Articolo metodologico

Un arto robotico soprannumerario indossabile flessibile per pazienti con ictus cronico

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DOI:

10.3791/65917

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27 ottobre 2023

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1Key Laboratory for Image Processing and Intelligent Control of Education Ministry of China, School of Artificial Intelligence and Automation, Huazhong University of Science and Technology, 2School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, 3Wuhan Union Hospital, Huazhong University of Science and Technology Tongji Medical College First Clinical College Union Hospital

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo introduce un arto robotico soprannumerario flessibile e indossabile su misura per assistere nella riabilitazione delle dita per i pazienti colpiti da ictus. Il design incorpora un sensore di piegatura per facilitare l'interazione uomo-robot senza soluzione di continuità. La validazione attraverso esperimenti che coinvolgono sia volontari sani che pazienti colpiti da ictus sottolinea l'efficacia e l'affidabilità dello studio proposto.

Abstract

In questo studio, presentiamo un arto robotico soprannumerario indossabile flessibile che aiuta i pazienti con ictus cronico con la riabilitazione delle dita e i movimenti di prensione. Il design di questo flettente innovativo trae ispirazione dalla flessione dei muscoli pneumatici e dalle caratteristiche uniche della punta della proboscide di un elefante. Pone una forte enfasi su fattori cruciali come la costruzione leggera, la sicurezza, la conformità, l'impermeabilità e il raggiungimento di un elevato rapporto potenza/peso/pressione. La struttura proposta consente all'arto robotico di eseguire sia la presa dell'inviluppo che la punta delle dita. L'interazione uomo-robot è facilitata da un sensore di piegatura flessibile, che rileva i movimenti delle dita di chi lo indossa e li collega al controllo del movimento tramite un metodo di segmentazione della soglia. Inoltre, il sistema è portatile per un uso quotidiano versatile. Per convalidare l'efficacia di questa innovazione, sono stati condotti esperimenti nel mondo reale che hanno coinvolto sei pazienti con ictus cronico e tre volontari sani. Il feedback ricevuto attraverso i questionari indica che il meccanismo progettato è estremamente promettente nell'assistere i pazienti con ictus cronico nelle loro attività quotidiane di prensione, migliorando potenzialmente la loro qualità di vita e i risultati della riabilitazione.

Introduzione

Secondo una precedente ricerca1, a partire dal 2019, ci sono stati più di 100 milioni di casi di ictus in tutto il mondo. Circa due terzi di questi casi hanno provocato sequele emiplegiche e oltre l'80% dei pazienti con ictus emiplegico grave non è riuscito a recuperare completamente la funzione della mano e del braccio2. Inoltre, si prevede che l'invecchiamento della popolazione continuerà a crescere nei prossimi decenni, portando a un aumento significativo del numero di potenziali vittime di ictus. Le persistenti menomazioni degli arti superiori a seguito di un ictus possono influenzare in modo significativo le attività della vita quotidiana (ADL) e la riabilitazione della mano è stata clinicamente riconosciuta come un obiettivo critico per migliorare l'attività e la partecipazione dei pazienti con ictus cronico3.

I tradizionali dispositivi robotici motorizzati per l'arto superiore possono fornire una forza motrice notevole, ma le loro strutture rigide spesso si traducono in grandi dimensioni e pesi elevati. Inoltre, comportano il rischio di causare danni irreversibili al corpo umano in caso di malfunzionamento. Al contrario, gli attuatori pneumatici morbidi hanno dimostrato un notevole potenziale nella riabilitazione4, nell'assistenza5 e nelle applicazioni chirurgiche6. I loro vantaggi includono la sicurezza, la costruzione leggera e la conformità intrinseca.

