Robotics and Exoskeletons

Robotyka i egzoszkielety

W ostatnich dekadach postęp w robotyce doprowadził do znacznego postępu w opiece zdrowotnej, szczególnie w dziedzinach związanych z poprawą mobilności i rehabilitacją. Noszone robotyczne egzoszkielety, niegdyś zepchnięte do sfery science fiction, są obecnie aktywnie wykorzystywane do pomocy osobom w odzyskaniu lub poprawie ich mobilności. Podobnie, urządzenia rehabilitacyjne wspomagane przez roboty rozszerzają możliwości terapeutyczne dla pacjentów wracających do zdrowia po urazach lub radzących sobie z niepełnosprawnością. Niniejszy artykuł zawiera obszerny przegląd zastosowań robotyki w opiece zdrowotnej, skupiając się na dwóch głównych obszarach: (1) urządzeniach wspomagających ruch w celu zwiększenia mobilności i (2) robotyce rehabilitacyjnej w celu wspierania procesów rekonwalescencji.

1. Ewolucja robotyki i egzoszkieletów

1.1 Wczesny rozwój

Koncepcję mechanicznego urządzenia zwiększającego ludzką siłę i mobilność można prześledzić dziesiątki lat wstecz. Pierwsze badania wojskowe w latach 60. i 70. XX wieku badały możliwość zbudowania zasilanych egzoszkieletów dla żołnierzy, którzy mogliby przenosić ciężkie ładunki na duże odległości (Herr, 2009). Chociaż te wczesne próby były ograniczone przez nieporęczne konstrukcje i niewystarczające źródła zasilania, położyły podwaliny pod nowoczesną technologię egzoszkieletów.

1.2 Postęp technologiczny

Z czasem ulepszenia silników, baterii, czujników i algorytmów sterowania napędzały rozwój egzoszkieletów. Bardziej wydajne silniki elektryczne i lekkie materiały, takie jak włókno węglowe i wysokiej jakości stopy aluminium, zmniejszyły wagę egzoszkieletów i uczyniły je bardziej praktycznymi w codziennym użytku (Gandhi i in., 2021). Tymczasem czujniki — takie jak jednostki pomiaru bezwładności (IMU), czujniki siły i czujniki elektromiograficzne (EMG) — umożliwiły wykrywanie intencji użytkownika w czasie rzeczywistym, co prowadzi do płynniejszej i bardziej intuicyjnej kontroli (Yeung i in., 2017).

1.3 Nowoczesne zastosowania egzoszkieletów

Współczesne egzoszkielety występują w różnych formach:

Egzoszkielety kończyn dolnych:Zaprojektowany, aby pomóc w chodzeniu, staniu i wchodzeniu po schodach (np. ReWalk, Ekso Bionics, Indego).

Egzoszkielety kończyn górnych: Często stosowany w kontekście terapeutycznym w celu przywrócenia lub wspomagania ruchów ramion u pacjentów wracających do zdrowia po udarach lub innych urazach neurologicznych (np. MyoPro firmy Myomo).

Egzoszkielety przemysłowe:Stosowane w celu zmniejszenia obciążenia powtarzalnymi zadaniami i zmniejszenia ryzyka wystąpienia schorzeń układu mięśniowo-szkieletowego u pracowników (np. egzoszkielety wspierające ramiona firmy SuitX).

2. Urządzenia wspomagające ruch: poprawa mobilności

2.1 Przegląd

Urządzenia wspomagające ruch to robotyczne technologie specjalnie zaprojektowane w celu poprawy lub przywrócenia zdolności poruszania się danej osoby. Mają one na celu zwiększenie niezależności, zmniejszenie ryzyka powikłań wtórnych (np. odleżyn, zaniku mięśni) i poprawę ogólnej jakości życia. Egzoszkielety kończyn dolnych należą do najbardziej znanych tego typu urządzeń, często zapewniając rozwiązania w zakresie mobilności osobom z urazem rdzenia kręgowego (SCI), stwardnieniem rozsianym lub pogorszeniem sprawności ruchowej związanym z wiekiem (Sale i in., 2012).

