Robotics and Exoskeletons

Robotica en exoskeletten

De afgelopen decennia hebben ontwikkelingen in robotica geleid tot aanzienlijke vooruitgang in de gezondheidszorg, met name op het gebied van mobiliteitsverbetering en revalidatie. Draagbare robot-exoskeletten, ooit verbannen naar het rijk van sciencefiction, worden nu actief gebruikt om mensen te helpen hun mobiliteit te herwinnen of te verbeteren. Ook revalidatiehulpmiddelen met robotondersteuning breiden de therapeutische mogelijkheden uit voor patiënten die herstellen van blessures of omgaan met beperkingen. Dit artikel biedt een uitgebreid overzicht van de toepassing van robotica in de gezondheidszorg, met de nadruk op twee belangrijke gebieden: (1) hulpmiddelen voor bewegingsondersteuning voor verbeterde mobiliteit en (2) revalidatierobotica ter ondersteuning van herstelprocessen.

1. De evolutie van robotica en exoskeletten

1.1 Vroege ontwikkeling

Het concept van een mechanisch apparaat dat de menselijke kracht en mobiliteit vergroot, gaat al tientallen jaren terug. De eerste militaire onderzoeken in de jaren 60 en 70 verkenden de mogelijkheid om gemotoriseerde exoskeletten te bouwen waarmee soldaten zware lasten over lange afstanden konden dragen (Herr, 2009). Hoewel deze eerste pogingen werden beperkt door omvangrijke ontwerpen en onvoldoende energiebronnen, legden ze de basis voor moderne exoskelettechnologie.

1.2 Technologische vooruitgang

In de loop der tijd hebben verbeteringen in motoren, batterijen, sensoren en besturingsalgoritmen de ontwikkeling van exoskeletten een impuls gegeven. Efficiëntere elektromotoren en lichtgewicht materialen, zoals koolstofvezel en hoogwaardige aluminiumlegeringen, hebben het gewicht van exoskeletten verminderd en ze praktischer gemaakt voor dagelijks gebruik (Gandhi et al., 2021). Tegelijkertijd hebben sensoren – zoals traagheidsmeeteenheden (IMU's), krachtsensoren en elektromyografie (EMG)-sensoren – realtime detectie van de intentie van de gebruiker mogelijk gemaakt, wat heeft geleid tot een soepelere en intuïtievere bediening (Yeung et al., 2017).

1.3 Moderne exoskelettoepassingen

Moderne exoskeletten bestaan ​​in verschillende vormen:

Exoskeletten voor de onderste ledematen: Ontworpen ter ondersteuning van lopen, staan ​​en traplopen (bijv. ReWalk, Ekso Bionics, Indego).

Exoskeletten van de bovenste ledematen: Wordt vaak gebruikt in therapeutische contexten om armbewegingen te herstellen of te ondersteunen bij patiënten die herstellen van een beroerte of ander neurologisch letsel (bijv. MyoPro van Myomo).

Industriële exoskeletten:Wordt gebruikt om de last van repetitieve taken te verlichten en het risico op musculoskeletale aandoeningen bij werknemers te verkleinen (bijv. de schouderondersteunende exoskeletten van SuitX).

2. Hulpmiddelen voor bewegingsondersteuning: verbetering van de mobiliteit

2.1 Overzicht

Hulpmiddelen voor geassisteerde beweging zijn robottechnologieën die specifiek zijn ontworpen om iemands bewegingsvermogen te verbeteren of te herstellen. Ze zijn gericht op het vergroten van de onafhankelijkheid, het verminderen van het risico op secundaire complicaties (bijv. decubitus, spieratrofie) en het verbeteren van de algehele kwaliteit van leven. Exoskeletten voor de onderste ledematen behoren tot de meest opvallende van dergelijke hulpmiddelen en bieden vaak mobiliteitsoplossingen voor mensen met een dwarslaesie (SCI), multiple sclerose of leeftijdsgebonden mobiliteitsverlies (Sale et al., 2012).

