Одной из основных причин инвалидности в Соединенных Штатах является гемипарез — состояние, при котором нарушается контроль движений, проявляется мышечная слабость и спастичность, затрагивающие одну сторону тела. Гемипарез встречается у 80% людей, перенесших инсульт, и приводит к снижению подвижности и ухудшению качества жизни, что является проблемой для миллионов людей.

Ходьба может показаться простым действием, но она основана на сложной биомеханике. Даже небольшая потеря силы на одной стороне тела многократно усиливается, поскольку мышцы на другой стороне задействуются для компенсации. В результате люди с гемипарезом тратят на ходьбу на 60% больше энергии, чем люди со здоровой походкой. Это означает более низкую скорость ходьбы, меньшую выносливость, большую боль и больший риск падений.

Исследователи из Инженерного колледжа имени Джона и Марсии Прайс при Университете Юты сейчас тестируют устройство, способное восстановить баланс в этом уравнении. В исследовании, проведенном в сотрудничестве с Колледжем здравоохранения, команда показала, что их портативный, легкий экзоскелет для тазобедренного сустава может снизить энергию, необходимую для ходьбы, почти на 20% у людей с гемипарезом после инсульта. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Устройство весом 2,5 кг (5,5 фунтов) носится на бедрах и крепится ремнями к бедрам пользователя. Электродвигатели с батарейным питанием помогают двигать ногами пользователя при каждом шаге, что приводит к более эффективной походке. Точный уровень помощи двигателя с каждой стороны настраивается индивидуально для каждого пользователя, а интеллектуальная система управления синхронизируется с ними в режиме реального времени, обеспечивая поддержку именно тогда, когда бедру необходимо подняться или оттолкнуться.

«Улучшение качества жизни после инсульта — одна из самых больших нерешенных проблем в современном здравоохранении», — сказал ведущий автор исследования Томмазо Ленци, доцент кафедры машиностроения. «Сейчас мы показываем, что робототехника может оказать здесь ощутимое влияние».

В более ранних попытках решения этой проблемы исследовались и другие типы экзоскелетов с электроприводом. Выявив, что ключевыми факторами, способствующими этой проблеме, являются свисающая стопа и нарушение отталкивания в голеностопном суставе, были созданы прототипы, призванные помочь в обеспечении подвижности голеностопного сустава.

« Портативные экзоскелеты для голеностопных суставов не смогли снизить энергозатраты, необходимые пациентам после инсульта для ходьбы, поэтому мы предложили другой подход», — сказал ведущий автор Кай Пруйн, аспирант лаборатории бионической инженерии HGN в Ленци. «Пациенты со слабостью голеностопных суставов часто компенсируют это за счет тазобедренных суставов, что требует дополнительных затрат энергии».

«Наша цель заключалась в разработке мощного и полностью портативного экзоскелета для тазобедренного сустава. Экзоскелеты для тазобедренного сустава также могут быть чрезвычайно легкими, поскольку они носятся ближе к центру тяжести пользователя и имеют меньшие требования к крутящему моменту по сравнению с экзоскелетами для голеностопного сустава. Мы обнаружили, что помощь со стороны тазобедренного сустава эффективно компенсирует снижение тяги голеностопного сустава».

Лаборатория Ленци специализируется на носимой робототехнике и ранее привлекла внимание общественности своим бионическим протезом ноги, разработанным в штате Юта и вошедшим в список лучших изобретений 2023 года по версии журнала Time.

Другие исследовательские группы также экспериментировали с экзоскелетами для тазобедренного сустава, в целом показав, что они могут повысить эффективность походки у здоровых людей, но группа Ленци первой продемонстрировала их эффективность у пациентов с гемипарезом.

В исследовании были применены точные методы захвата движений для анализа походки семи пациентов с гемипарезом во время ходьбы на беговой дорожке с датчиками, как с экзоскелетом, так и без него. Участники также носили оборудование, которое оценивало их расход калорий. На основе этих данных исследователи рассчитали метаболические затраты на ходьбу в обоих условиях.

Результаты оказались существенными: использование экзоскелета снизило нагрузку на тазобедренные суставы почти на 30% , что привело к уменьшению общих метаболических затрат на ходьбу на 18%.

«Для человека со здоровой походкой это все равно что снять 13-килограммовый рюкзак», — сказал соавтор исследования Бо Форман, профессор физиотерапии и спортивной медицины. «А для человека с гемипарезом это кардинально меняет жизнь».

Участники исследования сообщили о значительном улучшении подвижности. «Вначале я не могла пошевелить ногой», — сказала Лидия, одна из участниц, пережившая инсульт. «Но с этим устройством стало намного лучше».

«В каком-то смысле экзоскелет выполнял за нее часть движений», — добавил ее муж Марселлус. «Чем чаще мы его использовали, тем лучше ей становилось, когда она его не использовала».

Следующие шаги исследовательской группы включают обеспечение безопасности и эффективности экзоскелета для тазобедренного сустава в домашних условиях и в повседневной жизни. Для этого потребуется усовершенствовать механику и систему управления устройства, чтобы оно поддерживало не только ходьбу. Лаборатория сотрудничает с ведущими специалистами в области протезирования и ортопедии, чтобы воплотить эту технологию в продукт, который сможет использовать каждый.

«Наша цель — гарантировать, что инсульт не будет определять границы возможностей человека и его жизнь», — сказал Ленци.