Медицинская робототехника — сложный и весьма специфический раздел, лежащий на пересечении нескольких высокотехнологических областей науки и техники. По мнению Д. Энгельбергера, получившего титул «отец робототехники», «больницы — это идеальное место и идеальная окружающая среда для использования роботов» [1]. Тем не менее полностью заменить человека робототехнические системы в ближайшее время не смогут — пока им под силу выполнять только рутинные и повторяющиеся действия [2, 3].

Впервые роботизированные устройства (РУ) в медицине были применены в 1985 г. для точного направления движения иглы при проведении биопсии тканей головного мозга с использованием манипулятора PUMA 560 [2]. В дальнейшем развитие именно позиционирующих хирургических систем стало основным направлением развития медицинской робототехники. Впрочем, в полном смысле назвать дистанционно управляемые манипуляторы робототехническими устройствами нельзя, хотя они прекрасно зарекомендовали себя в микрохирургии [4].

С развитием микроэлектроники и общей робототехники внедрение РУ в медицину существенно расширилось [5]. Стало возможным их внедрение в лабораторной диагностике [5], хирургии [6], психиатрии и психологии [7], стоматологии [8] и других разделах. Вместе с тем высокую актуальность имеет скорейшее внедрение сервисных РУ в стационарах для обслуживания маломобильных пациентов. Выполняя рутинные задачи, они существенно снижают рабочую нагрузку на медицинских сестер [9].

Существует еще одно направление в здравоохранении, где РУ могут оказаться весьма востребованными. В мире ежегодно около 17 млн человек страдают от инсультов, частично или полностью теряя двигательные функции. За последние годы наметилась тенденция повышения выживаемости больных, и к 2030 г. их количество достигнет 70 млн человек, что ляжет существенным бременем на национальные системы здравоохранения и социального обеспечения [10]. РУ для реабилитации этой категории пациентов предназначены для решения задачи восстановления функционирования пораженных конечностей.

Целью создания обзора было проведение технического анализа построения существующих роботизированных систем двигательной реабилитации пациентов в постинсультном периоде, а также их возможных направлений развития. Поиск материалов проводили в базах данных National Library of Medicine, Scopus, eLIBRARY, Google Patents, а также в ряде других баз данных научной и патентной ориентации.

Тенденции развития реабилитационных РУ

Восстановление функционирования двигательных функций пациентов, перенесших инсульт, в настоящее время возможно с помощью внешних РУ (экзоскелетов) и электромеханических устройств, проводящих принудительную тренировку конечности в соответствии с методиками проведения кинезотерапии. Впервые электромеханические РУ были применены на рубеже 1980–90-х гг. [11, 12]. За счет использования датчиков обратной связи конструкции РУ при проведении упражнений была предпринята попытка обеспечить атравматическое и наиболее полное взаимодействие экзоскелета с человеком. Так, положительный эффект использования экзоскелета в нейрореабилитации был впервые описан в 1998 г. [13]. Авторы показали отсутствие побочных эффектов, хорошую переносимость назначенных процедур и значимое влияние манипуляций с поврежденной конечностью на процесс восстановления двигательных центров коры головного мозга.

За последующие 20 лет количество публикаций, посвященных постинсультной нейрореабилитации с использованием РУ, быстро росло. В русскоязычной литературе вопрос нейрореабилитации с использованием РУ до 2018 г. отражен в аналитическом обзоре [14]. Использование РУ в отечественной клинической практике нейрореабилитации того периода можно оценить, посчитав количество процитированных статей российских авторов: из 71 статьи их оказалось всего лишь 5. В другом отечественном обзоре упоминают более 240 моделей РУ для восстановительного лечения [15]. Авторы приводят данные, что для закрепления в памяти двигательного акта необходимо совершить упражнение не менее 400 раз. Однако при отсутствии РУ без ошибок это выполнить затруднительно.

