Een flexibele, draagbare boventallige robotledemaat voor patiënten met een chronische beroerte

Summary

Dit protocol introduceert een flexibele, draagbare boventallige robotledemaat die is afgestemd om te helpen bij vingerrevalidatie voor patiënten met een beroerte. Het ontwerp bevat een buigsensor om een naadloze interactie tussen mens en robot mogelijk te maken. Validatie door middel van experimenten met zowel gezonde vrijwilligers als patiënten met een beroerte onderstreept de werkzaamheid en betrouwbaarheid van de voorgestelde studie.

Abstract

In deze studie presenteren we een flexibele draagbare boventallige robotledemaat die patiënten met een chronische beroerte helpt bij vingerrevalidatie en grijpbewegingen. Het ontwerp van deze innovatieve ledemaat is geïnspireerd op buigende pneumatische spieren en de unieke eigenschappen van de slurfpunt van een olifant. Het legt een sterke nadruk op cruciale factoren zoals lichtgewicht constructie, veiligheid, naleving, waterdichtheid en het bereiken van een hoge output-gewichts/drukverhouding. De voorgestelde structuur stelt de robotledemaat in staat om zowel de envelop als de vingertoppen vast te grijpen. De interactie tussen mens en robot wordt vergemakkelijkt door een flexibele buigsensor, die de vingerbewegingen van de drager detecteert en deze verbindt met bewegingsbesturing via een drempelsegmentatiemethode. Bovendien is het systeem draagbaar voor veelzijdig dagelijks gebruik. Om de effectiviteit van deze innovatie te valideren, werden praktijkexperimenten uitgevoerd met zes patiënten met een chronische beroerte en drie gezonde vrijwilligers. De feedback die via vragenlijsten is ontvangen, geeft aan dat het ontworpen mechanisme enorm veelbelovend is bij het helpen van patiënten met een chronische beroerte bij hun dagelijkse grijpactiviteiten, waardoor hun kwaliteit van leven en revalidatieresultaten mogelijk worden verbeterd.

Introduction

Volgens eerder onderzoek¹ waren er vanaf 2019 wereldwijd meer dan 100 miljoen gevallen van een beroerte. Ongeveer tweederde van deze gevallen resulteerde in hemiplegische gevolgen en meer dan 80% van de patiënten met een ernstige hemiplegische beroerte kon de hand- en armfunctie niet volledig herstellen^. Bovendien wordt verwacht dat de vergrijzing van de bevolking de komende decennia zal blijven groeien, wat zal leiden tot een aanzienlijke toename van het aantal potentiële slachtoffers van een beroerte. De aanhoudende beperkingen van de bovenste ledematen na een beroerte kunnen de activiteiten van het dagelijks leven (ADL’s) aanzienlijk beïnvloeden, en handrevalidatie is klinisch erkend als een cruciaal doel voor het verbeteren van de activiteit en deelname van patiënten met een chronische beroerte³.

Traditionele motoraangedreven robotachtige apparaten voor de bovenste ledematen kunnen een aanzienlijke aandrijfkracht leveren, maar hun stijve structuren vertalen zich vaak in grote afmetingen en hoge gewichten. Bovendien vormen ze het risico onomkeerbare schade aan het menselijk lichaam toe te brengen als ze niet goed zouden werken. Daarentegen hebben zachte pneumatische actuatoren een aanzienlijk potentieel aangetoond in revalidatie⁴, assistentie⁵ en chirurgische toepassingen⁶. Hun voordelen zijn onder meer veiligheid, lichtgewicht constructie en inherente naleving.

In de afgelopen jaren zijn er tal van flexibele draagbare robots ontstaan, ontworpen en ontwikkeld rond zachte pneumatische actuatoren. Deze robots zijn bedoeld voor de revalidatie en post-revalidatie van de bovenste ledematen van patiënten met een beroerte. Ze omvatten voornamelijk handexoskeletten^7,8 en boventallige ledematen ^9,10. Hoewel beide worden gebruikt op het gebied van draagbare robotica en revalidatie, heeft de eerste een directe wisselwerking met het menselijk lichaam, waardoor spieren of gewrichten mogelijk worden beperkt, terwijl de laatste de menselijke werkruimte of beweging zonder directe beperking aanvult^11,12. Draagbare boventallige robotvingers op basis van servomotoren werden ontwikkeld om ergotherapeuten te helpen bij activiteiten van het dagelijks leven (ADL’s)^{training 9}. Een vergelijkbare benadering is te vinden in ander onderzoek¹⁰. Deze twee categorieën robotvingers hebben nieuwe mogelijkheden geïntroduceerd voor de toepassing van dergelijke robots bij de revalidatiebegeleiding van hemipareticapatiënten. Desalniettemin is het vermeldenswaard dat de stijve structuur die in deze robotontwerpen wordt gebruikt, mogelijke overwegingen met betrekking tot gebruikerscomfort en veiligheid met zich mee kan brengen. Het ontwerp, de fabricage en de evaluatie van een zachte, draagbare robothandschoen werden gepresenteerd¹³, die kan worden gebruikt voor handrevalidatie en taakspecifieke training tijdens functionele Magnetic Resonance Imaging (fMRI). De handschoen maakt gebruik van zachte pneumatische actuatoren gemaakt van siliconenelastomeren om vingergewrichtsbeweging te genereren, en het apparaat is MR-compatibel zonder artefacten in fMRI-beelden te veroorzaken. Yun et al. introduceerden de Exo-Glove PM, een aanpasbare zachte pneumatische hulphandschoen die gebruik maakt van een op assemblage gebaseerde benadering¹⁴. Dit innovatieve ontwerp heeft kleine modules en instelbare afstanden ertussen, waardoor gebruikers de handschoen kunnen aanpassen op basis van hun vingerlengte met behulp van afstandhouders. Deze aanpak maximaliseert het comfort en de prestaties zonder dat er maatwerk nodig is. Onderzoekers presenteerden zachte actuatoren die zijn samengesteld uit elastomeermaterialen met geïntegreerde kanalen die functioneren als pneumatische netwerken¹⁵. Deze actuatoren genereren buigbewegingen die zich veilig aanpassen aan menselijke vingerbewegingen. Daarnaast introduceerden onderzoekers de AirExGlove, een lichtgewicht en aanpasbaar opblaasbaar zacht exoskelet¹⁶. Dit systeem is kosteneffectief, aanpasbaar voor verschillende handgroottes en heeft met succes patiënten met verschillende niveaus van spierspasticiteit ondergebracht. Het biedt een meer ergonomische en flexibele oplossing in vergelijking met starre gekoppelde robotsystemen. Hoewel deze onderzoeken een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan de ontwikkeling van flexibele draagbare handrevalidatie- en ondersteunende robots, is het vermeldenswaard dat geen van hen volledige draagbaarheid en controle over de interactie tussen mens en robot heeft bereikt.

