Un membre robotique surnuméraire portable flexible pour les patients victimes d’un AVC chronique

Summary

Ce protocole introduit un membre robotique surnuméraire portable flexible conçu pour aider à la rééducation des doigts chez les patients victimes d’un AVC. La conception intègre un capteur de flexion pour faciliter l’interaction homme-robot. La validation par le biais d’expériences impliquant à la fois des volontaires sains et des patients victimes d’un AVC souligne l’efficacité et la fiabilité de l’étude proposée.

Abstract

Dans cette étude, nous présentons un membre robotique surnuméraire portable flexible qui aide les patients victimes d’un AVC chronique à rééduquer leurs doigts et à effectuer des mouvements de préhension. Le design de ce membre innovant s’inspire de la flexion des muscles pneumatiques et des caractéristiques uniques de l’extrémité de la trompe d’un éléphant. Il met fortement l’accent sur des facteurs cruciaux tels que la construction légère, la sécurité, la conformité, l’étanchéité et l’obtention d’un rapport rendement/poids/pression élevé. La structure proposée permet au membre robotique d’effectuer à la fois la préhension de l’enveloppe et celle du bout des doigts. L’interaction homme-robot est facilitée par un capteur de flexion flexible, qui détecte les mouvements des doigts de l’utilisateur et les connecte au contrôle du mouvement via une méthode de segmentation de seuil. De plus, le système est portable pour une utilisation quotidienne polyvalente. Pour valider l’efficacité de cette innovation, des expériences réelles impliquant six patients victimes d’un AVC chronique et trois volontaires sains ont été menées. Les commentaires reçus par le biais de questionnaires indiquent que le mécanisme conçu est extrêmement prometteur pour aider les patients victimes d’un AVC chronique dans leurs activités quotidiennes de préhension, ce qui pourrait améliorer leur qualité de vie et les résultats de leur réadaptation.

Introduction

Selon des recherches antérieures¹, en 2019, il y avait plus de 100 millions de cas d’AVC dans le monde. Environ les deux tiers de ces cas ont entraîné des séquelles hémiplégiques, et plus de 80 % des patients ayant subi un AVC hémiplégique sévère n’ont pas pu récupérer complètement la fonction de la main et du bras². De plus, on s’attend à ce que la population vieillissante continue de croître au cours des prochaines décennies, ce qui entraînera une augmentation significative du nombre de victimes potentielles d’AVC. Les déficiences persistantes des membres supérieurs à la suite d’un AVC peuvent affecter considérablement les activités de la vie quotidienne (AVQ), et la rééducation de la main a été cliniquement reconnue comme un objectif essentiel pour améliorer l’activité et la participation des patients victimes d’un AVC chronique³.

Les dispositifs traditionnels de membres supérieurs robotisés à moteur peuvent fournir une force motrice substantielle, mais leurs structures rigides se traduisent souvent par de grandes tailles et des poids élevés. De plus, ils présentent le risque de causer des dommages irréversibles au corps humain s’ils devaient mal fonctionner. En revanche, les actionneurs pneumatiques souples ont démontré un potentiel considérable dans les applications de rééducation⁴, d’assistance⁵ et chirurgicales⁶. Leurs avantages incluent la sécurité, la construction légère et la conformité inhérente.

Ces dernières années, de nombreux robots portables flexibles ont vu le jour, conçus et développés autour d’actionneurs pneumatiques souples. Ces robots ont été conçus pour la rééducation et l’assistance post-rééducation des membres supérieurs des patients victimes d’un AVC. Ils englobent principalement les exosquelettes de la main^7,8 et les membres surnuméraires ^9,10. Bien que les deux soient utilisés dans les domaines de la robotique portable et de la rééducation, la première interagit directement avec le corps humain, contraignant potentiellement les muscles ou les articulations, tandis que la seconde complète l’espace de travail ou le mouvement humain sans contrainte directe^11,12. Des doigts robotiques surnuméraires portables basés sur des servomoteurs ont été mis au point pour aider les ergothérapeutes dans la formation aux activités de la vie quotidienne (AVQ)⁹. Une approche similaire peut être trouvée dans d’autres recherches¹⁰. Ces deux catégories de doigts robotiques ont introduit de nouvelles possibilités d’application de ces robots dans l’assistance à la rééducation des patients hémiparétiques. Néanmoins, il convient de noter que la structure rigide utilisée dans ces conceptions robotiques peut introduire des considérations potentielles concernant le confort et la sécurité de l’utilisateur. La conception, la fabrication et l’évaluation d’un gant robotique souple portable ont été présentées¹³, qui peuvent être utilisées pour la rééducation de la main et l’entraînement spécifique à une tâche pendant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Le gant utilise des actionneurs pneumatiques souples en élastomères de silicone pour générer un mouvement de l’articulation des doigts, et l’appareil est compatible avec l’IRM sans provoquer d’artefacts dans les images IRMf. Yun et al. ont présenté l’Exo-Glove PM, un gant d’assistance pneumatique souple personnalisable qui utilise une approche basée sur l’assemblage¹⁴. Cette conception innovante comporte de petits modules et des distances réglables entre eux, permettant aux utilisateurs de personnaliser le gant en fonction de la longueur de leur phalange à l’aide d’entretoises. Cette approche maximise le confort et les performances sans avoir besoin d’une fabrication sur mesure. Les chercheurs ont présenté des actionneurs souples composés de matériaux élastomères avec des canaux intégrés fonctionnant comme des réseaux pneumatiques¹⁵. Ces actionneurs génèrent des mouvements de flexion qui s’adaptent en toute sécurité aux mouvements des doigts humains. De plus, les chercheurs ont présenté l’AirExGlove, un dispositif d’exosquelette souple gonflable léger et adaptable¹⁶. Ce système est rentable, personnalisable pour différentes tailles de mains et a permis de s’adapter avec succès à des patients présentant différents niveaux de spasticité musculaire. Il offre une solution plus ergonomique et flexible par rapport aux systèmes robotiques rigides. Bien que ces études aient apporté des contributions significatives au développement de robots portables flexibles de rééducation de la main et d’assistance, il convient de noter qu’aucun d’entre eux n’a atteint une portabilité complète et un contrôle complet de l’interaction homme-robot.

