Robotics and Exoskeletons

Robotiikka ja eksoskeletonit

Viime vuosikymmeninä robotiikan kehitys on johtanut merkittävään edistymiseen terveydenhuollossa, erityisesti liikkuvuuden tehostamiseen ja kuntoutukseen liittyvillä aloilla. Puettavia robotti-eksoskeletoneja, jotka aikoinaan jäivät tieteiskirjallisuuden piiriin, käytetään nykyään aktiivisesti auttamaan yksilöitä palauttamaan tai parantamaan liikkuvuuttaan. Samoin robottiavusteiset kuntoutuslaitteet laajentavat vammoista toipuvien tai vammaisten potilaiden hoitomahdollisuuksia. Tämä artikkeli tarjoaa laajan yleiskatsauksen robotiikan soveltamisesta terveydenhuollossa keskittyen kahteen pääalueeseen: (1) liikkuvuutta lisäävät avustetut laitteet ja (2) kuntoutusrobotiikka toipumisprosesseja tukemaan.

1. Robotiikan ja eksoskeletonien kehitys

1.1 Varhainen kehitys

Käsitys ihmisen voimaa ja liikkuvuutta lisäävästä mekaanisesta laitteesta voidaan jäljittää vuosikymmeniä taaksepäin. Alkuperäinen sotilaallinen tutkimus 1960- ja 1970-luvuilla tutki mahdollisuutta rakentaa sähkökäyttöisiä eksoskeletoneja sotilaille kantamaan raskaita kuormia pitkiä matkoja (Herr, 2009). Vaikka näitä varhaisia ​​yrityksiä rajoittivat isot rakenteet ja riittämättömät virtalähteet, ne loivat perustan nykyaikaiselle eksoskeletonteknologialle.

1.2 Teknologinen kehitys

Ajan myötä moottoreiden, akkujen, antureiden ja ohjausalgoritmien parannukset vauhdittivat eksoskeleton kehitystä. Tehokkaammat sähkömoottorit ja kevyet materiaalit, kuten hiilikuitu ja korkealaatuiset alumiiniseokset, vähensivät eksoskeleton painoa ja tekivät niistä käytännöllisempiä jokapäiväiseen käyttöön (Gandhi et al., 2021). Sillä välin anturit, kuten inertiamittausyksiköt (IMU:t), voimaanturit ja elektromyografiaanturit (EMG) ovat mahdollistaneet käyttäjän aikomuksen reaaliaikaisen havaitsemisen, mikä on johtanut tasaisempaan ja intuitiivisempaan ohjaukseen (Yeung et al., 2017).

1.3 Modernit eksoskeleton sovellukset

Nykyaikaisia ​​eksoskeletoneja on eri muodoissa:

Alaraajojen eksoskeletonit: Suunniteltu auttamaan kävelyä, seisomista ja portaiden kiipeämistä (esim. ReWalk, Ekso Bionics, Indego).

Yläraajojen eksoskeletonit: Käytetään usein terapeuttisissa yhteyksissä käsivarsien liikkeen palauttamiseen tai auttamiseksi potilailla, jotka toipuvat aivohalvauksesta tai muista neurologisista vammoista (esim. Myomon MyoPro).

Teolliset eksoskeletonit: Käytetään vähentämään toistuvien tehtävien taakkaa ja vähentämään työntekijöiden tuki- ja liikuntaelinten sairauksien riskiä (esim. SuitX:n olkapäitä tukevat eksoskeletonit).

2. Avustetut liikelaitteet: Liikkuvuuden parantaminen

2.1 Yleiskatsaus

Avustetut liikelaitteet ovat robottitekniikoita, jotka on erityisesti suunniteltu parantamaan tai palauttamaan henkilön liikkumiskyky. Niiden tavoitteena on lisätä itsenäisyyttä, vähentää toissijaisten komplikaatioiden (esim. painehaavat, lihasatrofia) riskiä ja parantaa yleistä elämänlaatua. Alaraajojen eksoskeletonit ovat merkittävimpiä tällaisia ​​laitteita, jotka tarjoavat usein liikkuvuusratkaisuja henkilöille, joilla on selkäydinvamma (SCI), multippeliskleroosi tai ikään liittyvä liikkuvuuden heikkeneminen (Sale et al., 2012).

