Robô de mesa compacto revoluciona o fornecimento de fisioterapia

Ed Brown

Resumos técnicos: Como você começou com essa ideia?

Professor Habib Rahman: Tudo começou com um projeto com nosso Connected System Institute, onde trabalhamos em um motor para fazer seu gêmeo digital para ver se poderíamos controlar os motores remotamente. Trabalho com robótica de reabilitação há muito tempo. Minha pesquisa é em reabilitação e robótica assistiva. Um grupo trabalha com pessoas sobreviventes de AVC e outro grupo trabalha com usuários de cadeiras de rodas. Durante a época do COVID, foi uma luta ajudar as pessoas a se reabilitarem. Eu estava trabalhando em robótica de reabilitação – fazendo 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 essa ideia para ver se conseguiríamos fazer telessaúde com um robô.

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

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

Rahman: O algoritmo de controle pode detectar a intenção humana de movimentos. Usamos dois tipos de sensores:um é um eletromiograma (EMG), outro é um sensor de força. Não usamos EMG com frequência – apenas para verificar se o sistema está funcionando.
Habib Rahman, professor e catedrático de engenharia mecânica, trabalhou para testar o iTbot, um braço robótico auxiliar portátil que permite que pacientes com AVC recebam fisioterapia sem sair de casa. A plataforma baseada em braço que Rahman está desenvolvendo traz vantagens tanto para pacientes quanto para terapeutas. (Foto de Troye Fox)

Resumos técnicos: Você poderia me dizer o que um EMG faz?

Rahman:Um O sinal EMG vem do músculo. Então, se você tentar se mover, poderemos saber como funcionou. Recebemos um sinal elétrico básico e depois recebemos um quando o músculo é contraído.

Resumos técnicos: O sinal EMG fornece uma medida bastante precisa do músculo?

Rahman: Sim, se a pessoa tiver um movimento decente dos braços. Mas, para pacientes com AVC, é difícil obter um bom sinal. No entanto, se amplificarmos estes sinais para um sujeito saudável, é endereçável. Com um sensor de força, se você tentar se 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 mover meu braço, por exemplo, mesmo que eu esteja apenas segurando um haltere, ele ainda estará usando um músculo, então receberemos sinais EMG. Qualquer movimento terá um sinal muscular.

Resumos técnicos: Um miograma não exige a inserção de agulhas no braço?

Rahman: Existem duas versões de miogramas; usar agulhas é um deles. Mas usamos um EMG de superfície. Ele mede a diferença de potencial entre dois eletrodos fixados na pele com adesivo. O algoritmo de controle é tal que, se uma pessoa tiver um bom movimento das mãos, o sinal do sensor de força dominará.


O conceito do braço robótico inteligente desenvolvido na Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas da UWM é visível aqui. O usuário segura o braço e o move para seguir as linhas da forma na tela à esquerda. Sensores na parte superior do braço e no ombro fornecem os dados de ativação muscular que são inseridos no gêmeo digital para que o terapeuta tenha todas as informações físicas necessárias para administrar o tratamento. (Vídeo cortesia do laboratório do Professor Habib Rahman.)

Resumos técnicos: Onde está o sensor de força?

Rahman: Está na alça do pulso, então os sensores de força sempre detectam seus movimentos. Com base na deficiência do sujeito, o controlador pode ajustar moderadamente o nível de assistência ou dificultar a movimentação do sujeito. Se você dificultar, isso significa que você está dando resistência e construindo músculos. Existem muitas terapias, por exemplo, terapia assistida e terapia resistiva. Com base nas necessidades do paciente, podemos programar o controlador para dar assistência ou resistência.

