Robotika ir egzoskeletonai

Robotika ir egzoskeletonai

Pastaraisiais dešimtmečiais robotikos pažanga paskatino reikšmingą sveikatos priežiūros sektoriaus progresą, ypač srityse, susijusiose su judėjimo funkcijų stiprinimu ir reabilitacija. Nešiojami robotiniai egzoskeletai, anksčiau buvę tik mokslinės fantastikos objektu, dabar aktyviai naudojami padėti žmonėms atgauti ar pagerinti judrumą. Taip pat robotinės reabilitacijos priemonės plečia terapines galimybes pacientams, sveikstantiems po traumų ar gyvenantiems su negalia. Šiame straipsnyje pateikiama išsami robotikos taikymo sveikatos priežiūros srityje apžvalga, sutelkiant dėmesį į dvi pagrindines kryptis: (1) pagalbiniai judėjimo įrenginiai judrumui gerinti ir (2) reabilitacijos robotika atstatymo procesams palaikyti.

1. Robotikos ir egzoskeletų raida

1.1 Ankstyvoji plėtra

Mechaninio įrenginio, padedančio žmogui sustiprinti jėgą ir judrumą, idėja siekia kelis dešimtmečius. Pirmosios karinės studijos 7–8 dešimtmetyje (1960–1970 m.) nagrinėjo galimybę sukurti elektriniu būdu varomus egzoskeletus, kad kariai galėtų gabenti didelius krovinius didelius atstumus (Herr, 2009). Nors šiuos ankstyvus bandymus ribojo gremėzdiškas dizainas ir nepakankamos energijos šaltiniai, jie padėjo pamatus šiuolaikiniams egzoskeletams.

1.2 Technologinė pažanga

Bėgant laikui, patobulinti varikliai, baterijos, jutikliai ir valdymo algoritmai paspartino egzoskeletų plėtrą. Dėl efektyvesnių elektros variklių ir lengvų medžiagų, pavyzdžiui, anglies pluošto bei aukštos kokybės aliuminio lydinių, egzoskeletai tapo lengvesni ir tinkamesni kasdieniam naudojimui (Gandhi ir kt., 2021). Tuo tarpu įvairūs jutikliai – tokie kaip inercinio matavimo vienetai (IMU), jėgos jutikliai ir elektromiografijos (EMG) jutikliai – leidžia realiuoju laiku nustatyti vartotojo ketinimus, todėl egzoskeletų valdymas tapo sklandesnis ir intuityvesnis (Yeung ir kt., 2017).

1.3 Šiuolaikinės egzoskeletų paskirtys

Šiuolaikiniai egzoskeletai gali būti įvairių formų:

Apatinių galūnių egzoskeletai: skirti padėti vaikščioti, stovėti ar lipti laiptais (pvz., „ReWalk“, „Ekso Bionics“, „Indego“).

Viršutinių galūnių egzoskeletai: dažnai taikomi terapijoje rankų judesiams atkurti ar padėti pacientams, sveikstantiems po insulto ar kitų neurologinių pažeidimų (pvz., „Myomo“ MyoPro).

Pramoniniai egzoskeletai: naudojami sumažinti pasikartojančių judesių krūvį ir sumažinti darbuotojų riziką susirgti raumenų bei skeleto sistemos sutrikimais (pvz., „SuitX“ pečių palaikymo egzoskeletai).

2. Pagalbiniai judėjimo įrenginiai: judrumui gerinti

2.1 Apžvalga

Pagalbiniai judėjimo įrenginiai – tai robotinės technologijos, sukurtos specialiai gerinti ar atkurti asmens gebėjimą judėti. Jų paskirtis – didinti savarankiškumą, mažinti antrinių komplikacijų (pvz., pragulų, raumenų atrofijos) riziką ir gerinti bendrą gyvenimo kokybę. Vieni žinomiausių tokių prietaisų yra apatinių galūnių egzoskeletai, dažnai siūlantys judėjimo sprendimus žmonėms, turintiems nugaros smegenų traumą, sergantiems išsėtine skleroze ar su amžiumi susijusiu judėjimo funkcijos silpnėjimu (Sale ir kt., 2012).

