novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.101-107novtexmech-1499Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSМехатронный экзоскелет кисти для реабилитации после инсультаMechatronic Hand Exoskeleton for Rehabilitation after StrokeБорзенкоЕ. И.BorzenkoE. I.

Д-р техн. наук, ст. науч. сотр.

Tomsk, 634050

Borzenko@ftf.tsu.ruЖдановД. С.ZhdanovD. S.

Канд. техн. наук, зав. лабораторией.

PhD, Head of Laboratory, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "National Research Tomsk State University".

Tomsk, 634050

D_S_Zhdanov@mail.ruМакаровР. Е.MakarovR. E.

Лаборант.

Tomsk, 634050

makarov.roman.evg@stud.tsu.ruСелезневА. И.SeleznevA. I.

Мл. науч. сотр.

Tomsk, 634050

seleznev.ant@mail.ruУтукинВ.UtukinV.

Мл. науч. сотр.

Tomsk, 634050

valeryvumvum@gmail.comБуреевА. Ш.BureevA. Sh.

Науч. сотр.

Tomsk, 634050

artem_bureev@mail.ruФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"РоссияFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "National Research Tomsk State University"Russian Federation202403022024252101107Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1499

Представлены результаты разработки прототипа функционального макета мягкого экзоскелета кисти, входящего в состав роботизированного комплекса для восстановления функции верхней конечности пациентов после перенесенного инсульта. Использование макета позволит проводить терапию на основе смешанного подхода, реализующего как помощь при реализации самостоятельных движений кисти пациента, так и полное их выполнение с использованием данных о ее перемещении, регистрируемых во время реабилитационных процедур. Представлен сравнительный и количественный анализ двух вариантов прокладки тросовой системы, приводящей в движение кисть и пальцы пациента. Для определения наилучшего варианта прокладки тросов было проведено параметрическое исследование совершаемой работы и времени сгибания одного пальца в зависимости от вариантов прокладки с учетом и без учета нагрузки. В первом варианте тросы прокладывались мелкими стежками порядка одного сантиметра вдоль нижней поверхности пальца. Во втором варианте трос проходил сквозь перчатку в местах естественного крепления сухожилий к костям. Тестирование проводилось на указательном пальце расслабленного здорового человека. В начальный момент времени рука занимала положение вдоль тела, пальцы полностью разжаты, при этом на дистальной фаланге закреплялся груз. Время сгибания пальца определялось датчиком касания, закрепленным на ладони. Результаты экспериментальных исследований показали, что тросы с минимальным числом точек крепления к основе экзоскелета в местах естественного закрепления сухожилий к костям дают максимальные усилия и обеспечивают достижение наибольшего диапазона возможных положений фаланг пальцев. Также представлены результаты исследований развиваемых усилий со стороны устройства на пальцы здорового человека, которые позволяют сделать вывод о возможности его использования в реабилитационных целях.

The article presents the results of the development of a prototype of a functional layout of a soft exoskeleton of the hand, which is part of a robotic complex for restoring the function of the upper limb of patients after a stroke. The use of the layout will allow for therapy based on a mixed approach, which implements both assistance in carrying out independent movements of the patient’s hand, and their full implementation using data on its movement recorded during rehabilitation procedures. The authors of the manuscript present a comparative and quantitative analysis of two options for laying a cable system that drives the patient’s hand and fingers. To determine the best option for laying cables, a parametric study of the amount of work performed and the bending time of one finger was carried out, depending on the options for laying with and without taking into account the load. In the first variant, the cables were laid with small stitches of the order of one centimeter along the lower surface of the finger. In the second variant, the cable passed through the glove in places of natural attachment of tendons to bones. Testing was carried out on the index finger of a relaxed healthy person. At the initial moment of time, the hand occupied a position along the body, the fingers were completely unclenched, while a load was fixed on the distal phalanx. The flexion time of the finger was determined by a touch sensor attached to the palm of the hand. The results of experimental studies showed that cables with a minimum number of attachment points to the base of the exoskeleton in places of natural attachment of tendons to the bone give maximum effort and ensure the achievement of the largest range of possible positions of the phalanges of the fingers. The results of studies of the developed efforts on the part of the device on the fingers of a healthy person are also presented, which allow us to conclude that it can be used for rehabilitation purposes.