Quando você vai a um fisioterapeuta, ele pode pedir que você empurre enquanto ele oferece resistência. Da mesma forma, o robô oferecerá resistência – se você tentar empurrá-lo, ficará um pouco difícil. Programamos uma meta e deixamos a pessoa chegar na meta, mas ela vai precisar se esforçar muito para que seu músculo funcione. Às vezes, quando lhes damos uma meta, se a pessoa não conseguir alcançá-la, o robô a ajudará a chegar lá – isso é chamado de terapia ativamente assistida.

Quando alguém sofre um acidente vascular cerebral, a conexão das redes neurais fica meio quebrada — a pessoa se esquece de fazer pequenas tarefas, da coordenação motora fina, então precisa de muita ajuda. Isso requer muitas repetições, que o robô pode fazer – o dispositivo move suavemente o membro do participante sem seu próprio esforço – isso é chamado de terapia passiva. Alonga os músculos sem dor e reforça os padrões de movimento corretos. Assim que o sujeito começar a ganhar movimento real, damos-lhe algumas tarefas funcionais para que aprenda a coordenar.

Resumos técnicos: Tecnicamente, como você ajusta a tensão?

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


Um estudante de pós-graduação usa o braço robótico para tratamento terapêutico (à direita), enquanto os dados que o braço coleta em tempo real aparecem no gêmeo digital na tela do terapeuta (à esquerda). Embora a foto os mostre juntos na sala, a mesma configuração funciona quando o paciente e o braço estão em um local e o terapeuta e um computador estão em um local diferente. (Vídeo cortesia do laboratório do Professor Habib Rahman.)

Resumos técnicos: Li que existem duas maneiras de usar o robô:remotamente ou pessoalmente, digamos, no consultório de um terapeuta.

Rahman: Sempre foi presencial, mas agora estamos explorando a telessaúde. Temos diferentes versões do robô. Um é muito pequeno e pode ir para a casa de uma pessoa. Outra versão poderia ir para um centro de reabilitação, onde as pessoas podem receber fisioterapia para definir as metas terapêuticas. O terapeuta pode então obter os dados remotamente e, quando necessário, ajustar o protocolo terapêutico e até controlar remotamente o robô.

Resumos técnicos: Isso não teria que ser orientado por um terapeuta para decidir quanto é suficiente e quanto é demais? Quero dizer, você pode machucar alguém se não tomar cuidado.

Rahman: Sim, estamos trabalhando com vítimas de AVC, obtendo dados. No entanto, uma vez que a nossa IA esteja totalmente desenvolvida, será necessária menos orientação, mas os terapeutas terão sempre de estar informados. Trabalharemos com muitas vítimas de AVC para desenvolver plenamente a IA até ao ponto em que precisaremos de menos supervisão. Contudo, ainda precisaremos de terapeutas para programar e supervisionar os robôs. Estamos sempre cadastrando sujeitos para trabalhar na controladoria.

Resumos técnicos: Parece-me que varia muito de acordo com o indivíduo que está sendo tratado. Então, não tenho certeza de como, sem um terapeuta, mesmo com a IA avançada, você poderia dizer que esse indivíduo precisa de tanta força.

Rahman: Quando você conecta o robô, existe uma lei que pode lhe dar um pré-movimento e detectar o período de dor. Uma vez que haja ativação muscular, a dor aumentará e os resultados do sensor de força serão aumentados. É assim que estamos trabalhando em nossa fase experimental.

Resumos técnicos: Isso também é medido pela EMG?

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

No futuro haverá milhares de pacientes, cada um deles diferente. Estamos usando três coisas para medir a 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 a partir de expressões faciais. Isto não é necessariamente 100 por cento correcto porque ainda estamos na fase de desenvolvimento, mas o nosso objectivo a longo prazo é criar um sistema que necessite de supervisão mínima.

Resumos técnicos: Você está criando um gêmeo digital?

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

O gêmeo digital tem dois propósitos. Uma delas é controlar o robô remotamente. Segundo, quando o robô se move, ele envia feedback para que possamos ver até que ponto ele se moveu. Depois que o sujeito tenta se mover, podemos ver a magnitude e a direção das forças, as leituras EMG e assim por diante. É uma comunicação bidirecional.