2.2 Mechanizmai ir nauda

Varomasis judesys (Powered Actuation)
Daugelyje egzoskeletų elektros varikliai montuojami klubų ir (ar) kelių sąnariuose, kad padėtų vaikščioti. Integruoti jutikliai nustato vartotojo laikyseną arba ketinimą judėti ir tada aktyvatoriai suteikia reikiamą sukimo momentą (Dollar & Herr, 2008). Toks realiuoju laiku vykstantis palaikymas gali leisti žmonėms eiti lygiais paviršiais ar net lipti laiptais, priklausomai nuo konkretaus įrenginio dizaino.

Kūno svorio palaikymas
Kai kurie pagalbiniai judėjimo įrenginiai iš dalies palaiko vartotojo kūno svorį, taip sumažindami fizinį krūvį judėjimo metu. Tai ypač naudinga pacientams, besitreniruojantiems atstatyti eiseną, arba tiems, kurių raumenų jėga ribota.

Individualizavimas ir pritaikomumas
Pažangūs algoritmai leidžia egzoskeletams prisitaikyti prie besikeičiančių vartotojo būklių, pavyzdžiui, eisena pasikeitus greičiui, kryptimi ar nuolydžiui. Šis pritaikomumas padeda užtikrinti didesnį komfortą, saugumą ir energijos tausojimą (Zhang ir kt., 2017).

Geresnė sveikatos būklė
Reguliarus egzoskeleto naudojimas gali padėti sumažinti antrinių komplikacijų, susijusių su nejudrumu (raumenų atrofijos, kaulų tankio sumažėjimo, širdies ir kraujagyslių problemų), riziką. Keletas tyrimų atskleidė, kad vartotojai patyrė pusiausvyros, raumenų jėgos ir bendros savijautos pagerėjimą (Kressler ir kt., 2013).

2.3 Iššūkiai, susiję su plačiu taikymu

Nepaisant didelių galimybių, pagalbiniams judėjimo egzoskeletams kyla tam tikrų kliūčių:

Didelė kaina: kūrimo ir gamybos išlaidos lemia didelę prietaisų pirkimo ar nuomos kainą, todėl jie tampa sunkiau prieinami.

Apmokymų poreikis: norint saugiai valdyti robotinius egzoskeletus, reikia specialių vartotojų ir slaugytojų mokymų.

Reglamentavimas: kiekvienas prietaisas turi atitikti griežtus klinikinius standartus bei sertifikavimus (pvz., FDA JAV, CE ženklinimą Europoje), o tai gali užtrukti ir atidėti patekimą į rinką.

Aplinkos ribotumai: egzoskeletai geriausiai veikia palyginti lygiuose paviršiuose, todėl nelygios ar lauko sąlygos gali būti sudėtingesnės.

3. Reabilitacijos robotika: atstatymo procesams palaikyti

3.1 Reabilitacijos vaidmuo

Reabilitacijos robotai skirti padėti pacientams, sveikstantiems po fizinių traumų, insulto ar neurologinių sutrikimų. Dažnai naudojami klinikose, jie teikia didelio intensyvumo, pasikartojantį, užduotims pritaikytą mokymą, prižiūrint terapeutams. Būtent toks mokymasis yra itin svarbus neuroplastiniams pokyčiams ir funkcijų atstatymui (Mehrholz ir kt., 2018).

3.2 Pagrindinės reabilitacijos robotikos sritys

Viršutinių galūnių reabilitacija
Daug žmonių, patyrusių insultą, turi hemiparezę (vienos kūno pusės silpnumą), apsunkinančią kasdienius judesius. Robotiniai įrenginiai viršutinėms galūnėms dažnai naudoja lynais valdomas sistemas, robotines rankas ar egzoskeletus, kad padėtų ar apsunkintų pečių, alkūnių ir riešų judesius (Kwakkel ir kt., 2017). Pavyzdžiai: „Armeo Power“ (Hocoma) ir MIT-Manus robotinė ranka (Krebs ir kt., 2003).