Авторы одного из обзоров указывают на постоянно растущую стоимость курсов по реабилитации инсультных пациентов в восстановительном периоде и периоде остаточных явлений, а также на высокую стоимость соответствующего оборудования [16]. Связано это с процессом разработки и внедрением РУ, имеющих возможность индивидуальной адаптации, в том числе с использованием элементов искусственного интеллекта. Небольшие тиражи таких изделий при существенных трудовых и финансовых затратах на создание и сертификацию обуславливают их высокую стоимость [17]. Вторая тенденция развития — на рынке появляется все большее количество мобильных компактных устройств, предназначенных для индивидуального постоянного использования [18]. В сравнении со стационарными реабилитационными тренажерами, они требовательнее к используемым материалам, качеству изготовления и энергопотреблению, что также влияет на себестоимость. Предполагается, что за пять лет с 2020 по 2025 г. рынок реабилитационных устройств вырастет на треть и достигнет $16,6 млрд в год. При этом необходимо учитывать, что высокотехнологичная помощь данного направления в мире в настоящее время доступна менее чем 50% нуждающихся в ней [16].

Высокая нагрузка на сотрудников реабилитационных отделений, существенная стоимость оборудования и недостаточная распространенность специализированных клинических центров вынуждает ограничивать продолжительность цикла восстановительной терапии несколькими неделями. Выходом из создавшейся ситуации может стать рост производства и расширение номенклатуры домашних реабилитационных РУ, относительно недорогих из-за узкой специализации и, как следствие, упрощенной конструкции. Подобное решение позволит организовывать непрерывный реабилитационный процесс под периодическим врачебным контролем и достигать положительных результатов за меньшее время. К сожалению, отечественный сегмент рынка индивидуальных реабилитационных РУ находится в стадии становления и пока еще недостаточно широк [16].

Устройства для нейрореабилитации

РУ для нейрореабилитации можно квалифицировать как сервисных роботов в подкатегории «роботы для реабилитации пациентов» [19]. Их было предложено разделить на два подкласса: роботы, разработанные для тренировки утраченных двигательных функций после инсульта (терапевтические устройства), и роботы, предназначенные для компенсации утраченных навыков (вспомогательные устройства) [20]. Актуальность использования обоих типов РУ объясняется тем, что на разных стадиях реабилитации они органично дополняют друг друга. При этом за счет экономии времени на очный контроль правильности выполнения упражнений снижается нагрузка на медицинский персонал, а также возникает экономический эффект, выражающийся в увеличении количества курируемых пациентов при незначительном росте нагрузки на одного врача.

Устройства, предназначенные для нейрореабилитации конечностей и их фрагментов, можно разделить на три типа [21–23]:

1. статические ортопедические аппараты, реализующие функцию поддержки конечности. Не имеют в составе никаких исполнительных механизмов. К ним относят шины, лангеты, корсеты и фиксаторы различного типа [24];
2. динамические ортезы, сохраняющие подвижность конечности. Могут быть пассивными, поддерживающими, или активными, снабженными механическими приводами, тренирующими конкретный сустав [25];
3. роботизированные экзоскелеты, повторяющие механические свойства конечности и, как следствие, в большей степени соответствующие ее анатомии. Несмотря на громоздкость и высокую стоимость, эти решения в наибольшей степени соответствуют задачам нейрореабилитации и функционального протезирования в условиях свободного перемещения.

Рассмотрим последний вариант как наиболее универсальное решение, хотя до настоящего времени экзоскелеты медицинского назначения в отечественной системе стандартов не выделены в отдельную категорию [26]. Экзоскелеты предполагают безопасную совместную работу с пациентом, направленную на возможность использования и улучшение остаточных двигательных функций. Следовательно, системы приведения в действие и управления должны обеспечивать минимум два режима работы: режим с управлением по положению и режим с управлением по усилию. В режиме управления по положению РУ движется по заранее заданным пространственно-временным траекториям, определенным его настройками. Режим управления по усилию полагает использование мышечных усилий пациента для формирования РУ полноценного движения: эта схема применима при незначительных парезах мышц. В качестве дополнительного контура, корректирующего правильность выполнения упражнения, можно добавить управление по положению.

Сокращение времени реабилитации при использовании экзоскелетов при проведении кинезиотерапии впервые было показано в работе [21]. При этом достоверных различий в эффективности упражнений с экзоскелетами с адаптивным управлением и без него не установлено [22]. Авторы даже склоняются в пользу РУ без адаптивных возможностей из-за их меньшей стоимости, большей надежности, простоты в использовании и обслуживании.

