W świecie innowacji zdrowotnej egzoszkielety stają się rewolucyjnym narzędziem, otwierającym nowe perspektywy rehabilitacji i poprawy jakości życia osób z różnymi schorzeniami. Na kartach tej technologicznej rewolucji pojawiają się fascynujące inicjatywy, m.in. polski projekt egzoszkieletu rehabilitacyjnego oraz amerykańska innowacja z Harvarda, która oferuje nową nadzieję chorym na Parkinsona.
Spis treści
Egzoszkielety przyszłością opieki zdrowotnej?
Wraz z postępem technologii, dziedzina zdrowia doświadcza nieustannych zmian, a jedną z najbardziej fascynujących innowacji są egzoszkielety. Te zaawansowane technologicznie urządzenia, wywodzące się z obszaru robotyki, stają się obecnie kluczowym elementem w poprawianiu jakości życia pacjentów oraz wspieraniu rehabilitacji.
Egzoszkielety to mechaniczne struktury noszone na zewnątrz ciała, które wzmacniają lub zastępują naturalne funkcje mięśni. Są one zaprojektowane tak, aby pomagać osobom z ograniczeniami ruchowymi w codziennych czynnościach lub wspierać proces rehabilitacji po urazach.
Zastosowania egzoszkieletów w medycynie
Egzoszkielety nie są wymysłem ostatnich lat, a wciąż udoskonalaną technologią, znaną już od 1890 roku, jak podaje Platforma Przemysłu Przyszłości w swoim opracowaniu. Wynalazek opatentował rosyjski inżynier, Nicholas Yagn. Jego wynalazek był napędzany ludzką siłą, wspomaganą przez zainstalowane worki ze sprężonym powietrzem. Później w 1917 roku Amerykanin Leslie C. Kelley opracował Pedomotor, który to miał być napędzany parą wodną. Dzisiaj egzoszkielety mogą pomóc tym, którzy chcą stać się m.in. bardziej mobilnymi.
Egzoszkielety znajdują szerokie zastosowanie, szczególnie w obszarze rehabilitacji po urazach rdzenia kręgowego. Dzięki precyzyjnemu sterowaniu i adaptacji do naturalnych ruchów ciała, egzoszkielety stanowią rewolucyjne narzędzie wspomagające proces powrotu pacjentów do samodzielności po tego typu urazach.
Wspierają mobilność i niezależność niepełnosprawnych, umożliwiając łatwiejsze poruszanie się, podnoszenie przedmiotów oraz uczestnictwo w codziennych aktywnościach, co wpływa pozytywnie na jakość życia osób z niepełnosprawnościami. Egzoszkielety stają się także ważnym narzędziem w obszarze opieki zdrowotnej, gdzie personel medyczny może z powodzeniem wykorzystywać je do zwiększania swoich możliwości fizycznych. Służą one do podnoszenia pacjentów i wykonywania innych zadań wymagających siły fizycznej, co wpływa na efektywność i komfort pracy personelu medycznego.
Egzoszkielet może być też rozwiązaniem, które z powodzeniem wykorzystają ludzie w pełni zdrowi w ramach przykładowo swojej pracy zawodowej. Mogą być one wykorzystywane między innymi do podnoszenia ciężarów.
Polski egzoszkielet pomoże w rehabilitacji
Piotr Falkowski to polski naukowiec i laureat prestiżowego programu Lider Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (skrót. NCBR), wznoszący się na szczyty innowacji w dziedzinie rehabilitacji za pomocą zaawansowanej technologii. Jego obszar zainteresowań i prac skupia się na stworzeniu przełomowego projektu – egzoszkieletu rehabilitacyjnego dla kończyny górnej, który ma potencjał odmienić życie osób po udarach, wypadkach oraz z chorobami nerwowo-mięśniowymi.
Piotr Falkowski, obecnie realizujący swój doktorat w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów oraz na Politechnice Warszawskiej, to jednostka pełna pasji i zaangażowania w poszukiwaniu innowacyjnych rozwiązań w dziedzinie rehabilitacji. Jego ścieżka naukowa rozpoczęła się od projektowania pierwszego egzoszkieletu już na etapie studiów magisterskich, jak podaje serwis naukawpolsce.pl.
Projekt, którym obecnie się zajmuje, to rozwiązanie, które pomoże wielu osobom. Działając pod patronatem programu Lider NCBR, Piotr Falkowski kieruje swoje wysiłki ku stworzeniu egzoszkieletu, który może być kluczowym narzędziem w procesie rehabilitacji kończyny górnej.
Egzoszkielet wspomagany sztuczną inteligencją
Jego innowacyjne podejście opiera się nie tylko na mechanicznej konstrukcji egzoszkieletu, ale również na integracji sztucznej inteligencji (AI) w celu precyzyjnej analizy ruchów pacjenta. Falkowski zdaje sobie sprawę, że dla egzoszkieletu, aby skutecznie wspierać proces rehabilitacyjny, konieczne jest nie tylko dostarczenie fizycznej pomocy, ale także inteligentnego monitorowania i korekty ruchów pacjenta.