Resumos técnicos: Então, você precisa de transmissores e também de sensores?

Rahman: Sim, usamos os serviços Microsoft Azure Cloud. Enviamos os sinais para a nuvem Microsoft Azure e depois para a casa do paciente. Caso estejam trabalhando sem o terapeuta, os dados serão armazenados na nuvem para que o terapeuta possa acessá-los a qualquer momento.

Resumos técnicos: Eu li que você usa jogos.

Rahman: A pesquisa mostra que a terapia robótica nos proporcionaria um melhor desempenho com o uso de jogos. Há base científica sobre isso, chamada de princípios de aprendizagem motora. Com base nisso, damos ao sujeito um regime de terapia guiada específica para cada tarefa. Damos-lhes o desafio certo e recolhemos feedback explícito e implícito sobre o quanto estão a avançar.

Então, um jogo é útil para isso. Damos uma tarefa ao paciente, digamos, ir de um ponto a outro. Uma vez que eles chegam lá, avançamos um pouco mais para aumentar sua amplitude de movimento, para tornar isso um pouco desafiador para eles. Eles conhecem o curso e sabem exatamente quanto tempo leva. Com os jogos, é como se o terapeuta estivesse presente. Utilizamos tarefas funcionais nos jogos — lavar, limpar uma mesa, tirar uma colher de um lugar e colocar em outro. Os jogos são desenvolvidos com base nos princípios da aprendizagem motora, portanto, como utilizamos feedback implícito e explícito, eles podem monitorar sua melhoria. Os jogos também são envolventes. Pode parecer um pouco chato fazer tarefas repetitivas, mas jogar realmente envolve a pessoa. Melhorar sua pontuação pode ser motivador. A pesquisa que nosso grupo vem fazendo mostra que o uso de jogos produz melhores resultados.

Resumos técnicos: Qual é a vantagem de usar este robô em vez de apenas usar um fisioterapeuta?

Rahman: Eles se complementam. Temos uma escassez constante de terapeutas e seu número está diminuindo. Eles podem entregar o robô ao paciente e ele pode trabalhar incansavelmente 24 horas por dia, 7 dias por semana. Permite que um terapeuta atenda muitos pacientes durante um dia. Em vez de ter que ficar sentado com o paciente enquanto ele faz 10 repetições, um robô pode fazer isso com precisão.

É uma ferramenta, como quando meu médico me dá um aparelho de pressão arterial que ele pode monitorar em casa, para que o médico não precise vir verificar minha pressão todos os dias. De forma semelhante, isso ajudará o terapeuta e o paciente. O seguro cobre apenas um número limitado de consultas de fisioterapia durante o ano. Porém, o robô permitirá que o paciente siga as orientações do terapeuta por tempo ilimitado.

Resumos técnicos: Olhando para o futuro, quem pagaria pela máquina? Seria coberto pelo seguro?

Rahman: Tenho certeza de que o seguro cobrirá isso porque hoje em dia o seguro cobre contratos de aluguel de máquinas de movimento passivo contínuo (CPM), se forem clinicamente justificados. Mas eles apenas fornecem repetições, nada mais. O robô torna tudo inteligente. Assim, como as máquinas CPM estão contempladas, prevemos que o robô também será contemplado, já que é igual a um CPM, mas com funcionalidades avançadas. Um paciente não teria que comprar o robô; seria apenas um aluguel.

Resumos técnicos: Onde você está em termos de comercialização disso?

Rahman: Estamos agora a realizar experiências 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. Existem algumas coisas que ainda precisam ser feitas. Agora poderíamos vendê-lo apenas como um robô para fins de pesquisa, mas se quisermos usá-lo em um ambiente clínico doméstico, precisaremos obter a aprovação do FDA, o que pode levar de um a dois anos.

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