2.2 Mechanizmy i korzyści

Napęd elektryczny
Wiele egzoszkieletów wykorzystuje silniki elektryczne w stawach biodrowych i/lub kolanowych, aby pomóc w chodzeniu. Zintegrowane czujniki wykrywają postawę użytkownika lub próbę ruchu, uruchamiając siłowniki, aby zapewnić niezbędny moment obrotowy (Dollar & Herr, 2008). Ta pomoc w czasie rzeczywistym może umożliwić osobom chodzenie po płaskich powierzchniach, a nawet wchodzenie po schodach, w zależności od konstrukcji urządzenia.

Wsparcie masy ciała
Niektóre urządzenia wspomagające ruch częściowo podtrzymują ciężar ciała użytkownika, redukując fizyczny ciężar związany z ruchem.Jest to przydatne dla osób przechodzących trening chodu lub tych o ograniczonej sile mięśni.

Dostosowanie i adaptacja
Zaawansowane algorytmy pozwalają egzoszkieletom dostosowywać się do zmieniających się warunków użytkowników, czy to zmian prędkości chodzenia, kierunku czy nachylenia. Te adaptacje pomagają maksymalizować komfort, bezpieczeństwo i efektywność energetyczną (Zhang i in., 2017).

Lepsze wyniki zdrowotne
Regularne stosowanie egzoszkieletu może pomóc zmniejszyć wtórne powikłania związane z unieruchomieniem, takie jak zanik mięśni, utrata gęstości kości lub słabe zdrowie układu sercowo-naczyniowego. Kilka badań wykazało poprawę równowagi użytkownika, siły mięśni i ogólnego samopoczucia (Kressler i in., 2013).

2.3 Wyzwania w zakresie powszechnego przyjęcia

Mimo obiecujących rezultatów, egzoszkielety wspomagające ruch napotykają również na pewne bariery:

Wysoki koszt:Koszty rozwoju i produkcji prowadzą do wysokich cen zakupu lub wynajmu, co ogranicza dostępność.

Wymagania szkoleniowe:Użytkownicy i opiekunowie potrzebują specjalistycznego przeszkolenia, aby móc bezpiecznie obsługiwać egzoszkielety robotyczne.

Zatwierdzenie regulacyjne:Każde urządzenie musi spełniać rygorystyczne standardy kliniczne i posiadać certyfikaty (np. FDA w USA, znak CE w Europie), co może opóźnić wejście produktu na rynek.

Ograniczenia środowiskowe:Egzoszkielety najlepiej sprawdzają się na stosunkowo równych powierzchniach, co utrudnia poruszanie się po nierównym lub otwartym terenie.

3. Robotyka rehabilitacyjna: wspieranie procesów rekonwalescencji

3.1 Rola w rehabilitacji

Roboty rehabilitacyjne są zaprojektowane, aby pomóc w procesie terapii pacjentów powracających do zdrowia po urazach fizycznych, udarach lub zaburzeniach neurologicznych. Często używane w warunkach klinicznych, urządzenia te zapewniają intensywny, powtarzalny, specyficzny dla zadań trening pod okiem terapeutów, co jest krytyczne dla neuroplastyczności i odzyskiwania funkcji (Mehrholz i in., 2018).

3.2 Kluczowe obszary robotyki rehabilitacyjnej

Rehabilitacja kończyn górnych
Wielu pacjentów po udarze doświadcza hemiparezy (osłabienia po jednej stronie ciała), co utrudnia wykonywanie codziennych czynności. Roboty rehabilitacyjne do kończyn górnych często wykorzystują systemy napędzane linkami, ramiona robota lub rozwiązania oparte na egzoszkielecie, aby wspomagać lub przeciwstawiać się ruchom w stawach barkowych, łokciowych i nadgarstkowych (Kwakkel i in., 2017). Przykłady obejmują Armeo Power (Hocoma) i ramię robota MIT-Manus (Krebs i in., 2003).

