طرف روبوتي مرن يمكن ارتداؤه لمرضى السكتة الدماغية المزمنة

Summary

يقدم هذا البروتوكول طرفا روبوتيا فائضا مرنا يمكن ارتداؤه مصمما للمساعدة في إعادة تأهيل الأصابع لمرضى السكتة الدماغية. يشتمل التصميم على مستشعر الانحناء لتسهيل التفاعل السلس بين الإنسان والروبوت. يؤكد التحقق من الصحة من خلال التجارب التي تشمل كلا من المتطوعين الأصحاء ومرضى السكتة الدماغية على فعالية وموثوقية الدراسة المقترحة.

Abstract

في هذه الدراسة ، نقدم طرفا روبوتيا فائقا مرنا يمكن ارتداؤه يساعد مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع وحركات الإمساك. يستمد تصميم هذا الطرف المبتكر الإلهام من ثني العضلات الهوائية والخصائص الفريدة لطرف جذع. إنه يركز بشدة على العوامل الحاسمة مثل البناء خفيف الوزن ، والسلامة ، والامتثال ، والعزل المائي ، وتحقيق نسبة عالية من الإنتاج إلى الوزن / الضغط. يمكن الهيكل المقترح الطرف الآلي من أداء كل من الإمساك بالمغلف وأطراف الأصابع. يتم تسهيل التفاعل بين الإنسان والروبوت من خلال مستشعر الانحناء المرن ، واكتشاف حركات أصابع مرتديها وربطها بالتحكم في الحركة عبر طريقة تجزئة العتبة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن النظام محمول للاستخدام اليومي متعدد الاستخدامات. للتحقق من فعالية هذا الابتكار ، تم إجراء تجارب في العالم الحقيقي شملت ستة مرضى بالسكتة الدماغية المزمنة وثلاثة متطوعين أصحاء. تشير التعليقات الواردة من خلال الاستبيانات إلى أن الآلية المصممة تحمل وعدا هائلا في مساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في أنشطتهم اليومية ، مما قد يؤدي إلى تحسين نوعية حياتهم ونتائج إعادة التأهيل.

Introduction

وفقا للبحث السابق¹ ، اعتبارا من عام 2019 ، كان هناك أكثر من 100 مليون حالة من السكتة الدماغية في جميع أنحاء العالم. ما يقرب من ثلثي هذه الحالات أدت إلى عقابيل شلل نصفي ، وأكثر من 80 ٪ من مرضى السكتة الدماغية النصفية الشديدة لم يتمكنوا من استعادة وظيفة اليد والذراع بشكل كامل². علاوة على ذلك ، من المتوقع أن يستمر شيخوخة السكان في النمو في العقود القادمة ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في عدد ضحايا السكتة الدماغية المحتملين. يمكن أن تؤثر إعاقات الأطراف العلوية المستمرة بعد السكتة الدماغية بشكل كبير على أنشطة الحياة اليومية (ADLs) ، وقد تم الاعتراف سريريا بإعادة تأهيل اليد كهدف حاسم لتعزيز نشاط ومشاركة مرضى السكتة الدماغية المزمنة³.

يمكن أن توفر أجهزة الأطراف العلوية الروبوتية التقليدية التي تعمل بمحركات قوة دافعة كبيرة ، لكن هياكلها الصلبة غالبا ما تترجم إلى أحجام كبيرة وأوزان عالية. علاوة على ذلك ، فإنها تشكل خطر التسبب في ضرر لا رجعة فيه لجسم الإنسان إذا تعطلت. في المقابل ، أظهرت المحركات الهوائية اللينة إمكانات كبيرة في إعادة التأهيل⁴ ، والمساعدة⁵ ، والتطبيقات الجراحية⁶. تشمل مزاياها السلامة والبناء خفيف الوزن والامتثال المتأصل.