Период начала проведения реабилитационных мероприятий и параметры проведения роботизированной тренировки ходьбы (RAGT, роботизированная тренировка походки) зависят от многих факторов [23]. Установлено, что наилучшие результаты можно получить в остром периоде заболевания, при проведении сеанса длительностью 30 мин, три раза в неделю в течение четырех недель. Для оценки состояния использовали шесть клинических параметров, включая оценку сенсомоторных функций по шкале Фугл-Мейера, шкалу оценки нарушения равновесия и баланса Берг, шкалу оценки контроля и нарушений движения туловища, модифицированный индекс Бартел оценки независимости в основных сферах повседневной жизни и модифицированную шкалу спастичности мышц Эшворта. Это утверждение было подтверждено результатами исследований электромиограмм (ЭМГ) группы из 36 пациентов. Разница параметров ЭМГ (частота пиков, ее длительность и площадь) между контрольной и экспериментальной группами была достоверной [27].

Экзоскелеты верхних конечностей более сложны относительно РУ того же типа для нижних конечностей. Это связано с тем, что к простым движениям крупных суставов добавляются повороты кисти, а также хватательные или щипковые движения пальцев [28, 29]. При этом известные РУ, реализующие перемещения пальцев, не учитывают движение запястья, поэтому конструкции устройств либо удерживают его неподвижно, либо позволяют совершать движения только в одной плоскости — сгибаться и разгибаться. Функциональная многогранность имитации движения кисти и пальцев руки человека предполагает высокую сложность задачи управления РУ, в том числе с использованием элементов искусственного интеллекта и методов обнаружения намерений движения пациента, включая регистрацию тензометрических и электрофизиологических сигналов паретичных мышц [30].

Устройства для восстановления функций верхних конечностей

Несмотря на достаточное количество моделей РУ, ориентированных на восстановление функционирования верхних конечностей, до сих пор отсутствует единая согласованная, функционально и физиологически обоснованная концепция проведения нейрореабилитационных мероприятий подвижности руки и кисти с использованием РУ [31]. Эта ситуация отражает неоднозначность существующих подходов к проведению нейрореабилитации инсультных больных и многообразие клинических состояний, часто не имеющих четких различий и являющихся сочетанными [31]. Как результат описанной ситуации, в настоящее время имеются РУ, предназначенные для восстановления функционирования рук на основе ЭМГ с интерфейсом мозг-компьютер (BCI или ИМК) и соматосенсорные РУ с функциональной электростимуляцией (BCI-FES) [32].

Реабилитационный процесс с использованием ЭМГ может быть основан на описанных ниже принципах. Достоверного различия в эффективности описанных методов пока не обнаружено [33]:

1. воздействие на мышцы паретичной конечности сигналами электростимулятора, которые соответствуют физиологической норме и хранятся в соответствующей базе данных: электромиограмма служит для контроля воздействия;
2. использование принципа «зеркала», когда на паретичную конечность подается усиленный сигнал, регистрируемый на здоровой в тот момент, когда пациент пытается совершить идентичные движения;
3. использование ЭМГ в цепи биологической обратной связи (БОС), когда в режиме «зеркала» пациенту предъявляются электромиограммы при попытке совершения идентичных движений паретичной и здоровой рукой.

РУ, использующие BCI, реализуют различные подходы, основанные на регистрации электроэнцефалограмм (ЭЭГ) двигательных зон коры головного мозга. Основная проблема таких РУ — неоднозначность трактовки регистрируемого сигнала. Одним из первых относительно простых и специализированных, но требующим существенных вычислительных мощностей, представляется алгоритм, основанный на анализе пространственно-временных характеристик ЭЭГ в нескольких частотных диапазонах общей полосы пропускания сигнала электроэнцефалограммы [34]. Более универсальный и быстрый алгоритм минимизации энергии сигнала (или его частные реализации), распознаваемого образа, позволяет на практике получать приближенные решения, которые в отдельных случаях оказываются более эффективными [35]. Алгоритм PSD (спектральная площадь мощности) основан на измерении спектральной плотности мощности сигнала, состоящего из большого количества синусоид, генерируемых независимыми источниками, что наблюдают во многих шумоподобных сигналах [36]. К общим недостаткам РУ с нейроинтерфейсами следует отнести существующую в настоящее время невозможность выделения слабых сигналов активации мелких мышц кисти и предплечья, управляющих отдельными пальцами.

