Una extremidad robótica supernumeraria portátil y flexible para pacientes con accidente cerebrovascular crónico

Resumen

Este protocolo presenta una extremidad robótica supernumeraria portátil y flexible diseñada para ayudar en la rehabilitación de los dedos de los pacientes con accidente cerebrovascular. El diseño incorpora un sensor de flexión para facilitar la interacción fluida entre humanos y robots. La validación a través de experimentos con voluntarios sanos y pacientes con accidente cerebrovascular subraya la eficacia y fiabilidad del estudio propuesto.

Resumen

En este estudio, presentamos una extremidad robótica supernumeraria portátil flexible que ayuda a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico con la rehabilitación de los dedos y los movimientos de agarre. El diseño de esta innovadora extremidad se inspira en la flexión de los músculos neumáticos y en las características únicas de la punta de la trompa de un elefante. Pone un fuerte énfasis en factores cruciales como la construcción liviana, la seguridad, el cumplimiento, la impermeabilidad y el logro de una alta relación rendimiento-peso/presión. La estructura propuesta permite que la extremidad robótica realice tanto el agarre de la envoltura como la punta de los dedos. La interacción humano-robot se facilita a través de un sensor de flexión flexible, que detecta los movimientos de los dedos del usuario y los conecta al control de movimiento a través de un método de segmentación de umbral. Además, el sistema es portátil para un uso diario versátil. Para validar la eficacia de esta innovación, se llevaron a cabo experimentos en el mundo real en los que participaron seis pacientes con ictus crónico y tres voluntarios sanos. Los comentarios recibidos a través de cuestionarios indican que el mecanismo diseñado es muy prometedor para ayudar a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico con sus actividades diarias de agarre, lo que podría mejorar su calidad de vida y los resultados de la rehabilitación.

Introducción

Según investigaciones anteriores¹, en 2019 se registraron más de 100 millones de casos de accidente cerebrovascular en todo el mundo. Aproximadamente dos tercios de estos casos resultaron en secuelas hemipléjicas, y más del 80% de los pacientes con accidente cerebrovascular hemipléjico grave no pudieron recuperar completamente la función de la mano y el brazo². Además, se espera que el envejecimiento de la población siga creciendo en las próximas décadas, lo que conducirá a un aumento significativo en el número de posibles víctimas de accidentes cerebrovasculares. Las deficiencias persistentes de las extremidades superiores después de un accidente cerebrovascular pueden afectar significativamente las actividades de la vida diaria (AVD), y la rehabilitación de la mano se ha reconocido clínicamente como un objetivo crítico para mejorar la actividad y la participación de los pacientes con accidente cerebrovascular crónico³.

Los dispositivos robóticos tradicionales de las extremidades superiores accionados por motor pueden proporcionar una fuerza motriz sustancial, pero sus estructuras rígidas a menudo se traducen en grandes tamaños y pesos elevados. Además, suponen el riesgo de causar daños irreversibles al cuerpo humano si no funcionan correctamente. Por el contrario, los actuadores neumáticos blandos han demostrado un potencial considerable en la rehabilitación⁴, la asistencia⁵ y las aplicaciones quirúrgicas⁶. Sus ventajas incluyen seguridad, construcción liviana y cumplimiento inherente.