2.2 Mekanismit ja edut

Tehokäyttöinen käyttö
Monet eksoskeletonit käyttävät sähkömoottoreita lonkka- ja/tai polvinivelissä auttamaan kävelyä. Integroidut anturit havaitsevat käyttäjän asennon tai liikeyrityksen ja laukaisevat toimilaitteet antamaan tarvittavan vääntömomentin (Dollar & Herr, 2008). Tämän reaaliaikaisen avun avulla ihmiset voivat kävellä tasaisilla pinnoilla tai jopa kiivetä portaita laitteen suunnittelusta riippuen.

Kehon painon tuki
Jotkut avustetut liikelaitteet tukevat osittain käyttäjän kehon painoa, mikä vähentää liikkeen fyysistä taakkaa.Tämä on hyödyllistä henkilöille, jotka ovat kävelyharjoittelussa tai joilla on rajoitettu lihasvoima.

Räätälöinti ja mukautuvuus
Kehittyneiden algoritmien avulla eksoskeletonit voivat mukautua käyttäjien muuttuviin olosuhteisiin, olipa kyseessä sitten kävelynopeuden, suunnan tai kaltevuuden vaihtelut. Nämä mukautukset auttavat maksimoimaan mukavuuden, turvallisuuden ja energiatehokkuuden (Zhang et al., 2017).

Paremmat terveystulokset
Eksoskeleton säännöllinen käyttö voi auttaa vähentämään liikkumattomuuteen liittyviä toissijaisia ​​komplikaatioita, kuten lihasten surkastumista, luun tiheyden laskua tai huonoa sydän- ja verisuoniterveyttä. Useat tutkimukset ovat raportoineet parannuksista käyttäjän tasapainossa, lihasvoimassa ja yleisessä hyvinvoinnissa (Kressler et al., 2013).

2.3 Haasteet laajalle levinneessä adoptiossa

Lupauksistaan ​​​​huolimatta avustetuilla liikkeellä olevilla eksoskeletoilla on myös esteitä:

Korkeat kustannukset: Kehitys- ja valmistuskustannukset johtavat korkeisiin osto- tai vuokrahintoihin, mikä rajoittaa saavutettavuutta.

Koulutusvaatimukset: Käyttäjät ja hoitajat tarvitsevat erityiskoulutusta robotti-exoskeletonin turvalliseen käyttämiseen.

Viranomaishyväksyntä: Jokaisen laitteen on täytettävä tiukat kliiniset standardit ja sertifikaatit (esim. FDA Yhdysvalloissa, CE-merkki Euroopassa), mikä voi hidastaa markkinoille pääsyä.

Ympäristörajoitukset: Eksoskeletonit toimivat parhaiten suhteellisen tasaisilla pinnoilla, mikä tekee navigoinnista epätasaisissa tai ulkona olevissa maastoissa haastavampaa.

3. Kuntoutusrobotiikka: Toipumisprosessien tukeminen

3.1 Rooli kuntoutuksessa

Kuntoutusrobotit on suunniteltu auttamaan fyysisistä vammoista, aivohalvauksesta tai neurologisista häiriöistä toipuvien potilaiden hoitoprosessissa. Nämä laitteet, joita käytetään usein kliinisissä olosuhteissa, tarjoavat korkean intensiteetin, toistuvaa, tehtäväkohtaista koulutusta terapeuttien ohjauksessa, mikä on kriittistä neuroplastisuuden ja toiminnallisen palautumisen kannalta (Mehrholz et al., 2018).

3.2 Kuntoutusrobotiikan avainalueet

Yläraajojen kuntoutus
Monet aivohalvauspotilaat kokevat hemipareesia (heikkous kehon toisella puolella), mikä vaikeuttaa päivittäisten tehtävien suorittamista. Yläraajojen kuntoutusrobotit käyttävät usein kaapelivetoisia järjestelmiä, robottikäsivarsia tai eksoskeletonipohjaisia ​​ratkaisuja auttamaan tai vastustamaan liikkeitä olkapää-, kyynärpää- ja ranteen nivelissä (Kwakkel et al., 2017). Esimerkkejä ovat Armeo Power (Hocoma) ja MIT-Manus-robottikäsi (Krebs et al., 2003).