Соматосенсорные РУ основаны на создании петли биологической обратной связи между завершенными комплексами движений и ощущениями, получаемыми от зрительной, слуховой или тактильной систем организма [37]. Наиболее эффективной оказалась аудиовизуальная БОС в сочетании с технологиями виртуальной или дополненной реальности, где пациенты выполняли упражнения с эффектом соматосенсорного погружения. Датчики обратной связи, установленные для фиксации движений, регистрируют силу воздействия, скорость движения или положение в пространстве руки, кисти и/ или пальцев. Последующие исследования доказали, что мультисенсорная стимуляция и механическая обратная связь, помогающие в реабилитационном обучении, значительно сокращают процесс реабилитации и имеют длительное последействие [38].

Эффективное средство для восстановления подвижности — BCI-FES, при которой стимулирующие импульсы вызывают мышечную активность параллельно с принудительными движениями всей конечности или какой-либо ее части. Тем самым через реципрокные отношения в двигательных центрах коры головного мозга формируется устойчивая связь между внешним стимулом и соответствующим движением. Действенность метода показана на восстановлении подвижности как нижних [39, 40], так и верхних конечностей независимо от возраста и пола [41, 42]. При этом наибольший эффект был продемонстрирован в острой фазе инсульта. Ненамного уступая в эффективности соматосенсорным РУ, реабилитационные тренажеры этого типа за счет узкой специализации, направленной на тренировку ограниченного количества движений, могут оказаться проще, дешевле и компактнее.

Устройства для восстановления функций нижних конечностей

Существенное снижение сроков нейрореабилитации у пациентов с парезами нижних конечностей при использовании роботизированных экзоскелетов, а также более эффективное восстановление их функционирования отмечают многие авторы [43–46]. В последнее время распространение начинают получать гибкие экзоскелеты нижних конечностей, которые эффективно решают некоторые проблемы традиционных жестких экзоскелетов, обеспечивая более высокое качество имитации биомеханики нормальной ходьбы, большую жесткость в области суставов, меньший вес и относительную компактность системы управления [43].

Согласно полученным данным, за последние десятилетия внимание разработчиков экзоскелетов нижних конечностей сосредоточилось на трех основных направлениях: материалы, технология производства и управление [44]. Относительно механической части исполнения каких-либо принципиальных улучшений не произошло. Из материалов для производства на первый план ожидаемо вышли биологически нейтральные легкие сплавы на основе титана и композитных пластиков на основе углеволокна (карбона). Это позволяет существенно упростить технологию производства, заменив штамповку под прессом на моделирование изделия в легкой прессформе с подогревом и последующим уплотнением в ходе полимеризации связующих смол. Таким образом, изготовление основы механической части экзоскелетов стало доступно небольшим предприятиям. Кроме того, появилась возможность индивидуальной подгонки частей экзоскелета уже на стадии их производства. Управление механикой экзоскелетов также активно развивается, существенно уменьшается энергопотребление и элементы становятся все более компактными за счет появления на рынке микроконтроллеров, соизмеримых по производительности с настольными ЭВМ начала 2000-х гг., а также миниатюрных шаговых двигателей с высоким крутящим моментом.

Положительным моментом представляется внедрение БОС для расширения возможностей управления экзоскелетами. Одно из направлений — это развитие адаптивного управления на основе распознавания намерений движения с помощью датчиков ускорения и накожной ЭМГ [45]. В этом случае, как справедливо отмечают авторы, основными препятствиями становятся множественность несогласованных шкал и оценок двигательной активности постинсультных больных, что затрудняет объективность оценки эффективности воздействий, отсутствие адекватных математических моделей, связывающих ЭМГ-активность двигательных нервов с соответствующим движением ноги, особенно во время спуска и подъема по лестницам, а также сам характер сигналов ЭМГ с нарушенной координацией мышц после инсульта, что требует использования многослойных моделей нейронных сетей для их распознавания. Решение этих задач позволит частично автоматизировать процесс реабилитации, в первую очередь в плане изменения влияния экзоскелета на походку по мере прогресса в восстановлении двигательных навыков. Авторы справедливо замечают, что внедрение экзоскелетов с адаптивным управлением снизит не только нагрузку на врача-реабилитолога, взяв на себя решение рутинных задач, но и даст существенный экономический эффект за счет роста численности группы пациентов, приходящихся на одного врача.

