Компактный настольный робот совершает революцию в проведении физиотерапии

Эд Браун

Технические обзоры: Как вам пришла в голову эта идея?

Профессор Хабиб Рахман: Все началось с проекта с нашим Институтом подключенных систем, где мы работали над двигателем, чтобы создать его цифровой двойник, чтобы посмотреть, сможем ли мы управлять двигателями удаленно. Я долгое время занимаюсь реабилитационной робототехникой. Мои исследования связаны с реабилитацией и вспомогательной робототехникой. Одна группа работает с людьми, пережившими инсульт, а другая группа работает с пользователями, прикованными к инвалидным коляскам. Во времена COVID было трудно помочь людям реабилитироваться. Я работал над реабилитационной робототехникой — проводил терапию с помощью робота. Итак, тогда мы подумали о том, как мы могли бы уточнить нашу работу с цифровыми технологиями и нашу работу с роботами с дистанционным управлением. Итак, мы использовали эту идею, чтобы посмотреть, сможем ли мы обеспечить телемедицину с помощью робота.

В то время было много задач:бесперебойная и безопасная работа роботов и правильная передача данных. Это не обычный промышленный робот. Нам нужно видеть робота в реальном времени, видеть пациентов и получать обратную связь. Итак, мы начали создавать свой собственный.

Технические обзоры: Итак, в этой руке робота вам нужно изменять натяжение. Как ты это делаешь?

Рахман: Алгоритм управления может обнаруживать намерение человека совершать движения. Мы используем два типа датчиков:один — электромиограмма (ЭМГ), другой — датчик силы. Мы не часто используем EMG — просто чтобы убедиться, что система работает.

Хабиб Рахман, профессор и заведующий кафедрой машиностроения, работал над тестированием iTbot, портативной вспомогательной роботизированной руки, которая позволяет пациентам, перенесшим инсульт, получать физиотерапию, не выходя из дома. Платформа на базе руки, которую разрабатывает Рахман, имеет преимущества как для пациентов, так и для терапевтов. (Фото Троя Фокса)

Технические обзоры: Не могли бы вы рассказать мне, что делает ЭМГ?

Рахман:Ан Сигнал ЭМГ исходит от мышцы. Итак, если вы попытаетесь пошевелиться, мы сможем узнать, как это сработало. Мы получаем базовый электрический сигнал, а затем получаем его, когда мышца сокращается.

Технические обзоры: Дает ли сигнал ЭМГ достаточно точное измерение мышц?

Рахман: Да, если у человека приличное движение рук. Но пациентам, перенесшим инсульт, трудно получить хороший сигнал. Однако, если мы усилим эти сигналы для здорового человека, с этим можно справиться. С датчиком силы, если вы пытаетесь двигаться, это означает, что вы активируете мышцы, и мы можем получить сигнал, который является показателем качества физиологии. Иногда, если я, например, не двигаю рукой, даже если я просто держу гантель, она все равно задействует мышцу, поэтому мы будем получать сигналы ЭМГ. Любое движение сопровождается мышечным сигналом.

Технические обзоры: Разве миограмма не требует введения игл в руку?

Рахман: Есть две версии миограмм; использование игл – одно из них. Но мы используем поверхностную ЭМГ. Он измеряет разность потенциалов между двумя электродами, которые удерживаются на коже с помощью клея. Алгоритм управления таков, что если у человека хорошее движение руки, то сигнал датчика силы будет доминировать.

Здесь можно увидеть концепцию умной роботизированной руки, разработанной в Колледже инженерных и прикладных наук UWM. Пользователь хватает руку и перемещает ее, следуя линиям фигуры на экране слева. Датчики на его плече и плече передают данные об активации мышц, которые передаются в цифровой двойник, чтобы у терапевта была вся физическая информация, необходимая для проведения лечения. (Видео предоставлено лабораторией профессора Хабиба Рахмана.)

Технические обзоры: Где датчик силы?

Рахман: Он находится на ручке запястья, поэтому датчики силы всегда фиксируют ваши движения. В зависимости от нарушений субъекта контроллер может умеренно регулировать уровень помощи или затруднить движение субъекта. Если вы делаете упражнение жестким, это означает, что вы оказываете сопротивление и наращиваете мышцы. Существует множество методов лечения, например, вспомогательная терапия и резистивная терапия. В зависимости от потребностей пациента мы можем запрограммировать контроллер на оказание помощи или сопротивления.