Negli ultimi anni sono emersi numerosi robot indossabili flessibili, progettati e sviluppati attorno ad attuatori pneumatici morbidi. Questi robot sono stati destinati alla riabilitazione e all'assistenza post-riabilitativa degli arti superiori dei pazienti colpiti da ictus. Comprendono principalmente gli esoscheletri delle mani 7,8 e gli arti soprannumerari 9,10. Sebbene entrambi siano utilizzati nei campi della robotica indossabile e della riabilitazione, il primo interagisce direttamente con il corpo umano, limitando potenzialmente i muscoli o le articolazioni, mentre il secondo integra lo spazio di lavoro o il movimento umano senza vincoli diretti11,12. Sono state sviluppate dita robotiche soprannumerarie indossabili basate su servomotori per assistere i terapisti occupazionali nella formazione delle attività della vita quotidiana (ADL)9. Un approccio simile può essere trovato in altre ricerche10. Queste due categorie di dita robotiche hanno introdotto nuove possibilità per l'applicazione di tali robot nell'assistenza riabilitativa dei pazienti emiparetici. Tuttavia, vale la pena notare che la struttura rigida impiegata in questi progetti robotici può introdurre potenziali considerazioni sul comfort e sulla sicurezza dell'utente. Sono stati presentati la progettazione, la fabbricazione e la valutazione di un guanto robotico morbido indossabile13, che può essere utilizzato per la riabilitazione della mano e l'allenamento specifico per compiti durante la risonanza magnetica funzionale (fMRI). Il guanto utilizza attuatori pneumatici morbidi in elastomeri siliconici per generare il movimento dell'articolazione delle dita e il dispositivo è compatibile con la risonanza magnetica senza causare artefatti nelle immagini fMRI. Yun et al. hanno presentato l'Exo-Glove PM, un guanto di assistenza pneumatico morbido personalizzabile che utilizza un approccio basato sull'assemblaggio14. Questo design innovativo è caratterizzato da piccoli moduli e distanze regolabili tra loro, consentendo agli utenti di personalizzare il guanto in base alla lunghezza della falange utilizzando i distanziatori. Questo approccio massimizza il comfort e le prestazioni senza la necessità di una produzione personalizzata. I ricercatori hanno presentato attuatori morbidi composti da materiali elastomerici con canali integrati che funzionano come reti pneumatiche15. Questi attuatori generano movimenti di flessione che si adattano in modo sicuro ai movimenti delle dita umane. Inoltre, i ricercatori hanno introdotto l'AirExGlove, un esoscheletro morbido gonfiabile leggero e adattabile16. Questo sistema è conveniente, personalizzabile per le diverse dimensioni della mano e ha accolto con successo pazienti con diversi livelli di spasticità muscolare. Offre una soluzione più ergonomica e flessibile rispetto ai sistemi robotici a collegamento rigido. Sebbene questi studi abbiano contribuito in modo significativo allo sviluppo di robot flessibili per la riabilitazione della mano e di assistenza alla mano, vale la pena notare che nessuno di essi ha raggiunto la completa portabilità e il controllo dell'interazione uomo-robot.

Numerosi studi hanno esplorato la correlazione tra i segnali biologici, come i segnali dell'elettroencefalogramma (EEG)17 o dell'elettromiogramma (EMG)18, e l'intenzione umana. Tuttavia, entrambi gli approcci presentano alcune limitazioni all'interno dei vincoli dei dispositivi e delle condizioni tecnologiche esistenti. Gli elettrodi invasivi richiedono procedure chirurgiche sul corpo umano, mentre gli elettrodi non invasivi soffrono di problemi come alti livelli di rumore e inaffidabilità nell'acquisizione del segnale. Discussioni dettagliate di queste limitazioni possono essere trovate nella letteratura19,20. Pertanto, il perseguimento della ricerca sulla portabilità e sulle capacità di interazione uomo-macchina di facile utilizzo degli arti robotici soprannumerari indossabili flessibili rimane altamente rilevante.

In questo studio, è stato progettato e fabbricato un arto robotico soprannumerario indossabile flessibile unico nel suo genere per assistere i pazienti con ictus cronico nella riabilitazione delle dita e nell'assistenza alla presa. Questo arto robotico è caratterizzato da leggerezza, sicurezza, conformità, impermeabilità e dall'impressionante rapporto peso/pressione. Sono state ottenute due modalità di presa, la presa a busta e la presa con la punta delle dita, mantenendo la portabilità e garantendo un'interazione uomo-robot di facile utilizzo. Il protocollo descrive in dettaglio il processo di progettazione e fabbricazione della pinza pneumatica e lo schema indossabile. Inoltre, è stato proposto un metodo di interazione uomo-robot basato su sensori di piegatura flessibili, che consente un controllo comodo e intuitivo attraverso la segmentazione delle soglie. Tutti questi aspetti sono stati validati attraverso esperimenti pratici.