W ramach projektu Lider NCBR, Piotr Falkowski i jego interdyscyplinarny zespół zmierzają nie tylko do stworzenia egzoszkieletu o mniejszej masie, ale także do opracowania efektywnej metody sterowania, w której kluczową rolę odegra sztuczna inteligencja i specjalnie opracowany algorytm. Ich celem jest nie tylko umożliwienie pacjentom prawidłowego wykonywania ruchów, ale również identyfikacja ewentualnych kompensacji anatomicznych oraz błędów funkcjonalnych, co jest kluczowe dla skutecznej rehabilitacji.
Mamy już prototyp egzoszkieletu wykonany w technologii proszkowego druku 3D. W projekcie Lider będziemy mierzyć się z dwoma ważnymi wyzwaniami. Po pierwsze – musi on być lżejszy niż obecnie, a być może także sztywniejszy. Dlatego będziemy szukać materiału, z którego wytworzymy użytkową wersję urządzenia – lekką i łatwą do obsługi w warunkach domowych.
Piotr Falkowski, laureat programu Lider, Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Piotr Falkowski w swoim zobowiązaniu do połączenia inżynierii i medycyny, widzi nie tylko rozwój technologii, ale przede wszystkim szansę na pomoc ludziom borykającym się z różnymi schorzeniami.
Jak działa egzoszkielet opracowywany przez Falkowskiego?
Egzoszkielet stanowi rewolucyjne narzędzie w dziedzinie rehabilitacji, będąc lekkim mechanicznym szkieletem zaprojektowanym do wspierania procesu leczenia kończyn górnych. Wykorzystując technologię druku 3D, ten zaawansowany sprzęt medyczny oferuje innowacyjne podejście do rehabilitacji poprzez zapewnienie spersonalizowanego i precyzyjnego wsparcia dla pacjentów z różnorodnymi schorzeniami. Zapewnia tym samym możliwość dostosowania go do wymiarów anatomicznych pacjenta.
Ćwiczenia z wykorzystaniem egzoszkieletu polegają na tym, że urządzenie powtarza ruch po precyzyjnej trajektorii, którą pacjent powinien naśladować. W trakcie tego procesu egzoszkielet wspomaga lub stawia opór ruchom w poszczególnych stawach, zależnie od ustawionego trybu. W przypadku pacjentów całkowicie pozbawionych zdolności ruchowej, egzoszkielet może także wykonywać ruchy za nich.
Piotr Falkowski, laureat programu Lider, Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Egzoszkielet ma być zaprojektowany w taki sposób, aby za pomocą wytrenowanego algorytmu mógł powtarzać i analizować ruchy zaprezentowane przez fizjoterapeutę. Zastosowanie sztucznej inteligencji staje się kluczowym elementem w ramach tego projektu. Jak tłumaczy Falkowski, często zdarza się, że osoby z niepełnosprawnościami wykonują niektóre, bolesne ćwiczenia nieprawidłowo, aby uniknąć bólu. Takie zjawisko nazywa się kompensacją.
Jeśli prawidłowy ruch sprawia ból, pacjent może próbować go zrealizować w inny sposób, co nazywamy kompensacją. Choć próby te bywają skuteczne, to nieprawidłowe wykonywanie ruchu może prowadzić do nadmiernego obciążenia pewnych grup mięśniowych i do potencjalnych kontuzji. Osoby w trakcie rehabilitacji mogą nabywać również nieprawidłowe nawyki ruchowe.
Piotr Falkowski, laureat programu Lider, Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Stąd też egzoszkielet będzie dokładnie analizował ruchy pacjenta i porównywał go z wytrenowanym wcześniej wzorcem. Będzie przy tym dokonywał oceny ruchu pod kątem potencjalnych kompensacji anatomicznych, wynikających przykładowo z ograniczeń w stawach. Algorytm nauczy się też rozróżniania istotnych błędów rehabilitacji funkcjonalnej, czyli takiej, która pozwala na wykonywanie przez pacjentów codziennych czynności.
Interdyscyplinarny zespół naukowców w służbie chorym
Interdyscyplinarny zespół badawczy tworzy grupa specjalistów o różnorodnych kompetencjach. W ramach zespołu, inżynierowie skupiają się na doskonaleniu mechanicznej struktury egzoszkieletu. Ich precyzyjne zrozumienie konstrukcji i właściwości materiałów umożliwia tworzenie lekkich, wytrzymałych oraz ergonomicznych rozwiązań. Poprzez zaawansowane metody projektowania, inżynierowie kierują się w stronę maksymalnej efektywności, eliminując ewentualne bariery związane z noszeniem egzoszkieletu. W skład zespołu wchodzą więc osoby z kompetencjami robotyczno-rehabilitacyjnymi, biomechanicznymi, fizjoterapeutycznymi, czy specjaliści od druku trójwymiarowego. Łączy ich jednak entuzjazm do łączenia fizjoterapii z inżynierią tak, by stworzyć rozwiązanie pomocne dla wielu pacjentów.