Когда вы пойдете к физиотерапевту, он может попросить вас тужиться, одновременно оказывая сопротивление. Точно так же робот будет оказывать сопротивление — если вы попытаетесь его подтолкнуть, вам будет немного тяжело. Мы программируем цель и позволяем человеку добраться до цели, но ему нужно будет очень сильно приложить усилия, чтобы его мышцы работали. Иногда, когда мы даем ему цель, а человек не может ее достичь, робот помогает ему достичь ее — это называется активной терапией.

Когда кто-то страдает от инсульта, связь нейронных сетей как бы нарушается — человек забывает, как выполнять мелкие задачи, мелкую моторику, поэтому ему нужна большая помощь. Для этого требуется множество повторений, которые им может дать робот — устройство мягко перемещает конечность участника без его собственных усилий — это называется пассивной терапией. Он растягивает мышцы без боли и закрепляет правильные модели движений. Как только субъект начинает двигаться по-настоящему, мы даем ему несколько функциональных задач, чтобы он научился координировать свои действия.

Технические обзоры: Технически, как регулировать натяжение?

Рахман: У нас есть драйвер двигателя, который регулирует ток двигателя на основе сигнала датчика силы или сигнала ЭМГ, чтобы изменить срабатывание двигателя.

Аспирант использует роботизированную руку для терапевтического лечения (справа), а данные, которые рука собирает в режиме реального времени, отображаются в цифровом двойнике на экране терапевта (слева). Хотя на фотографии они изображены вместе в комнате, одна и та же установка работает, когда пациент и рука находятся в одном месте, а терапевт и компьютер — в другом. (Видео предоставлено лабораторией профессора Хабиба Рахмана.)

Технические обзоры: Я читал, что есть два способа использования робота — удаленно или лично, скажем, в кабинете терапевта.

Рахман: Это всегда было лично, но сейчас мы изучаем телездравоохранение. У нас есть разные версии робота. Один очень маленький и может пойти к человеку домой. Другая версия могла бы пойти в реабилитационный центр, где люди могут пройти физиотерапию для достижения целей терапии. Затем терапевт может удаленно получать данные и при необходимости корректировать терапевтический протокол и даже удаленно управлять роботом.

Технические обзоры: Разве это не должно быть под руководством терапевта, чтобы решить, сколько достаточно, а сколько слишком много? Я имею в виду, что вы можете причинить кому-нибудь вред, если не будете осторожны.

Рахман: Да, мы работаем с жертвами инсульта, собираем данные. Однако, как только наш ИИ будет полностью развит, руководства потребуется меньше, но терапевтам всегда придется быть в курсе событий. Мы будем работать со многими жертвами инсульта, чтобы полностью развить ИИ до такой степени, что нам потребуется меньше контроля. Однако нам по-прежнему понадобятся терапевты, которые будут программировать роботов и контролировать их. Мы постоянно набираем субъектов для работы на контроллере.

Технические обзоры: Мне кажется, это очень сильно зависит от человека, которого лечат. Поэтому я не уверен, как без терапевта, даже с продвинутым искусственным интеллектом, можно сказать, что этому человеку требуется столько силы.

Рахман: Когда вы подключаете робота, существует закон, который может дать вам предварительное движение и определить период вашей боли. Как только произойдет активация мышц, боль усилится, а результаты датчика силы увеличатся. Именно так мы работаем на экспериментальной стадии.

Технические обзоры: Это тоже измеряется ЭМГ?

Рахман: Да, и ЭМГ, и датчик силы, но поскольку мы разрабатываем систему, мы дважды проверяем у терапевта, чтобы решить, допустима ли эта боль. Затем мы вводим это в контроллер.

В будущем появятся тысячи пациентов, каждый из которых уникален. Мы используем три вещи для измерения безболезненного диапазона движений. Датчик ЭМГ показывает нам уровень активности, датчик силы показывает уровень сопротивления, а мы используем камеру, которая может определять боль по выражению лица. Это не обязательно на 100 процентов верно, поскольку мы все еще находимся на этапе разработки, но наша долгосрочная цель — создать систему, требующую минимального контроля.