En los últimos años, han surgido numerosos robots portátiles flexibles, diseñados y desarrollados en torno a actuadores neumáticos blandos. Estos robots han sido destinados a la rehabilitación y asistencia post-rehabilitación de las extremidades superiores de los pacientes con ictus. Abarcan principalmente los exoesqueletos de las manos^7,8 y las extremidades supernumerarias ^9,10. Aunque ambos se utilizan en los campos de la robótica portátil y la rehabilitación, el primero interactúa directamente con el cuerpo humano, lo que puede restringir los músculos o las articulaciones, mientras que el segundo complementa el espacio de trabajo o el movimiento humano sin restricciones directas^11,12. Se desarrollaron dedos robóticos supernumerarios portátiles basados en servomotores para ayudar a los terapeutas ocupacionales en la formación en actividades de la vida diaria (AVD)⁹. Un enfoque similar se puede encontrar en otras investigaciones¹⁰. Estas dos categorías de dedos robóticos han introducido nuevas posibilidades para la aplicación de dichos robots en la asistencia a la rehabilitación de pacientes hemiparéticos. No obstante, vale la pena señalar que la estructura rígida empleada en estos diseños robóticos puede introducir posibles consideraciones con respecto a la comodidad y seguridad del usuario. Se presentó el diseño, la fabricación y la evaluación de un guante robótico blando y portátil¹³, que se puede utilizar para la rehabilitación de la mano y el entrenamiento de tareas específicas durante la resonancia magnética funcional (fMRI). El guante utiliza actuadores neumáticos blandos hechos de elastómeros de silicona para generar el movimiento de la articulación de los dedos, y el dispositivo es compatible con RM sin causar artefactos en las imágenes de resonancia magnética funcional. Yun et al. introdujeron el Exo-Glove PM, un guante de asistencia neumático suave personalizable que utiliza un enfoque basado en el ensamblaje¹⁴. Este innovador diseño cuenta con pequeños módulos y distancias ajustables entre ellos, lo que permite a los usuarios personalizar el guante en función de la longitud de su falange mediante espaciadores. Este enfoque maximiza la comodidad y el rendimiento sin necesidad de fabricación personalizada. Los investigadores presentaron actuadores blandos compuestos de materiales elastoméricos con canales integrados que funcionan como redes neumáticas¹⁵. Estos actuadores generan movimientos de flexión que se ajustan de forma segura a los movimientos de los dedos humanos. Además, los investigadores presentaron el AirExGlove, un dispositivo de exoesqueleto blando inflable ligero y adaptable¹⁶. Este sistema es rentable, personalizable para diferentes tamaños de mano y se ha adaptado con éxito a pacientes con diferentes niveles de espasticidad muscular. Ofrece una solución más ergonómica y flexible en comparación con los sistemas robóticos de enlace rígido. Si bien estos estudios han hecho contribuciones significativas al desarrollo de robots flexibles de rehabilitación y asistencia de manos portátiles, vale la pena señalar que ninguno de ellos ha logrado una portabilidad completa y un control completo de la interacción humano-robot.

Numerosos estudios han explorado la correlación entre las señales biológicas, como las señales del electroencefalograma (EEG)¹⁷ o del electromiograma (EMG)¹⁸, y la intención humana. Sin embargo, ambos enfoques tienen ciertas limitaciones dentro de las limitaciones de los dispositivos y las condiciones tecnológicas existentes. Los electrodos invasivos requieren procedimientos quirúrgicos en el cuerpo humano, mientras que los electrodos no invasivos sufren problemas como altos niveles de ruido y falta de fiabilidad en la adquisición de señales. En la literatura se pueden encontrar discusiones detalladas sobre estas limitaciones ^19,20. Por lo tanto, la búsqueda de la investigación sobre la portabilidad y las capacidades de interacción hombre-máquina fáciles de usar de las extremidades robóticas supernumerarias portátiles flexibles sigue siendo muy relevante.

En este estudio, se diseñó y fabricó una extremidad robótica supernumeraria única y flexible para ayudar a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico en la rehabilitación de los dedos y la asistencia de agarre. Esta extremidad robótica se caracteriza por su ligereza, seguridad, cumplimiento, impermeabilidad y una impresionante relación rendimiento-peso/presión. Se han logrado dos modos de agarre, envolvente y agarre con la punta de los dedos, manteniendo la portabilidad y asegurando una interacción humano-robot fácil de usar. El protocolo detalla el proceso de diseño y fabricación de la pinza neumática y el esquema de wearable. Además, se ha propuesto un método de interacción hombre-robot basado en sensores de flexión flexibles, que permite un control cómodo y fácil de usar a través de la segmentación de umbrales. Todos estos aspectos han sido validados a través de experimentos prácticos.