Alaraajojen kuntoutus
Robottiharjoitteet, kuten Lokomat (Hocoma), käyttävät juoksumattopohjaista kokoonpanoa, jossa on robottikäyttö lonkka- ja polvinivelissä. Potilaat ripustetaan valjaisiin, jotka tukevat osittain heidän ruumiinpainoaan. Robottijalat ohjaavat potilaan raajoja luonnollisen kävelykuvion läpi, mikä edistää kävelytaitojen uudelleenoppimista.

Käsien ja sormien kuntoutus
Sormen tai käden eksoskeletonit tähtäävät kätevyyteen ja hienomotoriseen hallintaan ja käyttävät usein kevyitä toimilaitteita ja antureita auttamaan tarttumis- ja vapautusliikkeissä (Li et al., 2011). Nämä voivat olla erityisen hyödyllisiä potilaille, jotka toipuvat aivohalvauksesta tai käsivammoista.

Virtuaalitodellisuuden (VR) integrointi
Monet kehittyneet kuntoutusrobotit sisältävät virtuaalitodellisuuden tai pelin kaltaisia ​​käyttöliittymiä potilaiden motivoimiseksi ja reaaliaikaisen palautteen antamiseksi. VR-ympäristöjen käyttö voi parantaa sitoutumista, sitoutumista ja toiminnallisia tuloksia (Deutsch et al., 2020).

3.3 Edut ja kliininen näyttö

Korkea toisto ja intensiteetti
Robottilaitteet voivat tuottaa johdonmukaisia, korkean intensiteetin hoitojaksoja, mikä on ratkaiseva tekijä neuroplastisten muutosten ajamisessa (Langhorne et al., 2009).

Objektiivinen arviointi
Kuntoutusroboteihin upotetut anturit mittaavat parametreja, kuten voimantuottoa, liikealuetta ja lihasten aktivaatiota. Nämä datapisteet mahdollistavat yksilöllisen edistymisen seurannan ja mukautuvan hoidon säädön (Bernhardt et al., 2017).

Johdonmukaisuus ja luotettavuus
Pelkästään manuaaliseen terapiaan verrattuna robotti voi tarjota erittäin yhdenmukaisia ​​liikereittejä ja hallita potilaaseen kohdistetun avun tai vastuksen tasoa. Tämä vähentää terapeutin väsymystä ja vaihtelua harjoitusprotokollien välillä (Mehrholz et al., 2018).

Vahvistavat terapeutit
Sen sijaan, että robotit korvaavat ihmisterapeutteja, ne toimivat työkaluina, jotka lisäävät terapeutin kykyjä. He hoitavat toistuvia tehtäviä ja vapauttavat terapeutit keskittymään strategiseen päätöksentekoon ja yksilölliseen vuorovaikutukseen potilaiden kanssa.

3.4 Kuntoutusrobotiikan haasteet

Kustannukset ja monimutkaisuus: Kehittyneet robottijärjestelmät voivat olla kalliita klinikoille. Huolto, korjaukset ja henkilöstön koulutus ovat taloudellista lisätaakkaa.

Potilaskohtaiset tarpeet: Yksilöt vaihtelevat suuresti terapiatarpeissaan ja vaativat laitteiden ja ohjelmien mukauttamista.

Tekniset rajoitukset: Nykyiset laitteet eivät välttämättä toista normaalin liikkeen koko monimutkaisuutta, mikä korostaa jatkuvan biomimeettisen suunnittelun ja älykkään ohjauksen tarvetta.

Sääntely- ja vakuutusasiat: Viranomaisten hyväksyntöjen ja vakuutuskorvausten turvaaminen voi viivästyä. Kliinisen näytön on osoitettava näiden tekniikoiden kustannustehokkuus, jotta ne voidaan ottaa laajalti käyttöön (Bertani et al., 2021).

4. Tulevaisuuden suunnat ja kehittyvät trendit

Pehmeät eksoskeletonit
Jäykät kehykset voivat rajoittaa käyttäjän mukavuutta ja liikelaajuutta. Pehmeät eksoskeletonit – jotka on valmistettu tekstiileistä, kaapeleista ja kevyistä toimilaitteista – pyrkivät tarjoamaan apua ilman perinteisiä eksoskeletoneja (Cao et al., 2020).

