13-летняя Арина Филимонова из Нижнего Новгорода разработала костюм для реабилитации, который способен поддерживать мышцы в тонусе и передавать врачу данные о состоянии организма. Миокостюм — так называется разработка, поскольку включает датчики для миостимуляции, которые воздействуют на тело с помощью электрических токов, — она представила на всероссийском конкурсе «Шустрик», и победила в нем. Задумка школьницы может быть реализована уже сейчас и поможет людям с переломом позвоночника проходить реабилитацию на дому.
Строить роботов с детства
Арина Филимонова занимается робототехникой с девяти лет, а биологией — с одиннадцати. Сейчас она перешла в восьмой класс и дорабатывает свое изобретение, миокостюм для реабилитации при переломах позвоночника. Как говорит девочка, изначально увлечений у нее было много. Но получилось так, что она занялась разработкой научных проектов, и это ее увлекло. Началось участие в конкурсах и победы в них.
Второй год подряд Арина выигрывает в «Шустрике» по профилю «нейротехнологии». Название конкурса расшифровывается как «Школьник, умеющий строить инновационные конструкции», это всероссийский конкурс научно-технического творчества. Год назад девочка представила устройство от заикания на выступлениях (она сама заикается, и для нее это актуальная разработка), а прошлой осенью взялась за проект миокостюма.
«Так случилось, что еще в четвертом классе мой хороший друг получил компрессионный перелом позвоночника, — рассказала Арина. Когда ее друг получил травму, то почти год провел в постели и проходил несколько курсов реабилитации. — Мне стало очень интересно, и я задумалась над этим проектом».
Реабилитация после травм позвоночника — это длительный процесс. Он занимает от нескольких месяцев при незначительных травмах до 2-4 лет при серьезных травмах в области шейной зоны. При этом не всегда возможно полное восстановление. Курс лечения подбирается с учетом локализации и степени перелома, повреждений спинного мозга.
«[В самых тяжелых случаях] все будет зависеть от конкретных возможностей человека: речь идет о частичной жизнедеятельности и самообслуживании с помощью инвалидной коляски, аппарата искусственной вентиляции легких, специальных систем», — комментирует врач по лечебной физкультуре и специалист по физической терапии и эрготерапии Наталья Лещенко. Она добавляет, что успешность реабилитации зависит как от работы медицинских и социальных служб, так и от наличия технических средств, доступности среды, вклада родственников и друзей, личностных особенностей больного.
Реабилитация начинается еще в реанимации, после продолжается в стационаре, санатории или амбулаторно. Арина общалась со знакомыми врачами и спрашивала у них, можно ли ускорить или упростить процесс восстановления. На тот момент не существовало устройств, которые могли бы улучшить его.
Сначала Арина изучала материал и проводила исследования. На следующем этапе создавала и тестировала рабочий прототип — подопытным в исследованиях стал ее младший брат. Изначально у девочки не было цели сделать именно костюм: несколько датчиков приматывались к телу несколькими слоями скотча. После ей пришла идея прикрепить их к единой основе.
Сейчас в здравоохранении только прорабатывается вопрос внедрения телемедицины и дистанционного консультирования. Разработка Филимоновой призвана упростить именно восстановление на дому, чтобы проводить диагностику самостоятельно и дистанционно передавать данные лечащему врачу.
Костюм для реабилитации
Костюм состоит из легкой компрессионной ткани, которая не сковывает движения и используется при пошиве спортивной одежды. Внутри находится мембрана, которая защищает от бактерий и не пропускает жидкость. Два других слоя ткани обеспечивают костюму нужную жесткость. Датчики располагаются с внутренней стороны и также защищены от влаги.
Устройство выполняет три функции: диагностика состояния организма, стимуляция мышц и введение лекарств. Встроенные датчики способны определять температуру, давление, содержание кислорода в крови. Поскольку устройство показывает положение тела в пространстве, врачи или родственники смогут сразу узнать, если человек упадет.
«С моими средствами мне пришлось покупать необходимые датчики на AliExpress. Некоторые материалы у меня уже были: плата Arduino Mega, некоторые провода. В будущем я хочу доработать макет, купить более точные датчики. Те, которые есть, конечно, работают, но не очень хорошо», — отметила Арина. Полностью закончить устройство она планирует до конца 2021 года.
Первоначально диагностика дает понимание того, какая травма произошла и к каким нарушениям это привело. Эти данные также используются при составлении реабилитационного прогноза пациента, отмечает Лещенко. Функциональная диагностика помогает отслеживать и эффективность самого реабилитационного лечения.
«Пациент не может находиться в стационарах бесконечно долго. Всегда наступает момент, когда он выписывается домой и продолжает реабилитацию в домашних условиях. Было бы хорошо иметь возможность осуществлять диагностику дистанционно. Это может облегчить семьям и родственникам уход за пациентами с тяжелыми нарушениями, так как на какое-то время те остаются дома в одиночестве», — сообщает эксперт.
Реабилитация включает как медикаментозную терапию, так и лечебную физкультуру, массаж, физиотерапию и другие процедуры. Поэтому костюм, придуманный Ариной, способен поддерживать мышечный корсет и тонус мышц. Эту задачу выполняют миостимуляция и вибростимуляция.
Непрерывное использование костюма в течение трех дней привело к тому, что мышцы испытуемого уплотнились, улучшилась эластичность волокон. Если бы эксперимент длился 30-45 дней, результаты были бы более точными, говорит Арина. Но и достигнутый эффект очень хороший.
Еще одна область применения костюма — изучение способностей и предрасположенностей спортсменов. Устройство тестировалось на гребцах, когда те занимались на тренажерах. Уровень кислорода в крови, данные ЭМГ и ЭКГ иллюстрировали способности спортсменов, и благодаря этой информации тренер мог определить, кому лучше даются короткие и длинные дистанции, какие упражнения подходят конкретному спортсмену.
Арина черпает идеи и из произведений любимых авторов научной фантастики. Например, в серии книг Ника Горькавого «Астровитянка» ее привлекает компьютер, способный помогать людям. Главная героиня серии потеряла родителей в катастрофе и сломала позвоночник. Компьютер заменил ей спинной мозг. Арина называет эту идею довольно фантастической, но свои разработки, способные помочь людям с травмами спины, думает продолжать и дальше.
«Люди, у которых я спрашивала, говорили, что это полезный проект и его довольно просто реализовать. После того как я его доделаю, я собираюсь, если будет возможность, как-нибудь пустить его в массовую реализацию», — делится планами школьница. Она не собирается запускать стартап или краудфандинговую кампанию, ей интересны разработки. Но если ее идеями заинтересуется какая-нибудь компания, Арина будет только рада.
«Этот костюм содержит набор сенсоров, которые по отдельности в той или иной мере уже используются в медицинских целях, — пояснил ТД Сергей Сахно, технический директор BiTronics Lab и ОЛИИ МФТИ, курировавшей направление «нейротехнологии», в котором победила Арина. — Идея объединить эти сенсоры для комплексного сбора данных с пациента кажется вполне логичной. Достаточно перспективной с точки зрения повышения эффективности реабилитации (например, по критерию ее длительности) может стать задача комплексного анализа всех получаемых от сенсоров данных. Не исключено, что, изучая такую совокупность, исследователи смогут выявить новые признаки, которые невозможно получить, анализируя сигнал от каждого из сенсоров по отдельности. В любом случае, разработка подобного костюма требует тщательной научной и инженерной проработки, проведения клинических испытаний под контролем квалифицированных реабилитологов».
Сахно добавил, что компания готова оказать школьнице посильную научную и инженерную поддержку.