Un membre robotique surnuméraire portable flexible pour les patients victimes d’un AVC chronique

Résumé

Ce protocole introduit un membre robotique surnuméraire portable flexible conçu pour aider à la rééducation des doigts chez les patients victimes d’un AVC. La conception intègre un capteur de flexion pour faciliter l’interaction homme-robot. La validation par le biais d’expériences impliquant à la fois des volontaires sains et des patients victimes d’un AVC souligne l’efficacité et la fiabilité de l’étude proposée.

Résumé

Dans cette étude, nous présentons un membre robotique surnuméraire portable flexible qui aide les patients victimes d’un AVC chronique à rééduquer leurs doigts et à effectuer des mouvements de préhension. Le design de ce membre innovant s’inspire de la flexion des muscles pneumatiques et des caractéristiques uniques de l’extrémité de la trompe d’un éléphant. Il met fortement l’accent sur des facteurs cruciaux tels que la construction légère, la sécurité, la conformité, l’étanchéité et l’obtention d’un rapport rendement/poids/pression élevé. La structure proposée permet au membre robotique d’effectuer à la fois la préhension de l’enveloppe et celle du bout des doigts. L’interaction homme-robot est facilitée par un capteur de flexion flexible, qui détecte les mouvements des doigts de l’utilisateur et les connecte au contrôle du mouvement via une méthode de segmentation de seuil. De plus, le système est portable pour une utilisation quotidienne polyvalente. Pour valider l’efficacité de cette innovation, des expériences réelles impliquant six patients victimes d’un AVC chronique et trois volontaires sains ont été menées. Les commentaires reçus par le biais de questionnaires indiquent que le mécanisme conçu est extrêmement prometteur pour aider les patients victimes d’un AVC chronique dans leurs activités quotidiennes de préhension, ce qui pourrait améliorer leur qualité de vie et les résultats de leur réadaptation.

Introduction

Selon des recherches antérieures¹, en 2019, il y avait plus de 100 millions de cas d’AVC dans le monde. Environ les deux tiers de ces cas ont entraîné des séquelles hémiplégiques, et plus de 80 % des patients ayant subi un AVC hémiplégique sévère n’ont pas pu récupérer complètement la fonction de la main et du bras². De plus, on s’attend à ce que la population vieillissante continue de croître au cours des prochaines décennies, ce qui entraînera une augmentation significative du nombre de victimes potentielles d’AVC. Les déficiences persistantes des membres supérieurs à la suite d’un AVC peuvent affecter considérablement les activités de la vie quotidienne (AVQ), et la rééducation de la main a été cliniquement reconnue comme un objectif essentiel pour améliorer l’activité et la participation des patients victimes d’un AVC chronique³.

Les dispositifs traditionnels de membres supérieurs robotisés à moteur peuvent fournir une force motrice substantielle, mais leurs structures rigides se traduisent souvent par de grandes tailles et des poids élevés. De plus, ils présentent le risque de causer des dommages irréversibles au corps humain s’ils devaient mal fonctionner. En revanche, les actionneurs pneumatiques souples ont démontré un potentiel considérable dans les applications de rééducation⁴, d’assistance⁵ et chirurgicales⁶. Leurs avantages incluent la sécurité, la construction légère et la conformité inhérente.

