04 июня 2021

В здоровом теле: ученые Пермского Политеха разработали устройство для предотвращения инвалидности

Диагностировать болезни опорно-двигательного аппарата станет проще с помощью устройства, разработанного учеными Пермского политехнического университета. Это целый программно-аппаратный комплекс, который оснащен сенсорами, нейросетью и функцией миостимуляции мышц. Благодаря портативности и невысокой стоимости он будет доступен для использования не только в реабилитационных центрах, но и в фитнес-клубах.


Борьба длиною в жизнь

Когда Элизабет Тейлор предложили роль наездницы Вельвет в фильме «Национальный бархат», ей едва исполнилось 14 лет. Сюжет требовал от юной актрисы уверенного навыка верховой езды. Но оказалось, что девушка не только не умеет держаться в седле, но и слишком слаба для того, чтобы быстро этому обучиться.

Начались изнурительные тренировки. Кроме десятков часов, проведенных верхом, Элизабет усердно занималась растяжками, которые якобы должны были увеличить ее рост. Но на самом деле они только ослабили позвоночник девушки. Первое же падение с лошади обернулось для нее серьезной травмой, которая годами не давала о себе знать, но в конце концов привела уже повзрослевшую Элизабет на операционный стол.

Актриса пережила удаление двух позвонков, чудом избежав паралича. Но сильнейшая боль осталась с ней на всю жизнь. Нередко Элизабет заканчивала свой рабочий день на носилках или в инвалидном кресле. А после завершения очередного проекта неделями восстанавливалась, практически не вставая с постели.

Последние годы жизни актриса страдала от многих болезней, включая диабет и ишемическую болезнь сердца. Их течение усугублял активно прогрессирующий сколиоз. Это серьезная деформация позвоночника, которая приводит не только к перекосу всего опорно-двигательного аппарата, но и к развитию других патологий (деформации грудной клетки; нарушениям в работе сердца, легких и печени; протрузии и межпозвоночным грыжам). Сколиоз буквально сломал актрису пополам, лишив ее возможности передвигаться без инвалидного кресла. В возрасте 79-ти лет Элизабет Тейлор не стало. 

Согласно статистике ВОЗ, различными заболеваниями опорно-двигательного аппарата страдает до 80% населения Земли. И большинство больных находятся в трудоспособном возрасте – от 30 до 50 лет. В России болезни этого спектра стоят на третьем по количеству зарегистрированных случаев месте. Что также указывает на высокий процент инвалидности, в том числе приобретенной из-за неправильного или несвоевременного лечения.

 

Первые шаги в лечении мышц, суставов и костей

Изучение заболеваний и травм опорно-двигательного аппарата всегда было одной из ключевых задач медицины. Поэтому и методы борьбы с ними разрабатывались издавна. Например, в Древнем Риме активно применялись не только физические упражнения, массажи и ванны, но и различные примитивные конструкции для обеспечения пассивных движений в суставах.

Но настоящий прорыв в этом направлении совершил физиотерапевт и ортопед Густав Зандер в 1857 году. Он предложил сразу несколько категорий приборов для лечения больных мышц, суставов и костей, увеличения их подвижности, улучшения кровообращения и общей координации.

Среди разработанных им устройств были аппараты для активных движений, которые работают по принципу двухплечевого рычага с подвесным весом; аппараты для пассивных движений, которые давали пациенту возможность выполнять упражнения за счет электричества и без усилий с его стороны; и специальные приспособления, которые предназначались для вытягивания позвоночника у страдающих сколиозом. Изготавливали эти приборы в основном из дерева, металла и кожи. В наше время многие из предложенных Зандером идей реализованы, например, в спортивных тренажерах.

Последователи знаменитого врача продолжили разрабатывать аппараты, делая акцент на их компактности и дешевизне. Ведь одна полностью оборудованная его изобретениями комната занимала не менее 300 квадратных метров, что уж говорить о стоимости устройств. Именно это в начале ХХ века сподвигло врача Чарльза Шольдера заняться созданием машины под названием «Arthromotor». Она объединяла в себе сразу несколько аппаратов, что позволило значительно снизить затраты на производство и ускорить время реабилитации.

«Arthromotor» имел множество разных функций. Например, аппарат можно было подстроить под исходное положение травмированной части тела: пациент располагался на специальном сидении, а врач настраивал машину так, как того требовала ситуация. Затем выполнялись либо активные, либо пассивные движения с заранее установленным диапазоном и количеством повторений.

