Compacte tafelrobot revolutioneert fysioterapielevering

Interview met Professor Habib Rahman over de iTbot

Tech Briefs: Hoe begon je met dit idee?

Professor Habib Rahman: Het begon met een project met ons Connected System Institute, waar we aan een motor werkten om de digitale tweeling te maken om te zien of we de motoren op afstand konden besturen. Ik werk al lang aan revalidatierobotica. Mijn onderzoek zit in revalidatie en assistieve robotica. Een groep werkt met mensen die een beroerte hebben doorgemaakt, en een andere groep werkt met rolstoelgebruikers. Tijdens COVID was het een strijd om mensen te helpen rehabiliteren. Ik had aan revalidatierobotica gewerkt — therapie geven met een robot. Dus dachten we na over hoe we ons werk met digitale technologie en ons werk met op afstand bediende robots konden uitbreiden. Dus gebruikten we dit idee om te zien of we telehealth met een robot konden doen.

Er waren veel uitdagingen op dat moment: soepel en veilig opereren van de robots en de data correct transmitteren. Dit is niet als een reguliere industriële robot. We moeten de robot in realtime zien, de patiënten zien, en feedback krijgen. Dus begonnen we onze eigen te bouwen.

Spanning regelen met sensoren

Tech Briefs: In deze robotarm moet u de spanning variëren. Hoe doet u dat?

Rahman: Het controle-algoritme kan menselijke bewegingsintentie detecteren. We gebruiken twee typen sensoren: een is een electromyogram (EMG), de ander is een krachtsensor. We gebruiken EMG niet vaak — alleen om te verifiëren dat het systeem werkt.

Tech Briefs: Kun je me vertellen wat een EMG doet?

Rahman: Een EMG signaal komt van de spier. Dus als je probeert te bewegen, kunnen we weten hoe het werkt. We krijgen een basiselektrisch signaal en dan een signaal wanneer de spier samentrekt.

Tech Briefs: Geeft het EMG signaal een tamelijk nauwkeurige maat van de spier?

Rahman: Ja, als de persoon een fatsoenlijke armbeweging heeft. Maar voor beroertepatiënten is het moeilijk om een goed signaal te krijgen. Echter, als we deze signalen voor een gezond onderwerp versterken, is het adresbaar. Met een krachtsensor, als je probeert te bewegen betekent dat je de spieren activeert en we krijgen het signaal, wat een maat is voor de kwaliteit van de fysiologie. Soms als ik mijn arm niet beweeg, bijvoorbeeld, zelfs als ik gewoon een halter vasthoud, wordt er nog een spier gebruikt dus we krijgen EMG signalen. Elke beweging zal een spiersignaal hebben.

Tech Briefs: Vereist een myogram niet naalden in de arm te steken?

Rahman: Er zijn twee versies van myogrammen; naalden gebruiken is er een. Maar we gebruiken een oppervlakte EMG. Het meet het potentieelverschil tussen twee elektroden die op de huid gehouden worden met lijm. Het controle-algoritme is zo dat als een persoon goede handbeweging heeft, het krachtsensorsignaal zal domineren.

Krachtsensor en therapievormen

Tech Briefs: Waar zit de krachtsensor?

Rahman: Het zit op de polshandgreep, dus de krachtsensoren detecteren altijd je bewegingen. Gebaseerd op de patiënt's handicap, kan de controller die matig de assistentieniveau kan aanpassen of het zwaarder maken voor het onderwerp te bewegen. Als je het zwaarder maakt, betekent dat dat je weerstand geeft en spieren bouwt. Er zijn veel therapieën, bijvoorbeeld geassisteerde therapie en weerstandstherapie. Gebaseerd op de patiënt's behoeften, kunnen we de controller programmeren om assistentie of weerstand te geven.

Als je naar een fysiotherapeut gaat, kunnen ze je vragen om te duwen terwijl ze weerstand geven. Op dezelfde manier zal de robot weerstand bieden — als je probeert te duwen, maakt het het een beetje moeilijker. We programmeren een doel en laten de persoon het doel bereiken, maar ze moeten echt hard duwen zodat hun spier werkt. Soms wanneer we hen een doel geven, als de persoon het niet kan halen, zal de robot hen helpen er te komen — dit heet actief-geassisteerde therapie.

