Un robot de mesa compacto revoluciona la prestación de fisioterapia

Ed Brown

Resúmenes técnicos: ¿Cómo empezaste con esta idea?

Profesor Habib Rahman: Comenzó a partir de un proyecto con nuestro Connected System Institute, donde trabajamos en un motor para hacer su gemelo digital y ver si podíamos controlar los motores de forma remota. Llevo mucho tiempo trabajando en robótica de rehabilitación. Mi investigación es en rehabilitación y robótica de asistencia. Un grupo trabaja con personas que han sobrevivido a un accidente cerebrovascular y otro grupo trabaja con usuarios en sillas de ruedas. Durante la época de COVID, fue una lucha ayudar a las personas a rehabilitarse. Había estado trabajando en robótica de rehabilitación:dando terapia con un robot. Entonces nos pusimos a pensar en cómo podríamos desarrollar nuestro trabajo con tecnología digital y nuestro trabajo con robots operados a distancia. Entonces utilizamos esta idea para ver si podíamos hacer telesalud con un robot.

En aquel momento había muchos retos:el funcionamiento fluido y seguro de los robots y la transmisión adecuada de los datos. Esto no es como un robot industrial normal. Necesitamos ver el robot en tiempo real, ver a los pacientes y recibir comentarios. Entonces, comenzamos a construir el nuestro.

Resúmenes técnicos: Entonces, en este brazo robótico, debes variar la tensión. ¿Cómo haces eso?

Rahman: El algoritmo de control puede detectar la intención humana de los movimientos. Utilizamos dos tipos de sensores:uno es un electromiograma (EMG) y otro es un sensor de fuerza. No utilizamos EMG con frecuencia, solo para verificar que el sistema esté funcionando.

Habib Rahman, profesor y catedrático de ingeniería mecánica, trabajó para probar el iTbot, un brazo robótico de asistencia portátil que permite a los pacientes con accidente cerebrovascular recibir fisioterapia sin salir de casa. La plataforma basada en brazos que está desarrollando Rahman tiene ventajas tanto para los pacientes como para los terapeutas. (Foto de Troye Fox)

Resúmenes técnicos: ¿Podrías decirme qué hace una EMG?

Rahman:Un La señal EMG proviene del músculo. Entonces, si intentas moverte, podremos saber cómo funcionó. Recibimos una señal eléctrica base y luego recibimos otra cuando el músculo se contrae.

Resúmenes técnicos: ¿La señal EMG proporciona una medida bastante precisa del músculo?

Rahman: Sí, si la persona tiene un movimiento decente del brazo. Pero, para los pacientes con accidente cerebrovascular, es difícil obtener una buena señal. Sin embargo, si amplificamos estas señales para un sujeto sano, es posible abordarlo. Con un sensor de fuerza, si intentas moverte significa que estás activando los músculos y podemos recibir la señal, que es una medida de la calidad de la fisiología. A veces, si no muevo el brazo, por ejemplo, incluso si solo estoy sosteniendo una mancuerna, todavía estoy usando un músculo, por lo que recibiremos señales EMG. Cualquier movimiento tendrá una señal muscular.

Resúmenes técnicos: ¿No requiere un miograma insertar agujas en el brazo?

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

El concepto del brazo robótico inteligente desarrollado en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UWM es visible aquí. El usuario agarra el brazo y lo mueve para seguir las líneas de la forma en la pantalla de la izquierda. Los sensores en la parte superior del brazo y el hombro proporcionan los datos de activación muscular que se introducen en el gemelo digital para que el terapeuta tenga toda la información física necesaria para administrar el tratamiento. (Video cortesía del laboratorio del profesor Habib Rahman).

Resúmenes técnicos: ¿Dónde está el sensor de fuerza?

Rahman: Está en el asa de la muñeca, por lo que los sensores de fuerza siempre detectan tus movimientos. Según la discapacidad del sujeto, el controlador puede ajustar moderadamente el nivel de asistencia o dificultar el movimiento del sujeto. Si lo haces difícil, eso significa que estás dando resistencia y desarrollando músculos. Existen multitud de terapias, por ejemplo, la terapia asistida y la terapia resistiva. Según las necesidades del paciente, podemos programar el controlador para que brinde asistencia o resistencia.