Кстати, именно «Arthromotor» стал прототипом некоторых устройств для лечения болезней опорно-двигательного аппарата, которые используются в наши дни. Современная медицина в целом предлагает огромное разнообразие методов диагностики и лечения таких проблем: от различных инъекций до ультразвука, лазеро- и механотерапии. Но вот устройств, которые помогут определить отклонения на ранних этапах развития болезни и предсказать возникновение осложнений, не так много, а те, которые существуют, слишком дорогостоящи для повсеместного использования.

 

Сенсоры и нейросеть предупредят инвалидность

Разработать устройство, которое поможет создать новый подход к диагностике заболеваний опорно-двигательного аппарата, взялись ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ). В данный момент создан только прототип устройства, но потенциал у него уже огромный. Специалисты надеются, что их разработка поможет снизить количество случаев ранней нетрудоспособности.

Бороться за здоровье мышц и суставов будет целый программно-аппаратный комплекс под названием Monsys. Это портативное устройство (сейчас оно размером с детскую ладонь), которое оснащено системой инерционных датчиков, или сенсоров. Предполагается, что прибор будет крепиться к телу человека. Например, к спине, вдоль позвоночника. А сенсоры, соприкасаясь с кожей, замерят электрическую активность мышц.

Сокращение мышц сопровождается перераспределением ионов натрия и калия. Это приводит к изменению электрического потенциала на поверхности кожи. Датчики зарегистрируют эти изменения и передадут сигнал в микрокомпьютер, установленный внутри устройства. Там сигнал пройдет первичную обработку. А затем отправится на анализ в нейросеть – компьютерную программу, которая работает по принципу человеческого мозга. Она прогоняет получаемые данные через «слои нейронов». И в итоге делает заключение, например, о здоровье человека. Но прежде чем делать какие-либо выводы, нейросети нужно обучиться, получить достаточное количество данных – так же, как и мозгу.

Обучением нейронной сети занимается человек. Для этого ему необходимо загрузить в программу данные (изображения, текст, видео и т.д.) и попросить нейросеть найти какой-нибудь файл. В ответ на эту просьбу программа сначала преобразует все полученные данные в числовые значения. А затем пропустит их через те самые «слои нейронов», математические функции более простых программ. В результате она может показать как правильный, так и неправильный ответ. Но поскольку человек точно знает, какой из вариантов правильный, он вписывает его в программу, создавая таким образом обучающий набор. Перебирая тысячи файлов и сравнивая их с правильным вновь и вновь, нейросеть учится их отличать. Постепенно процент ошибок снижается и нейросеть становится «компетентной» в поставленном человеком вопросе.

В случае с аппаратом Monsys результатом работы датчиков станет отслеживание положения сегментов тела (головы, шеи, спины, рук и ног) и фиксация показателей – сбор данных. А нейросеть проанализирует их и сделает выводы о правильности или неправильности движений, о чрезмерном или недостаточном напряжении мышц. И если устройство обнаружит отклонения от нормы, человек получит обратную связь в виде миостимуляции – воздействия на мышцы с помощью электрического тока небольшой мощности. Результаты измерений отобразятся в мобильном приложении, сопряженном с устройством. Там же будут доступны персональные рекомендации по дальнейшей диагностике и лечению, если это необходимо.

Вот так с помощью «умного» и компактного устройства проблемы в опорно-двигательном аппарате можно будет выявить на ранних сроках и принять меры оперативно, а не ждать, когда что-нибудь заболит.

Процесс создания прототипа и написания алгоритмов обработки данных позади. Сейчас ученые работают над созданием математической модели и схемой подключения датчиков, а также планируют клинические испытания нового устройства. Когда все этапы будут пройдены, оно появится в реабилитационных центрах, залах лечебной физкультуры и фитнес-клубах. Вполне вероятно, что аппарат будет доступен и для домашнего использования.

Стоимость устройства составит 500 тысяч рублей, что вдвое меньше аналогов, которые к тому же не оснащены функцией миостимуляции мышц и автоматической регулировкой датчиков. Разработка российских ученых уже получила грантовую поддержку программы «УМНИК» Фонда содействия инновациям.

 

Автор: Анна Добровольская

По материалам: https://rusplt.ru/sdelano-russkimi/umnoe-ustroistvo-rossiiskikh-biomekhanikov-6064664d.html?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fnews%2Fsearch%3Ftext%3D

 

 

Далее

Предсказать непредсказуемое: российский ученый разработал метод прогнозирования волн-убийц

Все
новости