АО «Химспецстрой»
Индустриальный партнер проекта: ПАО «НПО «Андроидная техника». 

Полученные результаты:

  1. Разработаны варианты реализации системы управления экзоскелетным комплексом.
  2. Разработана программная документация на систему управления.
  3. Разработана кинематическая схема экзосклета верхних конечностей.
  4. Проведена серия экспериментов с использованием РК и разработанных методов локализации источников электрофизиологической и фокусов гемодинамической активности мозга и методов регистрации движений с участием не менее 10 здоровых испытуемых.
  5. Проведены исследования совместимости экзоскелета с электроэнцефалографом "Нейровизор БММ 52", системой активных электродов ActiCap, БИКС NIRScout 16-8 и электромагнитной системы регистрации движений Flock-of-birds с 16 сенсорами.
  6. Разработаны электронные схемы программного контроллера, реализующего управление экзоскелетом по прямой и обратной связи через двусторонний интерфейс экзоскелет-компьютер.
  7. Разработаны и изготовлены электронные платы моторных драйверов управления приводами экзоскелета.
  8. Определен диапазон параметров контроллера, обеспечивающих устойчивое управление экзоскелетом с помощью динамической компьютерной модели экзоскелета.
  9. Исследовано функционирование привода экспериментального образца экзоскелета.
  10. Создан двусторонний интерфейс экзоскелет-компьютер, обеспечивающего получение компьютером данных о состоянии экзоскелета и получение экзоскелетом управляющих сигналов от компьютера.
  11. Выбран репертуар воображаемых  движений для тестирования эффективности РК на здоровых испытуемых.
  12. Разработана программа и методики испытаний экспериментального образца экзоскелета двух рук.
  13. Исследовано адаптивное взаимодействие образца экзоскелета с руками человека при выполнении различных движений здоровыми испытуемыми.
  14. Проведен анализ точности воспроизведения экзоскелетом воображаемых движений путем сравнения их с соответствующими  реально исполняемыми движениями.
  15. Разработаны параметры управления движениями экзоскелета, оптимальные по комфортности сопряжения экзоскелета с руками человека, по отзывам испытуемых.
  16. Разработана 3D модель экзоскелета верхних конечностей, учитывающая его электромеханические характеристики.
  17. Проведены испытания экспериментального образца экзоскелета.
  18. Выделены паттерны электрической активности мозга, наиболее значимые для управления экзоскелетом двух рук при  помощи ИМК, по записям ЭЭГ, полученным в ходе экспериментов на здоровых испытуемых.
  19. Локализованы  источники выделенных паттернов электрической активности мозга с помощью решения обратной задачи ЭЭГ.
  20. Выделены фокусы гемодинамической активности мозга, наиболее значимые для управления экзоскелетом при  помощи ИМК, по записям БИКС, полученным в ходе экспериментов на здоровых испытуемых.
  21. Выбраны тесты клинического контроля для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК.
  22. Выбраны тесты нейропсихологического контроля для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК.
  23. Разработаны методические рекомендации для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК.
  24. Разработана методика клинического, нейропсихологического и электрофизиологического контроля хода реабилитационной процедуры. 

Полученные результаты соответствуют Техническому заданию проекта и позволяют продолжить работы. Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчётном этапе исполненными надлежащим образом.


2015 год

В ходе выполнения проекта по теме «Разработка роботизированного комплекса для реабилитации постинсультных и посттравматических больных с использованием технологии интерфейс мозг-компьютер» по Соглашению о предоставлении субсидии с Министерством образования и науки Российской Федерации от «27» октября 2015 г. № 14.607.21.0128 в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 27 октября по 31 декабря 2015 года выполнялись следующие работы:

  • Выбор и обоснование путей решения, поставленных перед ПНИЭР задач с учетом современного состояния науки и технологий в области нейрореабилитации и робототехники.
  • Анализ технических решений, обеспечивающих реализацию активных внешних воздействий на верхние конечности пациента, при нейрореабилитации.
  • Разработка методических подходов для выделения паттернов электрической и гемодинамической активности мозга, наиболее значимых для управления экзоскелетом при помощи ИМК.    
  • Разработка методических подходов для локализации источников выделенных паттернов электрической активности мозга с помощью решения обратной задачи ЭЭГ.
  • Проведение патентных исследований.
  • Разработка общей концепции экзоскелета.
  • Разработка компьютерной динамической модели экзоскелета.
  • Разработка компьютерной модели контроллера, управляющего экзоскелетом по биологически адекватным принципам.
  • Определение требований к энергоснабжению, помехозащищенности, предотвращение и устранение последствий сбоев в работе экзоскелета.
  • Расчеты основных проектных и технических решений экзоскелета.
  • Выработка требований к эргономике экзоскелета.
  • Анализ возможностей реализации экзоскелета на отечественной элементной базе.
  • Предоставление варианта реализации структурных и функциональных схем экзоскелета.
  • Выбор и обоснование состава и технических характеристик РК.
  • Разработка схемы построения и управления движением экзоскелета верхних конечностей.
  • Выбор и анализ технических решений по обеспечению движения экзоскелета верхних конечностей.
  • Разработка структурной и функциональной схемы системы передачи движения экзоскелета верхних конечностей.
  • Выполнение расчетов параметров кинематической схемы системы передачи движения звеньев экзоскелета.

Соисполнитель проекта: АО «Химспецстрой».
Индустриальный партнер проекта: ПАО «НПО «Андроидная техника».

Полученные результаты:

  1. На основе анализа современного состояния науки и техники по данной тематике, а также результатов патентного поиска была разработана общая концепция роботизированного комплекса, включающего экзоскелет верхних конечностей, управляемый по интерфейсу мозг-компьютер, основанному на распознавании паттернов электрофизиологической и гемодинамической активности мозга, соответствующих воображению различных движений.
  2. Новизна предлагаемой концепции заключается, во-первых, в использовании экзоскелета двух рук со всеми степенями свободы, присущими рукам человека. Это позволяет расширить репертуар исполняемых и воображаемых движений до полного набора естественных движений человека, совершаемых двумя руками. Во-вторых, новизна заключается в использовании для управления движениями экзоскелета коэффициентов в петле обратной связи, сравнимыми с аналогичными коэффициентами у человека, что на порядок меньше, чем у стандартных роботов и манипуляторов. Это делает взаимодействие человека с экзоскелетом комфортным, и движения руки, совершаемые экзоскелетом не воспринимаются как навязанные и не соответствующие намерениям человека. В-третьих, новизна заключается в использовании гибридного ИМК, основанного на анализе как данных ЭЭГ, отражающих электрическую активность мозга, так и данных спектрометра ближнего инфракрасного диапазона (БИКС), отражающих гемодинамическую активность мозга, т.е. изменения концентраций окисленного и не окисленного гемоглобина в зависимости от локальной нейронной активности.
  3. Разработанная концепция предполагает использование экзоскелета, обеспечивающего максимально комфортное взаимодействие с руками пациентов, что является необходимым условием успешного выполнения проекта.
  4. В настоящее время в мире проводятся исследования по оценке эффективности реабилитационной процедуры с использованием экзоскелета, управляемого ИМК. Однако почти во всех исследованиях используется экзоскелет кисти руки с одной или двумя степенями свободы, и только в одной работе проведены пробные эксперименты с экзоскелетом руки с 7 степенями свободы, присущими руке человека. Таким образом, в разработанной концепции предлагается использовать экзоскелет, превосходящий по возможности своего двигательного репертуара все имеющиеся зарубежные образцы. Потенциально эффективность такого экзоскелета  в реабилитационной процедуре также должна превосходить зарубежные образцы, т.к. позволяет для каждого пациента подбирать индивидуальный набор исполняемых и воображаемых движений, максимально активирующих пластические механизмы мозга, направленные на восстановление двигательных функций.

Полученные результаты соответствуют Техническому заданию проекта и позволяют продолжить работы. Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчётном этапе исполненными надлежащим образом.