Cuando acudes a un fisioterapeuta, es posible que te pida que empujes mientras él te ofrece resistencia. Del mismo modo, el robot ofrecerá resistencia:si intentas empujarlo, se pondrá un poco duro. Programamos una meta y dejamos que la persona alcance la meta, pero tendrá que esforzarse mucho para que sus músculos funcionen. A veces, cuando les damos un objetivo, si la persona no puede lograrlo, el robot la ayudará a llegar allí; esto se llama terapia asistida activa.

Cuando alguien sufre un derrame cerebral, la conexión de las redes neuronales se rompe en cierto modo:la persona olvida cómo realizar pequeñas tareas y la motricidad fina, por lo que necesita mucha ayuda. Esto requiere muchas repeticiones, que el robot puede realizar (el dispositivo mueve suavemente la extremidad del participante sin su propio esfuerzo); esto se llama terapia pasiva. Estira los músculos sin dolor y refuerza los patrones de movimiento correctos. Una vez que el sujeto comienza a ganar movimiento real, le asignamos algunas tareas funcionales para que pueda aprender a coordinarse.

Resúmenes técnicos: Técnicamente, ¿cómo se ajusta la tensión?

Rahman: Contamos con un controlador de motor que ajusta la corriente del motor en función de la señal del sensor de fuerza o la señal EMG para cambiar las actuaciones del motor.

Un estudiante de posgrado utiliza el brazo robótico para un tratamiento terapéutico (derecha), mientras que los datos que el brazo recopila en tiempo real aparecen en el gemelo digital de la pantalla del terapeuta (izquierda). Aunque la foto los muestra juntos en la habitación, la misma configuración funciona cuando el paciente y el brazo están en un lugar y el terapeuta y una computadora están en un lugar diferente. (Video cortesía del laboratorio del profesor Habib Rahman).

Resúmenes técnicos: Leí que hay dos formas de utilizar el robot:de forma remota o en persona, por ejemplo en el consultorio de un terapeuta.

Rahman: Siempre fue en persona, pero ahora estamos explorando la telesalud. Disponemos de diferentes versiones del robot. Uno es realmente pequeño y puede ir a casa de una persona. Otra versión podría acudir a un centro de rehabilitación, donde las personas pueden recibir fisioterapia para fijar los objetivos terapéuticos. Luego, el terapeuta puede obtener los datos de forma remota y, cuando sea necesario, ajustar el protocolo terapéutico e incluso controlar el robot de forma remota.

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

Rahman: Sí, estamos trabajando con víctimas de accidentes cerebrovasculares, obteniendo datos. Sin embargo, una vez que nuestra IA esté completamente desarrollada, se necesitará menos orientación, pero los terapeutas siempre tendrán que estar al tanto. Trabajaremos con muchas víctimas de accidentes cerebrovasculares para desarrollar completamente la IA hasta el punto en que necesitemos menos supervisión. Sin embargo, seguiremos necesitando terapeutas para programar y supervisar los robots. Siempre estamos inscribiendo sujetos para trabajar en el controlador.

Resúmenes técnicos: Me parece que varía mucho según el individuo que está siendo tratado. Entonces, no estoy seguro de cómo sin un terapeuta, incluso con la IA avanzada, se podría decir que este individuo necesita tanta fuerza.

Rahman: Cuando conectas el robot, existe una ley que puede darte un movimiento previo y detectará tu período de dolor. Una vez que haya activación muscular, el dolor aumentará y los resultados del sensor de fuerza aumentarán. Así estamos trabajando en nuestra fase experimental.

Resúmenes técnicos: ¿Esto también lo mide el EMG?

Rahman: Sí, tanto el EMG como el sensor de fuerza, pero como estamos desarrollando el sistema, estamos verificando con el terapeuta para decidir si este dolor está bien. Luego lo ingresamos en el controlador.

En el futuro habrá miles de pacientes, cada uno de los cuales será diferente. Estamos utilizando tres cosas para medir el rango de movimiento sin dolor. El sensor EMG nos muestra el nivel de actividad, el sensor de fuerza nos muestra el nivel de resistencia y estamos usando una cámara que puede detectar el dolor a partir de las expresiones faciales. Esto no es necesariamente 100 por ciento correcto porque todavía estamos en la fase de desarrollo, pero nuestro objetivo a largo plazo es crear un sistema que necesite una supervisión mínima.

Resúmenes técnicos: ¿Estás creando un gemelo digital?

Rahman: Sí, el terapeuta no tiene el robot real, tiene una réplica del mismo. Puedes mover el robot de forma remota y leer los datos que se van generando. Podrás ver cuánto se ha movido el ángulo de la articulación, a cuánta fuerza ha sido sometido el robot.