Ces dernières années, de nombreux robots portables flexibles ont vu le jour, conçus et développés autour d’actionneurs pneumatiques souples. Ces robots ont été conçus pour la rééducation et l’assistance post-rééducation des membres supérieurs des patients victimes d’un AVC. Ils englobent principalement les exosquelettes de la main^7,8 et les membres surnuméraires ^9,10. Bien que les deux soient utilisés dans les domaines de la robotique portable et de la rééducation, la première interagit directement avec le corps humain, contraignant potentiellement les muscles ou les articulations, tandis que la seconde complète l’espace de travail ou le mouvement humain sans contrainte directe^11,12. Des doigts robotiques surnuméraires portables basés sur des servomoteurs ont été mis au point pour aider les ergothérapeutes dans la formation aux activités de la vie quotidienne (AVQ)⁹. Une approche similaire peut être trouvée dans d’autres recherches¹⁰. Ces deux catégories de doigts robotiques ont introduit de nouvelles possibilités d’application de ces robots dans l’assistance à la rééducation des patients hémiparétiques. Néanmoins, il convient de noter que la structure rigide utilisée dans ces conceptions robotiques peut introduire des considérations potentielles concernant le confort et la sécurité de l’utilisateur. La conception, la fabrication et l’évaluation d’un gant robotique souple portable ont été présentées¹³, qui peuvent être utilisées pour la rééducation de la main et l’entraînement spécifique à une tâche pendant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Le gant utilise des actionneurs pneumatiques souples en élastomères de silicone pour générer un mouvement de l’articulation des doigts, et l’appareil est compatible avec l’IRM sans provoquer d’artefacts dans les images IRMf. Yun et al. ont présenté l’Exo-Glove PM, un gant d’assistance pneumatique souple personnalisable qui utilise une approche basée sur l’assemblage¹⁴. Cette conception innovante comporte de petits modules et des distances réglables entre eux, permettant aux utilisateurs de personnaliser le gant en fonction de la longueur de leur phalange à l’aide d’entretoises. Cette approche maximise le confort et les performances sans avoir besoin d’une fabrication sur mesure. Les chercheurs ont présenté des actionneurs souples composés de matériaux élastomères avec des canaux intégrés fonctionnant comme des réseaux pneumatiques¹⁵. Ces actionneurs génèrent des mouvements de flexion qui s’adaptent en toute sécurité aux mouvements des doigts humains. De plus, les chercheurs ont présenté l’AirExGlove, un dispositif d’exosquelette souple gonflable léger et adaptable¹⁶. Ce système est rentable, personnalisable pour différentes tailles de mains et a permis de s’adapter avec succès à des patients présentant différents niveaux de spasticité musculaire. Il offre une solution plus ergonomique et flexible par rapport aux systèmes robotiques rigides. Bien que ces études aient apporté des contributions significatives au développement de robots portables flexibles de rééducation de la main et d’assistance, il convient de noter qu’aucun d’entre eux n’a atteint une portabilité complète et un contrôle complet de l’interaction homme-robot.

De nombreuses études ont exploré la corrélation entre les signaux biologiques, tels que les signaux de l’électroencéphalogramme (EEG)¹⁷ ou de l’électromyogramme (EMG)¹⁸, et l’intention humaine. Cependant, les deux approches présentent certaines limites en raison des contraintes des dispositifs existants et des conditions technologiques. Les électrodes invasives nécessitent des interventions chirurgicales sur le corps humain, tandis que les électrodes non invasives souffrent de problèmes tels que des niveaux de bruit élevés et un manque de fiabilité dans l’acquisition du signal. On trouvera des discussions détaillées sur ces limites dans la littérature ^19,20. Par conséquent, la poursuite de la recherche sur la portabilité et les capacités d’interaction homme-machine conviviales des membres robotiques surnuméraires portables flexibles reste très pertinente.

Dans le cadre de cette étude, un membre robotique surnuméraire portable flexible unique a été conçu et fabriqué pour aider les patients victimes d’un AVC chronique à rééduquer les doigts et à les aider à la préhension. Ce membre robotique se caractérise par sa légèreté, sa sécurité, sa conformité, son étanchéité et son rapport rendement/poids/pression impressionnant. Deux modes de préhension, la préhension de l’enveloppe et la préhension du bout des doigts, ont été réalisés tout en conservant la portabilité et en assurant une interaction homme-robot conviviale. Le protocole détaille le processus de conception et de fabrication de la pince pneumatique et du schéma portable. De plus, une méthode d’interaction homme-robot basée sur des capteurs de flexion flexibles a été proposée, permettant un contrôle pratique et convivial grâce à la segmentation par seuil. Tous ces aspects ont été validés par des expériences pratiques.