Rehabilitacja kończyn dolnych
Robotyczni trenerzy chodu, tacy jak Lokomat (Hocoma), wykorzystują konfigurację opartą na bieżni z robotyczną aktywacją w stawach biodrowych i kolanowych. Pacjenci są zawieszeni w systemie uprzęży, który częściowo podtrzymuje ich ciężar ciała. Robotyczne nogi prowadzą kończyny pacjenta przez naturalny wzorzec chodu, promując ponowne uczenie się umiejętności chodzenia.

Rehabilitacja dłoni i palców
Egzoszkielety palców lub dłoni ukierunkowane są na zręczność i precyzyjną kontrolę motoryczną, często wykorzystując lekkie siłowniki i czujniki wspomagające ruchy chwytania i puszczania (Li i in., 2011). Mogą być one szczególnie korzystne dla pacjentów wracających do zdrowia po udarze lub urazach dłoni.

Integracja z wirtualną rzeczywistością (VR)
Wiele zaawansowanych robotów rehabilitacyjnych zawiera interfejsy wirtualnej rzeczywistości lub gry, aby motywować pacjentów i zapewniać informacje zwrotne w czasie rzeczywistym. Wykorzystanie środowisk VR może poprawić zaangażowanie, przestrzeganie zaleceń i wyniki funkcjonalne (Deutsch i in., 2020).

3.3 Zalety i dowody kliniczne

Wysoka powtarzalność i intensywność
Urządzenia robotyczne mogą zapewniać spójne, intensywne sesje terapeutyczne, co jest kluczowym czynnikiem napędzającym zmiany neuroplastyczne (Langhorne i in., 2009).

Ocena obiektywna
Czujniki osadzone w robotach rehabilitacyjnych mierzą parametry takie jak siła wyjściowa, zakres ruchu i aktywacja mięśni. Te punkty danych umożliwiają spersonalizowane monitorowanie postępów i adaptacyjne dostosowania terapii (Bernhardt i in., 2017).

Spójność i niezawodność
W porównaniu z samą terapią manualną robot może zapewnić bardzo spójne ścieżki ruchu i kontrolować poziom pomocy lub oporu stosowanego wobec pacjenta. Zmniejsza to zmęczenie terapeuty i zmienność protokołów ćwiczeń (Mehrholz i in., 2018).

Wspieranie terapeutów
Zamiast zastępować ludzkich terapeutów, roboty działają jako narzędzia, które zwiększają możliwości terapeuty. Wykonują powtarzalne zadania, uwalniając terapeutów, aby mogli skupić się na podejmowaniu strategicznych decyzji i spersonalizowanych interakcjach z pacjentami.

3.4 Wyzwania w robotyce rehabilitacyjnej

Koszt i złożoność:Wyrafinowane systemy robotyczne mogą być drogie dla klinik. Konserwacja, naprawy i szkolenie personelu to dodatkowe obciążenia finansowe.

Potrzeby specyficzne dla pacjenta:Potrzeby terapeutyczne poszczególnych osób są bardzo zróżnicowane, co wymaga dostosowania urządzeń i programów do indywidualnych potrzeb.

Ograniczenia technologiczne:Obecne urządzenia mogą nie odzwierciedlać pełnej złożoności normalnego ruchu, co podkreśla potrzebę dalszych badań nad projektowaniem biomimetycznym i inteligentnym sterowaniem.

Kwestie regulacyjne i ubezpieczeniowe: Uzyskanie zgód regulacyjnych i zwrotów kosztów ubezpieczenia może być długotrwałe. Dowody kliniczne muszą wykazać opłacalność tych technologii, aby mogły zostać szeroko przyjęte (Bertani i in., 2021).

4. Przyszłe kierunki i pojawiające się trendy

Miękkie egzoszkielety
Sztywne ramy mogą ograniczać komfort użytkownika i zakres ruchu. Miękkie egzoszkielety — wykonane z tekstyliów, kabli i lekkich siłowników — mają na celu zapewnienie pomocy bez masywnych tradycyjnych egzoszkieletów (Cao i in., 2020).

