Projekti / Programi
Mehanizmi vzdrževanja dinamičnega ravnotežja med hojo človeka
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.07 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
Biomedicinska tehnika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B115 |
Biomedicinske vede |
Biomehanika, kibernetika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.06 |
Tehniške in tehnološke vede |
Zdravstveni inženiring |
dinamično vzdrževanje ravnotežja, bipedalna hoja, motilni sunki, mišične sinergije, rehabilitacija hoje
Raziskovalci (8)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
50489 |
dr. David Kraljić |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2017 |
0 |
| 2. |
14038 |
dr. Zlatko Matjačić |
Sistemi in kibernetika |
Vodja |
2017 - 2020 |
0 |
| 3. |
07134 |
dr. Marko Munih |
Sistemi in kibernetika |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
0 |
| 4. |
24473 |
dr. Andrej Olenšek |
Sistemi in kibernetika |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
0 |
| 5. |
51579 |
Jožica Piškur |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Raziskovalec |
2018 |
0 |
| 6. |
25411 |
dr. Janez Podobnik |
Sistemi in kibernetika |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
0 |
| 7. |
32077 |
dr. Matjaž Zadravec |
Sistemi in kibernetika |
Raziskovalec |
2017 - 2020 |
0 |
| 8. |
51393 |
Aleš Zore |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Raziskovalec |
2018 - 2020 |
0 |
Organizacije (2)
Povzetek
Vzdrževanje dinamičnega ravnotežja med hojo je prisotno pri gibanju človeka, vendar je obstoječe znanje o organizaciji ravnotežnih odzivov pomanjkljivo. Posledica tega je ne optimalno vodenje rehabilitacijskih robotov, druga posledica pa je ne optimalno izvajanje rehabilitacije hoje. Cilj projekta je sistematično raziskati ravnotežne odzive na perturbacije (motilni sunki sile), ki bodo delovale na medenico v sagitalni in frontalni ravnini med hojo pri zdravih ljudeh in pri izbranih posameznikih, ki so preživeli možgansko kap.
Raziskavo bomo pričeli z opazovanjem hoje zdravih posameznikov, ki bodo uporabljali napravo BAR-TM. To je robotska naprava s šestimi prostostnimi stopnjami, ki je nameščena na merilnem tekočem traku. Tri stopnje prostosti (degrees of freedom – DOF), ki predstavljajo translacijo medenice v vertikalni smeri in rotacijo okoli sagitalne in lateralne osi, so pasivne, ostale tri DOF (translaciji medenice v sagitalni in lateralni smeri ter rotacija okoli vertikalne osi) pa aktivne in admitančno vodene. BAR-TM omogoča uporabo dobro definiranih in ponovljivih motilnih sunkov na medenico med hojo na tekočem traku. Raziskovali bomo hipotezo, ki pravi da se dinamično vzdrževanje ravnotežja med hojo izvaja z uporabo več dobro definiranih mehanizmov (1. Premik prijemališča reakcijske sile podlage CoP-a; 2. odziv s korakom – premik noge v zamahu na novo pozicijo/orientacijov opori; 3. rotacijsko gibanje segmentov telesa, ki vplivajo pretežno na horizontalne komponente GRF-ja), ki so odvisni od hitrosti in intenzivnosti hoje, pa tudi od smeri in trenutka pričetka perturbacije. Analiza bo temeljila na meritvah CoP-a, CoM-a (gibanje težišča telesa), GRF-ja (reakcijske sile podlage) in EMG-ja izbranih mišic po prejetih perturbacijskih sunkih na medenico.
