慢性脳卒中患者のための柔軟な装着型超過ロボット四肢

先行研究1によると、2019年現在、世界で脳卒中の患者数は¹億人を超えています。これらの症例の約3分の2は片麻痺性の後遺症を呈し、重度の片麻痺性脳卒中患者の80%以上が手と腕の機能を完全に回復させることができませんでした²。さらに、今後数十年は高齢化が進み、脳卒中の潜在的な患者数が大幅に増加すると予想されています。脳卒中後の持続的な上肢障害は、日常生活動作(ADL)に大きな影響を与える可能性があり、手のリハビリテーションは、慢性脳卒中患者の活動と参加を強化するための重要な目的として臨床的に認識されています³。

従来のモーター駆動のロボット上肢デバイスは、かなりの駆動力を提供できますが、その剛性の高い構造は、多くの場合、大きなサイズと大きな重量につながります。さらに、誤動作した場合、人体に不可逆的な害を及ぼすリスクがあります。対照的に、軟質空気圧アクチュエータは、リハビリテーション⁴、補助⁵、外科的用途⁶において大きな可能性を秘めている。その利点には、安全性、軽量構造、および固有のコンプライアンスが含まれます。

近年、軟質空気圧アクチュエータを中心に、数多くの柔軟なウェアラブルロボットが登場し、設計・開発されています。これらのロボットは、脳卒中患者の上肢のリハビリテーションおよびリハビリテーション後の支援を目的としています。それらは主に手の外骨格^7,8と過剰な肢^9,10を包含する。どちらもウェアラブルロボットとリハビリテーションの分野で使用されていますが、前者は人体と直接相互作用し、筋肉や関節を潜在的に拘束しますが、後者は直接的な制約なしに人間のワークスペースまたは動きを補完します^11,12。サーボモーターをベースとしたウェアラブルな超過ロボットフィンガーは、作業療法士の日常生活動作(ADL^{)トレーニングを支援するために}開発されました9。同様のアプローチは、他の研究でも見つけることができます¹⁰。これら2つのカテゴリーのロボットフィンガーは、片麻痺患者のリハビリテーション支援におけるロボットの応用に新たな可能性をもたらしました。それにもかかわらず、これらのロボット設計に採用されている剛性の高い構造は、ユーザーの快適性と安全性に関する潜在的な考慮事項をもたらす可能性があることは注目に値します。機能的磁気共鳴画像法(fMRI)中の手のリハビリテーションやタスク固有のトレーニングに使用できるソフトウェアラブルロボットグローブの設計、製造、および評価が発表されました¹³。この手袋は、シリコーンエラストマー製の軟質空気圧アクチュエーターを使用して指関節の動きを生成し、デバイスはfMRI画像にアーチファクトを引き起こすことなくMR互換です。Yunらは、組み立てベースのアプローチを利用するカスタマイズ可能なソフト空気圧補助手袋であるExo-Glove PMを導入しました¹⁴。この革新的なデザインは、小さなモジュールとモジュール間の距離を調整できることを特徴としており、ユーザーはスペーサーを使用して指骨の長さに基づいてグローブをカスタマイズできます。このアプローチにより、カスタム製造を必要とせずに快適性とパフォーマンスを最大化できます。研究者らは、空気圧ネットワークとして機能する統合されたチャネルを備えたエラストマー材料で構成されたソフトアクチュエータを発表しました¹⁵。これらのアクチュエータは、人間の指の動きに安全に適合する曲げ動作を生成します。さらに、研究者らは、軽量で適応性のあるインフレータブルソフト外骨格デバイスであるAirExGloveを導入しました¹⁶。このシステムは費用対効果が高く、さまざまな手のサイズに合わせてカスタマイズでき、さまざまなレベルの筋肉痙縮の患者にうまく対応しています。リジッドリンクロボットシステムと比較して、より人間工学に基づいた柔軟なソリューションを提供します。これらの研究は、柔軟なウェアラブルハンドリハビリテーションや支援ロボットの開発に大きく貢献してきましたが、完全な携帯性と人間とロボットの相互作用制御を実現したものはどれもなかったことは注目に値します。

脳波(EEG)¹⁷や筋電図(EMG)信号¹⁸などの生体信号と人間の意図との相関関係については、多くの研究が行われている。ただし、どちらのアプローチにも、既存のデバイスや技術的条件の制約内で一定の制限があります。侵襲性電極は人体への外科的処置を必要としますが、非侵襲性電極はノイズレベルが高く、信号取得の信頼性が低いなどの問題に悩まされています。これらの制限の詳細な議論は、文献^19,20にあります。したがって、柔軟なウェアラブル超過ロボット四肢の携帯性とユーザーフレンドリーなヒューマンマシンインタラクション機能に関する研究の追求は、依然として非常に関連性があります。

この研究では、慢性脳卒中患者の指のリハビリテーションと把持支援を支援するために、独自の柔軟なウェアラブル超過ロボット肢を設計および製造しました。このロボットリムは、軽量、安全性、コンプライアンス、防水性、優れた出力重量/圧力比を特徴としています。エンベロープと指先把持の2つの把持モードは、携帯性を維持しながら、ユーザーフレンドリーなヒューマンロボットインタラクションを確保しながら実現しました。このプロトコルは、空気圧グリッパーとウェアラブルスキームの設計と製造プロセスを詳細に説明しています。さらに、柔軟な曲げセンサに基づく人間とロボットの相互作用方法が提案されており、しきい値セグメンテーションによる便利でユーザーフレンドリーな制御が可能です。これらの側面はすべて、実際の実験を通じて検証されています。

本研究の主な貢献は、(1)慢性脳卒中患者のための軽量でフレンドリーでウェアラブルで柔軟な超過数ロボット四肢を設計および製造した。(2)フレキシブルな曲げセンサによる信頼性の高い人間とロボットのインタラクションを実現した。(3)提案されたメカニズムと方法の有効性と信頼性を検証するために、6人の慢性脳卒中患者を対象とした出力力試験を含む実際の実験が行われました。