Un arto robotico soprannumerario indossabile flessibile per pazienti con ictus cronico

Summary

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.

Introduction

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 diretti^11,12. 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 letteratura^19,20. 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.

Protocol

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 Br…

Representative Results

Esperimenti sulla forza di uscitaLa 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 sign…

Discussion

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 d…

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