Pri isti skupini zdravih oseb bomo raziskali ravnotežne odzive med krožno hojo po tleh. Osebe bodo med hojo po tleh, z uporabo naprave BAR-OG, deležne perturbacijskih sunkov v področju medenice. BAR-OG je robotska naprava z enakimi prostostnimi stopnjami kot BAR-TM, le da je namenjena hoji po tleh. V tem sklopu raziskave ne bo možno meriti GRF in CoP-a, zato bomo razvili novo metodo, kjer bomo z uporabo inercijskih senzorjev in kinematičnega modeliranja računali GRF in CoP. Primernost nove metode bomo preverili z meritvami hoje naravnost na merilnem tekočem traku, nato pa bomo to metodo uporabili tudi pri krožni hoji po tleh.
V nadaljevanju bomo ocenjevali dinamične ravnotežne odzive pri osebah po možganski kapi. Te osebe bodo hodile v smeri naravnost in po krožni poti z ustrezno izbrano, njimi primerno, hitrostjo hoje in intenziteto perturbacij. Te odzive bomo nato primerjali z normativi odzivov (zdrava populacija) in s tem preučevali določene vidike dinamičnega ravnotežja pri hemiparetični hoji. S primerjanjem odzivov posameznika po kapi z normativom ravnotežnih odzivov skupine zdravih oseb, bomo lahko razbrali bistvene razlike med normalno in patološko organizacijo posturalnih odzivov ter identificirali pomembne pomanjkljivosti pri posamezniku po kapi.
Raziskali bomo možnosti uporabe novo dobljenega znanja pri načrtovanju, izvajanju in preizkušanju novih pristopov za vadbo ravnotežja in koordinacije oseb po kapi, ki bodo prilagojene vsakemu posamezniku posebej. Poudarek bo na vadbi z usmerjenimi perturbacijami, cilj pa bo izboljšanje simetrije hoje in povečanje zmožnosti odriva oslabljene noge. Za oceno učinkovitosti predlagane vadbe, bo izvedena poskusna tritedenska vadba, ki bo prilagojena posameznikom po kapi in bo upoštevala njihove specifične pomanjkljivosti pri hoji.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskovanje naprednih zmogljivosti robotov je prednostna naloga na področju robotike, ki je tudi vključena v program Evropske unije Horizon 2020. Na področju rehabilitacijske medicine pa so raziskave usmerjene predvsem v razvoj robotsko-podprte rehabilitacije. V predlog projekta pa sta vključeni obe omenjeni raziskovalni področji. Iz opisa obstoječega stanja tehnike sledi, da je naše poznavanje organiziranosti ravnotežnih odzivov med človeško hojo še zelo omejeno. Zato so obstoječi postopki zdravljenja, kot tudi vodenja rehabilitacijskih robotov ne optimalni. Z izvedbo predlaganega projekta bomo znatno prispevali k povečanju znanja o biomehanskih in nevrofizioloških procesih, ki so sestavni del mehanizmov za vzdrževanje dinamičnega ravnotežja pri človeški hoji. Izvedba projekta bo omogočila tudi vpogled v naravo ravnotežnih odzivov pri ljudeh po kapi. Z rezultati projekta bomo znatno prispevali k boljši uporabi rehabilitacijske robotike pri nevrološki rehabilitaciji.
Vadba na tekočem traku je postala sestavni del rehabilitacije hoje, predvsem pri osebah z nevrološkimi okvarami (največkrat možganska kap). Z obstoječimi robotskimi napravami pa ne moremo vaditi vzdrževanja ravnotežja med hojo, saj je zgornji del telesa vpet (omejeno gibanje). Z uporabo obstoječih robotskih sistemov tudi ne moremo izboljšati kognitivnih vidikov hoje, ki obsegajo načrtovanje gibanja, kot tudi koordinacijo ostalih dejavnosti: spreminjanje smeri in hitrosti hoje, obračanje na mestu ter pričetek/končevanje hoje. Vsi našteti dejavniki so potrebni, da oseba lahko izvaja samostojno hojo.