Apatinių galūnių reabilitacija
Robotiniai eisenos treniruokliai, tokie kaip „Lokomat“ (Hocoma), naudoja bėgimo takelio sistemą su robotine pagalba klubų ir kelių sąnariuose. Pacientai būna pakabinti diržais, kurie iš dalies prilaiko jų kūno svorį, o robotu valdomos „kojos“ veda paciento galūnes natūralios eisenos trajektorija, taip padėdamos iš naujo išmokti vaikščioti.

Rankų ir pirštų reabilitacija
Pirštų ar plaštakų egzoskeletai skirti lavinti vikrumą ir smulkiąją motoriką, dažnai naudojant lengvus aktyvatorius ir jutiklius, kad padėtų suimti ir atleisti daiktus (Li ir kt., 2011). Jie ypač naudingi pacientams, sveikstantiems po insulto ar rankų traumų.

Integracija su virtualiąja realybe (VR)
Daugelis pažangių reabilitacijos robotų derinami su virtualiosios realybės ar žaidimų tipo sąsajomis, kad paskatintų pacientus ir suteiktų grįžtamąjį ryšį realiuoju laiku. VR aplinkos didina motyvaciją, dalyvavimo lygį ir skatina geresnius funkcinius rezultatus (Deutsch ir kt., 2020).

3.3 Privalumai ir klinikiniai įrodymai

Didelis pasikartojimų skaičius ir intensyvumas
Robotiniai prietaisai gali užtikrinti nuolatinį, didelio intensyvumo terapijos režimą, kuris būtinas neuroplastiniams pokyčiams skatinti (Langhorne ir kt., 2009).

Objektyvus vertinimas
Įdiegtų jutiklių duomenys (pvz., jėga, judesio amplitudė, raumenų aktyvumas) leidžia individualiai stebėti progresą ir pritaikyti terapiją (Bernhardt ir kt., 2017).

Nuoseklumas ir patikimumas
Palyginti su vien tik terapeuto rankiniu darbu, robotas gali teikti itin nuoseklų judesio trajektorijų kartojimą bei kontroliuoti pagalbos ar pasipriešinimo lygį. Tai mažina terapeuto nuovargį ir užtikrina vienodesnę mankštą (Mehrholz ir kt., 2018).

Pagalba terapeutams
Robotai nėra skirti pakeisti žmonių terapeutus, o veikiau juos papildyti. Jie atlikdami pasikartojančias užduotis suteikia galimybę terapeutams daugiau dėmesio skirti strateginiams sprendimams ir individualioms paciento reikmėms.

3.4 Reabilitacijos robotikos iššūkiai

Kaina ir sudėtingumas: pažangios robotinės sistemos klinikoms gali būti brangios; taip pat reikalingos lėšos remontui, priežiūrai ir personalo mokymams.

Individualių poreikių įvairovė: pacientams reikalingi skirtingi terapijos metodai, todėl prietaisus bei programas būtina pritaikyti individualiai.

Technologiniai apribojimai: dabartiniai prietaisai gali nevisiškai atkartoti sudėtingus natūralius judesius, todėl nuolatiniai tyrimai biomimetinio dizaino ir išmanaus valdymo srityse yra būtini.

Reglamentavimas ir draudimo klausimai: norint gauti reglamentų patvirtinimą ir draudimo kompensaciją, reikia išsamiai įrodyti tokių technologijų efektyvumą ir kaštų pagrįstumą (Bertani ir kt., 2021).