Технические обзоры: Вы создаете цифрового двойника?

Рахман: Да, у терапевта нет настоящего робота, у него есть его копия. Вы можете перемещать робота удаленно и читать генерируемые данные. Вы можете увидеть, насколько сместился угол сустава, какой силе подвергся робот.

Цифровой двойник преследует две цели. Один из них — удаленное управление роботом. Во-вторых, когда робот переместился, он отправляет сигнал обратной связи, чтобы мы могли увидеть, насколько далеко он продвинулся. Как только субъект попытается двигаться, мы сможем увидеть величину и направление сил, показания ЭМГ и так далее. Это двусторонняя связь.

Технические обзоры: Итак, вам нужны не только датчики, но и передатчики?

Рахман: Да, мы используем облачные сервисы Microsoft Azure. Мы отправляем сигналы в облако Microsoft Azure, а затем домой к пациенту. Если они работают без терапевта, данные будут храниться в облаке, чтобы терапевт мог получить к ним доступ в любое время.

Технические обзоры: Я читал, что ты пользуешься играми.

Рахман: Исследования показывают, что робототерапия позволит нам улучшить производительность с помощью игр. Этому есть научное обоснование, называемое принципами моторного обучения. На основании этого мы даем субъекту схему терапии, ориентированную на конкретную задачу. Мы ставим перед ними правильный вызов и собираем явные и неявные отзывы о том, насколько далеко они продвинулись.

Итак, игра для этого полезна. Мы даем пациенту задание, скажем, пройти из одной точки в другую. Как только они туда доберутся, мы продвинемся немного дальше, чтобы увеличить диапазон их движений и усложнить им задачу. Они знают курс и точно знают, сколько времени он займет. В играх такое ощущение, будто рядом присутствует терапевт. В играх мы используем функциональные задачи — мытье, уборка стола, взятие ложки из одного места и класть ее в другое. Игры разработаны на основе принципов двигательного обучения, поэтому, поскольку мы используем неявную и явную обратную связь, они могут отслеживать свое улучшение. Игры также увлекательны. Выполнение повторяющихся задач может показаться немного скучным, но игра действительно увлекает человека. Улучшение вашего результата может быть мотивирующим. Исследования, проведенные нашей группой, показывают, что использование игр дает лучшие результаты.

Технические обзоры: В чем преимущество использования этого робота вместо использования физиотерапевта?

Рахман: Они дополняют друг друга. У нас постоянная нехватка терапевтов, и их количество сокращается. Они могут отдать робота пациенту, и он сможет работать без устали 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Это позволяет одному терапевту принять множество пациентов в течение дня. Вместо того, чтобы сидеть с пациентом, пока он делает 10 повторений, робот может сделать это точно.

Это инструмент, например, когда мой врач дает мне прибор для измерения артериального давления, который они могут контролировать из дома, поэтому врачу не нужно приходить проверять мое давление каждый день. Подобным образом это поможет терапевту и пациенту. Страховка покрывает лишь ограниченное количество посещений физиотерапевта в течение года. Однако робот позволит пациенту следовать указаниям терапевта неограниченное время.

Технические обзоры: Забегая вперед, кто будет платить за машину? Покрывается ли это страховкой?

Рахман: Я уверен, что страховка покроет это, потому что в настоящее время страховка покрывает договоры аренды машин с непрерывным пассивным движением (CPM), если они оправданы с медицинской точки зрения. Но они просто дают вам повторения, ничего больше. Робот делает это умным. Итак, поскольку машины CPM охвачены, мы ожидаем, что робот также будет охвачен, поскольку он похож на CPM, но с расширенными функциями. Пациенту не придется покупать робота; это будет просто аренда.

Технические обзоры: На каком уровне вы находитесь с точки зрения коммерциализации этого?

Рахман: Сейчас мы проводим эксперименты на реальных жертвах инсульта. В прошлом году я основал стартап, и сейчас мы работаем с парой других людей, которые помогают нам коммерциализировать устройство. Есть несколько вещей, которые еще предстоит сделать. Сейчас мы могли бы продавать его просто как робота для исследовательских целей, но если мы хотим использовать его в домашних условиях, нам необходимо получить одобрение FDA, что может занять от одного до двух лет.

Расшифровка

Стенограмма этого видео недоступна.