Roboty rehabilitacyjne mogą być doskonałym rozwiązaniem w terapii osób po udarach, które mają problem z podróżami do centrów specjalistycznych i w ogóle z przemieszczaniem się. Kiedy myślę o pomaganiu takim osobom, to myślę również o pomaganiu ich najbliższym – rodzinie, która z reguły bardzo wiele poświęca dla chorych, wożąc ich na częste sesje rehabilitacyjne. Obecnie mamy na tyle rozwiniętą technologię, a medycyna z inżynierią powszechnie się przeplatają, że dzięki niej możemy pomóc tym ludziom, a także osobom po wypadkach, pacjentom ze wszelkimi innymi zaburzeniami neurologicznymi, które sprawiają, że te mięśnie nie pracują tak jak powinny pracować.
Piotr Falkowski, laureat programu Lider, Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Egzoszkielety na rynku amerykańskim
Jak wspominaliśmy, egzoszkielety opracowywane są w wielu miejscach na świecie, aby wspomóc tych, którzy potrzebują wsparcia. Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda ze Stanów Zjednoczonych skonstruowali rozwiązanie dedykowane osobom cierpiącym na chorobę Parkinsona.
Schorzenie to jest najczęściej występującą chorobą wśród chorób neurozwyrodnieniowych. Postępuje z czasem, a jej główne objawy wynikają z neurodegeneracji komórek nerwowych w mózgu odpowiedzilanych za produkcję neuroprzekaźnika, dopaminy. Głównymi objawami w przebiegu choroby są zaburzenia ruchowe wraz z towarzyszącym im drżeniem kończyn. Wśród nich można również wymienić tzw. zamrożenie (ang. freezing).
Uczucie „zamrożenia” jest powszechne u osób cierpiących na chorobę Parkinsona. To zjawisko polega na nagłym i chwilowym zatrzymaniu ruchu, co sprawia, że osoba przestaje się poruszać pomimo woli wykonania danego ruchu. Zamrożenie może występować w różnych sytuacjach, takich jak próba rozpoczęcia kroku, zmiana kierunku ruchu, przekroczenie progu, czy nawet podejście do przeszkody. Zjawisko to może znacznie wpływać na codzienne funkcjonowanie pacjenta i prowadzić do zwiększenia ryzyka upadków. Objaw występuje w przypadku choroby zaawansowanej.
Leczenie choroby Parkinsona, w tym także wspomnianego uczucia zamrożenia, może obejmować farmakoterapię, fizjoterapię, terapię zajęciową oraz inne strategie terapeutyczne. Optymalne zarządzanie chorobą wymaga często dostosowywania leczenia w miarę postępu choroby i dostosowywania strategii terapeutycznych do indywidualnych potrzeb pacjenta, choć mogą one nie być skuteczne w 100 proc.
Wynalazek został przetestowany przez 73-letniego pacjenta
Badacze z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (skrót. SEAS) zaprezentowali niedawno swój egzoszkielet, który, podobnie jak w przypadku polskiego wynalazku, ma wspierać ruchy pacjenta.
Zaproponowane przez naukowców rozwiązanie jest instalowane użytkownikowi na biodrach i udach, pozwalając na swobodne poruszanie się dzięki miękkiej konstrukcji. Lekko popycha kończyny do przodu, jak podaje serwis pap.pl.
Odkryliśmy, że niewielka mechaniczna asysta ze strony naszego miękkiego robota przyniosła natychmiastowe efekty i poprawiła chód uczestnika badania w różnych warunkach. Aby opracować urządzenie zapobiegające uczuciu zmrażania u pacjentów z chorobą Parkinsona, konieczna byłą współpraca między inżynierami, specjalistami od rehabilitacji, fizykoterapii, biomechaniki i projektowania ubrań.
Conor Walsh, Uniwersytet Harvarda, USA, współautor publikacji, która ukazała się w czasopiśmie Naturę Medicine, cytowany przez serwis pap.pl.
Według informacji opublikowanych w serwisie pap.pl, egzoszkielet niemal całkowicie wyeliminował efekt zmrażania, który wcześniej, pomimo zapewnianych leków i zabiegów chirurgicznych, występował u pacjenta, doprowadzając do upadków.
Egzoszkielet składa się z czujników, komputera oraz niedużych siłowników. Dzięki obecności sensorów, komputer oblicza fazę ruchu, wspierając przy tym odpowiednio pacjenta i napędzając siłowniki. Naukowcy są podekscytowani, widząc, jak ogromny wpływ na chód pacjenta ma ich rozwiązanie. Mają również nadzieję, że pomoże im w zrozumieniu uczucia zamrażania.
Tak naprawdę zamrażanie jest słabo poznane. Do końca nie wiemy, dlaczego nasze podejście tak dobrze działa. Praca ta jednak wskazuje potencjalne korzyści płynące z działań od podstawę, zamiast metod odgórnych. Zobaczyliśmy, że niemal całkowite przywrócenie normalnej biomechaniki zmienia peryferyjną dynamikę chodu i może wpłynąć na jego ogólną kontrolę.
Dr Terry Ellis, Boston University College of Health & Rehabilitation Sciences, współautorka urządzenia, cytowana przez serwis pap.pl.
Źródło: naukawpolsce.pl, pap.pl. Zdjęcie otwierające: obraz wygenerowany za pomocą DALL-E 3.