Молодые ученые ТГТУ разрабатывают систему опорно-двигательной реабилитации, которая позволит людям, недавно перенесшим инфаркт или инсульт, быстрее вернуться к активной жизни и передвигаться не на инвалидной коляске, а на своих ногах. Проект, реализующийся совместно с клинической больницей №3 имени И.С Долгушина, долгосрочный и по сути, не имеет аналогов, предусматривая гармоничное сочетание технической мысли с виртуальной реальностью.
На ниве медицины
На самом деле в стенах технического университета созданием тренажеров, использующихся в различных сферах жизни и секторах экономики, занимаются как минимум десять лет. Поначалу это были двумерные модели, затем трехмерные. Новый виток в своем развитии это направление получило в 2021 году, когда коллектив ученых, одержав победу в федеральном конкурсе, получил грант, на средства которого в вузе в рамках деятельности научно-образовательного центра мирового уровня «Инженерия будущего» появилась молодежная лаборатория медицинских VR-тренажерных систем для обучения, диагностики и реабилитации. Научные изыскания в ней проводятся по самым передовым на сегодняшний день темам, и система реабилитации для людей, перенесших ишемическую болезнь сердца или острое нарушение мозгового кровообращения, — одна из них. Это новое для университета направление, продиктованное временем.
«Система реабилитации представляет собой набор манипуляторов. Они перемещают ноги человека, который находится в подвешенном или в полуподвешенном состоянии, в соответствии с определенным алгоритмом, - поясняет доктор технических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированной поддержки принятия решений», руководитель лаборатории Артем Обухов. — Получается, что мышцы возвращаются к работе за счет сторонних манипуляторов. Сейчас мы как раз прорабатываем электрическую, механическую и аппаратную часть».
Все компоненты системы реабилитации уже сконструированы, как и сама дорожка, по которой будет передвигаться пациент. В лаборатории ей отведено достаточно большое пространство, что не удивительно — составных частей у рабочего образца на самом деле много. Осталось завершить сборку прежде всего элементов, которые будут отвечать за движение ног человека, и внедрить в комплекс технологию виртуальной реальности. По мнению специалистов, «перемещение во времени и пространстве» окажет благотворное влияние на процесс восстановления мышечной активности у пациентов отделения нейрореабилитации.
«Не секрет, что на многих людей больничные стены действуют угнетающе. И чем больше они проводят там времени, тем сильнее это отражается на их психологическом состоянии, — говорит Артем Обухов. - Поэтому в качестве альтернативы мы предложили, используя возможности виртуальной реальности, перенести пациентов, например, на берег водоема, в лес, другие рекреационные зоны. Ожидается, что в такой мотивирующей обстановке связи с мышцами на уровне мозга будут прорабатываться значительно эффективнее».
Подобный симбиоз — новаторство ученых ТГТУ. В зарубежных моделях систем опорно-двигательной реабилитации использование VR- технологии не предусмотрено, единственное, чем могут помочь пациенту — это поставить перед ним телевизор с отвлеченной картинкой. Представители технического университета пошли значительно дальше и уже в этом году планируют сделать манипуляторы, которые по некоторым параметрам превосходят имеющиеся сейчас на рынке, интегрировав в существующие разработки шлем виртуальной реальности.
От проекта к проекту
Между учеными и медицинским сообществом горбольницы №3 давно установилась обратная связь, которая, образно говоря, помогает двигать науку: врачи обладают ценным опытом и широким спектром компетенций, представители вуза отвечают за техническую сторону в совместных разработках на базе молодежной лаборатории и погружение в виртуальную реальность. Обмен мнениями нередко стимулирует появление новых, полезных для медицины, идей и их дальнейшее воплощение. Так, команда ученых приступила к разработке мобильного приложения для постреабилитационного периода. Оно окажется незаменимым в том случае, когда пациента уже выписали из стационара, но процесс его реабилитации по-прежнему должен проходить под контролем врача.
«Приложение мы уже сделали: база данных упражнений, контрольные функции — всё это есть. Сейчас дорабатываем способ фиксации результата, как человек выполняет эти упражнения в домашних условиях, — поясняет Артем Обухов. — Есть несколько вариантов — использование камер для захвата движений или датчиков телефона, закрепленного на теле».
Функционал должен быть широким, но в тоже время понятным, чтобы приложением смогли пользоваться и люди пожилого возраста, часто проходящие лечение в неврологическом отделении.
