Kompakter Tischroboter revolutioniert die Durchführung von Physiotherapie

Ed Brown

Technische Kurzinformationen: Wie sind Sie auf diese Idee gekommen?

Professor Habib Rahman: Es begann mit einem Projekt mit unserem Connected System Institute, bei dem wir an einem Motor arbeiteten, um seinen digitalen Zwilling zu erstellen, um zu sehen, ob wir die Motoren fernsteuern könnten. Ich beschäftige mich schon lange mit Reha-Robotik. Meine Forschung konzentriert sich auf Reha und assistive Robotik. Eine Gruppe arbeitet mit Menschen, die einen Schlaganfall überlebt haben, und eine andere Gruppe arbeitet mit Rollstuhlfahrern. Während der COVID-Zeit war es schwierig, den Menschen bei der Rehabilitation zu helfen. Ich hatte an Reha-Robotik gearbeitet – Therapie mit einem Roboter. Dann haben wir darüber nachgedacht, wie wir unsere Arbeit mit digitaler Technologie und unserer Arbeit mit ferngesteuerten Robotern vertiefen könnten. Also nutzten wir diese Idee, um zu sehen, ob wir mit einem Roboter Telemedizin betreiben könnten.

Damals gab es viele Herausforderungen:den reibungslosen und sicheren Betrieb der Roboter und die ordnungsgemäße Übertragung der Daten. Dies ist kein normaler Industrieroboter. Wir müssen den Roboter in Echtzeit sehen, die Patienten sehen und Feedback einholen. Also begannen wir mit dem Bau unseres eigenen.

Technische Kurzinformationen: Bei diesem Roboterarm muss man also die Spannung variieren. Wie macht man das?

Rahman: Der Steueralgorithmus kann menschliche Bewegungsabsichten erkennen. Wir verwenden zwei Arten von Sensoren:Zum einen ein Elektromyogramm (EMG), zum anderen einen Kraftsensor. Wir verwenden EMG nicht oft – nur um zu überprüfen, ob das System funktioniert.

Habib Rahman, Professor und Lehrstuhlinhaber für Maschinenbau, arbeitete daran, den iTbot zu testen, einen tragbaren, unterstützenden Roboterarm, der es Schlaganfallpatienten ermöglicht, Physiotherapie zu erhalten, ohne ihr Zuhause verlassen zu müssen. Die armbasierte Plattform, die Rahman entwickelt, bietet sowohl für Patienten als auch für Therapeuten Vorteile. (Foto von Troye Fox)

Technische Kurzinformationen: Können Sie mir sagen, was ein EMG bewirkt?

Rahman:Ein Das EMG-Signal kommt vom Muskel. Wenn Sie also versuchen, umzuziehen, können wir wissen, wie es funktioniert hat. Wir erhalten ein grundlegendes elektrisches Signal und dann eines, wenn der Muskel kontrahiert wird.

Technische Kurzinformationen: Gibt das EMG-Signal eine ziemlich genaue Messung des Muskels?

Rahman: Ja, wenn die Person eine gute Armbewegung hat. Für Schlaganfallpatienten ist es jedoch schwierig, ein gutes Signal zu empfangen. Wenn wir diese Signale jedoch für ein gesundes Subjekt verstärken, ist es behandelbar. Wenn Sie mit einem Kraftsensor versuchen, sich zu bewegen, bedeutet dies, dass Sie die Muskeln aktivieren und wir können das Signal erhalten, das ein Maß für die Qualität der Physiologie ist. Manchmal, wenn ich zum Beispiel meinen Arm nicht bewege, auch wenn ich nur eine Hantel halte, wird immer noch ein Muskel beansprucht, sodass wir EMG-Signale erhalten. Jede Bewegung hat ein Muskelsignal.

Technische Kurzinformationen: Erfordert ein Myogramm nicht das Einstechen von Nadeln in den Arm?

Rahman: Es gibt zwei Versionen von Myogrammen; Die Verwendung von Nadeln ist eine davon. Aber wir verwenden ein Oberflächen-EMG. Es misst die Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden, die mit Klebstoff auf der Haut befestigt werden. Der Steueralgorithmus ist so beschaffen, dass das Signal des Kraftsensors dominiert, wenn eine Person gute Handbewegungen hat.