في السنوات الأخيرة ، ظهرت العديد من الروبوتات المرنة القابلة للارتداء وصممت وطورت حول مشغلات تعمل بالهواء المضغوط الناعم. تم تصميم هذه الروبوتات لإعادة التأهيل والمساعدة بعد إعادة التأهيل للأطراف العلوية لمرضى السكتة الدماغية. وهي تشمل في المقام الأول الهياكل الخارجية لليد^7,8 ، والأطراف الزائدة ^9,10. على الرغم من أن كلاهما يستخدم في مجالات الروبوتات القابلة للارتداء وإعادة التأهيل ، إلا أن الأول يتفاعل بشكل مباشر مع جسم الإنسان ، مما قد يقيد العضلات أو المفاصل ، بينما يكمل الأخير مساحة العمل البشرية أو الحركة دون قيود مباشرة^11,12. تم تطوير أصابع روبوتية زائدة يمكن ارتداؤها تعتمد على محركات مؤازرة لمساعدة المعالجين المهنيين في أنشطة تدريب الحياة اليومية (ADLs)⁹. يمكن العثور على نهج مماثل في أبحاث أخرى¹⁰. أدخلت هاتان الفئتان من الأصابع الروبوتية إمكانيات جديدة لتطبيق مثل هذه الروبوتات في مساعدة إعادة تأهيل مرضى شلل نصفي. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الهيكل الصلب المستخدم في هذه التصميمات الروبوتية قد يقدم اعتبارات محتملة فيما يتعلق براحة المستخدم وسلامته. تم تقديم تصميم وتصنيع وتقييم قفاز روبوتي ناعم يمكن ارتداؤه¹³ ، والذي يمكن استخدامه لإعادة تأهيل اليد والتدريب الخاص بالمهمة أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). يستخدم القفاز مشغلات هوائية ناعمة مصنوعة من اللدائن المصنوعة من السيليكون لتوليد حركة مفصل الإصبع ، والجهاز متوافق مع التصوير بالرنين المغناطيسي دون التسبب في حدوث قطع أثرية في صور الرنين المغناطيسي الوظيفي. قدم Yun et al. Exo-Glove PM ، وهو قفاز مساعد هوائي ناعم قابل للتخصيص يستخدم نهجا قائما على التجميع¹⁴. يتميز هذا التصميم المبتكر بوحدات صغيرة ومسافات قابلة للتعديل بينها ، مما يسمح للمستخدمين بتخصيص القفاز بناء على طول الكتائب باستخدام الفواصل. يعمل هذا النهج على زيادة الراحة والأداء دون الحاجة إلى التصنيع المخصص. قدم الباحثون مشغلات ناعمة تتكون من مواد مرنة مع قنوات متكاملة تعمل كشبكات هوائية¹⁵. تولد هذه المشغلات حركات انحناء تتوافق بأمان مع حركات الأصابع البشرية. بالإضافة إلى ذلك ، قدم الباحثون AirExGlove ، وهو جهاز هيكل خارجي ناعم خفيف الوزن وقابل للتكيف¹⁶. هذا النظام فعال من حيث التكلفة وقابل للتخصيص لأحجام اليد المختلفة ، وقد نجح في استيعاب المرضى الذين يعانون من مستويات متفاوتة من التشنج العضلي. إنه يوفر حلا أكثر راحة ومرونة مقارنة بالأنظمة الروبوتية المرتبطة بالصلبة. في حين أن هذه الدراسات قدمت مساهمات كبيرة في تطوير إعادة تأهيل اليد المرنة القابلة للارتداء والروبوتات المساعدة ، تجدر الإشارة إلى أن أيا منها لم يحقق قابلية كاملة والتحكم في التفاعل بين الإنسان والروبوت.

استكشفت العديد من الدراسات العلاقة بين الإشارات البيولوجية ، مثل مخطط كهربية الدماغ (EEG) ¹⁷ أو إشارات مخطط كهربية العضل (EMG)¹⁸ ، والنية البشرية. ومع ذلك ، فإن كلا النهجين لهما قيود معينة ضمن قيود الأجهزة الحالية والظروف التكنولوجية. تتطلب الأقطاب الكهربائية الغازية إجراءات جراحية على جسم الإنسان ، بينما تعاني الأقطاب الكهربائية غير الغازية من مشاكل مثل مستويات الضوضاء العالية وعدم الموثوقية في اكتساب الإشارة. يمكن العثور على مناقشات مفصلة لهذه القيود في الأدبيات^19،20. لذلك ، فإن متابعة البحث في قابلية النقل وقدرات التفاعل بين الإنسان والآلة سهلة الاستخدام للأطراف الروبوتية المرنة القابلة للارتداء لا تزال ذات أهمية كبيرة.

في هذه الدراسة ، تم تصميم وتصنيع طرف روبوتي مرن فريد يمكن ارتداؤه لمساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع والمساعدة في الإمساك بها. يتميز هذا الطرف الآلي بخفة وزنه ، والسلامة ، والامتثال ، والعزل المائي ، ونسبة الإخراج إلى الوزن / الضغط المثيرة للإعجاب. تم تحقيق وضعين للإمساك ، المغلف والإمساك بأطراف الأصابع ، مع الحفاظ على قابلية النقل وضمان تفاعل سهل الاستخدام بين الإنسان والروبوت. يفصل البروتوكول عملية تصميم وتصنيع القابض الهوائي والمخطط القابل للارتداء. بالإضافة إلى ذلك ، تم اقتراح طريقة تفاعل بين الإنسان والروبوت تعتمد على مستشعرات الانحناء المرنة ، مما يسمح بالتحكم المريح وسهل الاستخدام من خلال تجزئة العتبة. تم التحقق من صحة كل هذه الجوانب من خلال التجارب العملية.