Talrijke studies hebben de correlatie onderzocht tussen biologische signalen, zoals elektro-encefalogram (EEG)¹⁷ of elektromyogram (EMG) signalen¹⁸, en menselijke intentie. Beide benaderingen hebben echter bepaalde beperkingen binnen de beperkingen van bestaande apparaten en technologische omstandigheden. Invasieve elektroden vereisen chirurgische ingrepen op het menselijk lichaam, terwijl niet-invasieve elektroden last hebben van problemen zoals hoge ruisniveaus en onbetrouwbaarheid bij signaalacquisitie. Gedetailleerde besprekingen van deze beperkingen zijn te vinden in de literatuur^19,20. Daarom blijft het nastreven van onderzoek naar de draagbaarheid en gebruiksvriendelijke mens-machine-interactiemogelijkheden van flexibele draagbare boventallige robotledematen zeer relevant.

In deze studie werd een unieke, flexibele, draagbare boventallige robotledemaat ontworpen en gefabriceerd om patiënten met een chronische beroerte te helpen bij vingerrevalidatie en grijphulp. Deze robotledemaat wordt gekenmerkt door zijn lichtgewicht, veiligheid, flexibiliteit, waterdichtheid en indrukwekkende output-gewichts/drukverhouding. Er zijn twee grijpmodi bereikt, envelop en vingertopgrijpen, met behoud van draagbaarheid en het garanderen van een gebruiksvriendelijke interactie tussen mens en robot. Het protocol beschrijft het ontwerp- en fabricageproces van de pneumatische grijper en het draagbare schema. Daarnaast is een mens-robot-interactiemethode voorgesteld op basis van flexibele buigsensoren, waardoor een gemakkelijke en gebruiksvriendelijke bediening mogelijk is door middel van drempelsegmentatie. Al deze aspecten zijn gevalideerd door middel van praktijkexperimenten.

De belangrijkste bijdragen van deze studie worden als volgt samengevat: (1) Er is een lichtgewicht, vriendelijke en draagbare flexibele boventallige robotledemaat voor patiënten met een chronische beroerte ontworpen en gefabriceerd. (2) Er is een betrouwbare methode van mens-robot-interactie gerealiseerd op basis van flexibele buigsensoren. (3) Er zijn praktijkexperimenten uitgevoerd om de effectiviteit en betrouwbaarheid van het voorgestelde mechanisme en de voorgestelde methode te verifiëren, waaronder het testen van de uitgangskracht en waarbij zes patiënten met een chronische beroerte betrokken zijn.

Protocol

Dit protocol is goedgekeurd door de Ethics Review Board van Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Patiënten met functionele stoornissen van de bovenste ledematen die aan de diagnostische criteria voldeden en werden behandeld op de revalidatieafdeling van het ziekenhuis van de auteur, poliklinische en intramurale afdelingen, werden geselecteerd als deelnemers. Het herstel van de motorische functie van de patiënten werd beoordeeld volgens de Brunnstrom-herstelstadia<sup cl…

Representative Results

Experimenten met uitgangskrachtAfbeelding 7 geeft het structurele ontwerp en de afmetingen van onze actuator levendig weer, met een dwarsdoorsnede. Deze actuator bestaat uit twee verschillende sets kamers, elk met vijf elegant gebogen luchtkamers. Opmerkelijk is dat we aan het eindpunt van de actuator op ingenieuze wijze een uitstekende structuur hebben geïntegreerd, die doet denken aan de slurfpunt van een olifant, waardoor de grijpradius van de actuator aanzienlijk is…

Discussion

Deze studie presenteert een innovatieve, flexibele, draagbare overtallige robotledemaat die is ontworpen om patiënten met een chronische beroerte te helpen bij vingerrevalidatie en grijptaken. Dit robotsysteem geeft prioriteit aan draagbaarheid en biedt zowel functies voor het vastgrijpen van de envelop als voor het grijpen van de vingertoppen. Het bevat een flexibele buigsensor voor gebruiksvriendelijke controle van de interactie tussen mens en machine. Statische grijpexperimenten valideren de grijpmogelijkheden van he…

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