El gemelo digital tiene dos propósitos. Una es controlar el robot de forma remota. En segundo lugar, cuando el robot se ha movido, envía retroalimentación para que podamos ver qué tan lejos se ha movido. Una vez que el sujeto ha intentado moverse, podemos ver la magnitud y dirección de las fuerzas, las lecturas de EMG, etc. Es una comunicación bidireccional.

Resúmenes técnicos: Entonces, ¿necesita transmisores además de sensores?

Rahman: Sí, utilizamos los servicios de Microsoft Azure Cloud. Enviamos las señales a la nube de Microsoft Azure y luego al domicilio del paciente. Si trabajan sin el terapeuta, los datos se almacenarán en la nube para que el terapeuta pueda acceder a ellos en cualquier momento.

Resúmenes técnicos: Leí que usas juegos.

Rahman: Las investigaciones muestran que la terapia con robots nos permitiría mejorar el rendimiento mediante el uso de juegos. Existe una base científica al respecto, llamada principios de aprendizaje motor. En base a eso, le damos al sujeto un régimen de terapia guiada para tareas específicas. Les damos el desafío adecuado y recopilamos comentarios explícitos e implícitos sobre hasta dónde están avanzando.

Entonces, un juego es útil para eso. Le damos al paciente una tarea, digamos ir de un punto a otro. Una vez que llegan allí, avanzamos un poco más para aumentar su rango de movimiento, para que sea un poco desafiante para ellos. Conocen el curso y saben exactamente cuánto tiempo lleva. Con los juegos, es como si el terapeuta estuviera ahí. En los juegos utilizamos tareas funcionales:lavar, limpiar la mesa, coger una cuchara de un lugar y ponerla en otro. Los juegos se desarrollan en base a los principios del aprendizaje motor, por lo que como utilizamos retroalimentación implícita y explícita, pueden monitorear su mejora. Los juegos también son atractivos. Puede resultar un poco aburrido realizar tareas repetitivas, pero jugar un juego realmente atrae a la persona. Mejorar tu puntuación puede resultar motivador. Las investigaciones que nuestro grupo ha estado realizando muestran que el uso de juegos produce mejores resultados.

Resúmenes técnicos: ¿Cuál es la ventaja de utilizar este robot en lugar de recurrir únicamente a un fisioterapeuta?

Rahman: Se complementan. Tenemos una escasez constante de terapeutas y su número está disminuyendo. Pueden entregarle el robot al paciente y éste puede funcionar incansablemente las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Permite que un terapeuta atienda a muchos pacientes durante un día. En lugar de tener que sentarse con el paciente mientras hace 10 repeticiones, un robot puede hacerlo precisamente.

Es una herramienta, como cuando mi médico me da un tensiómetro que pueden controlar desde casa, para que el médico no tenga que venir a controlarme la presión todos los días. De manera similar, esto ayudará al terapeuta y al paciente. El seguro cubre sólo un número limitado de visitas de fisioterapia durante el año. Sin embargo, el robot permitirá al paciente seguir las instrucciones del terapeuta durante un tiempo ilimitado.

Resúmenes técnicos: De cara al futuro, ¿quién pagaría por la máquina? ¿Estaría cubierto por el seguro?

Rahman: Estoy seguro de que el seguro lo cubrirá porque hoy en día los seguros cubren los contratos de alquiler de máquinas de movimiento pasivo continuo (CPM), si están médicamente justificados. Pero solo te dan repeticiones, nada más. El robot lo hace inteligente. Entonces, dado que las máquinas CPM están cubiertas, anticipamos que el robot también estará cubierto, ya que es como un CPM pero con funcionalidad avanzada. Un paciente no tendría que comprar el robot; sería sólo un alquiler.

Resúmenes técnicos: ¿Dónde estás en términos de comercialización de esto?

Rahman: Ahora estamos realizando experimentos con víctimas reales de un derrame cerebral. Fundé una startup el año pasado y ahora estamos trabajando con un par de personas más que nos están ayudando a comercializar el dispositivo. Todavía quedan algunas cosas por hacer. Ahora podríamos venderlo simplemente como un robot con fines de investigación, pero si queremos usarlo en un entorno clínico doméstico, necesitamos obtener la aprobación de la FDA, lo que podría tardar entre uno y dos años.

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