Hier ist das Konzept des intelligenten Roboterarms zu sehen, der am College of Engineering &Applied Science der UWM entwickelt wurde. Der Benutzer ergreift den Arm und bewegt ihn, um den Linien der Form auf dem Bildschirm links zu folgen. Sensoren an seinem Oberarm und seiner Schulter liefern die Muskelaktivierungsdaten, die in den digitalen Zwilling eingespeist werden, sodass der Therapeut über alle für die Behandlung erforderlichen physischen Informationen verfügt. (Video mit freundlicher Genehmigung des Labors von Professor Habib Rahman.)

Technische Kurzinformationen: Wo ist der Kraftsensor?

Rahman: Es befindet sich am Handgelenkgriff, sodass die Kraftsensoren immer Ihre Bewegungen erkennen. Basierend auf der Beeinträchtigung des Probanden kann der Controller die Unterstützungsstufe moderat anpassen oder es dem Probanden erschweren, sich zu bewegen. Wenn Sie es hart machen, bedeutet das, dass Sie Widerstand leisten und Muskeln aufbauen. Es gibt viele Therapien, zum Beispiel die assistierte Therapie und die Resistenztherapie. Basierend auf den Bedürfnissen des Patienten können wir den Controller so programmieren, dass er Unterstützung oder Widerstand leistet.

Wenn Sie zu einem Physiotherapeuten gehen, werden Sie möglicherweise aufgefordert, zu drücken, während er Widerstand leistet. Ebenso leistet der Roboter Widerstand – wenn Sie versuchen, ihn zu schieben, wird er etwas schwerer. Wir programmieren ein Ziel und lassen die Person dieses Ziel erreichen, aber sie muss sich wirklich anstrengen, damit ihre Muskeln arbeiten. Wenn wir ihnen manchmal ein Ziel vorgeben und die Person es nicht schafft, hilft ihnen der Roboter, dorthin zu gelangen – das nennt man aktiv unterstützte Therapie.

Wenn jemand einen Schlaganfall erleidet, ist die Verbindung der neuronalen Netze irgendwie unterbrochen – die Person vergisst, kleine Aufgaben zu erledigen und ihre Feinmotorik zu beherrschen, sodass sie viel Hilfe braucht. Dies erfordert viele Wiederholungen, die der Roboter ihnen geben kann – das Gerät bewegt das Glied des Teilnehmers sanft und ohne eigenen Aufwand – dies wird als passive Therapie bezeichnet. Es dehnt die Muskulatur schmerzfrei und stärkt korrekte Bewegungsmuster. Sobald die Versuchsperson beginnt, sich richtig zu bewegen, geben wir ihr einige funktionelle Aufgaben, damit sie lernen kann, sich zu koordinieren.

Technische Kurzinformationen: Wie stellt man technisch gesehen die Spannung ein?

Rahman: Wir verfügen über einen Motortreiber, der den Motorstrom basierend auf dem Kraftsensorsignal oder dem EMG-Signal anpasst, um die Betätigung des Motors zu ändern.

Ein Doktorand nutzt den Roboterarm für die Therapiebehandlung (rechts), während die Daten, die der Arm in Echtzeit sammelt, im digitalen Zwilling auf dem Bildschirm des Therapeuten angezeigt werden (links). Obwohl das Foto sie zusammen im Raum zeigt, funktioniert derselbe Aufbau, wenn sich der Patient und der Arm an einem Ort befinden und der Therapeut und ein Computer an einem anderen Ort. (Video mit freundlicher Genehmigung des Labors von Professor Habib Rahman.)

Technische Kurzinformationen: Ich habe gelesen, dass es zwei Möglichkeiten gibt, den Roboter zu verwenden – aus der Ferne oder persönlich, beispielsweise in der Praxis eines Therapeuten.

Rahman: Es war immer persönlich, aber jetzt beschäftigen wir uns mit der Telemedizin. Wir haben verschiedene Versionen des Roboters. Einer ist wirklich klein und kann zu einer Person nach Hause gehen. Eine andere Variante könnte in ein Reha-Zentrum gehen, wo Menschen Physiotherapie erhalten, um Therapieziele festzulegen. Der Therapeut kann die Daten dann aus der Ferne abrufen und bei Bedarf das Therapieprotokoll anpassen und sogar den Roboter fernsteuern.

