Robot de mesa compacto revoluciona la prestación de fisioterapia

Entrevista al Profesor Habib Rahman

Origen de la idea

Tech Briefs: ¿Cómo empezó con esta idea?

Profesor Habib Rahman: Empezó desde un proyecto con nuestro Instituto de Sistemas Conectados, donde trabajamos en un motor para hacer su gemelo digital y ver si podíamos controlar los motores remotamente. Llevo mucho tiempo trabajando en robótica de rehabilitación. Mi investigación está en robótica de rehabilitación y asistiva. Un grupo trabaja con supervivientes de ictus, y otro con usuarios de silla de ruedas. Durante el COVID, fue una lucha ayudar a rehabilitar a la gente. Había estado trabajando en robótica de rehab —dando terapia con un robot. Entonces pensamos en cómo podíamos elaborar sobre nuestro trabajo con tecnología digital y robots operados remotamente. Así que usamos esta idea para ver si podíamos hacer tele-salud con un robot.

Hubo muchos retos: operación suave y segura de los robots y transmisión de datos adecuada. No es como un robot industrial normal. Necesitamos ver el robot en tiempo real, ver a los pacientes, y obtener retroalimentación. Así que empezamos a construir el nuestro.

Control de tensión/asistencia

Tech Briefs: En este brazo robótico, hay que variar la tensión. ¿Cómo lo hacen?

Rahman: El algoritmo de control puede detectar la intención humana de movimiento. Usamos dos tipos de sensores: uno es electromiograma (EMG), otro es sensor de fuerza. No usamos EMG a menudo —solo para verificar que el sistema funciona.

¿Qué es un EMG?

Tech Briefs: ¿Podría decirme qué hace un EMG?

Rahman: Una señal EMG viene del músculo. Así que si intentas moverte, podemos saber cómo funcionó. Obtenemos una señal eléctrica base y luego una cuando el músculo se contrae.

Tech Briefs: ¿La señal EMG da una medida bastante precisa del músculo?

Rahman: Sí, si la persona tiene un movimiento de brazo decente. Pero para pacientes de ictus, es difícil obtener buena señal. Sin embargo, si amplificamos estas señales para un sujeto sano, es abordable. Con sensor de fuerza, si intentas moverte significa que estás activando músculos y obtenemos la señal, que es medida de la calidad de la fisiología. A veces si no muevo mi brazo, por ejemplo, incluso si solo sostengo una mancuerna, sigue usando músculo así que obtendremos señales EMG. Cualquier movimiento tendrá señal muscular.

Tech Briefs: ¿No requiere un miograma insertar agujas en el brazo?

Rahman: Hay dos versiones de miogramas; usar agujas es una. Pero usamos EMG de superficie. Mide la diferencia de potencial entre dos electrodos sujetos a la piel con adhesivo. El algoritmo de control es tal que si una persona tiene buen movimiento de mano, la señal del sensor de fuerza dominará.

Ubicación del sensor de fuerza y tipos de terapia

Tech Briefs: ¿Dónde está el sensor de fuerza?

Rahman: Está en la empuñadura de muñeca, así los sensores de fuerza siempre detectan tus movimientos. Basado en la discapacidad del sujeto, el controlador puede ajustar moderadamente el nivel de asistencia o hacerlo duro para el sujeto. Si lo haces duro, significa que das resistencia y construyes músculo. Hay muchas terapias, por ejemplo, terapia asistida y terapia resistiva. Basado en necesidades del paciente, podemos programar el controlador para dar asistencia o resistencia.

Cuando vas a un fisioterapeuta, pueden pedirte que empujes mientras dan resistencia. Similarmente, el robot ofrecerá resistencia —si intentas empujarlo, lo hará un poco duro. Programamos una meta y dejamos que la persona llegue, pero necesitarán empujar fuerte para que su músculo trabaje. A veces cuando les damos una meta, si la persona no puede lograrla, el robot les ayuda a llegar —esto se llama terapia activo-asistida.

Cuando alguien sufre un ictus, la conexión de redes neuronales se rompe —la persona olvida cómo hacer tareas pequeñas, motricidad fina, así que necesitan mucha ayuda. Esto requiere muchas repeticiones, que el robot puede dar —el dispositivo mueve suavemente la extremidad del participante sin su propio esfuerzo —esto se llama terapia pasiva. Estira músculos sin dolor y refuerza patrones de movimiento correctos. Una vez que el sujeto empieza a ganar movimiento real, les damos tareas funcionales para que aprendan a coordinar.

Ajuste técnico de la tensión

Tech Briefs: Técnicamente, ¿cómo ajustan la tensión?

Rahman: Tenemos un driver de motor que ajusta la corriente del motor basado en la señal del sensor de fuerza o EMG para cambiar las actuaciones del motor.

Uso remoto vs. presencial

Tech Briefs: Leí que hay dos formas de usar el robot —remotamente o en persona, digamos en la oficina de un terapeuta.

Rahman: Siempre fue en persona, pero ahora exploramos tele-salud. Tenemos diferentes versiones. Una es muy pequeña y puede ir a casa de una persona. Otra versión podría ir a un centro de rehab, donde la gente recibe fisioterapia para establecer metas. El terapeuta puede obtener los datos remotamente, y cuando sea necesario, ajustar el protocolo terapéutico, e incluso controlar el robot remotamente.

Supervisión del terapeuta y seguridad

Tech Briefs: ¿No tendría que ser guiado por un terapeuta para decidir cuánto es suficiente y cuánto demasiado? Quiero decir, podrías dañar a alguien si no tienes cuidado.