I principali contributi di questo studio sono riassunti come segue: (1) È stato progettato e fabbricato un arto robotico soprannumerario flessibile leggero, amichevole e indossabile per pazienti con ictus cronico. (2) È stato realizzato un metodo affidabile di interazione uomo-robot basato su sensori di piegatura flessibili. (3) Sono stati condotti esperimenti nel mondo reale per verificare l'efficacia e l'affidabilità del meccanismo e del metodo proposti, che includono test della forza di uscita e coinvolgono sei pazienti con ictus cronico.

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Protocollo

Questo protocollo è stato approvato dall'Ethics Review Board dell'Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Sono stati selezionati come partecipanti pazienti con disturbi funzionali dell'arto superiore che soddisfacevano i criteri diagnostici e stavano ricevendo un trattamento presso il reparto di riabilitazione dell'ospedale dell'autore, le unità ambulatoriali e di degenza. Il recupero della funzione motoria dei pazienti è stato valutato secondo gli stadi di recupero di Brunnstrom21 e i pazienti negli stadi 3-5 sono stati scelti per partecipare agli esperimenti. Il consenso informato scritto è stato ottenuto dai pazienti che hanno partecipato allo studio. La procedura include la progettazione dello stampo per la pinza pneumatica, il processo di fabbricazione della pinza pneumatica basata su gomma siliconica polimerizzata, l'integrazione di dispositivi portatili e l'implementazione di software e hardware per il rilevamento dell'intenzione di presa. Fatta eccezione per la gomma siliconica e i tessuti comuni, tutti i componenti indossabili sono prodotti utilizzando la tecnologia di stampa 3D (vedere File di codifica supplementari 1-5).

1. Progettazione e fabbricazione della pinza pneumatica

  1. Assemblare lo stampo pre-progettato22 come mostrato nella Figura 1A,B. Quindi utilizzare la colla a caldo per fissare le fibre di vetro nelle posizioni designate nello stampo, come illustrato nella Figura 1C. Assicurati di utilizzare colla a caldo per sigillare eventuali aree potenziali che potrebbero causare perdite di silicone.
  2. Pesare una quantità appropriata di Componente A e Componente B dell'elastomero siliconico (9:1 in peso) (vedere la Tabella dei materiali) e mescolarli nel rapporto specificato. Dopo la miscelazione, utilizzare una macchina di miscelazione e degasaggio sottovuoto con una forza centrifuga variabile, determinata dal programma interno preimpostato della macchina. Una volta che la miscela è pronta, iniettarla prontamente nello stampo assemblato, come illustrato in Figura 1D.
    NOTA: La forza centrifuga variabile è controllata dalla macchina di miscelazione e degasaggio sottovuoto attraverso il suo programma interno preimpostato (vedi Tabella dei materiali). La forza centrifuga deve essere aumentata in modo incrementale per garantire un'accurata miscelazione della gomma siliconica e la rimozione di eventuali bolle d'aria intrappolate.
  3. Lasciare riposare lo stampo per circa 30 secondi, quindi metterlo in un essiccatore sottovuoto per circa 1 minuto per consentire la fuoriuscita di eventuali piccole bolle d'aria nella gomma siliconica. Togliere lo stampo dall'essiccatore e porlo tutto intero in una camera termostatica impostata a 30 °C per 12 h, lasciando indurire la gomma siliconica.
  4. Ripetere i passaggi descritti nel secondo passaggio iniettando la gomma siliconica mista nello stampo mostrato nella Figura 1E. Quindi, posizionare il corpo in gomma sformata mostrato nella Figura 1F nello stampo riempito di gomma siliconica. Mettere l'intero gruppo in una camera termostatica impostata a 30 °C per 12 h per consentire alla gomma siliconica di polimerizzare.
  5. Rimuovere il corpo in gomma siliconica polimerizzata dallo stampo e tagliare la gomma siliconica in eccesso. La fabbricazione della pinza flessibile è ora completa.
    NOTA: La cavità è costituita da due serie di griglie pneumatiche, indipendenti l'una dall'altra. A causa della significativa differenza di modulo elastico tra le fibre di vetro e la struttura ondulata, la pinza pneumatica si piega verso l'interno quando viene gonfiata, consentendo azioni di presa della busta. La punta delle dita è progettata con una sporgenza che ricorda la proboscide di un elefante, consentendo azioni di presa con la punta delle dita.

