Compacte tafelrobot zorgt voor een revolutie in de levering van fysiotherapie

Ed Brown

Technische instructies: Hoe ben je met dit idee begonnen?

Professor Habib Rahman: Het begon vanuit een project met ons Connected System Institute, waar we aan een motor werkten om zijn digitale tweeling te maken, om te kijken of we de motoren op afstand konden besturen. Ik werk al heel lang aan revalidatierobotica. Mijn onderzoek richt zich op revalidatie en ondersteunende robotica. De ene groep werkt met mensen die een beroerte hebben overleefd, en een andere groep werkt met rolstoelgebonden gebruikers. Tijdens de COVID-tijd was het een strijd om mensen te helpen revalideren. Ik had gewerkt aan revalidatierobotica:therapie geven met een robot. Dus toen dachten we erover na hoe we ons werk met digitale technologie en ons werk met op afstand bediende robots konden uitwerken. We hebben dit idee dus gebruikt om te kijken of we telezorg met een robot konden doen.

Er waren toen veel uitdagingen:een vlotte en veilige werking van de robots en het goed overbrengen van de data. Dit is niet zoals een gewone industriële robot. We moeten de robot in realtime zien, de patiënten zien en feedback krijgen. Dus zijn we begonnen met het bouwen van onze eigen.

Technische instructies: In deze robotarm moet je dus de spanning variëren. Hoe doe je dat?

Rahman: Het besturingsalgoritme kan de menselijke intentie van bewegingen detecteren. We gebruiken twee soorten sensoren:de ene is een elektromyogram (EMG), de andere is een krachtsensor. We gebruiken EMG niet vaak, alleen maar om te controleren of het systeem werkt.

Habib Rahman, hoogleraar en voorzitter werktuigbouwkunde, heeft gewerkt aan het testen van de iTbot, een draagbare, ondersteunende robotarm waarmee patiënten met een beroerte fysiotherapie kunnen krijgen zonder hun huis te verlaten. Het armgebaseerde platform dat Rahman ontwikkelt heeft voordelen voor zowel patiënten als therapeuten. (Foto door Troye Fox)

Technische instructies: Kunt u mij vertellen wat een EMG doet?

Rahman:Een EMG-signaal komt van de spier. Dus als je probeert te bewegen, kunnen we weten hoe het werkte. We krijgen een elektrisch basissignaal en dan krijgen we er een wanneer de spier wordt samengetrokken.

Technische instructies: Geeft het EMG-signaal een vrij nauwkeurige meting van de spier?

Rahman: Ja, als de persoon een behoorlijke armbeweging heeft. Maar voor patiënten met een beroerte is het moeilijk om een ​​goed signaal te krijgen. Als we deze signalen echter versterken voor een gezond onderwerp, is het adresseerbaar. Als je met een krachtsensor probeert te bewegen, betekent dit dat je de spieren activeert en dat we het signaal kunnen ontvangen, wat een maatstaf is voor de kwaliteit van de fysiologie. Soms, als ik bijvoorbeeld mijn arm niet beweeg, zelfs als ik alleen maar een halter vasthoud, gebruikt deze nog steeds een spier, zodat we EMG-signalen krijgen. Elke beweging heeft een spiersignaal.

Technische instructies: Vereist een myogram niet het inbrengen van naalden in de arm?

Rahman: Er zijn twee versies van myogrammen; het gebruik van naalden is één. Maar we gebruiken een oppervlakte-EMG. Het meet het potentiaalverschil tussen twee elektroden die met lijm op de huid worden gehouden. Het besturingsalgoritme is zodanig dat als een persoon goede handbewegingen heeft, het signaal van de krachtsensor zal domineren.

Het concept van de slimme robotarm ontwikkeld aan het UWM’s College of Engineering &Applied Science is hier zichtbaar. De gebruiker grijpt de arm vast en beweegt deze om de lijnen van de vorm op het scherm links te volgen. Sensoren op zijn bovenarm en schouder leveren de spieractiveringsgegevens die in de digitale tweeling worden ingevoerd, zodat de therapeut over alle fysieke informatie beschikt die nodig is om de behandeling uit te voeren. (Video met dank aan het laboratorium van professor Habib Rahman.)

Technische instructies: Waar is de krachtsensor?

Rahman: Hij zit om de polshandgreep, zodat de krachtsensoren altijd jouw bewegingen detecteren. Op basis van de beperking van het onderwerp, de controller die het ondersteuningsniveau gematigd kan aanpassen of het moeilijk kan maken voor het onderwerp om te bewegen. Als je het zwaar maakt, betekent dat dat je weerstand geeft en spieren opbouwt. Er zijn veel therapieën, bijvoorbeeld geassisteerde therapie en weerstandstherapie. Op basis van de behoeften van de patiënt kunnen we de controller programmeren om hulp of weerstand te geven.