Technische Kurzinformationen: Müsste dies nicht von einem Therapeuten angeleitet werden, um zu entscheiden, wie viel genug und wie viel zu viel ist? Ich meine, man könnte jemandem Schaden zufügen, wenn man nicht aufpasst.

Rahman: Ja, wir arbeiten mit Schlaganfallopfern und sammeln Daten. Sobald unsere KI jedoch vollständig entwickelt ist, wird weniger Anleitung erforderlich sein, aber die Therapeuten müssen immer auf dem Laufenden bleiben. Wir werden mit vielen Schlaganfallopfern zusammenarbeiten, um die KI so weit zu entwickeln, dass wir weniger Aufsicht benötigen. Allerdings werden wir weiterhin Therapeuten brauchen, die die Roboter programmieren und beaufsichtigen. Wir melden immer wieder Probanden für die Arbeit am Controller an.

Technische Kurzinformationen: Es scheint mir, dass es je nach behandelter Person sehr unterschiedlich ist. Ich bin mir also nicht sicher, wie man ohne einen Therapeuten, selbst mit der fortgeschrittenen KI, sagen kann, dass für diese Person so viel Kraft erforderlich ist.

Rahman: Wenn Sie den Roboter verkabeln, gibt es ein Gesetz, das Ihnen eine Vorabbewegung geben und Ihre Schmerzperiode erkennen kann. Sobald es zu einer Muskelaktivierung kommt, werden die Schmerzen verstärkt und die Ergebnisse des Kraftsensors werden verbessert. So arbeiten wir in unserer experimentellen Phase.

Technische Kurzinformationen: Wird dies auch mit dem EMG gemessen?

Rahman: Ja, sowohl das EMG als auch der Kraftsensor, aber da wir das System entwickeln, prüfen wir noch einmal mit dem Therapeuten, ob dieser Schmerz in Ordnung ist. Dann geben wir das in die Steuerung ein.

In Zukunft wird es Tausende von Patienten geben, von denen jeder anders ist. Wir verwenden drei Dinge, um den schmerzfreien Bewegungsumfang zu messen. Der EMG-Sensor zeigt uns das Aktivitätsniveau, der Kraftsensor zeigt uns das Widerstandsniveau und wir verwenden eine Kamera, die Schmerzen anhand der Mimik erkennen kann. Das ist nicht unbedingt hundertprozentig richtig, da wir uns noch in der Entwicklungsphase befinden, aber unser langfristiges Ziel ist es, ein System zu schaffen, das nur minimale Überwachung benötigt.

Technische Kurzinformationen: Erstellen Sie einen digitalen Zwilling?

Rahman: Ja, der Therapeut hat nicht den echten Roboter, sondern eine Nachbildung davon. Sie können den Roboter aus der Ferne bewegen und die generierten Daten lesen. Sie können sehen, um wie viel sich der Gelenkwinkel bewegt hat und wie viel Kraft auf den Roboter ausgeübt wurde.

Der digitale Zwilling dient zwei Zwecken. Eine Möglichkeit besteht darin, den Roboter fernzusteuern. Zweitens sendet der Roboter eine Rückmeldung, wenn er sich bewegt hat, sodass wir sehen können, wie weit er sich bewegt hat. Sobald das Subjekt versucht hat, sich zu bewegen, können wir die Größe und Richtung der Kräfte, die EMG-Messwerte usw. sehen. Es handelt sich um eine bidirektionale Kommunikation.

Technische Kurzinformationen: Sie benötigen also sowohl Sender als auch Sensoren?

Rahman: Ja, wir nutzen Microsoft Azure Cloud-Dienste. Wir senden die Signale an die Microsoft Azure Cloud und dann zum Patienten nach Hause. Wenn sie ohne den Therapeuten arbeiten, werden die Daten in der Cloud gespeichert, sodass der Therapeut jederzeit darauf zugreifen kann.

Technische Kurzinformationen: Ich habe gelesen, dass Sie Spiele verwenden.

