Компактный настольный робот революционизирует доставку физиотерапии

Телереабилитация с роботизированной рукой: интервью с проф. Хабибом Рахманом

Tech Briefs: Как началась идея?

Проф. Хабиб Рахман: Началось с проекта Connected Systems Institute — цифровой двойник мотора для удалённого управления. Долго работаю в реабилитационной робототехнике: одна группа — выжившие после инсульта, другая — пользователи инвалидных колясок. Во время COVID была борьба помочь в реабилитации. Думали, как объединить цифровые технологии и удалённо управляемых роботов для телемедицины с роботом.

Были вызовы: плавная и безопасная работа роботов, правильная передача данных. Это не промышленный робот. Нужно видеть робота в реальном времени, видеть пациента, получать обратную связь. Начали строить свой.

Управление натяжением/сопротивлением

Tech Briefs: В роборуке нужно варьировать натяжение. Как?

Рахман: Алгоритм управления детектирует намерение движений человека. Два типа сенсоров: электромиограмма (ЭМГ) и силовый сенсор. ЭМГ редко — для верификации системы.

Tech Briefs: Что делает ЭМГ?

Рахман: ЭМГ-сигнал от мышцы. Если пытаешься двигать — знаем, как работает. Базовый электрический сигнал и сигнал при сокращении мышцы.

Tech Briefs: ЭМГ точно измеряет мышцу?

Рахман: Да, если у человека неплохое движение руки. Но у выживших после инсульта сигнал получить сложно. Если усилить для здорового — решаемо. Силовой сенсор: если пытаешься двигать — активируешь мышцы, получаем сигнал качества физиологии. Даже если просто держишь гантель — мышца работает, ЭМГ есть. Любое движение = мышечный сигнал.

Tech Briefs: Миограмма не требует иголки?

Рахман: Две версии: иглы — одна. Мы используем поверхностную ЭМГ — измеряет разность потенциалов между двумя электродами на коже. Алгоритм: если у человека хорошее движение рукой, сигнал силового сенсора доминирует.

Где силовые сенсоры и как регулируется терапия

Tech Briefs: Где силовый сенсор?

Рахман: На рукояти запястья — всегда детектирует движения. Контроллер по степени нарушения умеренно регулирует уровень помощи или делает движение тяжелее. Тяжелее = сопротивление = наращивание мышц. Есть ассистивная и резистивная терапия. По нуждам пациента программируем контроллер на помощь или сопротивление.

Как физиотерапевт просит давить, давая сопротивление — робот делает то же. Программируем цель, человек добирается, но должен сильно давить — мышцы работают. Если не может достичь — робот помогает — активная ассистированная терапия.

После инсульта нейронные связи нарушены — человек забывает мелкие задачи, мелкую моторику, нужно много повторений. Робот даёт их бесконечно — пассивная терапия: устройство мягко движет конечностью без усилий пациента, растягивает мышцы без боли, закрепляет правильные паттерны. Когда появляется реальное движение — функциональные задачи для координации.

Техническая реализация регулировки натяжения

Tech Briefs: Технически — как регулируете натяжение?

Рахман: Драйвер мотора регулирует ток мотора на основе сигнала силового сенсора или ЭМГ для изменения актуации мотора.

Удалённое и личное применение

Tech Briefs: Два способа: удалённо или лично в кабинете терапевта?

Рахман: Всегда было лично, теперь исследуем телемедицину. Разные версии: одна малая — в дом пациента. Другая — в реабилитационный центр, где ставят терапевтические цели. Терапевт получает данные удалённо, при необходимости корректирует протокол, даже удалённо управляет роботом.

Безопасность и роль терапевта

Tech Briefs: Не нужен ли терапевт, чтобы решить — достаточно или слишком много? Можно навредить.

Рахман: Да, работаем с выжившими после инсульта, собираем данные. Но когда ИИ полностью развит — меньше руководства нужно, терапевты всегда в цикле. Будем работать с множеством пациентов для полной разработки ИИ до минимума надзора. Но терапевты всегда будут программировать и контролировать роботов. Всегда набираем субъектов для работы над контроллером.