Les principales contributions de cette étude sont résumées comme suit : (1) Un membre robotique surnuméraire flexible, léger, convivial et portable pour les patients victimes d’un AVC chronique a été conçu et fabriqué. (2) Une méthode fiable d’interaction homme-robot a été réalisée à partir de capteurs de flexion flexibles. (3) Des expériences en conditions réelles ont été menées pour vérifier l’efficacité et la fiabilité du mécanisme et de la méthode proposés, qui comprennent des tests de force de sortie et impliquent six patients victimes d’un AVC chronique.

Protocole

Ce protocole a été approuvé par le comité d’éthique de l’hôpital Union, du Tongji Medical College, de l’Université des sciences et technologies de Huazhong. Des patients atteints de troubles fonctionnels des membres supérieurs qui répondaient aux critères diagnostiques et recevaient un traitement dans les unités ambulatoires et hospitalières du service de réadaptation de l’hôpital de l’auteur ont été sélectionnés comme participants. La récupération de la fonction motrice des patients a été évaluée selon les stades de récupération de Brunnstrom²¹, et les patients des stades 3 à 5 ont été choisis pour participer aux expériences. Le consentement éclairé écrit des patients qui ont participé à l’étude a été obtenu. La procédure comprend la conception du moule pour le préhenseur pneumatique, le processus de fabrication du préhenseur pneumatique à base de caoutchouc de silicone durci, l’intégration d’appareils portables et la mise en œuvre logicielle et matérielle pour la détection de l’intention de préhension. À l’exception du caoutchouc de silicone et des tissus courants, tous les composants portables sont produits à l’aide de la technologie d’impression 3D (voir les fichiers de codage supplémentaires 1 à 5).

1. Conception et fabrication de la pince pneumatique

1. Assemblez le moule préconçu²² comme indiqué à la figure 1A, B. Utilisez ensuite de la colle thermofusible pour fixer les fibres de verre aux positions désignées dans le moule, comme illustré à la figure 1C. Assurez-vous d’utiliser de la colle thermofusible pour sceller toutes les zones potentielles susceptibles de provoquer une fuite de silicone.
2. Peser une quantité appropriée de composants A et B de l’élastomère de silicone (9 :1 en poids) (voir tableau des matériaux) et les mélanger dans le rapport spécifié. Après le mélange, utilisez une machine de mélange et de dégazage sous vide avec une force centrifuge variable, déterminée par le programme préréglé interne de la machine. Une fois que le mélange est prêt, injectez-le rapidement dans le moule assemblé, comme illustré à la figure 1D.
   REMARQUE : La force centrifuge variable est contrôlée par la machine de mélange et de dégazage sous vide via son programme préréglé interne (voir le tableau des matériaux). La force centrifuge doit être augmentée progressivement pour assurer un mélange complet du caoutchouc de silicone et l’élimination des bulles d’air emprisonnées.
3. Laissez reposer le moule pendant environ 30 s, puis placez-le dans un séchoir sous vide pendant environ 1 min pour permettre aux petites bulles d’air dans le caoutchouc de silicone de s’échapper. Retirez le moule du sèche-linge et placez-le dans son ensemble dans une enceinte thermostatique réglée à 30 °C pendant 12 h, laissant durcir le caoutchouc de silicone.
4. Répétez les étapes décrites dans la deuxième étape en injectant le caoutchouc de silicone mélangé dans le moule illustré à la figure 1E. Ensuite, placez le corps en caoutchouc démoulé illustré à la figure 1F dans le moule rempli de caoutchouc de silicone. Mettez l’ensemble dans une enceinte thermostatique réglée à 30 °C pendant 12 h pour permettre au caoutchouc de silicone de durcir.
5. Retirez le corps en caoutchouc de silicone durci du moule et coupez tout excès de caoutchouc de silicone. La fabrication de la pince flexible est maintenant terminée.
   REMARQUE : La cavité se compose de deux ensembles de grilles pneumatiques, qui sont indépendantes l’une de l’autre. En raison de la différence significative de module d’élasticité entre les fibres de verre et la structure ondulée, la pince pneumatique se plie vers l’intérieur lorsqu’elle est gonflée, ce qui permet des actions de préhension de l’enveloppe. Le bout du doigt est conçu avec une protubérance ressemblant à une trompe d’éléphant, ce qui permet des actions de préhension du bout des doigts.