Brain-Computer Interfaces (BCI:t)
Joissakin prototyypeissä BCI:t antavat henkilöille, joilla on vakava halvaus, ohjata robottiraajoja tai eksoskeletoneja suoraan aivoista tulevien signaalien avulla (Ang et al., 2010). Tämä voisi avata uusia näköaloja henkilöille, joilla on korkea selkäydinvamma tai pitkälle edenneet hermoston rappeumataudit.

Tekoäly (AI) ja koneoppiminen
Tekoälyalgoritmien integrointi mahdollistaa sen, että eksoskeletonit ja kuntoutusrobotit voivat oppia ja mukautua käyttäjän ainutlaatuisiin kävelymalleihin tai hoidon etenemiseen. Tämä sopeutumiskyky voi johtaa henkilökohtaisempiin ja tehokkaampiin interventioihin (Orekhov et al., 2021).

Puettavat anturit ja valvonta
Vaatteisiin tai eksoskeletoihin integroidut puettavat anturit voivat kerätä laajoja biomekaanisia ja fysiologisia tietoja. Pilvipohjaisen analytiikan avulla nämä tiedot voivat auttaa lääkäreitä säätämään hoitoa reaaliajassa ja parantamaan tuloksia (Artemiadis, 2014).

Etäkuntoutus ja etävalvonta
Parannetun liitettävyyden ansiosta eksoskeletonia ja kuntoutuslaitteita voidaan käyttää kotona, kun taas kliinikot tarkkailevat edistymistä etänä. Tämä lähestymistapa voi laajentaa erikoishoidon ulottuvuutta syrjäisille tai alipalveltuille yhteisöille (Tyagi et al., 2018).

Robotiikka ja eksoskeleton teknologiat ovat käynnistäneet liikkuvuuden parantamisen ja kuntouttavan hoidon uuden aikakauden. Nämä laitteet osoittavat tekniikan ja lääketieteen lähentymisen muuntavaa voimaa, kun ne auttavat ihmisiä, joilla on selkäydinvammoja, ja parantavat aivohalvauksesta selviytyneiden hoitotuloksia.Vaikka esteet – kuten kustannukset, sääntelyhaasteet ja tekniset rajoitukset – ovat edelleen olemassa, jatkuva tutkimus ja innovaatiot suunnittelussa, ohjauksessa ja tekoälyssä viittaavat valoisaan tulevaisuuteen. Kun näistä laitteista tulee entistä kehittyneempiä ja helppokäyttöisempiä, niillä on lupaus parantaa merkittävästi miljoonien ihmisten elämänlaatua maailmanlaajuisesti.