تم تلخيص المساهمات الرئيسية لهذه الدراسة على النحو التالي: (1) تم تصميم وتصنيع طرف روبوتي مرن خفيف الوزن وودود ويمكن ارتداؤه لمرضى السكتة الدماغية المزمنة. (2) تم تحقيق طريقة موثوقة للتفاعل بين الإنسان والروبوت بناء على مستشعرات الانحناء المرنة. (3) أجريت تجارب في العالم الحقيقي للتحقق من فعالية وموثوقية الآلية والطريقة المقترحة ، والتي تشمل اختبار قوة الإخراج وتشمل ستة مرضى بالسكتة الدماغية المزمنة.

Protocol

تمت الموافقة على هذا البروتوكول من قبل مجلس مراجعة الأخلاقيات في مستشفى الاتحاد ، كلية تونغجي الطبية ، جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا. واختير المرضى الذين يعانون من اضطرابات وظيفية في الأطراف العلوية والذين يستوفون معايير التشخيص ويتلقون العلاج في قسم إعادة التأهيل في قسم إعادة التأهيل في وحدات العيادات الخارجية والمرضى الداخليين في مستشفى صاحب البلاغ كمشاركين. تم تقييم استعادة الوظيفة الحركية للمرضى وفقا لمراحل تعافي برونستروم²¹ ، وتم اختيار المرضى في المراحل 3-5 للمشاركة في التجارب. تم الحصول على موافقة خطية مستنيرة من المرضى الذين شاركوا في الدراسة. يتضمن الإجراء تصميم القالب للقابض الهوائي ، وعملية تصنيع القابض الهوائي على أساس مطاط السيليكون المعالج ، وتكامل الأجهزة المحمولة ، وتنفيذ البرامج والأجهزة للكشف عن نية الفهم. باستثناء مطاط السيليكون والأقمشة الشائعة ، يتم إنتاج جميع المكونات القابلة للارتداء باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (انظر ملفات الترميز التكميلية 1-5).

1. تصميم وتصنيع القابض الهوائي

1. قم بتجميع القالب^{المصمم مسبقا 22} كما هو موضح في الشكل 1 أ ، ب. ثم استخدم الغراء الذائب الساخن لتأمين الألياف الزجاجية في المواضع المحددة في القالب ، كما هو موضح في الشكل 1C. تأكد من استخدام الغراء الذائب الساخن لإغلاق أي مناطق محتملة قد تسبب تسرب السيليكون.
2. قم بوزن كمية مناسبة من المكون A والمكون B من مطاط السيليكون (9: 1 بالوزن) (انظر جدول المواد) ، واخلطهما بالنسب المحددة. بعد الخلط ، استخدم آلة خلط وتفريغ الفراغ بقوة طرد مركزي متغيرة ، يحددها البرنامج الداخلي المحدد مسبقا للآلة. بمجرد أن يصبح الخليط جاهزا ، قم بحقنه على الفور في القالب المجمع ، كما هو موضح في الشكل 1 د.
   ملاحظة: يتم التحكم في قوة الطرد المركزي المتغيرة بواسطة آلة الخلط والتفريغ بالفراغ من خلال برنامجها الداخلي المحدد مسبقا (انظر جدول المواد). يجب زيادة قوة الطرد المركزي بشكل تدريجي لضمان الخلط الشامل لمطاط السيليكون وإزالة أي فقاعات هواء محاصرة.
3. اترك القالب لمدة 30 ثانية تقريبا ، ثم ضعه في مجفف فراغ لمدة 1 دقيقة لتمكين أي فقاعات هواء صغيرة في مطاط السيليكون من الهروب. قم بإزالة القالب من المجفف وضعه ككل في غرفة ثرموستاتية مضبوطة على 30 درجة مئوية لمدة 12 ساعة ، مما يسمح لمطاط السيليكون بالمعالجة.
4. كرر الخطوات الموضحة في الخطوة الثانية عن طريق حقن مطاط السيليكون المختلط في القالب الموضح في الشكل 1E. بعد ذلك ، ضع الجسم المطاطي المفكك الموضح في الشكل 1F في القالب المملوء بمطاط السيليكون. ضع المجموعة بأكملها في غرفة ثرموستاتية مضبوطة على 30 درجة مئوية لمدة 12 ساعة للسماح لمطاط السيليكون بالمعالجة.
5. قم بإزالة جسم مطاط السيليكون المعالج من القالب وقم بإزالة أي مطاط سيليكون زائد. اكتمل الآن تصنيع القابض المرن.
   ملاحظة: يتكون التجويف من مجموعتين من الشبكات الهوائية المستقلة عن بعضها البعض. نظرا للاختلاف الكبير في معامل المرونة بين الألياف الزجاجية والهيكل المموج ، ينحني القابض الهوائي إلى الداخل عند نفخه ، مما يسمح بإجراءات الإمساك بالمغلف. تم تصميم طرف الإصبع مع نتوء يشبه جذع ، مما يتيح إجراءات الإمساك بأطراف الأصابع.