2. Assemblaggio dell'arto robotico soprannumerario flessibile indossabile

NOTA: L'arto robotico soprannumerario indossabile include una mini pompa ad aria, valvole dell'aria, un microcomputer a chip singolo, una pinza pneumatica, un alimentatore, sensori di flessione flessibili, un guanto indossabile e accessori per connessioni pneumatiche ed elettriche (vedere la Tabella dei materiali), come mostrato nella Figura 2.

  1. Realizza meticolosamente a mano il guanto indossabile con l'aiuto di un sarto. Assicurati che subisca più iterazioni e miglioramenti in base al feedback di chi lo indossa e all'esperienza del sarto.
  2. Fissare la pinza pneumatica con parti stampate in 3D e fissarla nella posizione appropriata sul guanto utilizzando del nastro adesivo.
  3. Incorporare tre sensori di flessione flessibili (vedere la tabella dei materiali) come mostrato nella Figura 3 nel guanto. Posizionali rispettivamente sull'indice, sul medio e sull'anulare, allineandoli con la parte posteriore delle dita. Utilizzare una scheda di acquisizione dati per registrare i segnali provenienti dai sensori.
  4. Amplificare i segnali del sensore e indirizzarli a un Arduino (vedi Tabella dei materiali). Elabora questi segnali utilizzando una finestra scorrevole e il filtraggio dei minimi quadrati all'interno di Arduino23. Utilizzare questi valori stimati come dati di base per il rilevamento delle finalità.
  5. Metti componenti come la pompa dell'aria, le valvole dell'aria, la scheda di controllo e l'alimentatore in uno zaino per la portabilità. Fare riferimento alla Figura 4 per una rappresentazione visiva dell'effetto di usura.

3. Rilevare l'intenzione di afferrare

NOTA: Quando le dita di chi lo indossa generano movimento, il segnale di feedback del sensore cambia di conseguenza. Funziona aumentando la resistenza nel circuito man mano che il componente si piega di più. La Figura 5 mostra i valori del segnale registrati dal sensore di flessione flessibile durante il movimento delle dita di un volontario. Le tre curve corrispondono ai segnali ottenuti dai sensori posti sulle tre dita. I pazienti con emiparesi hanno spesso una mobilità limitata delle dita, ma il sensore è in grado di rilevare cambiamenti significativi.

  1. Raccogli dati sulla portata e sul modello di modifiche del sensore durante i movimenti delle dita. Selezionare i valori di soglia appropriati in base all'ampiezza del sensore rilevata per controllare l'attivazione della pompa. Chiedi ai partecipanti di muovere liberamente le dita all'interno del loro raggio di capacità. Determinare i valori di soglia come medie dei valori di picco e valle del feedback del sensore.
    NOTA: Quando il segnale del sensore supera il valore di soglia impostato, la pompa inizia a funzionare. La pressione dell'aria aumenta man mano che le dita si piegano ulteriormente. Al contrario, quando l'angolo di piegatura delle dita diminuisce e il sensore rileva un segnale al di sotto della soglia, la valvola dell'aria rilascia la pressione a zero e la pinza pneumatica si rilascia.
  2. Chiedere all'utente di osservare lo stato della pinza pneumatica e determinare il momento appropriato per smettere di gonfiare l'aria e cessare di piegare ulteriormente le dita.
  3. Ripetere i test di cui sopra per stabilire una soglia ragionevole e per familiarizzare con l'uso di questo dispositivo.

4. Testare il dispositivo con volontari sani

  1. Arruolare tre volontari sani con normali capacità motorie degli arti superiori per lo studio per confermare gli effetti di usura e presa del prototipo.
  2. Impostare la pressione massima dell'aria per la pinza pneumatica su 100 kPa. Chiedi ai partecipanti di flettere ed estendere le dita. Chiedi ai partecipanti di indossare il prototipo e di condurre esperimenti di presa e rilascio su oggetti di varie forme utilizzando il metodo menzionato in precedenza.
  3. Chiedi a chi lo indossa di avere un feedback sulla loro esperienza e regola lo schema di utilizzo in base ai loro suggerimenti.
    NOTA: Come illustrato nella Figura 6, i partecipanti hanno avvolto e afferrato con successo oggetti cilindrici di diverse dimensioni utilizzando il prototipo. Inoltre, hanno anche completato compiti di presa con la punta delle dita su oggetti rettangolari a forma di blocco.