Wanneer iemand lijdt aan een beroerte, is de verbinding van neurale netwerken een beetje gebroken — de persoon vergeet hoe kleine taken, fijnmotorische vaardigheden te doen, dus ze hebben veel hulp nodig. Dit vereist veel herhalingen, wat de robot hen kan geven — het apparaat beweegt zachtjes de deelnemer's lidmaat zonder hun eigen inspanning — dit heet passieve therapie. Het rekken spieren zonder pijn en versterkt correcte bewegingspatronen. Eenmaal het onderwerp begint echte beweging te krijgen, geven we hen functionele taken zodat ze leren coördineren.

Technische implementatie

Tech Briefs: Technisch, hoe pas je de spanning aan?

Rahman: We hebben een motordriver die de motorstroom aanpast gebaseerd op het krachtsensorsignaal of EMG signaal om de motoractuaties te veranderen.

Thuisgebruik vs. therapiepraktijk

Tech Briefs: Ik las dat er twee manieren zijn om de robot te gebruiken — op afstand of in persoon, zeg in een therapiepraktijk.

Rahman: Het was altijd in persoon, maar we verkennen nu telehealth. We hebben verschillende versies van de robot. Een is echt klein en kan naar een persoon's huis. Een andere versie kan naar een revalidatiecentrum, waar mensen fysiotherapie kunnen ontvangen om de therapiedoelen te stellen. De therapeut kan dan de data op afstand krijgen, en wanneer nodig, het therapeutische protocol aanpassen, en zelfs de robot op afstand besturen.

Veiligheid en AI-toezicht

Tech Briefs: Moet dit niet begeleid worden door een therapeut om te beslissen hoeveel genoeg is en hoeveel te veel? Je kunt iemand schaden als je niet voorzichtig bent.

Rahman: Ja, we werken met beroerteslachtoffers, data verzamelen. Echter, zodra onze AI volledig ontwikkeld is, zal minder begeleiding nodig zijn, maar therapeuten zullen altijd in de lus moeten blijven. We zullen met veel beroerteslachtoffers werken om de AI volledig te ontwikkelen tot het punt waar we minder toezicht nodig hebben. Echter, we zullen nog steeds therapeuten nodig hebben om de robots te programmeren en te superviseren. We schrijven altijd proefpersonen in om aan de controller te werken.

Pijnmeting en digitale tweeling

Tech Briefs: Het lijkt me dat het erg varieert per individu die behandeld wordt. Dus ik ben niet zeker hoe, zelfs met geavanceerde AI, je kunt zeggen voor dit individu is zoveel kracht nodig.

Rahman: Wanneer je de robot aansluit, is er een wet die je een pre-beweging kan geven en je pijnperiode detecteert. Eenmaal er spieractivatie is, zal de pijn toenemen, en de krachtsensorresultaten zullen toenemen. Dit is hoe we in onze experimentele fase werken.

Tech Briefs: Wordt dit ook gemeten door de EMG?

Rahman: Ja, zowel de EMG als de krachtsensor, maar aangezien we het systeem ontwikkelen, dubbelchecken we met de therapeut om te beslissen of deze pijn OK is. Dan voeren we dat in de controller in.

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

Digitale tweeling en cloud

Tech Briefs: Creëer je een digitale tweeling?

Rahman: Ja, de therapeut heeft niet de echte robot, ze hebben een replica ervan. Je kunt de robot op afstand besturen en de data lezen die gegenereerd wordt. Je kunt zien hoeveel de gewrichtshoek is bewogen, hoeveel kracht de robot onderworpen is geweest.

De digitale tweeling heeft twee doeleinden. Een is om de robot op afstand te besturen. Twee, wanneer de robot bewogen is, stuurt het feedback uit zodat we kunnen zien hoe ver het bewogen is. Eenmaal het onderwerp geprobeerd heeft te bewegen, kunnen we de grootte en richting van de krachten zien, de EMG lezingen, enz. Het is bidirectionele communicatie.