De nombreuses études ont exploré la corrélation entre les signaux biologiques, tels que les signaux de l’électroencéphalogramme (EEG)¹⁷ ou de l’électromyogramme (EMG)¹⁸, et l’intention humaine. Cependant, les deux approches présentent certaines limites en raison des contraintes des dispositifs existants et des conditions technologiques. Les électrodes invasives nécessitent des interventions chirurgicales sur le corps humain, tandis que les électrodes non invasives souffrent de problèmes tels que des niveaux de bruit élevés et un manque de fiabilité dans l’acquisition du signal. On trouvera des discussions détaillées sur ces limites dans la littérature ^19,20. Par conséquent, la poursuite de la recherche sur la portabilité et les capacités d’interaction homme-machine conviviales des membres robotiques surnuméraires portables flexibles reste très pertinente.

Dans le cadre de cette étude, un membre robotique surnuméraire portable flexible unique a été conçu et fabriqué pour aider les patients victimes d’un AVC chronique à rééduquer les doigts et à les aider à la préhension. Ce membre robotique se caractérise par sa légèreté, sa sécurité, sa conformité, son étanchéité et son rapport rendement/poids/pression impressionnant. Deux modes de préhension, la préhension de l’enveloppe et la préhension du bout des doigts, ont été réalisés tout en conservant la portabilité et en assurant une interaction homme-robot conviviale. Le protocole détaille le processus de conception et de fabrication de la pince pneumatique et du schéma portable. De plus, une méthode d’interaction homme-robot basée sur des capteurs de flexion flexibles a été proposée, permettant un contrôle pratique et convivial grâce à la segmentation par seuil. Tous ces aspects ont été validés par des expériences pratiques.

Les principales contributions de cette étude sont résumées comme suit : (1) Un membre robotique surnuméraire flexible, léger, convivial et portable pour les patients victimes d’un AVC chronique a été conçu et fabriqué. (2) Une méthode fiable d’interaction homme-robot a été réalisée à partir de capteurs de flexion flexibles. (3) Des expériences en conditions réelles ont été menées pour vérifier l’efficacité et la fiabilité du mécanisme et de la méthode proposés, qui comprennent des tests de force de sortie et impliquent six patients victimes d’un AVC chronique.

Protocol

Ce protocole a été approuvé par le comité d’éthique de l’hôpital Union, du Tongji Medical College, de l’Université des sciences et technologies de Huazhong. Des patients atteints de troubles fonctionnels des membres supérieurs qui répondaient aux critères diagnostiques et recevaient un traitement dans les unités ambulatoires et hospitalières du service de réadaptation de l’hôpital de l’auteur ont été sélectionnés comme participants. La récupération de la fonction motrice des patients a été…

Representative Results

Expériences de force de sortieLa figure 7 illustre de manière vivante la conception structurelle et les dimensions de notre actionneur, fournissant une illustration en coupe transversale. Cet actionneur comprend deux ensembles distincts de chambres, chacune contenant cinq chambres à air élégamment incurvées. Remarquablement, à l’extrémité de l’actionneur, nous avons ingénieusement intégré une structure saillante, rappelant l’extrémité d’une trompe d…

Discussion

Cette étude présente un membre robotique surnuméraire innovant, flexible et portable conçu pour aider les patients victimes d’un AVC chronique dans les tâches de rééducation et de préhension des doigts. Ce système robotique privilégie la portabilité et offre à la fois des fonctionnalités de préhension de l’enveloppe et de préhension du bout des doigts. Il intègre un capteur de flexion flexible pour un contrôle convivial de l’interaction homme-machine. Des expériences de préhension statique valide…

Materials

Air Compressor	Xinweicheng	F35L-JJ-24V	Provide air supply for the pneumatic gripper
Arduino	Emakefun	Mega 2560	Single-chip microcomputer/data acquisition card
Backpack	Mujin		Integrating external devices
Flex Sensor	Spectra Symbol	Flex Sensor 2.2	Flexible bending sensors
Power supply	Yisenneng	YSN-37019200	Provide power
PU quick-plug connector	Elecall	PU-6	Connector for PU tube
PU tube	Baishehui	ZDmJKJJy	Air line connection
Silicone elastomer	Wacker	ELASTOSIL M4601 A/B	Material of the pneumatic gripper
Thermostatic chamber	Ruyi	101-00A	Constant temperature to accelerate the curing of silicone
Vacuum dryer	Fujiwara	PC-3	Further defoaming
Vacuum mixing and degassing machine	Smida	TMV-200T	Mix silicone thoroughly and get it defoamed
Valve	SMC	NTV1030-312CL	Control the air pressure