2.2 Mechanismen en voordelen

Aangedreven aandrijving
Veel exoskeletten gebruiken elektromotoren in de heup- en/of kniegewrichten om te helpen bij het lopen. Geïntegreerde sensoren detecteren de houding of poging tot beweging van de gebruiker en activeren actuatoren om de benodigde kracht te leveren (Dollar & Herr, 2008). Deze realtime ondersteuning kan mensen in staat stellen om op vlakke oppervlakken te lopen of zelfs trap te lopen, afhankelijk van het ontwerp van het apparaat.

Lichaamsgewichtondersteuning
Sommige hulpmiddelen voor bewegingsondersteuning ondersteunen het lichaamsgewicht van de gebruiker gedeeltelijk, waardoor de fysieke belasting van de beweging wordt verminderd.Dit is nuttig voor mensen die looptraining volgen of mensen met beperkte spierkracht.

Aanpassing en aanpasbaarheid
Geavanceerde algoritmen zorgen ervoor dat exoskeletten zich kunnen aanpassen aan veranderende omstandigheden van gebruikers, of het nu gaat om variaties in loopsnelheid, richting of helling. Deze aanpassingen dragen bij aan maximaal comfort, veiligheid en energie-efficiëntie (Zhang et al., 2017).

Verbeterde gezondheidsresultaten
Regelmatig gebruik van een exoskelet kan helpen bij het verminderen van secundaire complicaties die gepaard gaan met immobiliteit, zoals spieratrofie, verlies van botdichtheid of een slechte cardiovasculaire gezondheid. Verschillende studies hebben verbeteringen gemeld in het evenwicht, de spierkracht en het algehele welzijn van de gebruiker (Kressler et al., 2013).

2.3 Uitdagingen bij brede acceptatie

Ondanks hun belofte stuiten exoskeletten voor ondersteunde bewegingen ook op obstakels:

Hoge kosten:Ontwikkelings- en productiekosten leiden tot hoge aankoop- of huurprijzen, waardoor de toegankelijkheid beperkt is.

OpleidingsvereistenGebruikers en verzorgers hebben specifieke training nodig om robotische exoskeletten veilig te kunnen bedienen.

Regelgevende goedkeuring:Elk apparaat moet voldoen aan strenge klinische normen en certificeringen (bijvoorbeeld FDA in de VS, CE-markering in Europa), wat de marktintroductie kan vertragen.

Milieubeperkingen:Exoskeletten presteren het beste op relatief vlakke oppervlakken, waardoor navigeren op oneffen terrein of in de open lucht een grotere uitdaging wordt.

3. Revalidatierobotica: ondersteuning van herstelprocessen

3.1 Rol in revalidatie

Revalidatierobots zijn ontworpen om te helpen bij het therapieproces van patiënten die herstellen van lichamelijk letsel, een beroerte of neurologische aandoeningen. Deze apparaten worden vaak gebruikt in klinische settings en bieden intensieve, repetitieve, taakspecifieke training onder begeleiding van therapeuten, wat cruciaal is voor neuroplasticiteit en functioneel herstel (Mehrholz et al., 2018).

3.2 Belangrijkste gebieden van revalidatierobotica

Revalidatie van de bovenste ledematen
Veel patiënten met een beroerte ervaren hemiparese (zwakte aan één kant van het lichaam), waardoor dagelijkse taken moeilijk uit te voeren zijn. Revalidatierobots voor de bovenste ledematen maken vaak gebruik van kabelaangedreven systemen, robotarmen of exoskeletgebaseerde oplossingen om bewegingen in de schouder-, elleboog- en polsgewrichten te ondersteunen of te weerstaan ​​(Kwakkel et al., 2017). Voorbeelden hiervan zijn de Armeo Power (Hocoma) en de MIT-Manus robotarm (Krebs et al., 2003).

