Um membro robótico supernumerário vestível flexível para pacientes com AVC crônico

Resumo

Este protocolo introduz um membro robótico supernumerário vestível flexível adaptado para auxiliar na reabilitação dos dedos para pacientes com AVC. O projeto incorpora um sensor de flexão para facilitar a interação perfeita entre humanos e robôs. A validação por meio de experimentos envolvendo voluntários saudáveis e pacientes com AVC ressalta a eficácia e a confiabilidade do estudo proposto.

Resumo

Neste estudo, apresentamos um membro robótico supernumerário vestível flexível que ajuda pacientes com AVC crônico com movimentos de reabilitação e preensão dos dedos. O design deste membro inovador inspira-se na flexão dos músculos pneumáticos e nas características únicas da ponta da tromba de um elefante. Ele coloca uma forte ênfase em fatores cruciais, como construção leve, segurança, conformidade, impermeabilização e obtenção de uma alta relação peso/pressão. A estrutura proposta permite que o membro robótico realize tanto a preensão do envelope quanto a ponta do dedo. A interação humano-robô é facilitada através de um sensor de flexão flexível, detectando os movimentos dos dedos do usuário e conectando-os ao controle de movimento por meio de um método de segmentação de limiar. Além disso, o sistema é portátil para uso diário versátil. Para validar a eficácia dessa inovação, experimentos do mundo real envolvendo seis pacientes com AVC crônico e três voluntários saudáveis foram realizados. O feedback recebido por meio de questionários indica que o mecanismo projetado é uma imensa promessa na assistência a pacientes com AVC crônico com suas atividades diárias de preensão, potencialmente melhorando sua qualidade de vida e resultados de reabilitação.

Introdução

De acordo com pesquisas anteriores¹, em 2019, havia mais de 100 milhões de casos de AVC em todo o mundo. Aproximadamente dois terços desses casos resultaram em sequelas hemiplégicas, e mais de 80% dos pacientes com AVC hemiplégico grave não conseguiram recuperar totalmente a função da mão e do braço². Além disso, espera-se que o envelhecimento populacional continue crescendo nas próximas décadas, levando a um aumento significativo no número de potenciais vítimas de AVC. Os comprometimentos persistentes dos membros superiores após um AVC podem afetar significativamente as atividades de vida diária (AVD), e a reabilitação da mão tem sido clinicamente reconhecida como um objetivo crítico para aumentar a atividade e a participação de pacientes com AVC crônico³.

Os dispositivos robóticos tradicionais de membros superiores acionados por motor podem fornecer força motriz substancial, mas suas estruturas rígidas geralmente se traduzem em grandes tamanhos e pesos elevados. Além disso, eles representam o risco de causar danos irreversíveis ao corpo humano se funcionarem mal. Em contraste, atuadores pneumáticos moles têm demonstrado considerável potencial na reabilitação⁴, assistência⁵ e aplicações cirúrgicas⁶. Suas vantagens incluem segurança, construção leve e conformidade inerente.

Nos últimos anos, inúmeros robôs vestíveis flexíveis surgiram, projetados e desenvolvidos em torno de atuadores pneumáticos macios. Esses robôs foram destinados à reabilitação e assistência pós-reabilitação dos membros superiores de pacientes com AVC. Englobam principalmente exoesqueletos de mão^7,8 e membros supranumerários ^9,10. Embora ambos sejam utilizados nos campos da robótica vestível e da reabilitação, o primeiro interage diretamente com o corpo humano, potencialmente restringindo músculos ou articulações, enquanto o segundo complementa o espaço de trabalho ou movimento humano sem restrição direta^11,12. Dedos robóticos supranumerários vestíveis baseados em servomotores foram desenvolvidos para auxiliar terapeutas ocupacionais no treinamento das atividades de vida diária (AVDs)⁹. Abordagem semelhante pode ser encontrada em outras pesquisas¹⁰. Essas duas categorias de dedos robóticos introduziram novas possibilidades para a aplicação desses robôs na assistência à reabilitação de pacientes hemiparéticos. No entanto, vale ressaltar que a estrutura rígida empregada nesses projetos robóticos pode introduzir potenciais considerações em relação ao conforto e segurança do usuário. Foram apresentados o projeto, a fabricação e a avaliação de uma luva robótica soft wearable¹³, que pode ser usada para reabilitação da mão e treinamento específico de tarefas durante a Ressonância Magnética funcional (RMf). A luva utiliza atuadores pneumáticos macios feitos de elastômeros de silicone para gerar o movimento articular dos dedos, e o dispositivo é compatível com RM sem causar artefatos em imagens de RMf. introduziram a Exo-Glove PM, uma luva de assistência pneumática macia personalizável que utiliza uma abordagem baseada em montagem¹⁴. Este design inovador apresenta pequenos módulos e distâncias ajustáveis entre eles, permitindo que os usuários personalizem a luva com base em seu comprimento de falange usando espaçadores. Essa abordagem maximiza o conforto e o desempenho sem a necessidade de fabricação personalizada. Pesquisadores apresentaram atuadores macios compostos de materiais elastoméricos com canais integrados funcionando como redes^{pneumáticas 15}. Esses atuadores geram movimentos de flexão que se ajustam com segurança aos movimentos dos dedos humanos. Além disso, os pesquisadores apresentaram o AirExGlove, um dispositivo de exoesqueleto macio inflável leve e adaptável¹⁶. Esse sistema é econômico, personalizável para diferentes tamanhos de mão e tem acomodado com sucesso pacientes com diferentes níveis de espasticidade muscular. Ele oferece uma solução mais ergonômica e flexível em comparação com sistemas robóticos rígidos. Embora esses estudos tenham feito contribuições significativas para o desenvolvimento de robôs flexíveis de reabilitação de mãos vestíveis e assistivos, vale a pena notar que nenhum deles alcançou portabilidade completa e controle de interação humano-robô.