Las principales contribuciones de este estudio se resumen de la siguiente manera: (1) Se ha diseñado y fabricado una extremidad robótica supernumeraria flexible liviana, amigable y portátil para pacientes con accidente cerebrovascular crónico. (2) Se ha realizado un método confiable de interacción humano-robot basado en sensores de flexión flexibles. (3) Se han llevado a cabo experimentos en el mundo real para verificar la eficacia y fiabilidad del mecanismo y método propuestos, que incluyen pruebas de fuerza de salida e involucran a seis pacientes con accidente cerebrovascular crónico.

Protocolo

Este protocolo ha sido aprobado por la Junta de Revisión de Ética del Hospital Union, Facultad de Medicina de Tongji, Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong. Se seleccionaron como participantes pacientes con trastornos funcionales de miembros superiores que cumplían los criterios diagnósticos y recibían tratamiento en las unidades de consulta externa y hospitalización del departamento de rehabilitación del hospital del autor. La recuperación de la función motora de los pacientes se evaluó de acuerdo con las etapas de recuperación de Brunnstrom²¹, y los pacientes en las etapas 3-5 fueron elegidos para participar en los experimentos. Se obtuvo el consentimiento informado por escrito de los pacientes que participaron en el estudio. El procedimiento incluye el diseño del molde para la pinza neumática, el proceso de fabricación de la pinza neumática basada en caucho de silicona curado, la integración de dispositivos portátiles y la implementación de software y hardware para la detección de la intención de agarre. A excepción del caucho de silicona y las telas comunes, todos los componentes portátiles se producen utilizando tecnología de impresión 3D (consulte los archivos de codificación suplementarios 1-5).

1. Diseño y fabricación de la pinza neumática

1. Ensamble el molde^{prediseñado 22} como se muestra en la Figura 1A, B. Luego use pegamento termofusible para asegurar las fibras de vidrio en las posiciones designadas en el molde, como se muestra en la Figura 1C. Asegúrese de usar pegamento termofusible para sellar cualquier área potencial que pueda causar fugas de silicona.
2. Pesar una cantidad adecuada del Componente A y el Componente B del elastómero de silicona (9:1 en peso) (consulte la Tabla de materiales) y mezclarlos en la proporción especificada. Después de mezclar, utilice una máquina mezcladora y desgasificadora al vacío con una fuerza centrífuga variable, determinada por el programa interno preestablecido de la máquina. Una vez que la mezcla esté lista, inyéctela rápidamente en el molde ensamblado, como se ilustra en la Figura 1D.
   NOTA: La fuerza centrífuga variable es controlada por la máquina mezcladora y desgasificadora al vacío a través de su programa interno preestablecido (consulte la Tabla de materiales). La fuerza centrífuga debe aumentarse gradualmente para garantizar una mezcla completa del caucho de silicona y la eliminación de las burbujas de aire atrapadas.
3. Deje reposar el molde durante aproximadamente 30 segundos, luego colóquelo en una secadora al vacío durante aproximadamente 1 minuto para permitir que escapen las pequeñas burbujas de aire en el caucho de silicona. Retire el molde de la secadora y colóquelo entero en una cámara termostática a 30 °C durante 12 h, dejando que el caucho de silicona se cure.
4. Repita los pasos descritos en el segundo paso inyectando el caucho de silicona mezclado en el molde que se muestra en la Figura 1E. A continuación, coloque el cuerpo de caucho desmoldeado que se muestra en la Figura 1F en el molde lleno de caucho de silicona. Coloque todo el conjunto en una cámara termostática ajustada a 30 °C durante 12 h para permitir que el caucho de silicona se cure.
5. Retire el cuerpo de caucho de silicona curado del molde y recorte el exceso de caucho de silicona. La fabricación de la pinza flexible ya está completa.
   NOTA: La cavidad consta de dos conjuntos de rejillas neumáticas, que son independientes entre sí. Debido a la diferencia significativa en el módulo elástico entre las fibras de vidrio y la estructura corrugada, la pinza neumática se dobla hacia adentro cuando se infla, lo que permite acciones de agarre de la envoltura. La punta del dedo está diseñada con una protuberancia que se asemeja a la trompa de un elefante, lo que permite realizar acciones de agarre con la punta de los dedos.