Tech Briefs: Dus je hebt zenders alsook sensoren nodig?

Rahman: Ja, we gebruiken Microsoft Azure Cloud diensten. We sturen de signalen naar de Microsoft Azure cloud en dan naar het patiënt's huis. Als ze zonder de therapeut werken, zal de data in de cloud opgeslagen worden zodat de therapeut het op elk moment kan benaderen.

Gamificatie

Tech Briefs: Ik las dat jullie spellen gebruiken.

Rahman: Onderzoek toont aan dat robottherapie ons verbeterde prestaties zou geven door spellen te gebruiken. Er is wetenschappelijke achtergrond op dit, genaamd motor learning principles. Gebaseerd daarop geven we het onderwerp een taak-specifieke begeleide therapie regimen. We geven ze de juiste uitdaging en verzamelen expliciete en impliciete feedback over hoe ver ze vorderen.

Dus een spel is nuttig daarvoor. We geven de patiënt een taak, zeg om van één punt naar een ander te gaan. Eenmaal ze daar zijn, maken we het een beetje verder om hun beweegbereik te vergroten, om het een beetje uitdagender te maken. Ze kennen de parcours en ze weten precies hoe lang het duurt. Met spellen is het alsof de therapeut er is. We gebruiken functionele taken in de spellen — wassen, een tafel schoonmaken, een lepel van de ene plek naar de andere halen. De spellen zijn ontwikkeld op basis van de motor learning principles, dus aangezien we impliciete en expliciete feedback gebruiken, kunnen ze hun verbetering monitoren. Spellen zijn ook boeiend. Het kan een beetje saai zijn herhalende taken te doen, maar een spel spelen betrekt echt een persoon. Je score verbeteren kan motiverend zijn. Onderzoek dat onze groep doet toont aan dat het gebruik van spellen betere resultaten produceert.

Voordelen ten opzichte van traditionele therapie

Tech Briefs: Wat is het voordeel van deze robot in plaats van gewoon een fysiotherapeut te gebruiken?

Rahman: Ze complementeren elkaar. We hebben een constante tekort aan therapeuten, en hun aantallen nemen af. Ze kunnen de robot aan de patiënt geven, en het kan onvermoeid 24/7 werken. Het stelt één therapeut in staat om veel patiënten per dag te zien. In plaats van met de patiënt te zitten terwijl ze 10 herhalingen doen, kan een robot dat precies doen.

Het is een tool, zoals wanneer mijn dokter me een bloeddrukmeter geeft die ze van thuis kunnen monitoren, dus de dokter hoeft niet elke dag te komen om mijn bloeddruk te checken. Op een vergelijkbare manier zal dit de therapeut en de patiënt helpen. Verzekering dekt maar een beperkt aantal fysiotherapiebezoeken per jaar. Echter, de robot zal de patiënt in staat stellen om de begeleiding van de therapeut voor onbeperkte tijd te volgen.

Commercialisering en verzekering

Tech Briefs: Kijkend naar de toekomst, wie zou voor de machine betalen? Wordt het gedekt door verzekering?

Rahman: Ik ben er zeker van dat verzekering het zal dekken want tegenwoordig dekt verzekering continu passive motion (CPM) machine huurovereenkomsten, als ze medisch gerechtvaardigd zijn. Maar ze geven je alleen herhalingen, niets anders. De robot maakt het slim. Dus, aangezien CPM machines gedekt zijn, anticiperen we dat de robot ook gedekt zal worden, aangezien het net als een CPM is maar met geavanceerde functionaliteit. Een patiënt hoeft de robot niet te kopen; het zou gewoon een huur zijn.

Tech Briefs: Waar sta je in termen van commercialiseren?

Rahman: We draaien nu experimenten met echte beroerteslachtoffers. Ik richtte vorig jaar een startup op en we werken nu met een paar andere mensen die ons helpen het apparaat te commercialiseren. Er zijn een paar dingen die nog gedaan moeten worden. We kunnen het nu verkopen als gewoon een robot voor onderzoeksdoeleinden, maar als we het in een klinische thuisinstelling willen gebruiken, hebben we FDA goedkeuring nodig, wat een tot twee jaar kan duren.