Als u naar een fysiotherapeut gaat, kan deze u vragen om te duwen terwijl zij weerstand bieden. Op dezelfde manier zal de robot weerstand bieden; als je hem probeert te duwen, zal hij het een beetje moeilijk maken. We programmeren een doel en laten de persoon het doel bereiken, maar hij zal echt hard moeten pushen zodat zijn spieren werken. Als we ze een doel geven en de persoon het niet kan halen, zal de robot hem soms helpen daar te komen – dit wordt actief-ondersteunde therapie genoemd.

Wanneer iemand een beroerte krijgt, is de verbinding van neurale netwerken min of meer verbroken:de persoon vergeet hoe hij kleine taken moet uitvoeren en zijn fijne motoriek, dus hij heeft veel hulp nodig. Dit vereist veel herhalingen, die de robot ze kan geven – het apparaat beweegt het ledemaat van de deelnemer zachtjes zonder eigen inspanning – dit wordt passieve therapie genoemd. Het rekt de spieren zonder pijn en versterkt de juiste bewegingspatronen. Zodra de proefpersoon echte beweging begint te krijgen, geven we hem een aantal functionele taken, zodat hij kan leren coördineren.

Technische instructies: Hoe pas je technisch gezien de spanning aan?

Rahman: We hebben een motordriver die de motorstroom aanpast op basis van het krachtsensorsignaal of het EMG-signaal om de motorbedieningen te veranderen.

Een afgestudeerde student gebruikt de robotarm voor therapiebehandeling (rechts), terwijl de gegevens die de arm in realtime verzamelt, verschijnen op de digitale tweeling op het scherm van de therapeut (links). Hoewel ze op de foto samen in de kamer te zien zijn, werkt dezelfde opstelling als de patiënt en de arm zich op één locatie bevinden en de therapeut en een computer zich op een andere locatie bevinden. (Video met dank aan het laboratorium van professor Habib Rahman.)

Technische instructies: Ik heb gelezen dat er twee manieren zijn om de robot te gebruiken:op afstand of persoonlijk, bijvoorbeeld in de praktijk van een therapeut.

Rahman: Het was altijd persoonlijk, maar we onderzoeken nu telezorg. We hebben verschillende versies van de robot. Eén is heel klein en kan naar iemands huis gaan. Een andere versie zou naar een revalidatiecentrum kunnen gaan, waar mensen fysiotherapie kunnen krijgen om de therapiedoelen te bepalen. De therapeut kan de gegevens vervolgens op afstand verkrijgen en, indien nodig, het therapeutische protocol aanpassen en zelfs de robot op afstand besturen.

Technische instructies: Zou dit niet door een therapeut moeten worden begeleid om te beslissen hoeveel genoeg is en hoeveel te veel? Ik bedoel, je zou iemand kwaad kunnen doen als je niet oppast.

Rahman: Ja, we werken met slachtoffers van een beroerte en verzamelen gegevens. Zodra onze AI echter volledig ontwikkeld is, zal er minder begeleiding nodig zijn, maar zullen therapeuten altijd op de hoogte moeten blijven. We zullen met veel slachtoffers van een beroerte samenwerken om de AI volledig te ontwikkelen tot het punt waarop we minder toezicht nodig zullen hebben. We zullen echter nog steeds therapeuten nodig hebben om de robots te programmeren en te begeleiden. We schrijven altijd onderwerpen in om aan de controller te werken.

Technische instructies: Het lijkt mij dat het erg verschilt per persoon die wordt behandeld. Ik weet dus niet zeker hoe je zonder een therapeut, zelfs met de geavanceerde AI, zou kunnen zeggen dat er voor dit individu zoveel kracht nodig is.

Rahman: Wanneer u de robot bedraadt, is er een wet die u een voorbeweging kan geven en uw pijnperiode zal detecteren. Zodra er sprake is van spieractivatie, zal de pijn toenemen en zullen de resultaten van de krachtsensor toenemen. Zo werken we in onze experimentele fase.

Technische instructies: Wordt dit ook gemeten door het EMG?

Rahman: Ja, zowel de EMG als de krachtsensor, maar sinds we het systeem aan het ontwikkelen zijn, controleren we samen met de therapeut of deze pijn oké is. Dan voeren wij dat in de controller in.

In de toekomst zullen er duizenden patiënten zijn, die allemaal verschillend zijn. We gebruiken drie dingen om het pijnvrije bewegingsbereik te meten. De EMG-sensor toont ons het activiteitsniveau, de krachtsensor toont ons het weerstandsniveau en we gebruiken een camera die pijn uit gezichtsuitdrukkingen kan detecteren. Dit is niet noodzakelijkerwijs 100 procent correct, omdat we ons nog in de ontwikkelingsfase bevinden, maar ons langetermijndoel is om een systeem te maken dat minimaal toezicht nodig heeft.

Technische instructies: Creëert u een digitale tweeling?

Rahman: Ja, de therapeut heeft niet de echte robot, ze hebben er een replica van. Je kunt de robot op afstand bewegen en de data uitlezen die gegenereerd wordt. Je kunt zien hoeveel de gewrichtshoek is verplaatst, hoeveel kracht de robot heeft uitgeoefend.