Rahman: Untersuchungen zeigen, dass die Robotertherapie durch den Einsatz von Spielen zu einer Leistungssteigerung führen würde. Hierzu gibt es wissenschaftliche Hintergründe, sogenannte motorische Lernprinzipien. Darauf aufbauend geben wir dem Probanden ein aufgabenspezifisches geführtes Therapieschema. Wir geben ihnen die richtige Herausforderung und sammeln explizites und implizites Feedback darüber, wie weit sie vorankommen.

Ein Spiel ist dafür also nützlich. Wir geben dem Patienten die Aufgabe, beispielsweise von einem Punkt zum anderen zu gehen. Sobald sie dort angekommen sind, machen wir es etwas weiter, um ihre Bewegungsfreiheit zu vergrößern und es für sie ein wenig herausfordernd zu machen. Sie kennen den Kurs und wissen genau, wie lange es dauert. Bei Spielen ist es so, als wäre der Therapeut da. In den Spielen verwenden wir funktionale Aufgaben – Waschen, einen Tisch abräumen, einen Löffel von einer Stelle nehmen und an eine andere stecken. Die Spiele basieren auf den Prinzipien des motorischen Lernens. Da wir also implizites und explizites Feedback verwenden, können sie ihre Verbesserung überwachen. Auch Spiele machen Spaß. Es kann ein wenig langweilig sein, sich wiederholende Aufgaben zu erledigen, aber das Spielen eines Spiels fesselt einen wirklich. Die Verbesserung Ihrer Punktzahl kann motivierend sein. Untersuchungen unserer Gruppe zeigen, dass die Verwendung von Spielen zu besseren Ergebnissen führt.

Technische Kurzinformationen: Welchen Vorteil hat die Verwendung dieses Roboters gegenüber der bloßen Verwendung eines Physiotherapeuten?

Rahman: Sie ergänzen einander. Wir haben einen ständigen Mangel an Therapeuten und ihre Zahl nimmt ab. Sie können den Roboter dem Patienten übergeben und er kann rund um die Uhr unermüdlich arbeiten. Es ermöglicht einem Therapeuten, viele Patienten an einem Tag zu behandeln. Anstatt beim Patienten sitzen zu müssen, während er zehn Wiederholungen durchführt, kann ein Roboter dies präzise tun.

Es ist ein Hilfsmittel, wie wenn mir mein Arzt ein Blutdruckmessgerät gibt, das er von zu Hause aus überwachen kann, sodass der Arzt nicht jeden Tag kommen muss, um meinen Druck zu überprüfen. In ähnlicher Weise wird dies dem Therapeuten und dem Patienten helfen. Die Versicherung deckt im Laufe des Jahres nur eine begrenzte Anzahl von Physiotherapiebesuchen ab. Der Roboter ermöglicht es dem Patienten jedoch, den Anweisungen des Therapeuten zeitlich unbegrenzt zu folgen.

Technische Kurzinformationen: Wer würde in Zukunft für die Maschine bezahlen? Wäre es durch eine Versicherung abgedeckt?

Rahman: Ich bin mir sicher, dass die Versicherung dafür aufkommen wird, denn heutzutage deckt die Versicherung Mietverträge für Continuous Passive Motion (CPM)-Maschinen ab, sofern diese medizinisch gerechtfertigt sind. Aber sie geben dir nur Wiederholungen, sonst nichts. Der Roboter macht es schlau. Da CPM-Maschinen abgedeckt sind, gehen wir davon aus, dass auch der Roboter abgedeckt sein wird, da er genau wie ein CPM ist, jedoch über erweiterte Funktionen verfügt. Ein Patient müsste den Roboter nicht kaufen; es wäre nur eine Vermietung.

Technische Kurzinformationen: Wo stehen Sie in Bezug auf die Kommerzialisierung?

Rahman: Wir führen jetzt Experimente mit echten Schlaganfallopfern durch. Ich habe letztes Jahr ein Startup gegründet und wir arbeiten jetzt mit ein paar anderen Leuten zusammen, die uns bei der Kommerzialisierung des Geräts helfen. Es gibt noch ein paar Dinge, die noch erledigt werden müssen. Wir könnten ihn jetzt nur als Roboter für Forschungszwecke verkaufen, aber wenn wir ihn in einer klinischen Heimumgebung verwenden wollen, müssen wir die FDA-Zulassung erhalten, was ein bis zwei Jahre dauern könnte.

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