экзопротезкистьуправлениеусилиереабилитациядатчик токаExoprosthesishandcontrolforcerehabilitationcurrent sensorРезультаты были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России, проект № FSWM-2022-0008.The results were obtained as part of the state assignment of the Russian Ministry of Education and Science, project No. FSWM-2022-0008.ReferencesМа-Ван-дэ А. Ю., Витковский Ю. А., Ширшов Ю. А. Эпидемиологические аспекты и факторы риска развития ишемического инсульта // Забайкальский медицинский вестник. 2022. № 2. С. 41—52.Ma-Van-de A. Yu., Vitkovsky Yu. A., Shirshov Yu. A. Epidemiological aspects and risk factors of ischemic stroke development (review of the literature), Zabaykalski Medicinski Vestnik, 2022, vol. 2, pp. 41—52 (in Russian).Чуян Е. Н., Бирюкова Е. А., Бабанов Н. Д. Двигательная реабилитация пациентов с нарушениями моторики верхних конечностей: анализ современного состояния исследований (обзор литературы) // Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского. Биология. Химия. 2019. № 1. С. 163—178.Chuyan E. N., Birukova E. A., Babanov N. D. Upper limbs disorders patients motor rehabilitation: of the modern studies analysis (review), V. I. Vernandsky Crimean Federal University, Biologic, Chemistry, 2019, vol. 1, pp. 163—178 (in Russian).Stinear C. M., Lang C. E., Zeiler S., Byblow W. D. Advances and challenges in stroke rehabilitation // The Lancet Neurology. 2020. N. 19 (4). P. 348—360.Stinear C. M., Lang C. E., Zeiler S., Byblow W. D. Advances and challenges in stroke rehabilitation, The Lancet Neurology, 2020, no. 19(4), pp. 348—360.Пилипенко Е. Б., Баранова В. В. Современные нейрореабилитационные стратегии коррекции двигательных нарушений после перенесенного инсульта // Дневник науки. 2019. № 12 (36). С. 6.Pilipenko E. B., Baranova V. V. Modern neuro-rehabilitation strategies for correction of motor violations after a moved stroke, Dnevnik Nauki, 2019, vol. 12, no. 36, pp. 6 (in Russian).Карасева И. А., Добровольская Л. Е., Кузьмин М. А., Бобков В. В. Физическая реабилитация пациентов с острым нарушением мозгового кровообращения // Физическая культура: воспитание, образование, тренировка. 2020. № 2. С. 51—53.Karaseva I. A., Dobrovolskaya L. E., Kuzmin M. A., Bobkov V. V. Physical rehabilitation of patients diagnosed with acute cerebral circulatory disorders, Physicheskaya Kultura: Vospitanie, Obrazovanie, Trenirovka, 2020, vol. 2, pp. 51—53 (in Russian).Khat’kova S. E., Nikolaev E. A., Pogorel’tseva O. A., Pavlova O. G., Roschin V. U., Kotlyarov V. V. Motor rehabilitation of the spastic paresis and proprioceptive disorders of the upper limb after focal CNS lesion (case report), Russian Medical Inquiry. 2021. Vol. 5, N. 10. P. 674—682 (in Russian).Khat’kova S. E., Nikolaev E. A., Pogorel’tseva O. A., Pavlova O. G., Roschin V. U., Kotlyarov V. V. Motor rehabilitation of the spastic paresis and proprioceptive disorders of the upper limb after focal CNS lesion (case report), Russian Medical Inquiry, 2021, vol. 5, no. 10, pp. 674—682 (in Russian).Алисейчик А. П., Орлов И. А., Колесниченко Е. Ю., Павловский В. Е., Павловский В. В., Платонов А. К. Реабилитационный экзоскелет БиоМех: модели, управление, конструкция, эксперименты // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17, № 10. С. 670—677.Aliseychik A. P., Orlov I. A., Kolesnichenko E. Yu., Pavlovsky V. E., Pavlovsky V. V., Platonov A. K. BioMech Rehabilitation Exoskeleton: Models, Control, Design, Experiments. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2016, vol. 17, no. 10, pp. 670—677 (in Russian).Лавровский Э. К., Письменная Е. В. О походках оператора в пассивном экзоскелете нижних конечностей при использовании режима закрепленного колена // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21, № 1. С. 34—42.Lavrovsky E. K., Pismennaya E. V. About the operator’s gaits in the passive exoskeleton of the lower extremities when using the fixed knee mode, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol. 21, no. 1, pp. 34—42 (in Russian).Gassert R., Dietz V. Rehabilitation robots for the treatment of sensorimotor deficits: a neurophysiological perspective // Neuroeng Rehabil. 2018. Vol. 15, N. 1. P. 46.Gassert R., Dietz V. Rehabilitation robots for the treatment of sensorimotor deficits: a neurophysiological perspective, Neuroeng Rehabil, 2018, vol. 15, no. 1, pp. 46.Baniqued P. D. E., Stanyer E. C., Awais M., Alazmani A., Jackson A. E., Mon-Williams M. A., Mushtag F., Holt R. J. Brain-computer interface robotics for hand rehabilitation after stroke: a systematic review // Neuroeng Rehabil. 2021. Vol. 18, N. 15.Baniqued P. D. E., Stanyer E. C., Awais M., Alazmani A., Jackson A. E., Mon-Williams M. A., Mushtag F., Holt R. J. Brain-computer interface robotics for hand rehabilitation after stroke: a systematic review, Neuroeng Rehabil, 2021, vol. 18, no. 15.Борзенко Е. И., Жданов Д. С., Макаров Р. Е., Утукин В. М. Разработка троссовой системы кистевого экзоскелета для восстановления утраченной функции конечности // Сборник трудов XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 2023. С. 287—289.Borzenko E. I., Zhdanov D. S., Makarov R. E., Utukin V. M. Development of a cable exoskeleton system for restoring lost limb function, Sbornik trudov XX mezhdunarodnoy nauchno-practicheskoy konfferenciy studentov, aspirantov i molodyh uchenyh, 2023, pp. 287—289 (In Russian).Мальцева М. Н., Шмонин А. А., Мельникова Е. В., Иванова Г. Е. Эрготерапия. Роль восстановления активности и участия в реабилитации пациентов // Consilium Medicum. 2017. № 19 (2.1). С. 90—93.Maltseva M. N., Shmonin A. A., Melnikova E. V., Ivanova G. E. Ergotherapy. The role of restoring activity and participation in the rehabilitation of patients, Consilium Medicum, 2017, vol. 19, no. 2.1, pp. 90—93 (in Russian).Саттарова Д. Б., Усманходжаева А. А., Высогорцева О. Н., Аллаева М. Д., Мавлянова З. Ф. Эрготерапия как составная часть реабилитации пациентов после инсульта // Academy. 2020. № 4 (55).Sattarova D. B., Usmankhodgaeva A. A., Vysogortseva O. N., Allaeva M. D., Mavlyanova Z. Ph. Ergotherapy as part of rehabilitation after stroke, Academy, 2020, vol. 4, no. 55, pp. 87—92 (in Russian).Fugl-Meyer A. R. Post-stroke hemiplegia assessment of physical properties // Scand J Rehabil Med Suppl. 1980. Vol. 7. P. 85—93.Fugl-Meyer A. R. Post-stroke hemiplegia assessment of physical properties, Scand J Rehabil Med Suppl., 1980, vol. 7, pp. 85—93.Волков Н. И., Миловзоров В. П. Электромашинные устройства автоматики. М.: Высшая школа. 1986. C. 335.Volkov N. I., Milovzorov V. P. Electromashinnie ustroistva avtomatiki, Moscow, High School, 1986, pp. 335 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.