Средство от фобий
Информацию, необходимую для реализации проектов и поиска конструкторских решений ученые черпают из самых разных источников. На средства гранта, рассчитанного на три года (ежегодно выделялось по 15 миллионов рублей), лаборатория была укомплектована всем необходимым. Приборов становится все больше, и многие из них ученые в рамках проводимых исследований создали сами. Это касается и беговой дорожки, пожалуй, главного элемента системы опорно-двигательной реабилитации, и портативных аппаратов ЭКГ и электромиографа, которые активно используются в системах для диагностики фобий на основе виртуальной реальности.
«Это одно из трех направлений работы лаборатории, его мы реализуем, взаимодействуя с Тамбовской психиатрической клинической больницей, - вводит в курс дела Артем Обухов. – Мы разрабатываем программное обеспечение по визуализации различных стрессовых ситуаций и страхов, которое применяем в шлеме виртуальной реальности».
Ученые намеренно отправляют человека, например, на крышу небоскреба, отслеживая, с помощью приборов, в какой мере у него выражен страх высоты, или в помещение с пауками, определяя степень арахнофобии. Поначалу сбор медицинских данных через электроды ЭЭГ и ЭКГ осуществляли специалисты психиатрической клинической больницы, затем в рамках лаборатории началась разработка портативных моделей этих приборов, чтобы не возить в стационар свою технику или использовать их. Аудитория, которая участвует в исследовании — тамбовчане 20-60 лет. Это не только студенты и сотрудники вуза, но и добровольцы, которым интересна данная тема и кто хочет научится управлять своими страхами. Это действительно возможно в случае, если регулярно «переживать» их. К тому же подобные исследования помогут юношам и девушкам узнать, какой фобии они подвержены больше всего и, выбирая профессию, исключить стрессовые.
«На основе данных, полученных в ходе исследования, был сделан вывод о том, с возрастом у людей усиливаются страхи, - говорит руководитель лаборатории. — Проект, начатый с психиатрической больницей, может быть расширен. В принципе, результаты нашей работы в дальнейшем вполне реально использовать в процессе тестирования по охране труда, определяя устойчивость сотрудника к тем или иным стрессовым или чрезвычайным ситуациям. Эти данные позволят понять, насколько качественно он может справляться со своими должностными обязанностями».
В лаборатории, где поставленные задачи помогают выполнять несколько шлемов виртуальной реальности, костюм захвата движения, позволяющий отслеживать мелкую моторику, поворотные камеры для систем компьютерного зрения и другая разнообразная аппаратура, акцент сделан на медицинской составляющей, однако внимание уделяется и созданию профессиональных тренажеров. Они находят широкое применение в химической промышленности и горнодобывающей отрасли, машиностроении. Для ТГТУ это давнее направление, развивающееся в том числе в рамках совместных проектов вуза с ведущими предприятиями Тамбовщины.
Кузница кадров
В университете эффективно действует технопарк, его потенциал и технические возможности сотрудники молодежной лаборатории используют по мере необходимости, вовлекая в работу робототехников и электронщиков. С центром коллективного доступа тоже налажена тесная связь. На станках, имеющихся на научно-производственной площадке, обычно изготавливается львиная доля деталей для механизмов и приборов, использующихся затем в исследованиях.
«Виртуальная реальность, машинное обучение, компьютерное зрение — всеми этими направлениями и технологиями, находящимися сейчас в тренде, мы занимаемся, причем уже продолжительное время, — поясняет Артем Обухов. Задачи непростые, специфические, но творческие. Кадры для их выполнения мы готовим сами».
Да, лаборатория на базе кафедры «Системы автоматизированной поддержки принятия решений» укомплектована молодыми специалистами — в основном студентами-магистрами. Многие из них прошли путь от стажеров до руководителей направлений. Обладатель нескольких грантов Андрей Волков — проектный менеджер, отвечает за работы по программированию. За Надеждой Вехтевой закреплено 3D-моделирование, за Даниилом Теселкиным, который в отличие от ребят, которые в этом году поступают в аспирантуру, только заканчивает бакалавриат — программирование под VR. Многие студенты уже трудоустроены в лаборатории. От каждого из них в конечном счете, зависит качество и эффективность проектной деятельности, в которой используются передовые достижения науки и техники.
