Le robot de table compact révolutionne la prestation de thérapies physiques

Ed Brown

Notes techniques : Comment avez-vous eu cette idée ?

Professeur Habib Rahman : Tout est parti d'un projet avec notre Connected System Institute, dans lequel nous avons travaillé sur un moteur pour créer son jumeau numérique afin de voir si nous pouvions contrôler les moteurs à distance. Je travaille depuis longtemps sur la robotique de rééducation. Mes recherches portent sur la réadaptation et la robotique d'assistance. Un groupe travaille avec des personnes qui ont survécu à un AVC, et un autre groupe travaille avec des utilisateurs en fauteuil roulant. Pendant la période de COVID, il a été difficile d’aider les gens à se réadapter. Je travaillais sur la robotique de rééducation – donner une thérapie avec un robot. Nous avons donc réfléchi à la manière dont nous pourrions développer notre travail avec le numérique et notre travail avec les robots télécommandés. Nous avons donc utilisé cette idée pour voir si nous pouvions faire de la télésanté avec un robot.

Les défis à cette époque étaient nombreux :un fonctionnement fluide et sûr des robots et une transmission correcte des données. Ce n’est pas comme un robot industriel ordinaire. Nous devons voir le robot en temps réel, voir les patients et obtenir des commentaires. Nous avons donc commencé à construire le nôtre.

Notes techniques : Donc, dans ce bras robot, il faut varier la tension. Comment fais-tu ça ?

Rahman : L'algorithme de contrôle peut détecter l'intention humaine des mouvements. Nous utilisons deux types de capteurs :l’un est un électromyogramme (EMG), l’autre est un capteur de force. Nous n'utilisons pas souvent EMG, juste pour vérifier que le système fonctionne.

Habib Rahman, professeur et titulaire de la chaire de génie mécanique, a travaillé pour tester l'iTbot, un bras robotique d'assistance portable qui permet aux patients victimes d'un AVC de recevoir une thérapie physique sans quitter leur domicile. La plateforme basée sur le bras que Rahman développe présente des avantages à la fois pour les patients et les thérapeutes. (Photo de Troye Fox)

Notes techniques : Pourriez-vous me dire à quoi sert un EMG ?

Rahman :Un Le signal EMG provient du muscle. Donc, si vous essayez de déménager, nous pouvons savoir comment cela a fonctionné. Nous recevons un signal électrique de base, puis un lorsque le muscle est contracté.

Notes techniques : Le signal EMG donne-t-il une mesure assez précise du muscle ?

Rahman : Oui, si la personne a un mouvement de bras décent. Mais pour les patients victimes d’un AVC, il est difficile d’obtenir un bon signal. Cependant, si on amplifie ces signaux pour un sujet sain, c’est adressable. Avec un capteur de force, si vous essayez de bouger, cela signifie que vous activez les muscles et que nous pouvons obtenir le signal, qui est une mesure de la qualité de la physiologie. Parfois, si je ne bouge pas mon bras, par exemple, même si je tiens juste un haltère, il utilise toujours un muscle donc nous recevrons des signaux EMG. Tout mouvement aura un signal musculaire.

Notes techniques : Un myogramme ne nécessite-t-il pas l'insertion d'aiguilles dans le bras ?

Rahman : Il existe deux versions de myogrammes ; utiliser des aiguilles en est un. Mais nous utilisons un EMG de surface. Il mesure la différence de potentiel entre deux électrodes maintenues sur la peau avec un adhésif. L'algorithme de contrôle est tel que si une personne bouge bien la main, le signal du capteur de force dominera.

Le concept du bras robotique intelligent développé au Collège d’ingénierie et de sciences appliquées de l’UWM est visible ici. L'utilisateur saisit le bras et le déplace pour suivre les lignes de la forme sur l'écran de gauche. Des capteurs situés sur le haut de son bras et sur son épaule fournissent les données d'activation musculaire qui sont introduites dans le jumeau numérique afin que le thérapeute dispose de toutes les informations physiques nécessaires pour administrer le traitement. (Vidéo gracieuseté du laboratoire du professeur Habib Rahman.)

Notes techniques : Où est le capteur de force ?