Opravljene raziskave, opisane v tem predlogu projekta, bodo izboljšale naše razumevanje vzdrževanja ravnotežja pri normalni in patološki hoji. Med izvajanjem projekta bomo raziskovali doslej še neodkrite mehanizme vzdrževanja in nadziranja ravnotežja pri hoji v realnih razmerah. Te raziskave bodo lahko imele velik vpliv na področju napredne rehabilitacijske robotike, saj se uporaba rehabilitacijskih naprav pospešeno seli iz laboratorijev v klinično in domače okolje. Rezultati projekta bodo predstavljeni na znanstvenih konferencah in bo predloženi v objavo v uglednih znanstvenih revijah. S tem prispevali k prepoznavnost in promociji slovenskega znanja in raziskovalne odličnosti.
Pomen za razvoj Slovenije
Tretji najpogostejši vzrok smrti v zahodni civilizaciji predstavlja možganska kap. V Evropski uniji (EU), Švici, Islandiji in Norveški pa možganska kap letno prizadene približno 1,1 milijona ljudi. Trenutno v omenjenih državah živi 6 milijonov oseb, ki so preživele možgansko kap. Trenutno evropske države za posameznega pacienta, v obdobju do dveh let po kapi, porabijo od 5.000 do 40.000 €. Ta znesek krije direktne in indirektne stroške posameznika. Ocenjena vrednost letne oskrbe oseb po kapi v Evropi znaša 21.895.000.000 €.
Pogosto osebe po kapi niso sposobne samostojnega življenja in niso zmožne opravljati vsakodnevnih opravil. Stroški, povezani z oskrbo omenjenih oseb, so visoki in pričakovati je, da se bodo v prihodnosti še zviševali. Osebe, ki trpijo za posledicami kapi, se čutijo tudi socialno izključene. Omenjena dejstva kažejo na to, da obstaja potencialen trg za uporabniško-orientirane rešitve pri rehabilitaciji oseb po možganski kapi. Predvidevamo, da bo imel predlagani projekt pozitivne učinke pri omejevanju in zmanjševanju prej omenjenih stroškov. Rezultati projekta bodo predstavljali osnovo za razvoj finančno vzdržnih rešitev in razvoj novih terapevtskih postopkov, ki bi lahko vplivali na boljši izid rehabilitacije v smislu funkcionalne mobilnosti pri osebah po kapi. Hoja teh oseb je otežena, počasna in nesimetrična, zato so pri izvajanju vsakodnevnih aktivnosti omejeni in potrebujejo pomoč skrbnikov. Novi pristopi, opisani v predlaganem projektu, so usmerjeni v raziskovanje ravnotežnih odzivov in razvoju novega načina vadbe hoje, ki bo prirejen specifičnim potrebam vsakega posameznika. Tak način vadbe ima velik potencial za povečanje učinkovitosti robotsko podprte vadbe.
Temeljni rezultati raziskav predlaganega projekta bodo občutno razširili naše znanje o organizaciji vzdrževanja dinamičnega ravnotežja med hojo. To znanje bo uporabno pri načrtovanju novih terapevtskih pristopov v procesih rehabilitacije nevroloških bolnikov, kot tudi pri razvoju učinkovitih načinov vzdrževanja ravnotežja humanoidnih robotov in eksoskeletov. Zaradi staranja prebivalstva je trg rehabilitacijskih naprav eden najhitreje rastočih znotraj zdravstvene industrije. Tržne koristi od raziskav, izvedenih znotraj predlaganega projekta, bodo možne preko trženja vloženih mednarodnih patentnih prijav za tehnologijo BAR-TM in BAR-OG. Patenti bodo osnova za trženje znanja, ustvarjenega tekom projekta, tudi preko uglednih proizvajalcev rehabilitacijske robotike. Vzpostavili smo stike z uglednim proizvajalcem rehabilitacijske robotike medica Medizintechnik GmbH iz Nemčije in njenim hčerinskim podjetjem iz Slovenije Thera trainer d. o. o., ki sta že pokazala zanimanje za trženje obeh naprav.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