Revalidatie van de onderste ledematen
Robotische looptrainers, zoals de Lokomat (Hocoma), maken gebruik van een loopband met robotbediening in de heup- en kniegewrichten. Patiënten hangen in een harnas dat hun lichaamsgewicht gedeeltelijk ondersteunt. De robotbenen begeleiden de ledematen van de patiënt door een natuurlijk looppatroon, wat het opnieuw aanleren van loopvaardigheden bevordert.

Hand- en vingerrevalidatie
Vinger- of handexoskeletten richten zich op behendigheid en fijne motoriek, vaak met behulp van lichtgewicht actuatoren en sensoren ter ondersteuning van grijp- en loslaatbewegingen (Li et al., 2011). Deze kunnen met name nuttig zijn voor patiënten die herstellen van een beroerte of handblessure.

Integratie van Virtual Reality (VR)
Veel geavanceerde revalidatierobots maken gebruik van virtual reality of game-achtige interfaces om patiënten te motiveren en realtime feedback te geven. Het gebruik van VR-omgevingen kan de betrokkenheid, therapietrouw en functionele resultaten verbeteren (Deutsch et al., 2020).

3.3 Voordelen en klinisch bewijs

Hoge herhaling en intensiteit
Robotische apparaten kunnen consistente, intensieve therapiesessies leveren, een cruciale factor bij het bewerkstelligen van neuroplastische veranderingen (Langhorne et al., 2009).

Objectieve beoordeling
Sensoren in revalidatierobots meten parameters zoals kracht, bewegingsbereik en spieractivatie. Deze datapunten maken gepersonaliseerde voortgangsbewaking en adaptieve therapieaanpassingen mogelijk (Bernhardt et al., 2017).

Consistentie en betrouwbaarheid
Vergeleken met alleen manuele therapie kan een robot zeer consistente bewegingspaden bieden en de mate van ondersteuning of weerstand die op de patiënt wordt toegepast, regelen. Dit vermindert vermoeidheid bij therapeuten en variatie in oefenprotocollen (Mehrholz et al., 2018).

Empowerment van therapeuten
Robots vervangen geen menselijke therapeuten, maar fungeren als hulpmiddelen die de vaardigheden van de therapeut vergroten. Ze voeren repetitieve taken uit, waardoor therapeuten zich kunnen concentreren op strategische besluitvorming en gepersonaliseerde patiëntinteracties.

3.4 Uitdagingen in revalidatierobotica

Kosten en complexiteitGeavanceerde robotsystemen kunnen duur zijn voor klinieken. Onderhoud, reparaties en personeelstraining vormen extra financiële lasten.

Patiëntspecifieke behoeften:De therapiebehoeften van mensen lopen sterk uiteen en er is behoefte aan aangepaste apparaten en programma's.

Technologische beperkingen:Bestaande apparaten kunnen de volledige complexiteit van normale bewegingen mogelijk niet nabootsen. Dit onderstreept de noodzaak van voortdurend onderzoek naar biomimetisch ontwerp en intelligente besturing.

Regelgevende en verzekeringskwestiesHet verkrijgen van wettelijke goedkeuringen en vergoedingen door verzekeringen kan lang duren. Klinisch bewijs moet de kosteneffectiviteit van deze technologieën aantonen om ze breed te kunnen implementeren (Bertani et al., 2021).

4. Toekomstige richtingen en opkomende trends

Zachte exoskeletten
Stijve frames kunnen het comfort en de bewegingsvrijheid van de gebruiker beperken. Zachte exoskeletten – gemaakt van textiel, kabels en lichtgewicht actuatoren – bieden ondersteuning zonder de omvang van traditionele exoskeletten (Cao et al., 2020).

Hersen-computerinterfaces (BCI's)
In sommige prototypes stellen BCI's mensen met ernstige verlamming in staat om robotledematen of exoskeletten te besturen met behulp van signalen rechtstreeks uit de hersenen (Ang et al., 2010). Dit zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor mensen met ernstige ruggenmergletsels of vergevorderde neurodegeneratieve aandoeningen.

