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.

Полученные результаты:

• 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.
• 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.
• Разработанная концепция предполагает использование экзоскелета, обеспечивающего максимально комфортное взаимодействие с руками пациентов, что является необходимым условием успешного выполнения проекта.
• 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.

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.

Полученные результаты:

• Разработаны варианты реализации системы управления экзоскелетным комплексом.
• Разработана программная документация на систему управления.
• Разработана кинематическая схема экзосклета верхних конечностей.
• 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.
• 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.
• Разработаны электронные схемы программного контроллера, реализующего управление экзоскелетом по прямой и обратной связи через двусторонний интерфейс экзоскелет-компьютер. Разработаны и изготовлены электронные платы моторных драйверов управления приводами экзоскелета.
• Определен диапазон параметров контроллера, обеспечивающих устойчивое управление экзоскелетом с помощью динамической компьютерной модели экзоскелета.
• Исследовано функционирование привода экспериментального образца экзоскелета.
• Создан двусторонний интерфейс экзоскелет-компьютер, обеспечивающего получение компьютером данных о состоянии экзоскелета и получение экзоскелетом управляющих сигналов от компьютера.
• Выбран репертуар воображаемых движений для тестирования эффективности РК на здоровых испытуемых.
• Разработана программа и методики испытаний экспериментального образца экзоскелета двух рук.
• Исследовано адаптивное взаимодействие образца экзоскелета с руками человека при выполнении различных движений здоровыми испытуемыми.
• Проведен анализ точности воспроизведения экзоскелетом воображаемых движений путем сравнения их с соответствующими реально исполняемыми движениями.
• Разработаны параметры управления движениями экзоскелета, оптимальные по комфортности сопряжения экзоскелета с руками человека, по отзывам испытуемых.
• Разработана 3D модель экзоскелета верхних конечностей, учитывающая его электромеханические характеристики.
• Проведены испытания экспериментального образца экзоскелета.
• 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.
• Локализованы источники выделенных паттернов электрической активности мозга с помощью решения обратной задачи ЭЭГ.
• Выделены фокусы гемодинамической активности мозга, наиболее значимые для управления экзоскелетом при помощи ИМК, по записям БИКС, полученным в ходе экспериментов на здоровых испытуемых.
• Выбраны тесты клинического контроля для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК.
• Выбраны тесты нейропсихологического контроля для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК.
• Разработаны методические рекомендации для отбора пациентов с перенесённым инсультом для реабилитационной процедуры с использованием РК.
• 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.