2. تجميع الطرف الروبوتي المرن القابل للارتداء

ملاحظة: يشتمل الطرف الروبوتي الزائد القابل للارتداء على مضخة هواء صغيرة ، وصمامات هواء ، وكمبيوتر صغير أحادي الشريحة ، وقابض هوائي ، ومصدر طاقة ، وأجهزة استشعار ثني مرنة ، وقفاز يمكن ارتداؤه ، وملحقات للتوصيلات الهوائية والكهربائية (انظر جدول المواد) ، كما هو موضح في الشكل 2.

1. اصنع القفاز القابل للارتداء بدقة بمساعدة خياط. تأكد من أنه يخضع لتكرارات وتحسينات متعددة بناء على ملاحظات مرتديها وتجربة الخياط.
2. قم بتأمين القابض الهوائي بأجزاء مطبوعة 3D وإرفاقه بالموضع المناسب على القفاز باستخدام شريط لاصق.
3. قم بتضمين ثلاثة مستشعرات ثني مرنة (انظر جدول المواد) كما هو موضح في الشكل 3 في القفاز. ضعها على السبابة والوسطى والبنصر ، على التوالي ، مع محاذاتها مع مؤخرة الأصابع. استخدم بطاقة الحصول على البيانات لتسجيل الإشارات من أجهزة الاستشعار.
4. قم بتضخيم إشارات المستشعر وتوجيهها إلى Arduino (انظر جدول المواد). قم بمعالجة هذه الإشارات باستخدام نافذة منزلقة وتصفية المربعات الصغرى داخل Arduino²³. استخدم هذه القيم المقدرة كبيانات أساسية لاكتشاف النية.
5. ضع مكونات مثل مضخة الهواء وصمامات الهواء ولوحة التحكم ومصدر الطاقة في حقيبة ظهر لسهولة النقل. ارجع إلى الشكل 4 للحصول على تمثيل مرئي لتأثير التآكل.

3. الكشف عن نية الإمساك

ملاحظة: عندما تولد أصابع مرتديها حركة ، تتغير إشارة ملاحظات المستشعر وفقا لذلك. وهو يعمل عن طريق زيادة المقاومة في الدائرة حيث ينحني المكون أكثر. يوضح الشكل 5 قيم الإشارة المسجلة لمستشعر الانحناء المرن أثناء حركة إصبع أحد المتطوعين. تتوافق المنحنيات الثلاثة مع الإشارات التي تم الحصول عليها من أجهزة الاستشعار الموضوعة على الأصابع الثلاثة. غالبا ما يكون لدى المرضى الذين يعانون من شلل نصفي حركة إصبع محدودة ، لكن المستشعر قادر على اكتشاف تغييرات كبيرة.

1. اجمع البيانات حول نطاق ونمط تغييرات المستشعر أثناء حركات الأصابع. حدد قيم العتبة المناسبة بناء على سعة المستشعر المكتشفة للتحكم في تنشيط المضخة. اطلب من المشاركين تحريك أصابعهم بحرية ضمن نطاق قدراتهم. حدد قيم العتبة كمتوسطات قيم الذروة والوادي لردود فعل المستشعر.
   ملاحظة: عندما تتجاوز إشارة المستشعر قيمة العتبة المحددة ، تبدأ المضخة في العمل. يزداد ضغط الهواء مع انحناء الأصابع أكثر. على العكس من ذلك ، عندما تنخفض زاوية انحناء الأصابع ، ويكتشف المستشعر إشارة أقل من العتبة ، يقوم صمام الهواء بتحرير الضغط إلى الصفر ، ويتم إطلاق القابض الهوائي.
2. اطلب من المستخدم مراقبة حالة القابض الهوائي وتحديد الوقت المناسب للتوقف عن نفخ الهواء والتوقف عن ثني الإصبع.
3. كرر الاختبارات المذكورة أعلاه لتحديد عتبة معقولة والتعرف على استخدام هذا الجهاز.