Interfejsy mózg-komputer (BCI)
W niektórych prototypach BCI pozwalają osobom z poważnym paraliżem kontrolować kończyny robota lub egzoszkielety za pomocą sygnałów bezpośrednio z mózgu (Ang i in., 2010). Może to otworzyć nowe horyzonty dla osób z poważnymi urazami rdzenia kręgowego lub zaawansowanymi chorobami neurodegeneracyjnymi.

Sztuczna inteligencja (AI) i uczenie maszynowe
Integracja algorytmów AI umożliwia egzoszkieletom i robotom rehabilitacyjnym uczenie się i dostosowywanie do unikalnych wzorców chodu użytkownika lub postępu terapii. Ta adaptacyjność może prowadzić do bardziej spersonalizowanych i wydajnych interwencji (Orekhov i in., 2021).

Noszone czujniki i monitorowanie
Noszone czujniki zintegrowane z odzieżą lub egzoszkieletami mogą zbierać rozległe dane biomechaniczne i fizjologiczne. Dzięki analityce opartej na chmurze dane te mogą pomóc lekarzom dostosowywać terapię w czasie rzeczywistym, poprawiając wyniki (Artemiadis, 2014).

Tele-Rehabilitacja i Zdalny Monitoring
Dzięki zwiększonej łączności, egzoszkielety i urządzenia rehabilitacyjne mogą być używane w domu, podczas gdy lekarze monitorują postępy zdalnie. Takie podejście może rozszerzyć zasięg specjalistycznej opieki na odległe lub niedostatecznie obsługiwane społeczności (Tyagi i in., 2018).

Robotyka i technologie egzoszkieletu zapoczątkowały nową erę poprawy mobilności i opieki rehabilitacyjnej. Od pomocy osobom z urazami rdzenia kręgowego po poprawę wyników terapii dla osób po udarze, urządzenia te demonstrują transformacyjną moc zbieżności inżynierii i medycyny.Chociaż bariery — takie jak koszty, wyzwania regulacyjne i ograniczenia technologiczne — pozostają, trwające badania i innowacje w zakresie projektowania, kontroli i AI sugerują świetlaną przyszłość. W miarę jak urządzenia te stają się coraz bardziej wyrafinowane i dostępne, obiecują znaczną poprawę jakości życia milionów ludzi na całym świecie.

