Robô de Mesa Compacto Revoluciona Entrega de Fisioterapia

Tech Briefs: Como você começou com esta ideia?

Professor Habib Rahman: Começou de um projeto com nosso Instituto de Sistemas Conectados, onde trabalhamos em um motor para fazer seu gêmeo digital para ver se poderíamos controlar os motores remotamente. Tenho trabalhado em robótica de reabilitação há muito tempo. Minha pesquisa é em robótica de reabilitação e assistiva. Um grupo trabalha com pessoas sobreviventes de AVC, e outro grupo trabalha em usuários de cadeira de rodas. Durante o tempo da COVID, foi uma luta ajudar pessoas a reabilitar. Eu estava trabalhando em robótica de reabilitação — dando terapia com um robô. Então, estávamos pensando em como poderíamos elaborar nosso trabalho com tecnologia digital e nosso trabalho com robôs operados remotamente. Então, usamos esta ideia para ver se poderíamos fazer telehealth com um robô.

Havia muitos desafios naquela época: operação suave e segura dos robôs e transmissão adequada dos dados. Isso não é como um robô industrial regular. Precisamos ver o robô em tempo real, ver os pacientes, e obter feedback. Então, começamos a construir o nosso próprio.

Tech Briefs: Então, neste braço robótico, você tem que variar a tensão. Como você faz isso?

Rahman: O algoritmo de controle pode detectar intenção humana de movimentos. Usamos dois tipos de sensores: um é um eletromiograma (EMG), outro é um sensor de força. Não usamos EMG frequentemente — apenas para verificar se o sistema está funcionando.

Tech Briefs: Poderia me dizer o que um EMG faz?

Rahman: Um sinal EMG vem do músculo. Então, se você tenta mover, podemos saber como funcionou. Obtemos um sinal elétrico base e então obtemos um quando o músculo é contraído.

Tech Briefs: O sinal EMG dá uma medida bastante precisa do músculo?

Rahman: Sim, se a pessoa tem um tipo decente de movimento do braço. Mas, para pacientes de AVC, é difícil obter um bom sinal. No entanto, se amplificarmos estes sinais para um sujeito saudável, é abordável. Com um sensor de força, se você tenta mover significa que está ativando os músculos e podemos obter o sinal, que é uma medida da qualidade da fisiologia. Às vezes se eu não movo meu braço, por exemplo, mesmo se estou apenas segurando um haltere, ainda está usando um músculo então obteremos sinais EMG. Qualquer movimento terá um sinal muscular.

Tech Briefs: Não requer um miograma inserir agulhas no braço?

Rahman: Há duas versões de miogramas; usar agulhas é uma. Mas usamos EMG de superfície. Mede a diferença de potencial entre dois eletrodos mantidos na pele com adesivo. O algoritmo de controle é tal que se a pessoa tem bom movimento da mão, o sinal do sensor de força dominará.

Tech Briefs: Onde está o sensor de força?

Rahman: Está no punho da alça, então os sensores de força sempre detectam seus movimentos. Baseado na deficiência do sujeito, o controlador que pode moderadamente ajustar o nível de assistência ou torná-lo difícil para o sujeito mover. Se você torna difícil, isso significa que está dando resistência e construindo músculos. Há muitas terapias, por exemplo, terapia assistida e terapia resistiva. Baseado nas necessidades do paciente, podemos programar o controlador para dar assistência ou resistência.

Quando você vai a um fisioterapeuta, eles podem pedir para você empurrar enquanto eles dão resistência. Similarmente, o robô oferecerá resistência — se você tentar empurrá-lo, ele tornará um pouco difícil. Programamos uma meta e deixamos a pessoa chegar à meta, mas eles precisarão realmente empurrar forte para que seu músculo esteja trabalhando. Às vezes quando damos um alvo, se a pessoa não consegue alcançar, o robô ajudará a chegar lá — isso é chamado terapia ativo-assistida.

Quando alguém sofre de AVC, a conexão de redes neurais é meio que quebrada — a pessoa esquece como fazer pequenas tarefas, habilidades motoras finas, então eles precisam de muita ajuda. Isso requer muitas repetições, que o robô pode dar a eles — o dispositivo move gentilmente o membro do participante sem seu próprio esforço — isso é chamado terapia passiva. Estica músculos sem dor e reforça padrões de movimento corretos. Uma vez que o sujeito começa a ganhar movimento real, damos a eles algumas tarefas funcionais para que possam aprender a coordenar.

Tech Briefs: Tecnicamente, como você ajusta a tensão?

Rahman: Temos um driver de motor que ajusta a corrente do motor baseado no sinal do sensor de força ou sinal EMG para mudar as atuações do motor.

Tech Briefs: Li que há duas formas de usar o robô — remotamente ou in-person, digamos no consultório de um terapeuta.

Rahman: Sempre foi in-person, mas agora estamos explorando telehealth. Temos diferentes versões do robô. Uma é realmente pequena e pode ir para a casa de uma pessoa. Outra versão poderia ir para um centro de reabilitação, onde pessoas podem receber fisioterapia para definir metas de terapia. O terapeuta pode então obter os dados remotamente, e quando necessário, ajustar o protocolo terapêutico, e até controlar o robô remotamente.

Tech Briefs: Não teria que ser guiado por um terapeuta para decidir quanto é suficiente e quanto é demais? Quero dizer, você poderia machucar alguém se não tiver cuidado.

Rahman: Sim, estamos trabalhando com vítimas de AVC, obtendo dados. No entanto, uma vez que nossa IA esteja totalmente desenvolvida, menos orientação será necessária, mas terapeutas sempre terão que estar no loop. Estaremos trabalhando com muitas vítimas de AVC para desenvolver totalmente a IA ao ponto onde precisaremos de menos supervisão. No entanto, ainda precisaremos de terapeutas para programar e supervisionar os robôs. Estamos sempre inscrevendo sujeitos para trabalhar no controlador.