Kunstmatige intelligentie (AI) en machinaal leren
Door AI-algoritmen te integreren, kunnen exoskeletten en revalidatierobots leren en zich aanpassen aan de unieke looppatronen of de therapievoortgang van de gebruiker. Deze aanpasbaarheid kan leiden tot meer gepersonaliseerde en efficiënte interventies (Orekhov et al., 2021).

Draagbare sensoren en monitoring
Draagbare sensoren geïntegreerd in kleding of exoskeletten kunnen uitgebreide biomechanische en fysiologische gegevens verzamelen. Dankzij cloudgebaseerde analyses kunnen deze gegevens clinici helpen hun therapie in realtime aan te passen en zo de resultaten te verbeteren (Artemiadis, 2014).

Tele-revalidatie en monitoring op afstand
Dankzij de verbeterde connectiviteit kunnen exoskeletten en revalidatiehulpmiddelen thuis worden gebruikt, terwijl clinici de voortgang op afstand volgen. Deze aanpak kan het bereik van gespecialiseerde zorg uitbreiden naar afgelegen of achtergestelde gemeenschappen (Tyagi et al., 2018).

Robotica en exoskelettechnologieën hebben een nieuw tijdperk van mobiliteitsverbetering en revalidatiezorg ingeluid. Van het ondersteunen van mensen met een dwarslaesie tot het verbeteren van de behandelresultaten van mensen die een beroerte hebben overleefd, deze apparaten tonen de transformerende kracht van de samensmelting van techniek en geneeskunde.Hoewel er nog steeds belemmeringen bestaan ​​– zoals kosten, regelgeving en technologische beperkingen – wijzen lopend onderzoek en innovaties op het gebied van ontwerp, besturing en AI op een mooie toekomst. Naarmate deze apparaten geavanceerder en toegankelijker worden, beloven ze de kwaliteit van leven van miljoenen mensen wereldwijd aanzienlijk te verbeteren.