Rahman : Il se trouve sur la poignée du poignet, de sorte que les capteurs de force détectent toujours vos mouvements. En fonction de la déficience du sujet, le contrôleur peut ajuster modérément le niveau d'assistance ou rendre difficile le déplacement du sujet. Si vous rendez les choses difficiles, cela signifie que vous donnez de la résistance et développez vos muscles. Il existe de nombreuses thérapies, par exemple la thérapie assistée et la thérapie résistive. En fonction des besoins du patient, nous pouvons programmer le contrôleur pour qu'il apporte une assistance ou une résistance.

Lorsque vous consultez un physiothérapeute, il peut vous demander de pousser pendant qu'il oppose une résistance. De même, le robot offrira une résistance :si vous essayez de le pousser, cela le rendra un peu dur. Nous programmons un objectif et laissons la personne atteindre l'objectif, mais elle devra pousser très fort pour que ses muscles travaillent. Parfois, lorsque nous leur donnons un objectif, si la personne ne peut pas l'atteindre, le robot l'aide à y parvenir — c'est ce qu'on appelle la thérapie assistée active.

Lorsqu’une personne souffre d’un accident vasculaire cérébral, la connexion des réseaux neuronaux est en quelque sorte rompue :la personne oublie comment effectuer de petites tâches, sa motricité fine, elle a donc besoin de beaucoup d’aide. Cela nécessite beaucoup de répétitions, que le robot peut leur donner – l’appareil déplace doucement le membre du participant sans son propre effort – c’est ce qu’on appelle une thérapie passive. Il étire les muscles sans douleur et renforce les mouvements corrects. Une fois que le sujet commence à acquérir un réel mouvement, nous lui confions quelques tâches fonctionnelles afin qu'il puisse apprendre à se coordonner.

Notes techniques : Techniquement, comment régler la tension ?

Rahman : Nous avons un pilote de moteur qui ajuste le courant du moteur en fonction du signal du capteur de force ou du signal EMG pour modifier les actionnements du moteur.

Un étudiant diplômé utilise le bras robotique pour un traitement thérapeutique (à droite), tandis que les données que le bras collecte en temps réel s'affichent sur le jumeau numérique sur l'écran du thérapeute (à gauche). Bien que la photo les montre ensemble dans la pièce, la même configuration fonctionne lorsque le patient et le bras se trouvent au même endroit et que le thérapeute et un ordinateur se trouvent dans un endroit différent. (Vidéo gracieuseté du laboratoire du professeur Habib Rahman.)

Notes techniques : J'ai lu qu'il existe deux manières d'utiliser le robot :à distance ou en personne, par exemple dans le cabinet d'un thérapeute.

Rahman : Cela s'est toujours fait en personne, mais nous explorons maintenant la télésanté. Nous avons différentes versions du robot. L’un est vraiment petit et peut aller au domicile d’une personne. Une autre version pourrait aller dans un centre de réadaptation, où les personnes pourraient recevoir une physiothérapie pour définir les objectifs thérapeutiques. Le thérapeute peut alors obtenir les données à distance et, si nécessaire, ajuster le protocole thérapeutique et même contrôler le robot à distance.

Notes techniques : Ne faudrait-il pas que cela soit guidé par un thérapeute pour décider quelle quantité est suffisante et quelle quantité est trop ? Je veux dire, vous pourriez faire du mal à quelqu'un si vous ne faites pas attention.

Rahman : Oui, nous travaillons avec des victimes d'accident vasculaire cérébral et obtenons des données. Cependant, une fois que notre IA sera pleinement développée, moins de conseils seront nécessaires, mais les thérapeutes devront toujours être au courant. Nous travaillerons avec de nombreuses victimes d’accident vasculaire cérébral pour développer pleinement l’IA au point où nous aurons besoin de moins de supervision. Cependant, nous aurons toujours besoin de thérapeutes pour programmer et superviser les robots. Nous inscrivons toujours des sujets pour travailler sur le contrôleur.

Notes techniques : Il me semble que cela varie beaucoup selon la personne traitée. Donc, je ne sais pas comment, sans thérapeute, même avec une IA avancée, on pourrait dire que pour cette personne, autant de force est nécessaire.