2. Montaje de la extremidad robótica supernumeraria flexible portátil

NOTA: La extremidad robótica supernumeraria portátil incluye una mini bomba de aire, válvulas de aire, una microcomputadora de un solo chip, pinza neumática, fuente de alimentación, sensores de flexión flexibles, un guante portátil y accesorios para conexiones neumáticas y eléctricas (consulte la Tabla de materiales), como se muestra en la Figura 2.

1. Elabora meticulosamente a mano el guante portátil con la ayuda de un sastre. Asegúrese de que se someta a múltiples iteraciones y mejoras en función de los comentarios de los usuarios y la experiencia del sastre.
2. Asegure la pinza neumática con piezas impresas en 3D y fíjela a la posición adecuada en el guante con cinta adhesiva.
3. Incruste tres sensores de flexión flexibles (consulte la Tabla de materiales) como se muestra en la Figura 3 en el guante. Colócalos en los dedos índice, medio y anular, respectivamente, alineándolos con el dorso de los dedos. Utilice una tarjeta de adquisición de datos para registrar las señales de los sensores.
4. Amplifique las señales del sensor y diríjalas a un Arduino (consulte la tabla de materiales). Procese estas señales utilizando una ventana deslizante y filtrado de mínimos cuadrados dentro del Arduino²³. Utilice estos valores estimados como datos de referencia para la detección de intenciones.
5. Coloque componentes como la bomba de aire, las válvulas de aire, el tablero de control y la fuente de alimentación en una mochila para su portabilidad. Consulte la Figura 4 para obtener una representación visual del efecto de desgaste.

3. Detectar la intención de aferramiento

NOTA: Cuando los dedos del usuario generan movimiento, la señal de retroalimentación del sensor cambia en consecuencia. Funciona aumentando la resistencia en el circuito a medida que el componente se dobla más. La figura 5 muestra los valores de señal registrados del sensor de flexión flexible durante el movimiento de los dedos de un voluntario. Las tres curvas corresponden a las señales obtenidas de los sensores colocados en los tres dedos. Los pacientes con hemiparesia a menudo tienen una movilidad limitada de los dedos, pero el sensor es capaz de detectar cambios significativos.

1. Recopile datos sobre el alcance y el patrón de los cambios de sensor durante los movimientos de los dedos. Seleccione los valores de umbral adecuados en función de la amplitud del sensor detectado para controlar la activación de la bomba. Indique a los participantes que muevan los dedos libremente dentro de su rango de habilidad. Determine los valores de umbral como los promedios de los valores máximos y valles de la retroalimentación del sensor.
   NOTA: Cuando la señal del sensor supera el valor umbral establecido, la bomba comienza a funcionar. La presión del aire aumenta a medida que los dedos se doblan más. Por el contrario, cuando el ángulo de flexión de los dedos disminuye y el sensor detecta una señal por debajo del umbral, la válvula de aire libera la presión a cero y la pinza neumática se libera.
2. Pida al usuario que observe el estado de la pinza neumática y determine el momento adecuado para dejar de inflar el aire y dejar de doblar más los dedos.
3. Repita las pruebas anteriores para establecer un umbral razonable y familiarizarse con el uso de este dispositivo.