Вместе с тем даже использование упрощенных роботизированных приводов, реализующих подвижность лишь тазобедренного и коленного суставов во время тренировок, уже дает положительный эффект для восстановления биомеханики ходьбы. При анализе результатов влияния подобной схемы на восстановление двигательных функций установлено общее улучшение моторики движений, снижение мышечного тонуса разгибателей и увеличение длительности фазы опоры в цикле шага; при этом сам цикл шага сократился с пяти частей до трех. Авторы пришли к выводу, что роботизированные тренировки с применением активных приводов для тазобедренного и коленного суставов опосредованно способствуют изменениям кинематических параметров в голеностопном суставе за счет приближения показателей паттерна к некоему усредненному шаблону движений [46].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализируя работы, описывающие влияние РУ на функциональное восстановление конечностей постинсультных больных, нельзя не согласиться с позицией, изложенной в одной из работ: большинство источников описывают лишь идеи, в лучшем случае — предварительный дизайн и тестирование прототипов, а не оценку уже выпускаемых или готовых к массовому внедрению устройств [47]. Кроме того, несмотря на социальную значимость и важность внедрения медицинских РУ, до сих пор основной объем предложений на отечественном рынке представлен зарубежными разработками. Заметим, что их высокая стоимость и сложность сервисного обслуживания в условиях наложенных на Россию санкций требуют скорейшего решения задач разработки и серийного выпуска отечественных устройств аналогичного назначения.

Основной вывод представленного обзора состоит в том, что для сохранения непрерывности реабилитационного процесса и действительного повышения качества жизни пациентов следует разрабатывать не только высокоэффективные робототехнические комплексы, доступные для крупных клиник и реабилитационных центров, но и относительно простые, недорогие и массовые РУ для домашнего использования. Это позволит сделать реабилитационный процесс по-настоящему непрерывным. Примером этому могут послужить относительно простые и недорогие специализированные РУ типа BCI-FES для пациентов в постинсультном периоде, реализация которых, по нашему мнению, не потребует больших вложений.

Использование медицинских сервисных роботов для пациентов с ограниченной мобильностью в домашних условиях пока затруднено из-за из высокой стоимости и необходимости создания разветвленной сети сервисных центров. Однако применение подобных РУ с голосовым управлением в клинических условиях более чем оправдано, так как позволяет снизить нагрузку на медсестер и автоматизировать такие рутинные процедуры, как раздача лекарств или утренний контроль за температурой и артериальным давлением пациентов.

Если анализировать состояние и ближайшие перспективы развития реабилитационных РУ, то следует ожидать их развития в двух взаимодополняющих направлениях.

С одной стороны, появление все большего количества моделей универсальных стационарных комплексов, ориентированных на эксплуатацию в клинических условиях и крупных реабилитационных центрах. Изначально каждый такой комплекс должен обладать библиотекой профилей проведения «стандартных» тренировочных сеансов общего плана с возможностью расширения и дополнения новыми комбинациями упражнений. Обязательным условием для таких систем должно стать использование многопетлевой БОС, обеспечивающей индивидуальную адаптацию к возможностям каждого пациента с элементами самообучения. Вырабатываемые в ходе тренировок индивидуальные профили больных должны храниться в цифровой библиотеке и использоваться при повторных визитах. При этом распространение таких профилей вряд ли целесообразно из-за их высокой индивидуальности.

С другой стороны, для обеспечения непрерывности реабилитационного процесса следует ожидать развития рынка относительно недорогих специализированных, возможно, мобильных устройств, используемых в том числе и в домашних условиях. Снижение стоимости таких РУ возможно при их функциональной специализации, использовании упрощенных технологий и унификации механической части и электромеханической оснастки, а также если сделать набор профилей упражнений разумно минимальным. Но и в этом случае необходимым условием следует считать использование, по крайней мере, одной БОС, позволяющей организовать адаптацию и самообучение РУ. Обеспечение этих изделий средствами объективного контроля (поверхностная ЭМГ, акселерометрия) за двигательной активностью пораженных конечностей совместно с каналом передачи данных на удаленный сервер обеспечит наиболее полные условия для проведения полноценных реабилитационных мероприятий.

В заключение необходимо отметить, что, по мнению авторов, внедрение робототехники в медицину обязательно приведет к росту эффективности диагностических, лечебных и реабилитационных процедур и повышению долгосрочной выживаемости пациентов. Широкая роботизация здравоохранения способна создать условия для достаточно скорого перехода медицины на совершенно иной уровень диагностики и лечения, который еще недавно считался фантастическим.