Rahman: Sí, trabajamos con víctimas de ictus, obteniendo datos. Sin embargo, una vez que nuestra IA esté totalmente desarrollada, se necesitará menos guía, pero los terapeutas siempre tendrán que estar en el bucle. Trabajaremos con muchas víctimas de ictus para desarrollar la IA al punto donde necesitemos menos supervisión. Sin embargo, seguiremos necesitando terapeutas para programar y supervisar los robots. Siempre estamos reclutando sujetos para trabajar en el controlador.

Tech Briefs: Parece que varía mucho con el individuo tratado. No estoy seguro de cómo, sin terapeuta, incluso con IA avanzada, podrías decir para este individuo se necesita esta fuerza.

Rahman: Cuando conectas el robot, hay una ley que puede dar pre-movimiento y detectar tu periodo de dolor. Una vez hay activación muscular el dolor aumenta, y los resultados del sensor de fuerza aumentan. Así es como trabajamos en fase experimental.

Tech Briefs: ¿Esto también se mide por el EMG?

Rahman: Sí, tanto EMG como sensor de fuerza, pero como estamos desarrollando el sistema, verificamos con el terapeuta para decidir si este dolor es OK. Luego lo introducimos en el controlador.

En el futuro habrá miles de pacientes, cada uno diferente. Usamos tres cosas para medir el rango de movimiento sin dolor. El sensor EMG nos muestra nivel de actividad, el sensor de fuerza nos muestra nivel de resistencia, y usamos una cámara que puede detectar dolor en expresiones faciales. Esto no es necesariamente 100% correcto porque seguimos en fase de desarrollo, pero nuestra meta a largo plazo es hacer un sistema que necesite supervisión mínima.

Gemelo digital

Tech Briefs: ¿Están creando un gemelo digital?

Rahman: Sí, el terapeuta no tiene el robot real, tiene una réplica. Puedes mover el robot remotamente y leer los datos que se generan. Puedes ver cuánto ha movido el ángulo de la junta, cuánta fuerza ha soportado el robot.

El gemelo digital tiene dos propósitos. Uno es controlar el robot remotamente. Segundo, cuando el robot se ha movido, envía retroalimentación para ver cuánto se ha movido. Una vez que el sujeto ha intentado moverse, podemos ver la magnitud y dirección de las fuerzas, lecturas EMG, etc. Es comunicación bidireccional.

Tech Briefs: Entonces, necesitan transmisores además de sensores?

Rahman: Sí, usamos servicios Microsoft Azure Cloud. Enviamos las señales a la nube Azure y luego a casa del paciente. Si trabajan sin terapeuta, los datos se almacenan en la nube para que el terapeuta acceda en cualquier momento.

Gamificación de la terapia

Tech Briefs: Leí que usan juegos.

Rahman: La investigación muestra que la terapia robótica daría rendimiento mejorado usando juegos. Hay base científica, llamada principios de aprendizaje motor. Basado en eso, damos al sujeto un régimen de terapia guiado específico a tareas. Les damos el reto correcto y recopilamos retroalimentación explícita e implícita sobre cuánto avanzan.

Así que un juego es útil. Damos al paciente una tarea, digamos ir de un punto a otro. Una vez que van allí, lo hacemos un poco más lejos para aumentar su rango de movimiento, hacerlo un poco desafiante. Conocen el curso y saben exactamente cuánto tarda. Con juegos, es como si el terapeuta estuviera ahí. Usamos tareas funcionales en los juegos —lavar, limpiar una mesa, coger una cuchara de un sitio y ponerla en otro. Los juegos se desarrollan basados en principios de aprendizaje motor, así que usando retroalimentación implícita y explícita, pueden monitorizar su mejora. Los juegos también enganchan. Puede sentirse un poco aburrido haciendo tareas repetitivas, pero jugar un juego realmente engancha a una persona. Mejorar tu puntuación puede ser motivador. La investigación de nuestro grupo muestra que usar juegos produce mejores resultados.

Ventaja frente a terapeuta físico

Tech Briefs: ¿Cuál es la ventaja de usar este robot en vez de solo un fisioterapeuta?

Rahman: Se complementan. Tenemos escasez constante de terapeutas, y sus números disminuyen. Pueden dar el robot al paciente, y puede trabajar incansablemente 24/7. Permite a un terapeuta ver muchos pacientes al día. En lugar de tener que sentarse con el paciente mientras hace 10 repeticiones, un robot puede hacer eso con precisión.

Es una herramienta, como cuando mi médico me da un tensiómetro que puede monitorizar desde casa, así el médico no necesita venir a revisar mi presión cada día. De forma similar, esto ayudará al terapeuta y al paciente. El seguro cubre solo un número limitado de visitas de fisioterapia al año. Sin embargo, el robot permitirá al paciente seguir la guía del terapeuta por tiempo ilimitado.

Comercialización y cobertura de seguro

Tech Briefs: Mirando adelante, ¿quién pagaría la máquina? ¿La cubriría el seguro?

Rahman: Estoy seguro que el seguro la cubrirá porque hoy en día el seguro cubre acuerdos de alquiler de máquinas de movimiento pasivo continuo (CPM), si están médicamente justificadas. Pero solo dan repeticiones, nada más. El robot lo hace inteligente. Así que, como las máquinas CPM están cubiertas, anticipamos que el robot lo estará también, ya que es como una CPM pero con funcionalidad avanzada. Un paciente no tendría que comprar el robot; sería solo alquiler.

Tech Briefs: ¿En qué punto están en términos de comercialización?

Rahman: Ahora estamos experimentando con víctimas reales de ictus. Fundé una startup el año pasado y ahora trabajamos con un par de personas que nos ayudan a comercializar el dispositivo. Hay algunas cosas que aún deben hacerse. Podríamos venderlo ahora solo como robot para investigación, pero si queremos usarlo en entorno clínico doméstico, necesitamos aprobación FDA, que podría tomar uno o dos años.

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