4. Probar el dispositivo con voluntarios sanos

1. Reclutar a tres voluntarios sanos con habilidades motoras normales en las extremidades superiores para el estudio con el fin de confirmar los efectos de desgaste y agarre del prototipo.
2. Ajuste la presión de aire máxima de la pinza neumática a 100 kPa. Indique a los participantes que flexionen y extiendan los dedos. Pida a los participantes que usen el prototipo y realicen experimentos de agarre y liberación en objetos de varias formas utilizando el método mencionado anteriormente.
3. Solicite comentarios de los usuarios con respecto a su experiencia y ajuste el esquema de uso en función de sus sugerencias.
   NOTA: Como se muestra en la Figura 6, los participantes envolvieron y agarraron con éxito objetos cilíndricos de diferentes tamaños utilizando el prototipo. Además, también completaron tareas de agarre con la punta de los dedos en objetos rectangulares en forma de bloque.

5. Rehabilitación y asistencia de agarre para pacientes

1. Evaluar la recuperación de la función motora de los pacientes según las etapas de recuperación de Brunnstrom²¹ por profesionales médicos. Solo permita que los pacientes en las etapas 3-5 participen en los experimentos para el entrenamiento de rehabilitación o la asistencia diaria.
2. Reclutar a seis pacientes hemiparéticos crónicos para validar la fiabilidad y eficacia del prototipo. Instruya a los pacientes para que usen el guante de forma independiente (excluyendo la mochila) y muevan los dedos dentro de su rango de capacidad para calibrar los valores umbral.
3. Durante la fase de rehabilitación, anime a los pacientes a realizar diversas tareas de agarre para ejercitar los músculos de los dedos. Haga que los pacientes se sienten en el borde de una mesa y usen el prototipo para realizar una serie de actividades de agarre, que incluyen agarrar una botella de agua, un plátano, un cubo y un cepillo de dientes.
4. Pida a los pacientes que completen cuestionarios de encuesta relevantes (Archivo Suplementario 1) basados en sus experiencias personales después del experimento. Evalúe los siguientes seis sentimientos subjetivos: confianza en el funcionamiento del sistema; facilidad de uso; conveniencia y comodidad de usarlo; eficacia y utilidad para la rehabilitación; eficacia y utilidad en la vida diaria; áreas que aún necesitan mejoras.
5. Califique sus respuestas en una escala del 1 al 5, donde 1 representa estar totalmente en desacuerdo y 5 representa estar totalmente de acuerdo. Registre los datos y analice los problemas con el prototipo y las posibles áreas de mejora en función del cuestionario.
   NOTA: Esto no solo agrega interés a la capacitación en rehabilitación, sino que también mejora la disposición del paciente para participar en el proceso de recuperación. En los casos en que los pacientes han alcanzado una condición estable pero aún tienen dificultades para realizar tareas de agarre con los dedos, el uso de la extremidad robótica puede ayudar a llevar a cabo ciertas acciones diarias de agarre requeridas para la vida cotidiana.

Resultados

Experimentos de fuerza de salida
La Figura 7 muestra vívidamente el diseño estructural y las dimensiones de nuestro actuador, proporcionando una ilustración de la sección transversal. Este actuador consta de dos conjuntos distintos de cámaras, cada una de las cuales contiene cinco cámaras de aire elegantemente curvadas. Sorprendentemente, en el extremo del actuador, hemos integrado ingeniosamente una estructura que sobresale, que recuerda a la punta de la trompa de ...

Discusión

Este estudio presenta una extremidad robótica supernumeraria innovadora, flexible y portátil diseñada para ayudar a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico en la rehabilitación de los dedos y en las tareas de agarre. Este sistema robótico prioriza la portabilidad y ofrece funcionalidades de agarre de envolvente y agarre con la punta de los dedos. Incorpora un sensor de flexión flexible para un control de la interacción hombre-máquina fácil de usar. Los experimentos de agarre estático validan las ca...

Materiales

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