Odniesienia

Ang, KK, Guan, C., Chua, KSG, Ang, BT, Kuah, CWK, Wang, C., … & Burdet, E. (2010). Badanie kliniczne interfejsu mózg-komputer opartego na obrazowaniu ruchowym do rehabilitacji kończyn górnych za pomocą robota. Towarzystwo Inżynierii w Medycynie i Biologii (EMBC), Roczna Międzynarodowa Konferencja IEEE 2010, 1501–1504.
Artemiadis, PK (2014). Noszona robotyka: od egzoszkieletów po inteligentną odzież. Wydawnictwo Akademickie.
Bertani, R., Melegari, C., De Cola, MC, Bramanti, A., Bramanti, P., & Calabrò, RS (2021). Efekty rehabilitacji kończyn górnych wspomaganej robotem u pacjentów po udarze: przegląd systematyczny z metaanalizą. Nauki neurologiczne, 42(2), 1–11.
Bernhardt, J., Hayward, KS, Dancause, N., Lannin, NA, Ward, NS, Nudo, RJ, … i Boyd, LA (2017). Ramy rozwoju badań nad odzyskiwaniem po udarze: podstawowe zalecenia oparte na konsensusie z Second Stroke Recovery and Rehabilitation Roundtable. Międzynarodowe czasopismo udaru mózgu, 12(5), 472–480.
Cao, W., Xie, H., Luan, S., Wu, C. i Zhang, X. (2020). Projekt i sterowanie miękkim egzoszkieletem wspomagającym ruch kończyn dolnych. Miękka robotyka, 7(2), 199–210.
Deutsch, JE, Lewis, JA i Whitall, J. (2020). Wirtualna rzeczywistość w rehabilitacji sensomotorycznej po udarze: obietnica i obecny stan tej dziedziny. Aktualne Sprawozdania z Medycyny Fizykalnej i Rehabilitacji, 8(4), 1–8.
Dollar, AM i Herr, H. (2008). Egzoszkielety kończyn dolnych i aktywne ortezy: wyzwania i stan wiedzy. IEEE Transactions on Robotics, 24(1), 144–158.
Gandhi, P., Esquenazi, A., Rivera, M., Vergara, AA i Li, C. (2021). Trening chodu w egzoszkielecie u osób z przewlekłym urazem rdzenia kręgowego: badanie pilotażowe. Amerykańskie czasopismo medycyny fizykalnej i rehabilitacji, 100(1), 79–85.
Herr, H. (2009). Egzoszkielety i ortezy: Klasyfikacja, wyzwania projektowe i przyszłe kierunki. Czasopismo Neuroinżynierii i Rehabilitacji, 6(21).
Kressler, J., Thomas, CK, Faust, KL i Burns, AS (2013). Zrozumienie korzyści terapeutycznych bionicznej chodu naziemnego: seria przypadków eksploracyjnych u osób z przewlekłym, całkowitym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Archiwum Medycyny Fizykalnej i Rehabilitacji, 94(10), 1958–1963.
Krebs, HI, Palazzolo, JJ, Dipietro, L., Ferraro, M., Krol, J., Rannekleiv, K., … & Hogan, N. (2003). Robotyka rehabilitacyjna: oparta na wydajności progresywna terapia wspomagana robotem. Roboty autonomiczne, 15, 7–20.
Kwakkel, G., Winters, C., van Wegen, EEH, Nijland, RHA, van Kuijk, A., Visser-Meily, A., … i Kollen, BJ (2017). Wpływ terapii wspomaganej robotem na powrót do zdrowia kończyny górnej po udarze: przegląd systematyczny i metaanaliza. Udar, 48(11), 3232–3239.
Langhorne, P., Bernhardt, J. i Kwakkel, G. (2009). Rehabilitacja po udarze. Lancet, 373(9678), 1923–1932.
Li, K., Fang, J., Zhou, X. i Liu, L. (2011). Nowy egzoszkielet dłoni do rehabilitacji z wykorzystaniem transmisji kablowej i samonastawnych osi stawów. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 17(5), 783–793.
Mehrholz, J., Elsner, B., Werner, C., Kugler, J., & Pohl, M. (2018). Trening wspomagany elektromechanicznie dla chodzenia po udarze. Baza danych przeglądów systematycznych Cochrane, (5).
Orekhov, AL, Basarab, DC, Sornkarn, N., & Nanayakkara, T. (2021). Wspólna autonomia w robotyce wspomagającej: badanie. Czujniki, 21(19), 6468.
Sale, P., Franceschini, M., & Waldner, A. (2012). Skuteczność terapii chodzenia wspomaganej robotem u pacjentów po udarze i urazie rdzenia kręgowego: przegląd systematyczny. NeuroRehabilitacja, 31(3), 3–11.
Tyagi, S., Lim, CM, Ho, WHH, Chen, HL i Kwan, MK (2018). Telerehabilitacja: nowa granica w medycynie rehabilitacyjnej. mZdrowie, 4(40), 1–12.
Yeung, LF, Chen, W., Lee, WCC i Zhang, ZQ (2017). Projekt egzoszkieletu robota stawu skokowego do rehabilitacji po udarze. Międzynarodowe czasopismo inteligentnej robotyki i zastosowań, 1(2), 244–255.
Zhang, F., Wang, W. i Huang, H. (2017). Projekt i sterowanie robotycznym systemem egzoszkieletu kończyn dolnych do rehabilitacji chodu. Mechatronika, 44, 66–76.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł ma na celu dostarczenie ogólnych informacji na temat robotyki i technologii egzoszkieletu w celu poprawy mobilności i rehabilitacji. Nie zastępuje on profesjonalnej porady medycznej, diagnozy ani leczenia. Zawsze zasięgaj porady wykwalifikowanych pracowników służby zdrowia w odniesieniu do konkretnych potrzeb pacjenta.

← Poprzedni artykuł Następny artykuł →

Powrót na górę

Powrót do bloga