Referenties

Ang, KK, Guan, C., Chua, KSG, Ang, BT, Kuah, CWK, Wang, C., … & Burdet, E. (2010). Een klinische studie naar een op motorische beeldvorming gebaseerde hersen-computerinterface voor robotrevalidatie van de bovenste ledematen. Vereniging voor Techniek in Geneeskunde en Biologie (EMBC), 2010 Jaarlijkse internationale conferentie van de IEEE, 1501–1504.
Artemiadis, PK (2014). Draagbare robotica: van exoskeletten tot slimme kleding. Academische pers.
Bertani, R., Melegari, C., De Cola, MC, Bramanti, A., Bramanti, P., & Calabrò, RS (2021). Effecten van robotondersteunde revalidatie van de bovenste ledematen bij patiënten met een beroerte: een systematische review met meta-analyse. Neurologische wetenschappen, 42(2), 1–11.
Bernhardt, J., Hayward, KS, Dancause, N., Lannin, NA, Ward, NS, Nudo, RJ, … & Boyd, LA (2017). Een ontwikkelingskader voor een onderzoek naar herstel na een beroerte: op consensus gebaseerde kernaanbevelingen van de tweede rondetafel over herstel en revalidatie na een beroerte. Internationaal tijdschrift voor beroertes, 12(5), 472–480.
Cao, W., Xie, H., Luan, S., Wu, C., & Zhang, X. (2020). Ontwerp en besturing van een zacht exoskelet ter ondersteuning van de beweging van de onderste ledematen. Zachte robotica, 7(2), 199–210.
Deutsch, JE, Lewis, JA & Whitall, J. (2020). Virtual reality voor sensomotorische revalidatie na een beroerte: de belofte en huidige stand van zaken. Huidige rapporten over fysieke geneeskunde en revalidatie, 8(4), 1–8.
Dollar, AM & Herr, H. (2008). Exoskeletten en actieve ortheses voor de onderste ledematen: Uitdagingen en stand van zaken. IEEE-transacties over robotica, 24(1), 144–158.
Gandhi, P., Esquenazi, A., Rivera, M., Vergara, AA & Li, C. (2021). Exoskeletlooptraining bij personen met een chronische dwarslaesie: een pilotstudie. Amerikaans tijdschrift voor fysieke geneeskunde en revalidatie, 100(1), 79–85.
Herr, H. (2009). Exoskeletten en ortheses: classificatie, ontwerpuitdagingen en toekomstige richtingen. Tijdschrift voor Neuro-engineering en revalidatie, 6(21).
Kressler, J., Thomas, CK, Faust, KL & Burns, AS (2013). Inzicht in de therapeutische voordelen van bovengronds bionisch lopen: Exploratieve casusreeks bij personen met chronische, volledige dwarslaesie. Archief voor Fysische Geneeskunde en Revalidatie, 94(10), 1958–1963.
Krebs, HI, Palazzolo, JJ, Dipietro, L., Ferraro, M., Krol, J., Rannekleiv, K., … & Hogan, N. (2003). Revalidatierobotica: prestatiegerichte progressieve robotondersteunde therapie. Autonome robots, 15, 7–20.
Kwakkel, G., Winters, C., van Wegen, EEH, Nijland, RHA, van Kuijk, A., Visser-Meily, A., … & Kollen, BJ (2017). Effecten van robotondersteunde therapie op het herstel van de bovenste ledematen na een beroerte: een systematische review en meta-analyse. Hartinfarct, 48(11), 3232–3239.
Langhorne, P., Bernhardt, J., en Kwakkel, G. (2009). Rehabilitatie van een beroerte. Lancet, 373(9678), 1923–1932.
Li, K., Fang, J., Zhou, X., & Liu, L. (2011). Een nieuw hand-exoskelet voor revalidatie met behulp van kabeltransmissie en zelfuitlijnende gewrichtsassen. IEEE/ASME-transacties op mechatronica, 17(5), 783–793.
Mehrholz, J., Elsner, B., Werner, C., Kugler, J., & Pohl, M. (2018). Elektromechanisch ondersteunde training voor lopen na een beroerte. Cochrane-database van systematische reviews, (5).
Orekhov, AL, Basarab, DC, Sornkarn, N., & Nanayakkara, T. (2021). Gedeelde autonomie in ondersteunende robotica: een onderzoek. Sensoren, 21(19), 6468.
Sale, P., Franceschini, M., & Waldner, A. (2012). Effectiviteit van robotondersteunde looptherapie bij patiënten met een beroerte of dwarslaesie: een systematische review. Neurorevalidatie, 31(3), 3–11.
Tyagi, S., Lim, CM, Ho, WHH, Chen, HL, & Kwan, MK (2018). Telerevalidatie: een nieuwe grens in de revalidatiegeneeskunde. mHealth, 4(40), 1–12.
Yeung, LF, Chen, W., Lee, WCC en Zhang, ZQ (2017). Ontwerp van een exoskelet-enkelrobot voor revalidatie na een beroerte. Internationaal tijdschrift voor intelligente robotica en toepassingen, 1(2), 244–255.
Zhang, F., Wang, W., & Huang, H. (2017). Ontwerp en besturing van een robotisch exoskeletsysteem voor de onderste ledematen voor looprevalidatie. Mechatronica, 44, 66–76.

VrijwaringDit artikel is bedoeld om algemene informatie te geven over robotica en exoskelettechnologie voor mobiliteitsverbetering en revalidatie. Het vervangt geen professioneel medisch advies, diagnose of behandeling. Raadpleeg altijd gekwalificeerde zorgverleners voor specifieke patiëntbehoeften.

← Vorig artikel Volgend artikel →

Terug naar boven

Terug naar blog