Viitteet

Ang, KK, Guan, C., Chua, KSG, Ang, BT, Kuah, CWK, Wang, C., … & Burdet, E. (2010). Kliininen tutkimus motorikuviin perustuvasta aivo-tietokonerajapinnasta yläraajojen robottikuntoutukseen. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), IEEE:n vuotuinen kansainvälinen konferenssi 2010, 1501–1504.
Artemiadis, PK (2014). Puettava robotiikka: eksoskeletoista älykkäisiin vaatteisiin. Akateeminen Lehdistö.
Bertani, R., Melegari, C., De Cola, MC, Bramanti, A., Bramanti, P., & Calabrò, RS (2021). Robottiavusteisen yläraajojen kuntoutuksen vaikutukset aivohalvauspotilailla: Systemaattinen katsaus meta-analyysiin. Neurologiset tieteet, 42(2), 1–11.
Bernhardt, J., Hayward, KS, Dancause, N., Lannin, NA, Ward, NS, Nudo, RJ, … & Boyd, LA (2017). Aivohalvauksen toipumiskokeilukehityskehys: Konsensukseen perustuvat ydinsuositukset Second Stroke Recovery and Rehabilitation Roundtable -konferenssista. International Journal of Stroke, 12(5), 472–480.
Cao, W., Xie, H., Luan, S., Wu, C. ja Zhang, X. (2020). Pehmeän eksoskeleton suunnittelu ja ohjaus alaraajojen liikkeitä auttamaan. Pehmeä robotiikka, 7(2), 199–210.
Deutsch, JE, Lewis, JA ja Whitall, J. (2020). Virtuaalitodellisuus aivohalvauksen jälkeiseen sensorimotoriseen kuntoutukseen: Alan lupaus ja nykytila. Nykyiset fyysisen lääketieteen ja kuntoutusraportit, 8(4), 1–8.
Dollar, AM ja Herr, H. (2008). Alaraajojen eksoskeletonit ja aktiiviset ortoosit: haasteita ja uusinta tekniikkaa. IEEE Transactions on Robotics, 24(1), 144–158.
Gandhi, P., Esquenazi, A., Rivera, M., Vergara, AA ja Li, C. (2021). Exoskeleton kävelyharjoittelu henkilöillä, joilla on krooninen selkäydinvamma: Pilottitutkimus. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, 100(1), 79–85.
Herr, H. (2009). Eksoskeletonit ja ortoosit: Luokittelu, suunnittelun haasteet ja tulevaisuuden suunnat. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 6(21).
Kressler, J., Thomas, CK, Faust, KL ja Burns, AS (2013). Maanpäällisen bionisen ambulaation terapeuttisten hyötyjen ymmärtäminen: Tutkimustapaussarja henkilöillä, joilla on krooninen, täydellinen selkäydinvamma. Fysikaalisen lääketieteen ja kuntoutuksen arkisto, 94(10), 1958–1963.
Krebs, HI, Palazzolo, JJ, Dipietro, L., Ferraro, M., Krol, J., Rannekleiv, K., … & Hogan, N. (2003). Kuntoutusrobotiikka: Suorituskykyyn perustuva progressiivinen robottiavusteinen terapia. Autonomiset robotit, 15, 7–20.
Kwakkel, G., Winters, C., van Wegen, EEH, Nijland, RHA, van Kuijk, A., Visser-Meily, A., … & Kollen, BJ (2017). Robottiavusteisen hoidon vaikutukset yläraajojen palautumiseen aivohalvauksen jälkeen: Systemaattinen katsaus ja meta-analyysi. Aivohalvaus, 48(11), 3232–3239.
Langhorne, P., Bernhardt, J., & Kwakkel, G. (2009). Aivohalvauksen kuntoutus. Lansetti, 373 (9678), 1923–1932.
Li, K., Fang, J., Zhou, X. ja Liu, L. (2011). Uusi käden eksoskeleton kuntoutukseen käyttämällä kaapelinsiirtoa ja itsesuuntautuvia nivelakseleita. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 17(5), 783–793.
Mehrholz, J., Elsner, B., Werner, C., Kugler, J. ja Pohl, M. (2018). Sähkömekaaninen avusteinen harjoitus aivohalvauksen jälkeiseen kävelyyn. Cochrane Systemaattisten arvostelujen tietokanta, (5).
Orekhov, AL, Basarab, DC, Sornkarn, N. ja Nanayakkara, T. (2021). Jaettu autonomia avustavassa robotiikassa: kysely. Anturit, 21(19), 6468.
Sale, P., Franceschini, M., & Waldner, A. (2012). Robottiavusteisen kävelyhoidon teho aivohalvaus- ja selkäydinvammapotilailla: Systemaattinen katsaus. Neurokuntoutus, 31(3), 3–11.
Tyagi, S., Lim, CM, Ho, WHH, Chen, HL ja Kwan, MK (2018). Etäkuntoutus: uusi raja kuntoutuslääketieteessä. mHealth, 4(40), 1–12.
Yeung, LF, Chen, W., Lee, WCC ja Zhang, ZQ (2017). Exoskeleton-nilkkarobotin suunnittelu aivohalvauksen kuntoutukseen. International Journal of Intelligent Robotics and Applications, 1(2), 244–255.
Zhang, F., Wang, W. ja Huang, H. (2017). Suunnittelu ja ohjaus robottialaraajojen eksoskeleton järjestelmän kävelykuntouttamiseen. Mekatroniikka, 44, 66–76.

Vastuuvapauslauseke: Tämän artikkelin tarkoituksena on antaa yleistä tietoa robotiikasta ja eksoskeletontekniikasta liikkuvuuden parantamiseen ja kuntoutukseen. Se ei korvaa ammattimaista lääketieteellistä neuvontaa, diagnoosia tai hoitoa. Pyydä aina neuvoja päteviltä terveydenhuollon tarjoajilta potilaiden erityistarpeista.

← Edellinen artikkeli Seuraava artikkeli →

Takaisin alkuun

Takaisin blogiin