Een flexibele, draagbare boventallige robotledemaat voor patiënten met een chronische beroerte

Volgens eerder onderzoek¹ waren er vanaf 2019 wereldwijd meer dan 100 miljoen gevallen van een beroerte. Ongeveer tweederde van deze gevallen resulteerde in hemiplegische gevolgen en meer dan 80% van de patiënten met een ernstige hemiplegische beroerte kon de hand- en armfunctie niet volledig herstellen^. Bovendien wordt verwacht dat de vergrijzing van de bevolking de komende decennia zal blijven groeien, wat zal leiden tot een aanzienlijke toename van het aantal potentiële slachtoffers van een beroerte. De aanhoudende beperkingen van de bovenste ledematen na een beroerte kunnen de activiteiten van het dagelijks leven (ADL’s) aanzienlijk beïnvloeden, en handrevalidatie is klinisch erkend als een cruciaal doel voor het verbeteren van de activiteit en deelname van patiënten met een chronische beroerte³.

Traditionele motoraangedreven robotachtige apparaten voor de bovenste ledematen kunnen een aanzienlijke aandrijfkracht leveren, maar hun stijve structuren vertalen zich vaak in grote afmetingen en hoge gewichten. Bovendien vormen ze het risico onomkeerbare schade aan het menselijk lichaam toe te brengen als ze niet goed zouden werken. Daarentegen hebben zachte pneumatische actuatoren een aanzienlijk potentieel aangetoond in revalidatie⁴, assistentie⁵ en chirurgische toepassingen⁶. Hun voordelen zijn onder meer veiligheid, lichtgewicht constructie en inherente naleving.

In de afgelopen jaren zijn er tal van flexibele draagbare robots ontstaan, ontworpen en ontwikkeld rond zachte pneumatische actuatoren. Deze robots zijn bedoeld voor de revalidatie en post-revalidatie van de bovenste ledematen van patiënten met een beroerte. Ze omvatten voornamelijk handexoskeletten^7,8 en boventallige ledematen ^9,10. Hoewel beide worden gebruikt op het gebied van draagbare robotica en revalidatie, heeft de eerste een directe wisselwerking met het menselijk lichaam, waardoor spieren of gewrichten mogelijk worden beperkt, terwijl de laatste de menselijke werkruimte of beweging zonder directe beperking aanvult^11,12. Draagbare boventallige robotvingers op basis van servomotoren werden ontwikkeld om ergotherapeuten te helpen bij activiteiten van het dagelijks leven (ADL’s)^{training 9}. Een vergelijkbare benadering is te vinden in ander onderzoek¹⁰. Deze twee categorieën robotvingers hebben nieuwe mogelijkheden geïntroduceerd voor de toepassing van dergelijke robots bij de revalidatiebegeleiding van hemipareticapatiënten. Desalniettemin is het vermeldenswaard dat de stijve structuur die in deze robotontwerpen wordt gebruikt, mogelijke overwegingen met betrekking tot gebruikerscomfort en veiligheid met zich mee kan brengen. Het ontwerp, de fabricage en de evaluatie van een zachte, draagbare robothandschoen werden gepresenteerd¹³, die kan worden gebruikt voor handrevalidatie en taakspecifieke training tijdens functionele Magnetic Resonance Imaging (fMRI). De handschoen maakt gebruik van zachte pneumatische actuatoren gemaakt van siliconenelastomeren om vingergewrichtsbeweging te genereren, en het apparaat is MR-compatibel zonder artefacten in fMRI-beelden te veroorzaken. Yun et al. introduceerden de Exo-Glove PM, een aanpasbare zachte pneumatische hulphandschoen die gebruik maakt van een op assemblage gebaseerde benadering¹⁴. Dit innovatieve ontwerp heeft kleine modules en instelbare afstanden ertussen, waardoor gebruikers de handschoen kunnen aanpassen op basis van hun vingerlengte met behulp van afstandhouders. Deze aanpak maximaliseert het comfort en de prestaties zonder dat er maatwerk nodig is. Onderzoekers presenteerden zachte actuatoren die zijn samengesteld uit elastomeermaterialen met geïntegreerde kanalen die functioneren als pneumatische netwerken¹⁵. Deze actuatoren genereren buigbewegingen die zich veilig aanpassen aan menselijke vingerbewegingen. Daarnaast introduceerden onderzoekers de AirExGlove, een lichtgewicht en aanpasbaar opblaasbaar zacht exoskelet¹⁶. Dit systeem is kosteneffectief, aanpasbaar voor verschillende handgroottes en heeft met succes patiënten met verschillende niveaus van spierspasticiteit ondergebracht. Het biedt een meer ergonomische en flexibele oplossing in vergelijking met starre gekoppelde robotsystemen. Hoewel deze onderzoeken een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan de ontwikkeling van flexibele draagbare handrevalidatie- en ondersteunende robots, is het vermeldenswaard dat geen van hen volledige draagbaarheid en controle over de interactie tussen mens en robot heeft bereikt.

Talrijke studies hebben de correlatie onderzocht tussen biologische signalen, zoals elektro-encefalogram (EEG)¹⁷ of elektromyogram (EMG) signalen¹⁸, en menselijke intentie. Beide benaderingen hebben echter bepaalde beperkingen binnen de beperkingen van bestaande apparaten en technologische omstandigheden. Invasieve elektroden vereisen chirurgische ingrepen op het menselijk lichaam, terwijl niet-invasieve elektroden last hebben van problemen zoals hoge ruisniveaus en onbetrouwbaarheid bij signaalacquisitie. Gedetailleerde besprekingen van deze beperkingen zijn te vinden in de literatuur^19,20. Daarom blijft het nastreven van onderzoek naar de draagbaarheid en gebruiksvriendelijke mens-machine-interactiemogelijkheden van flexibele draagbare boventallige robotledematen zeer relevant.

In deze studie werd een unieke, flexibele, draagbare boventallige robotledemaat ontworpen en gefabriceerd om patiënten met een chronische beroerte te helpen bij vingerrevalidatie en grijphulp. Deze robotledemaat wordt gekenmerkt door zijn lichtgewicht, veiligheid, flexibiliteit, waterdichtheid en indrukwekkende output-gewichts/drukverhouding. Er zijn twee grijpmodi bereikt, envelop en vingertopgrijpen, met behoud van draagbaarheid en het garanderen van een gebruiksvriendelijke interactie tussen mens en robot. Het protocol beschrijft het ontwerp- en fabricageproces van de pneumatische grijper en het draagbare schema. Daarnaast is een mens-robot-interactiemethode voorgesteld op basis van flexibele buigsensoren, waardoor een gemakkelijke en gebruiksvriendelijke bediening mogelijk is door middel van drempelsegmentatie. Al deze aspecten zijn gevalideerd door middel van praktijkexperimenten.

De belangrijkste bijdragen van deze studie worden als volgt samengevat: (1) Er is een lichtgewicht, vriendelijke en draagbare flexibele boventallige robotledemaat voor patiënten met een chronische beroerte ontworpen en gefabriceerd. (2) Er is een betrouwbare methode van mens-robot-interactie gerealiseerd op basis van flexibele buigsensoren. (3) Er zijn praktijkexperimenten uitgevoerd om de effectiviteit en betrouwbaarheid van het voorgestelde mechanisme en de voorgestelde methode te verifiëren, waaronder het testen van de uitgangskracht en waarbij zes patiënten met een chronische beroerte betrokken zijn.