Numerosos estudos têm explorado a correlação entre sinais biológicos, como eletroencefalograma (EEG)¹⁷ ou eletromiograma (EMG)¹⁸, e a intenção humana. No entanto, ambas as abordagens têm certas limitações dentro das restrições dos dispositivos existentes e das condições tecnológicas. Eletrodos invasivos requerem procedimentos cirúrgicos no corpo humano, enquanto eletrodos não invasivos sofrem problemas como altos níveis de ruído e falta de confiabilidade na aquisição do sinal. Discussões detalhadas sobre essas limitações podem ser encontradas na literatura^19,20. Portanto, a busca de pesquisas sobre a portabilidade e as capacidades de interação homem-máquina fáceis de usar de membros robóticos supernumerários vestíveis flexíveis permanece altamente relevante.

Neste estudo, um membro robótico supernumerário flexível e flexível foi projetado e fabricado para auxiliar pacientes com AVC crônico na reabilitação dos dedos e assistência de preensão. Este membro robótico é caracterizado por sua leveza, segurança, conformidade, impermeabilização e impressionante relação peso/pressão. Dois modos de preensão, envelope e preensão na ponta do dedo, foram alcançados, mantendo a portabilidade e garantindo uma interação amigável entre humanos e robôs. O protocolo detalha o projeto e o processo de fabricação da pinça pneumática e do esquema vestível. Além disso, um método de interação humano-robô baseado em sensores de flexão flexíveis foi proposto, permitindo um controle conveniente e fácil de usar através da segmentação de limiar. Todos esses aspectos foram validados por meio de experimentos práticos.

As principais contribuições deste estudo são resumidas da seguinte forma: (1) Um membro robótico supernumerário flexível leve, amigável e vestível para pacientes com AVC crônico foi projetado e fabricado. (2) Um método confiável de interação humano-robô foi realizado com base em sensores de flexão flexíveis. (3) Experimentos do mundo real foram conduzidos para verificar a efetividade e a confiabilidade do mecanismo e do método propostos, que incluem testes de força de saída e envolvem seis pacientes com AVC crônico.

Protocolo

Este protocolo foi aprovado pelo Comitê de Ética do Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Foram selecionados como participantes pacientes com distúrbios funcionais dos membros superiores que preenchiam os critérios diagnósticos e estavam em tratamento no ambulatório e nas unidades de internação do departamento de reabilitação do hospital autor. A recuperação da função motora dos pacientes foi avaliada de acordo com os estágios de recuperação de Brunnstrom²¹, e os pacientes nos estágios 3-5 foram escolhidos para participar dos experimentos. Consentimento informado foi obtido dos pacientes que participaram do estudo. O procedimento inclui o projeto do molde para a pinça pneumática, o processo de fabricação da pinça pneumática à base de borracha de silicone curada, a integração de dispositivos portáteis e a implementação de software e hardware para detecção de intenção de preensão. Com exceção da borracha de silicone e dos tecidos comuns, todos os componentes vestíveis são produzidos usando a tecnologia de impressão 3D (consulte Arquivos de codificação suplementares 1-5).