De digitale tweeling heeft twee doelen. Eén daarvan is om de robot op afstand te besturen. Ten tweede stuurt de robot feedback wanneer hij zich heeft verplaatst, zodat we kunnen zien hoe ver hij is bewogen. Zodra het onderwerp heeft geprobeerd te bewegen, kunnen we de omvang en richting van de krachten, de EMG-metingen, enzovoort zien. Het is bidirectionele communicatie.

Technische instructies: Dus je hebt zowel zenders als sensoren nodig?

Rahman: Ja, wij maken gebruik van Microsoft Azure Cloud-diensten. Wij sturen de signalen naar de Microsoft Azure cloud en vervolgens naar de woning van de patiënt. Als ze zonder de therapeut werken, worden de gegevens in de cloud opgeslagen, zodat de therapeut er op elk gewenst moment toegang toe heeft.

Technische briefing: Ik heb gelezen dat je games gebruikt.

Rahman: Onderzoek toont aan dat robottherapie ons betere prestaties zou opleveren door het gebruik van games. Hier bestaat een wetenschappelijke achtergrond over, de zogenaamde motorische leerprincipes. Op basis daarvan geven we de patiënt een taakspecifiek begeleid therapieregime. We geven ze de juiste uitdaging en verzamelen expliciete en impliciete feedback over hoe ver ze vooruitgaan.

Een spel is daar dus handig voor. We geven de patiënt een taak, bijvoorbeeld om van het ene punt naar het andere te gaan. Zodra ze daar zijn, maken we het iets verder om hun bewegingsbereik te vergroten, om het een beetje uitdagend voor ze te maken. Ze kennen het parcours en weten precies hoe lang het duurt. Bij games is het alsof de therapeut aanwezig is. We gebruiken functionele taken in de spellen:wassen, een tafel schoonmaken, een lepel van de ene plek pakken en deze op een andere plek leggen. De games zijn ontwikkeld op basis van de motorische leerprincipes, dus omdat we impliciete en expliciete feedback gebruiken, kunnen ze de verbetering ervan volgen. Games zijn ook boeiend. Het kan een beetje saai aanvoelen om repetitieve taken uit te voeren, maar het spelen van een game boeit iemand echt. Het verbeteren van uw score kan motiverend zijn. Uit onderzoek van onze groep blijkt dat het gebruik van games betere resultaten oplevert.

Technische instructies: Wat is het voordeel van het gebruik van deze robot in plaats van alleen een fysiotherapeut?

Rahman: Ze vullen elkaar aan. We hebben een voortdurend tekort aan therapeuten, en hun aantal neemt af. Zij kunnen de robot aan de patiënt geven en deze kan 24/7 onvermoeibaar doorwerken. Hierdoor kan één therapeut meerdere patiënten per dag zien. In plaats van bij de patiënt te moeten zitten terwijl deze 10 herhalingen doet, kan een robot dat precies doen.

Het is een hulpmiddel, zoals wanneer mijn arts mij een bloeddrukapparaat geeft dat ze vanuit huis kunnen controleren, zodat de arts niet elke dag mijn bloeddruk hoeft te komen controleren. Op soortgelijke wijze zal dit zowel de therapeut als de patiënt helpen. De verzekering dekt slechts een beperkt aantal fysiotherapiebezoeken gedurende het jaar. De robot stelt de patiënt echter in staat om voor onbepaalde tijd de begeleiding van de therapeut te volgen.

Technische briefing: Wie zou in de toekomst de machine betalen? Wordt dit gedekt door de verzekering?

Rahman: Ik ben er zeker van dat de verzekering dit zal dekken, omdat tegenwoordig de verzekering de huurovereenkomsten voor machines met continue passieve beweging (CPM) dekt, als deze medisch gerechtvaardigd zijn. Maar ze geven je alleen maar herhalingen, verder niets. De robot maakt het slim. Dus aangezien CPM-machines onder de dekking vallen, verwachten we dat ook de robot onder de dekking zal vallen, aangezien deze net als een CPM is, maar dan met geavanceerde functionaliteit. Een patiënt hoeft de robot niet aan te schaffen; het zou gewoon een huurwoning zijn.

Technische briefing: Waar staan jullie als het gaat om het commercialiseren hiervan?

Rahman: We voeren nu experimenten uit met echte slachtoffers van een beroerte. Ik heb vorig jaar een startup opgericht en we werken nu samen met een paar andere mensen die ons helpen het apparaat op de markt te brengen. Er zijn nog een aantal zaken die gedaan moeten worden. We zouden hem nu alleen als robot kunnen verkopen voor onderzoeksdoeleinden, maar als we hem in een klinische thuisomgeving willen gebruiken, hebben we goedkeuring van de FDA nodig, wat een tot twee jaar kan duren.

Transcriptie

Er is geen transcript beschikbaar voor deze video.