5. Riabilitazione e assistenza alla presa per i pazienti

  1. Valutare il recupero della funzione motoria dei pazienti secondo le fasi di recupero di Brunnstrom21 da parte di professionisti medici. Consentire solo ai pazienti nelle fasi 3-5 di partecipare agli esperimenti per la formazione riabilitativa o l'assistenza quotidiana.
  2. Arruolare sei pazienti emiparetici cronici per convalidare l'affidabilità e l'efficacia del prototipo. Istruire i pazienti a indossare autonomamente il guanto (escluso lo zaino) e a muovere le dita all'interno del loro raggio di capacità per calibrare i valori di soglia.
  3. Durante la fase di riabilitazione, incoraggia i pazienti a impegnarsi in vari compiti di presa per esercitare i muscoli delle dita. Chiedi ai pazienti di sedersi sul bordo di un tavolo e di utilizzare il prototipo per eseguire una serie di attività di presa, tra cui afferrare una bottiglia d'acqua, una banana, un cubo e uno spazzolino da denti.
  4. Chiedere ai pazienti di compilare i questionari dell'indagine pertinenti (File supplementare 1) in base alle loro esperienze personali dopo l'esperimento. Valutare i seguenti sei sentimenti soggettivi: fiducia nella funzione del sistema; facilità d'uso; praticità e comodità di indossarlo; efficacia e utilità per la riabilitazione; efficacia e utilità nella vita quotidiana; aree che necessitano ancora di miglioramenti.
  5. Valuta le loro risposte su una scala da 1 a 5, dove 1 rappresenta fortemente in disaccordo e 5 rappresenta fortemente d'accordo. Registra i dati e analizza i problemi con il prototipo e le potenziali aree di miglioramento in base al questionario.
    NOTA: Questo non solo aggiunge interesse alla formazione riabilitativa, ma migliora anche la volontà del paziente di partecipare al processo di recupero. Nei casi in cui i pazienti hanno raggiunto una condizione stabile ma hanno ancora difficoltà a eseguire compiti di presa con le dita, l'uso dell'arto robotico può aiutare a svolgere alcune azioni di presa quotidiane necessarie per la vita quotidiana.

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Risultati

Esperimenti sulla forza di uscita
La Figura 7 illustra in modo vivido il design strutturale e le dimensioni del nostro attuatore, fornendo un'illustrazione in sezione trasversale. Questo attuatore comprende due serie distinte di camere, ciascuna contenente cinque camere d'aria elegantemente curve. Sorprendentemente, all'estremità dell'attuatore, abbiamo ingegnosamente integrato una struttura sporgente, che ricorda la punta della proboscide di un elefante, espandendo signi...

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Discussione

Questo studio presenta un arto robotico soprannumerario innovativo, flessibile e indossabile, progettato per assistere i pazienti con ictus cronico nella riabilitazione delle dita e nelle attività di presa. Questo sistema robotico dà priorità alla portabilità e offre funzionalità di presa sia per la busta che per la presa con la punta delle dita. Incorpora un sensore di piegatura flessibile per un controllo intuitivo dell'interazione uomo-macchina. Gli esperimenti di presa statica convalidano le capacità di presa del mec...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China nell'ambito della Grant U1913207 e dal Program for HUST Academic Frontier Youth Team. Gli autori ringraziano queste fondazioni per il sostegno.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Compressore d'ariaXinweichengF35L-JJ-24VFornire alimentazione d'aria per la pinza pneumatica
ArduinoEmakefunMega 2560Microcomputer a chip singolo/scheda di acquisizione dati
ZainoMujinIntegrazione di dispositivi esterni
Flex SensorSpectra SymbolFlex Sensor 2.2Sensori di flessione flessibili
AlimentazioneYisennengYSN-37019200Fornire alimentazione
PU connettore a spina rapidaElecallPU-6Connettore per PU tubo
tubo PUBaishehuiZDmJKJJyCollegamento della linea dell'aria
Elastomero siliconicoWackerELASTOSIL M4601 A/BMateriale della pinza pneumatica
Camera termostaticaRuyi101-00ATemperatura costante per accelerare l'indurimento del silicone
Essiccatore sottovuotoFujiwaraPC-3Ulteriore antischiuma
Miscelazione sottovuoto e macchina di degasaggioSmidaTMV-200TMescolare accuratamente il silicone e farlo sbrinare
ValvolaSMCNTV1030-312CLControllare la pressione dell'aria

Riferimenti

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