1. Projetando e fabricando a pinça pneumática

1. Montar o molde^{pré-projetado 22} como mostrado na Figura 1A,B. Em seguida, use cola hot melt para fixar as fibras de vidro nas posições designadas no molde, conforme ilustrado na Figura 1C. Certifique-se de usar cola hot melt para selar quaisquer áreas potenciais que possam causar vazamento de silicone.
2. Pesar uma quantidade adequada de componentes A e B do elastômero de silicone (9:1 em peso) (ver Tabela de materiais) e misturá-los na proporção especificada. Após a mistura, utilizar uma máquina de mistura e desgaseificação a vácuo com uma força centrífuga variável, determinada pelo programa predefinido interno da máquina. Assim que a mistura estiver pronta, injete-a imediatamente no molde montado, conforme ilustrado na Figura 1D.
   NOTA: A força centrífuga variável é controlada pela máquina de mistura e desgaseificação a vácuo através do seu programa predefinido interno (ver Tabela de Materiais). A força centrífuga deve ser aumentada gradualmente para garantir a mistura completa da borracha de silicone e a remoção de quaisquer bolhas de ar aprisionadas.
3. Deixe o molde descansar por aproximadamente 30 s e, em seguida, coloque-o em um secador a vácuo por cerca de 1 min para permitir que quaisquer pequenas bolhas de ar na borracha de silicone escapem. Retire o molde do secador e coloque-o como um todo em uma câmara termostática regulada a 30 °C por 12 h, permitindo a cura da borracha de silicone.
4. Repita as etapas descritas na segunda etapa injetando a borracha de silicone misturada no molde mostrado na Figura 1E. Em seguida, coloque o corpo de borracha desmoldada mostrado na Figura 1F no molde preenchido com borracha de silicone. Coloque todo o conjunto em uma câmara termostática regulada a 30 °C por 12 h para permitir que a borracha de silicone cure.
5. Remova o corpo de borracha de silicone curada do molde e corte qualquer excesso de borracha de silicone. A fabricação da garra flexível está concluída.
   NOTA: A cavidade é composta por dois conjuntos de grades pneumáticas, que são independentes uma da outra. Devido à diferença significativa no módulo de elasticidade entre as fibras de vidro e a estrutura corrugada, a pinça pneumática dobra-se para dentro quando inflada, permitindo ações de apreensão do envelope. A ponta do dedo é projetada com uma saliência semelhante a uma tromba de elefante, permitindo ações de agarrar a ponta dos dedos.

2. Montagem do membro robótico supernumerário flexível vestível

NOTA: O membro robótico supranumerário vestível inclui uma mini bomba de ar, válvulas de ar, um microcomputador de chip único, pinça pneumática, fonte de alimentação, sensores de flexão flexíveis, uma luva vestível e acessórios para conexões pneumáticas e elétricas (consulte a Tabela de Materiais), conforme mostrado na Figura 2.

1. Meticulosamente artesanal a luva vestível com a ajuda de um alfaiate. Certifique-se de que ele passe por várias iterações e melhorias com base no feedback do usuário e na experiência do alfaiate.
2. Fixe a pinça pneumática com peças impressas em 3D e fixe-a na posição apropriada na luva usando fita adesiva.
3. Incorpore três sensores de flexão flexíveis (consulte a Tabela de Materiais), conforme mostrado na Figura 3 , na luva. Coloque-os nos dedos indicador, médio e anelar, respectivamente, alinhando-os com a parte de trás dos dedos. Use um cartão de aquisição de dados para gravar sinais dos sensores.
4. Amplifice os sinais do sensor e encaminhe-os para um Arduino (veja Tabela de Materiais). Processe esses sinais usando uma janela deslizante e filtragem de mínimos quadrados dentro do Arduino²³. Utilize esses valores estimados como dados de linha de base para detecção de intenção.
5. Coloque componentes como a bomba de ar, válvulas de ar, placa de controle e fonte de alimentação em uma mochila para portabilidade. Consulte a Figura 4 para obter uma representação visual do efeito de desgaste.

3. Detectando a intenção de apreensão

NOTA: Quando os dedos do usuário geram movimento, o sinal de feedback do sensor muda de acordo. Ele funciona aumentando a resistência no circuito à medida que o componente se curva mais. A Figura 5 mostra os valores registrados do sinal do sensor de flexão flexível durante o movimento dos dedos de um voluntário. As três curvas correspondem aos sinais obtidos dos sensores colocados nos três dedos. Pacientes com hemiparesia geralmente têm mobilidade limitada dos dedos, mas o sensor é capaz de detectar alterações significativas.