2. Assemblage du membre robotique surnuméraire flexible portable

REMARQUE : Le membre robotique surnuméraire portable comprend une mini-pompe à air, des vannes d’air, un micro-ordinateur à puce unique, une pince pneumatique, une alimentation électrique, des capteurs de flexion flexibles, un gant portable et des accessoires pour les connexions pneumatiques et électriques (voir le tableau des matériaux), comme illustré à la figure 2.

1. Fabriquez méticuleusement à la main le gant portable avec l’aide d’un tailleur. Assurez-vous qu’il subit plusieurs itérations et améliorations en fonction des commentaires de l’utilisateur et de l’expérience du tailleur.
2. Fixez la pince pneumatique avec des pièces imprimées en 3D et fixez-la à la position appropriée sur le gant à l’aide de ruban adhésif.
3. Intégrez trois capteurs de flexion flexibles (voir le tableau des matériaux) comme illustré à la figure 3 dans le gant. Placez-les respectivement sur l’index, le majeur et l’annulaire, en les alignant avec l’arrière des doigts. Utilisez une carte d’acquisition de données pour enregistrer les signaux des capteurs.
4. Amplifiez les signaux du capteur et acheminez-les vers un Arduino (voir le tableau des matériaux). Traitez ces signaux à l’aide d’une fenêtre coulissante et d’un filtrage par les moindres carrés dans l’Arduino²³. Utilisez ces valeurs estimées comme données de référence pour la détection d’intention.
5. Placez les composants tels que la pompe à air, les vannes d’air, le tableau de commande et l’alimentation électrique dans un sac à dos pour les transporter. Reportez-vous à la figure 4 pour une représentation visuelle de l’effet d’usure.

3. Détection de l’intention de préhension

REMARQUE : Lorsque les doigts de l’utilisateur génèrent un mouvement, le signal de retour du capteur change en conséquence. Il fonctionne en augmentant la résistance dans le circuit au fur et à mesure que le composant se plie davantage. La figure 5 montre les valeurs de signal enregistrées par le capteur de flexion flexible pendant le mouvement du doigt d’un volontaire. Les trois courbes correspondent aux signaux obtenus à partir de capteurs placés sur les trois doigts. Les patients atteints d’hémiparésie ont souvent une mobilité limitée des doigts, mais le capteur est capable de détecter des changements significatifs.

1. Collectez des données sur l’étendue et le modèle des changements de capteur pendant les mouvements des doigts. Sélectionnez les valeurs seuils appropriées en fonction de l’amplitude du capteur détecté pour contrôler l’activation de la pompe. Demandez aux participants de bouger librement leurs doigts dans la limite de leurs capacités. Déterminez les valeurs seuils comme les moyennes des valeurs de crête et de vallée de la rétroaction du capteur.
   REMARQUE : Lorsque le signal du capteur dépasse la valeur de seuil définie, la pompe commence à fonctionner. La pression de l’air augmente au fur et à mesure que les doigts se plient. À l’inverse, lorsque l’angle de flexion des doigts diminue et que le capteur détecte un signal en dessous du seuil, la soupape d’air relâche la pression à zéro et la pince pneumatique se libère.
2. Demandez à l’utilisateur d’observer l’état de la pince pneumatique et de déterminer le moment approprié pour arrêter de gonfler l’air et cesser de plier davantage les doigts.
3. Répétez les tests ci-dessus pour établir un seuil raisonnable et vous familiariser avec l’utilisation de cet appareil.