Tech Briefs: Всё сильно варьируется по индивидуумам. Как без терапевта, даже с ИИ, сказать — для этого человека нужна эта сила?

Рахман: При подключении робота есть закон, дающий пред-движение и детектирующий период боли. Как только есть мышечная активация — боль возрастает, результаты силового сенсора растут. Так мы работаем в экспериментальной фазе.

Tech Briefs: ЭМГ тоже измеряет?

Рахман: Да, и ЭМГ, и силовый сенсор, но разрабатывая систему, двойная проверка с терапевтом — нормальна ли эта боль. Потом вводим в контроллер.

В будущем тысячи пациентов, все разные. Используем три вещи для измерения безболезненного диапазона движения: ЭМГ — уровень активности, силовой сенсор — уровень сопротивления, камера — детекция боли по мимике. Не 100% точно, мы в разработке, но долгосрочная цель — система с минимумом надзора.

Цифровой двойник

Tech Briefs: Вы создаёте цифровой двойник?

Рахман: Да, у терапевта не настоящий робот, а реплика. Можно удалённо двигать робота и читать генерируемые данные. Видим: насколько сдвинулся угол сустава, какую силу пережил робот.

Цифровой двойник — два назначения: 1) удалённое управление роботом. 2) Обратная связь: когда робот сдвинулся, видим, как далеко. После попытки движения субъекта видим величину и направление сил, показания ЭМГ. Двунаправленная коммуникация.

Tech Briefs: Нужен и передатчик, и сенсоры?

Рахман: Да, Microsoft Azure Cloud. Сигналы в Azure, потом в дом пациента. Если без терапевта — данные хранятся в облаке, терапевт обращается когда угодно.

Игровая терапия

Tech Briefs: Читал, используете игры.

Рахман: Исследования показывают: роботерапия с играми даёт улучшенную эффективность. Научная база — принципы моторного обучения. Даём задачу-ориентированный режим: правильный вызов, собираем явную и неявную обратную связь о прогрессе.

Игра полезна: задача — из точки А в точку Б. Дошли — делаем чуть дальше для увеличения диапазона движения, чуть сложнее. Знают маршрут и время. С играми — как будто терапевт рядом. Функциональные задачи в играх — мытье, протирание стола, перенос ложки. Игры на базе принципов моторного обучения, неявная/явная обратная связь — мониторят улучшение. Игры вовлекают. Скучно делать повторения, игра вовлекает. Улучшение счёта мотивирует. Исследования нашей группы показывают: игры дают лучшие результаты.

Преимущество перед обычным терапевтом

Tech Briefs: Преимущество робота перед просто физиотерапевтом?

Рахман: Они дополняют друг друга. Постоянный дефицит терапевтов, их число уменьшается. Могут дать робота пациенту — он неустанно работает 24/7. Один терапевт видит много пациентов в день. Вместо сидения с пациентом 10 повторений — робот делает это точно.

Это инструмент, как тонометр у врача для домашнего мониторинга — врач не приходит каждый день. Так робот помогает терапевту и пациенту. Страховка покрывает лимитированное число визитов физотерапии в год. Робот позволяет следовать руководству терапевта неограниченно долго.

Коммерциализация и оплата

Tech Briefs: Кто платит за машину? Страховка покроет?

Рахман: Уверен, страховка покроет — сейчас покрывает аренду CPM (continuous passive motion) машин, если медицинское обоснование. Они просто дают повторения. Робот делает это умным. Раз CPM покрыты, робот тоже будет, как продвинутый CPM. Пациент не покупает — аренда.

Tech Briefs: Где по коммерциализации?

Рахман: Сейчас эксперименты с реальными выжившими после инсульта. Основывал стартап год назад, работаем с парой людей над коммерциализацией. Ещё пара вещей нужно сделать. Можно продать как робота для исследований, но для клинического домашнего применения — нужно FDA одобрение, 1-2 года.