Tech Briefs: Parece-me que varia muito com o indivíduo sendo tratado. Então, não tenho certeza como sem um terapeuta, mesmo com IA avançada, você poderia dizer para este indivíduo esta força é necessária.

Rahman: Quando você conecta o robô, há uma lei que pode dar uma pré-movimento e detectará seu período de dor. Uma vez que há ativação muscular a dor será aumentada, e os resultados do sensor de força serão aumentados. É assim que estamos trabalhando em nossa fase experimental.

Tech Briefs: Isso também é medido pelo EMG?

Rahman: Sim, tanto o EMG quanto o sensor de força, mas como estamos desenvolvendo o sistema, estamos verificando duas vezes com o terapeuta para decidir se esta dor é OK. Então inserimos isso no controlador.

No futuro haverá milhares de pacientes, cada um diferente. Estamos usando três coisas para medir amplitude de movimento sem dor. O sensor EMG nos mostra o nível de atividade, o sensor de força nos mostra o nível de resistência, e estamos usando uma câmera, que pode detectar dor de expressões faciais. Isso não é necessariamente 100 por cento correto porque ainda estamos na fase de desenvolvimento, mas nossa meta de longo prazo é fazer um sistema que precise de supervisão mínima.

Tech Briefs: Você está criando um gêmeo digital?

Rahman: Sim, o terapeuta não tem o robô real, eles têm uma réplica dele. Você pode mover o robô remotamente e ler os dados sendo gerados. Você pode ver o quanto o ângulo da junta moveu, quanta força o robô foi submetido.

O gêmeo digital tem dois propósitos. Um é controlar o robô remotamente. Segundo, quando o robô moveu, ele envia feedback para que possamos ver o quão longe moveu. Uma vez que o sujeito tentou mover, podemos ver a magnitude e direção das forças, leituras EMG, e assim por diante. É uma comunicação bidirecional.

Tech Briefs: Então, você precisa de transmissores assim como sensores?

Rahman: Sim, usamos serviços de nuvem Microsoft Azure. Enviamos os sinais para a nuvem Microsoft Azure e então para a casa do paciente. Se eles estão trabalhando sem o terapeuta, os dados serão armazenados na nuvem para que o terapeuta possa acessá-los a qualquer momento.

Tech Briefs: Li que vocês usam jogos.

Rahman: Pesquisa mostra que terapia robótica nos daria desempenho melhorado usando jogos. Há base científica nisso, chamada princípios de aprendizagem motora. Baseado nisso, damos ao sujeito um regime de terapia guiado específico à tarefa. Damos a eles o desafio certo e coletamos feedback explícito e implícito sobre o quão longe estão avançando.

Então, um jogo é útil para isso. Damos ao paciente uma tarefa, digamos ir de um ponto a outro. Uma vez que vão lá, tornamos um pouco mais longe para aumentar sua amplitude de movimento, para torná-lo um pouco desafiador para eles. Eles conhecem o percurso e sabem exatamente quanto tempo leva. Com jogos, é como se o terapeuta estivesse lá. Usamos tarefas funcionais nos jogos — lavar, limpar uma mesa, pegar uma colher de um lugar e colocar em outro. Os jogos são desenvolvidos baseados nos princípios de aprendizagem motora, então como usamos feedback implícito e explícito, eles podem monitorar sua melhoria. Jogos também são envolventes. Pode sentir um pouco entediante fazer tarefas repetitivas, mas jogar realmente engaja uma pessoa. Melhorar sua pontuação pode ser motivador. Pesquisa que nosso grupo tem feito mostra que usar jogos produz melhores resultados.

Tech Briefs: Qual a vantagem de usar este robô em vez de apenas usar um fisioterapeuta?

Rahman: Eles se complementam. Temos uma escassez constante de terapeutas, e seus números estão diminuindo. Eles podem dar o robô ao paciente, e ele pode trabalhar incansavelmente 24/7. Permite um terapeuta ver muitos pacientes durante um dia. Em vez de ter que sentar com o paciente enquanto eles fazem 10 repetições, um robô pode fazer isso precisamente.

É uma ferramenta, como quando meu médico me dá um aparelho de pressão arterial que eles podem monitorar de casa, então o médico não precisa vir checar minha pressão todo dia. De forma similar, isso ajudará o terapeuta e o paciente. Seguro cobre apenas um número limitado de visitas de fisioterapia durante o ano. No entanto, o robô permitirá que o paciente siga a orientação do terapeuta por tempo ilimitado.

Tech Briefs: Olhando adiante, quem pagaria pela máquina? Seria coberto por seguro?

Rahman: Tenho certeza que o seguro cobrirá porque hoje em dia seguro cobre acordos de aluguel de máquina de movimento passivo contínuo (CPM), se clinicamente justificados. Mas eles apenas dão repetições, nada mais. O robô torna isso inteligente. Então, como máquinas CPM são cobertas, antecipamos que o robô será coberto também, já que é como uma CPM mas com funcionalidade avançada. Um paciente não teria que comprar o robô; seria apenas um aluguel.

Tech Briefs: Onde você está em termos de comercializar isso?

Rahman: Agora estamos rodando experimentos com vítimas reais de AVC. Fundei uma startup no ano passado e agora estamos trabalhando com algumas outras pessoas que estão nos ajudando a comercializar o dispositivo. Há algumas coisas que ainda precisam ser feitas. Poderíamos agora vendê-lo apenas como robô para propósitos de pesquisa, mas se quisermos usá-lo em configuração clínica domiciliar, precisamos obter aprovação FDA, que pode levar um a dois anos.