4. Tester l’appareil avec des volontaires sains

1. Recruter trois volontaires en bonne santé ayant des capacités motrices normales des membres supérieurs pour l’étude afin de confirmer les effets d’usure et de préhension du prototype.
2. Réglez la pression d’air maximale pour le préhenseur pneumatique à 100 kPa. Demandez aux participants de fléchir et d’étendre leurs doigts. Demandez aux participants de porter le prototype et de mener des expériences de préhension et de libération sur des objets de différentes formes en utilisant la méthode mentionnée précédemment.
3. Sollicitez les commentaires des porteurs concernant leur expérience et ajustez le schéma de port en fonction de leurs suggestions.
   REMARQUE : Comme le montre la figure 6, les participants ont réussi à envelopper et à saisir des objets cylindriques de différentes tailles à l’aide du prototype. De plus, ils ont également effectué des tâches de préhension du bout des doigts sur des objets rectangulaires en forme de bloc.

5. Rééducation et aide à la préhension pour les patients

1. Évaluer la récupération de la fonction motrice des patients selon les stades de récupération de Brunnström²¹ par des professionnels de la santé. N’autorisez les patients des stades 3 à 5 à participer aux expériences que pour la rééducation, l’entraînement ou l’assistance quotidienne.
2. Recruter six patients hémiparétiques chroniques pour valider la fiabilité et l’efficacité du prototype. Demandez aux patients de porter le gant de manière indépendante (à l’exception du sac à dos) et de déplacer leurs doigts dans leur plage de capacité pour calibrer les valeurs seuils.
3. Pendant la phase de rééducation, encouragez les patients à s’engager dans diverses tâches de préhension pour exercer les muscles de leurs doigts. Demandez aux patients de s’asseoir au bord d’une table et d’utiliser le prototype pour effectuer une série d’activités de préhension, notamment la saisie d’une bouteille d’eau, d’une banane, d’un cube et d’une brosse à dents.
4. Demandez aux patients de remplir des questionnaires d’enquête pertinents (Fichier supplémentaire 1) en fonction de leurs expériences personnelles après l’expérience. Évaluez les six sentiments subjectifs suivants : la confiance dans le fonctionnement du système ; facilité d’utilisation ; la commodité et le confort de le porter ; l’efficacité et l’utilité pour la réadaptation ; l’efficacité et l’utilité dans la vie quotidienne ; domaines qui doivent encore être améliorés.
5. Évaluez leurs réponses sur une échelle de 1 à 5, où 1 représente un pas du tout d’accord et 5 signifie qu’il est tout à fait d’accord. Enregistrez les données et analysez les problèmes liés au prototype et les domaines potentiels d’amélioration en fonction du questionnaire.
   REMARQUE : Cela ajoute non seulement de l’intérêt à la formation en réadaptation, mais améliore également la volonté du patient de participer au processus de rétablissement. Dans les cas où les patients ont atteint un état stable mais ont encore du mal à effectuer des tâches de préhension avec leurs doigts, l’utilisation du membre robotique peut aider à effectuer certaines actions de préhension quotidiennes nécessaires à la vie quotidienne.

Résultats

Expériences de force de sortie
La figure 7 illustre de manière vivante la conception structurelle et les dimensions de notre actionneur, fournissant une illustration en coupe transversale. Cet actionneur comprend deux ensembles distincts de chambres, chacune contenant cinq chambres à air élégamment incurvées. Remarquablement, à l’extrémité de l’actionneur, nous avons ingénieusement intégré une structure saillante, rappelant l’extrémité d’une trompe d...

Discussion

Cette étude présente un membre robotique surnuméraire innovant, flexible et portable conçu pour aider les patients victimes d’un AVC chronique dans les tâches de rééducation et de préhension des doigts. Ce système robotique privilégie la portabilité et offre à la fois des fonctionnalités de préhension de l’enveloppe et de préhension du bout des doigts. Il intègre un capteur de flexion flexible pour un contrôle convivial de l’interaction homme-machine. Des expériences de préhension statique valide...

matériels

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