Когда человек поднимает руку или делает шаг, мышцы развивают вполне определённое усилие. Именно оно определяет, сколько помощи должен дать экзоскелет или роботизированный протез. До сих пор точно измерить силу сокращения мышцы удавалось только с помощью инвазивных методов, поэтому большинство носимых устройств ориентируется лишь на косвенные признаки движения. Австралийские исследователи предложили способ напрямую оценивать мышечное усилие без проколов кожи и хирургического вмешательства. Новая технология использует сверхширокополосный радар, закреплённый прямо на поверхности тела.
Современные экзоскелеты обычно принимают решение о помощи по внешним данным. Система отслеживает угол в суставе, ускорение конечности, давление на стопу или электрическую активность мышц, зарегистрированную электромиографией. Все эти параметры лишь косвенно связаны с тем, какое усилие мышца развивает в конкретный момент.
Электромиография хорошо показывает, что нервная система послала мышце команду, но не позволяет непосредственно определить силу сокращения. Два одинаковых электрических сигнала могут привести к разному результату, если мышца устала, повреждена или работает в другом положении. Именно поэтому экзоскелет иногда помогает слишком рано, слишком поздно или с неподходящей силой.
Новая система измеряет не электрическую активность мышцы, а изменения, происходящие внутри тканей во время сокращения. На кожу устанавливают компактные сверхширокополосные антенны, которые излучают короткие электромагнитные импульсы. Волны проходят через мышцы, частично отражаются и возвращаются обратно.
Во время сокращения меняются форма мышцы, расположение мышечных волокон и распределение жидкости внутри тканей. Все эти изменения влияют на прохождение радиосигнала. Приёмная антенна регистрирует даже небольшие отличия между отправленным и отражённым импульсами, после чего алгоритм рассчитывает, какое усилие развивает мышца.
Главное отличие метода заключается в том, что исследователи отслеживают механическую работу мышцы практически непосредственно. Система не пытается вывести силу из опосредованных данных, а использует физические изменения тканей, возникающие во время сокращения.
Испытания показали, что новый подход позволяет оценивать мышечное усилие значительно точнее, чем ожидали сами разработчики. Авторы работы считают, что подобные измерения впервые дают возможность неинвазивно наблюдать силу сокращения мышцы с такой детализацией.
Технология особенно интересна для носимых роботизированных устройств. Экзоскелет сможет получать информацию не только о том, что человек начал двигаться, но и о том, насколько сильно в этот момент работают мышцы. Благодаря этому система сможет точнее выбирать момент включения помощи и её величину.
Такой подход пригодится и при управлении современными протезами. Если датчик в реальном времени определяет усилие оставшихся мышц, искусственная конечность сможет реагировать естественнее и плавнее, без лишних задержек и резких движений.
Ещё одно направление связано с реабилитацией. Пациентам после тяжёлых травм позвоночника, инсульта и некоторых нейродегенеративных заболеваний часто проводят электростимуляцию мышц. Электрические импульсы заставляют мышечные волокна сокращаться, однако слишком интенсивная или слишком продолжительная стимуляция ускоряет утомление и может привести к повреждению тканей.
До появления нового метода у врачей практически не было инструмента, который позволял бы непосредственно отслеживать нагрузку на мышцу во время такой терапии. Новый датчик способен показать, насколько эффективно работает мышца и не приближается ли она к опасной перегрузке.
Похожая задача возникает и в спортивной медицине. После травмы спортсмен обычно возвращается к тренировкам постепенно, однако точно определить готовность мышцы бывает сложно. Возможность измерять реальное усилие поможет объективнее оценивать восстановление и снизить риск повторной травмы.
Исследователи также рассчитывают, что технология окажется полезной при подготовке к операциям и во время послеоперационного восстановления. Врачи смогут лучше понимать, как меняется работа мышц после лечения, а пациенты получат более точные рекомендации по допустимой нагрузке.
Следующий этап проекта связан с обработкой данных без задержек. Сейчас авторы работают над тем, чтобы датчики рассчитывали мышечное усилие в реальном времени. Тогда информация сможет сразу поступать в экзоскелет, протез или другое носимое устройство, которое будет непрерывно подстраивать уровень поддержки под состояние конкретной мышцы, а не реагировать только на уже начавшееся движение.