4. Ateities kryptys ir naujos tendencijos

Minkštieji egzoskeletai (Soft Exoskeletons)
Standūs rėmai gali riboti vartotojo komfortą ir judesių amplitudę. Minkštieji egzoskeletai, pagaminti iš tekstilės, lynų ir lengvų aktyvatorių, siekia teikti pagalbą be tradiciniams egzoskeletams būdingo masyvumo (Cao ir kt., 2020).

Smegenų-kompiuterio sąsajos (BCI)
Kai kuriuose prototipuose žmonės, turintys sunkią paralyžiaus formą, gali valdyti robotines galūnes ar egzoskeletus tiesiogiai iš smegenų siunčiamais signalais (Ang ir kt., 2010). Tai galėtų atverti naujas galimybes asmenims, turintiems aukšto lygio nugaros smegenų traumą ar progresuojančias neurodegeneracines ligas.

Dirbtinis intelektas (DI) ir mašininis mokymasis
Integravus DI algoritmus, egzoskeletai ir reabilitacijos robotai gali mokytis bei prisitaikyti prie unikalių vartotojo eisenos ar terapinio progresavimo ypatybių. Toks pritaikymas galėtų pagerinti individualizuotą gydymą ir efektyvumą (Orekhov ir kt., 2021).

Dėvimi jutikliai ir stebėsena
Dėvimi jutikliai, integruojami į drabužius ar egzoskeletus, gali rinkti daug biomechaninių ir fiziologinių duomenų. Naudojant debesų kompiuteriją, šie duomenys gali būti analizuojami realiuoju laiku, padedant gydytojams koreguoti terapiją ir gerinti rezultatus (Artemiadis, 2014).

Nuotolinė reabilitacija (tele-reabilitacija) ir stebėsena
Dėl didėjančių ryšio galimybių egzoskeletai ir reabilitacijos priemonės gali būti naudojamos namuose, o klinikos komanda gali stebėti progresą nuotoliniu būdu. Tai padidintų specializuotos pagalbos prieinamumą atokiose ar ribotus išteklius turinčiose bendruomenėse (Tyagi ir kt., 2018).

Išvada

Robotikos ir egzoskeleto technologijos atvėrė naują erą judėjimo funkcijų gerinimo bei reabilitacinės priežiūros srityje. Nuo asmenų su nugaros smegenų pažeidimais judumo stiprinimo iki efektyvesnės terapijos insulto patyrusiems pacientams – šie prietaisai atskleidžia didelį inžinerijos ir medicinos bendradarbiavimo potencialą. Nors vis dar egzistuoja kliūčių, susijusių su kaina, reglamentavimu ir technologiniais trūkumais, nuolatiniai tyrimai ir naujovės dizaino, valdymo bei DI srityse leidžia tikėtis šviesios ateities. Tobulėjant ir platėjant šių prietaisų prieinamumui, jie gali ženkliai pagerinti milijonų žmonių gyvenimo kokybę visame pasaulyje.