1. Colete dados sobre o alcance e o padrão de mudanças do sensor durante os movimentos dos dedos. Selecione os valores limite apropriados com base na amplitude do sensor detectado para controlar a ativação da bomba. Instrua os participantes a mover os dedos livremente dentro de sua faixa de habilidade. Determine os valores limite como as médias dos valores de pico e vale da realimentação do sensor.
   NOTA: Quando o sinal do sensor excede o valor limite definido, a bomba começa a funcionar. A pressão do ar aumenta à medida que os dedos se dobram ainda mais. Por outro lado, quando o ângulo de flexão dos dedos diminui e o sensor detecta um sinal abaixo do limiar, a válvula de ar libera a pressão para zero e a pinça pneumática é liberada.
2. Peça ao usuário que observe o estado da pinça pneumática e determine o momento adequado para parar de inflar o ar e parar de dobrar mais os dedos.
3. Repita os testes acima para estabelecer um limite razoável e se familiarizar com o uso deste dispositivo.

4. Testando o dispositivo com voluntários saudáveis

1. Recrutar três voluntários saudáveis com habilidades motoras normais de membros superiores para o estudo para confirmar os efeitos de desgaste e preensão do protótipo.
2. Ajuste a pressão máxima de ar para a pinça pneumática para 100 kPa. Instrua os participantes a flexionar e estender os dedos. Peça aos participantes que usem o protótipo e realizem experimentos de agarramento e liberação em objetos de várias formas usando o método mencionado anteriormente.
3. Solicite feedback dos usuários sobre sua experiência e ajuste o esquema de uso com base em suas sugestões.
   NOTA: Conforme ilustrado na Figura 6, os participantes envolveram e agarraram com sucesso objetos cilíndricos de diferentes tamanhos usando o protótipo. Além disso, eles também completaram tarefas de preensão na ponta dos dedos em objetos retangulares em forma de bloco.

5. Reabilitação e assistência de apreensão para pacientes

1. Avaliar a recuperação da função motora dos pacientes de acordo com os estágios de recuperação de Brunnstrom²¹ por profissionais médicos. Só permitir que pacientes nos estágios 3-5 participem dos experimentos para treinamento de reabilitação ou assistência diária.
2. Recrutar seis pacientes hemiparéticos crônicos para validar a confiabilidade e eficácia do protótipo. Instruir os pacientes a usar a luva de forma independente (excluindo a mochila) e mover os dedos dentro de sua faixa de habilidade para calibrar os valores limiares.
3. Durante a fase de reabilitação, incentive os pacientes a se envolverem em várias tarefas de preensão para exercitar os músculos dos dedos. Peça aos pacientes que se sentem à beira de uma mesa e usem o protótipo para realizar uma série de atividades de preensão, incluindo agarrar uma garrafa de água, uma banana, um cubo e uma escova de dentes.
4. Peça aos pacientes que preencham questionários de pesquisa relevantes (Arquivo Suplementar 1) com base em suas experiências pessoais após o experimento. Avalie seis sentimentos subjetivos: confiança na função do sistema; facilidade de uso; comodidade e conforto de usá-lo; efetividade e utilidade para a reabilitação; eficácia e utilidade na vida diária; áreas que ainda precisam de melhorias.
5. Classifique suas respostas em uma escala de 1 a 5, onde 1 representa discordo totalmente e 5 representa concordo totalmente. Registre os dados e analise os problemas com o protótipo e potenciais áreas de melhoria com base no questionário.
   NOTA: Isso não só agrega interesse ao treinamento de reabilitação, mas também aumenta a disposição do paciente em participar do processo de recuperação. Nos casos em que os pacientes atingiram uma condição estável, mas ainda lutam para realizar tarefas de preensão com os dedos, o uso do membro robótico pode auxiliar na realização de certas ações diárias de preensão necessárias para a vida cotidiana.

Resultados

Experimentos de força de saída
A Figura 7 ilustra vividamente o projeto estrutural e as dimensões de nosso atuador, fornecendo uma ilustração transversal. Este atuador é composto por dois conjuntos distintos de câmaras, cada um contendo cinco câmaras de ar elegantemente curvas. Notavelmente, no terminal do atuador, integramos engenhosamente uma estrutura saliente, que lembra a ponta da tromba de um elefante, expandindo significativamente o raio de preensão do atu...

Discussão

Este estudo apresenta um membro robótico supernumerário inovador, flexível e vestível, projetado para auxiliar pacientes com AVC crônico em tarefas de reabilitação e preensão dos dedos. Este sistema robótico prioriza a portabilidade e oferece funcionalidades de preensão de envelope e de apreensão na ponta do dedo. Ele incorpora um sensor de flexão flexível para controle de interação homem-máquina fácil de usar. Experimentos de preensão estática validam as capacidades de preensão do mecanismo projetado...

Materiais

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