4. اختبار الجهاز مع متطوعين أصحاء

1. قم بتجنيد ثلاثة متطوعين أصحاء يتمتعون بقدرات حركية طبيعية للأطراف العلوية للدراسة لتأكيد تأثيرات التآكل والإمساك بالنموذج الأولي.
2. اضبط الحد الأقصى لضغط الهواء للقابض الهوائي على 100 كيلو باسكال. اطلب من المشاركين ثني أصابعهم وتمديدها. اطلب من المشاركين ارتداء النموذج الأولي وإجراء تجارب الإمساك والإطلاق على أشياء ذات أشكال مختلفة باستخدام الطريقة المذكورة سابقا.
3. اطلب تعليقات من مرتديها فيما يتعلق بتجربتهم واضبط نظام الارتداء بناء على اقتراحاتهم.
   ملاحظة: كما هو موضح في الشكل 6 ، نجح المشاركون في تغليف واستيعاب أشياء أسطوانية بأحجام مختلفة باستخدام النموذج الأولي. بالإضافة إلى ذلك ، أكملوا أيضا مهام الإمساك بأطراف الأصابع على أشياء مستطيلة الشكل على شكل كتلة.

5. إعادة التأهيل وفهم المساعدة للمرضى

1. تقييم استعادة الوظيفة الحركية للمرضى وفقا لمراحل التعافي برونستروم²¹ من قبل المهنيين الطبيين. اسمح فقط للمرضى في المراحل 3-5 بالمشاركة في التجارب للتدريب على إعادة التأهيل أو المساعدة اليومية.
2. قم بتجنيد ستة مرضى مزمنين يعانون من شلل نصفي للتحقق من موثوقية وفعالية النموذج الأولي. اطلب من المرضى ارتداء القفاز بشكل مستقل (باستثناء حقيبة الظهر) وتحريك أصابعهم ضمن نطاق قدرتهم على معايرة قيم العتبة.
3. خلال مرحلة إعادة التأهيل ، شجع المرضى على الانخراط في مهام الإمساك المختلفة لتمرين عضلات أصابعهم. اطلب من المرضى الجلوس على حافة الطاولة واستخدام النموذج الأولي لأداء سلسلة من أنشطة الإمساك ، بما في ذلك الإمساك بزجاجة ماء وموز ومكعب وفرشاة أسنان.
4. اطلب من المرضى إكمال استبيانات المسح ذات الصلة (الملف التكميلي 1) بناء على تجاربهم الشخصية بعد التجربة. تقييم المشاعر الذاتية الستة التالية: الثقة في وظيفة النظام ؛ سهولة الاستعمال؛ الراحة والراحة في ارتدائه ؛ فعالية وفائدة إعادة التأهيل ؛ الفعالية والفائدة في الحياة اليومية ؛ المجالات التي لا تزال بحاجة إلى تحسين.
5. قيم إجاباتهم على مقياس من 1 إلى 5 ، حيث يمثل 1 لا أوافق بشدة و 5 يمثل موافق بشدة. تسجيل البيانات وتحليل المشكلات المتعلقة بالنموذج الأولي والمجالات المحتملة للتحسين بناء على الاستبيان.
   ملاحظة: هذا لا يضيف اهتماما إلى تدريب إعادة التأهيل فحسب ، بل يعزز أيضا رغبة المريض في المشاركة في عملية الشفاء. في الحالات التي وصل فيها المرضى إلى حالة مستقرة ولكنهم ما زالوا يكافحون لأداء مهام الإمساك بأصابعهم ، يمكن أن يساعد استخدام الطرف الآلي في تنفيذ بعض إجراءات الإمساك اليومية المطلوبة للحياة اليومية.

النتائج

تجارب قوة الإخراج
يصور الشكل 7 بوضوح التصميم الهيكلي وأبعاد المشغل الخاص بنا ، مما يوفر توضيحا مقطعيا. يتكون هذا المشغل من مجموعتين متميزتين من الغرف ، تحتوي كل منهما على خمس غرف هواء منحنية بأناقة. بشكل ملحوظ ، في نهاية المشغل ، قمنا بدمج هيكل بارز ببراعة ، يذكرن...

Discussion

تقدم هذه الدراسة طرفا روبوتيا مبتكرا ومرنا ويمكن ارتداؤه مصمما لمساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع ومهام الإمساك. يعطي هذا النظام الروبوتي الأولوية لقابلية النقل ويوفر وظائف الإمساك بالمغلف والإمساك بأطراف الأصابع. وهو يشتمل على مستشعر ثني مرن للتحكم في التفاعل ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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