Nuorodos

Ang, K. K., Guan, C., Chua, K. S. G., Ang, B. T., Kuah, C. W. K., Wang, C., … & Burdet, E. (2010). A clinical study of motor imagery-based brain-computer interface for upper limb robotic rehabilitation. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2010 Annual International Conference of the IEEE, 1501–1504.
Artemiadis, P. K. (2014). Wearable robotics: From exoskeletons to smart clothing. Academic Press.
Bertani, R., Melegari, C., De Cola, M. C., Bramanti, A., Bramanti, P., & Calabrò, R. S. (2021). Effects of robot-assisted upper limb rehabilitation in stroke patients: A systematic review with meta-analysis. Neurological Sciences, 42(2), 1–11.
Bernhardt, J., Hayward, K. S., Dancause, N., Lannin, N. A., Ward, N. S., Nudo, R. J., … & Boyd, L. A. (2017). A stroke recovery trial development framework: Consensus-based core recommendations from the Second Stroke Recovery and Rehabilitation Roundtable. International Journal of Stroke, 12(5), 472–480.
Cao, W., Xie, H., Luan, S., Wu, C., & Zhang, X. (2020). Design and control of a soft exoskeleton for assisting lower limb movement. Soft Robotics, 7(2), 199–210.
Deutsch, J. E., Lewis, J. A., & Whitall, J. (2020). Virtual reality for sensorimotor rehabilitation post-stroke: The promise and current state of the field. Current Physical Medicine and Rehabilitation Reports, 8(4), 1–8.
Dollar, A. M., & Herr, H. (2008). Lower extremity exoskeletons and active orthoses: Challenges and state-of-the-art. IEEE Transactions on Robotics, 24(1), 144–158.
Gandhi, P., Esquenazi, A., Rivera, M., Vergara, A. A., & Li, C. (2021). Exoskeleton gait training in persons with chronic spinal cord injury: A pilot study. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, 100(1), 79–85.
Herr, H. (2009). Exoskeletons and orthoses: Classification, design challenges and future directions. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 6(21).
Kressler, J., Thomas, C. K., Faust, K. L., & Burns, A. S. (2013). Understanding therapeutic benefits of overground bionic ambulation: Exploratory case series in persons with chronic, complete spinal cord injury. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 94(10), 1958–1963.
Krebs, H. I., Palazzolo, J. J., Dipietro, L., Ferraro, M., Krol, J., Rannekleiv, K., … & Hogan, N. (2003). Rehabilitation robotics: Performance-based progressive robot-assisted therapy. Autonomous Robots, 15, 7–20.
Kwakkel, G., Winters, C., van Wegen, E. E. H., Nijland, R. H. A., van Kuijk, A., Visser-Meily, A., … & Kollen, B. J. (2017). Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke: A systematic review and meta-analysis. Stroke, 48(11), 3232–3239.
Langhorne, P., Bernhardt, J., & Kwakkel, G. (2009). Stroke rehabilitation. Lancet, 373(9678), 1923–1932.
Li, K., Fang, J., Zhou, X., & Liu, L. (2011). A novel hand exoskeleton for rehabilitation using a cable transmission and self-aligning joint axes. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 17(5), 783–793.
Mehrholz, J., Elsner, B., Werner, C., Kugler, J., & Pohl, M. (2018). Electromechanical-assisted training for walking after stroke. Cochrane Database of Systematic Reviews, (5).
Orekhov, A. L., Basarab, D. C., Sornkarn, N., & Nanayakkara, T. (2021). Shared autonomy in assistive robotics: A survey. Sensors, 21(19), 6468.
Sale, P., Franceschini, M., & Waldner, A. (2012). Efficacy of robot-assisted walking therapy in stroke and spinal cord injury patients: A systematic review. NeuroRehabilitation, 31(3), 3–11.
Tyagi, S., Lim, C. M., Ho, W. H. H., Chen, H. L., & Kwan, M. K. (2018). Telerehabilitation: A new frontier in rehabilitation medicine. mHealth, 4(40), 1–12.
Yeung, L. F., Chen, W., Lee, W. C. C., & Zhang, Z. Q. (2017). Design of an exoskeleton ankle robot for stroke rehabilitation. International Journal of Intelligent Robotics and Applications, 1(2), 244–255.
Zhang, F., Wang, W., & Huang, H. (2017). Design and control of a robotic lower limb exoskeleton system for gait rehabilitation. Mechatronics, 44, 66–76.

Šio straipsnio paskirtis – pateikti bendro pobūdžio informaciją apie robotikos ir egzoskeleto technologijas, skirtas judėjimo funkcijoms gerinti bei reabilitacijai. Ši informacija nepakeičia profesionalios medicininės konsultacijos, diagnostikos ar gydymo. Dėl konkrečių paciento poreikių visada kreipkitės į kvalifikuotus sveikatos priežiūros specialistus.

 

← Ankstesnis straipsnis                    Kitas straipsnis →

 

 

Į pradžią

Вернуться к блогу