Rahman : Lorsque vous câblez le robot, il existe une loi qui peut vous donner un pré-mouvement et détectera votre période douloureuse. Une fois l’activation musculaire effectuée, la douleur augmentera et les résultats du capteur de force augmenteront. C'est ainsi que nous travaillons dans notre phase expérimentale.

Notes techniques : Est-ce également mesuré par l'EMG ?

Rahman : Oui, à la fois l'EMG et le capteur de force, mais depuis que nous développons le système, nous vérifions avec le thérapeute pour décider si cette douleur est acceptable. Ensuite, nous entrons cela dans le contrôleur.

Dans le futur, il y aura des milliers de patients, chacun étant différent. Nous utilisons trois éléments pour mesurer l'amplitude des mouvements sans douleur. Le capteur EMG nous montre le niveau d'activité, le capteur de force nous montre le niveau de résistance et nous utilisons une caméra qui peut détecter la douleur à partir des expressions faciales. Ce n'est pas nécessairement exact à 100 % car nous sommes encore en phase de développement, mais notre objectif à long terme est de créer un système nécessitant un minimum de supervision.

Notes techniques : Créez-vous un jumeau numérique ?

Rahman : Oui, le thérapeute n’a pas le vrai robot, il en a une réplique. Vous pouvez déplacer le robot à distance et lire les données générées. Vous pouvez voir à quel point l'angle de l'articulation a bougé, à quelle force le robot a été soumis.

Le jumeau numérique a deux objectifs. La première consiste à contrôler le robot à distance. Deuxièmement, lorsque le robot a bougé, il envoie des informations afin que nous puissions voir jusqu'où il s'est déplacé. Une fois que le sujet a essayé de bouger, nous pouvons voir l'ampleur et la direction des forces, les lectures EMG, etc. C'est une communication bidirectionnelle.

Notes techniques : Alors, vous avez besoin d'émetteurs en plus de capteurs ?

Rahman : Oui, nous utilisons les services Microsoft Azure Cloud. Nous envoyons les signaux au cloud Microsoft Azure puis au domicile du patient. S'ils travaillent sans le thérapeute, les données seront stockées dans le cloud afin que le thérapeute puisse y accéder à tout moment.

Notes techniques : J'ai lu que vous utilisiez des jeux.

Rahman : La recherche montre que la robotothérapie nous permettrait d’améliorer nos performances grâce à l’utilisation de jeux. Il existe un fondement scientifique à ce sujet, appelé principes d’apprentissage moteur. Sur cette base, nous proposons au sujet un programme de thérapie guidée spécifique à une tâche. Nous leur proposons le bon défi et recueillons des commentaires explicites et implicites sur leur progression.

Un jeu est donc utile pour cela. Nous donnons au patient une tâche, par exemple aller d'un point à un autre. Une fois qu’ils y sont allés, nous allons un peu plus loin pour augmenter leur amplitude de mouvement, afin de rendre la tâche un peu plus difficile pour eux. Ils connaissent le cours et savent exactement combien de temps cela prend. Avec les jeux, c’est comme si le thérapeute était là. Nous utilisons des tâches fonctionnelles dans les jeux :laver, nettoyer une table, prendre une cuillère d'un endroit et la mettre dans un autre. Les jeux sont développés sur la base des principes d'apprentissage moteur, donc puisque nous utilisons des commentaires implicites et explicites, ils peuvent suivre leur amélioration. Les jeux sont également engageants. Cela peut sembler un peu ennuyeux de faire des tâches répétitives, mais jouer à un jeu engage vraiment une personne. Améliorer votre score peut être motivant. Les recherches effectuées par notre groupe montrent que l'utilisation de jeux produit de meilleurs résultats.

Notes techniques : Quel est l'avantage d'utiliser ce robot au lieu de simplement faire appel à un physiothérapeute ?

Rahman : Ils se complètent. Nous manquons constamment de thérapeutes et leur nombre diminue. Ils peuvent donner le robot au patient et celui-ci peut fonctionner sans relâche 24h/24 et 7j/7. Cela permet à un thérapeute de voir plusieurs patients au cours d’une journée. Plutôt que de devoir s'asseoir avec le patient pendant qu'il effectue 10 répétitions, un robot peut le faire précisément.

C’est un outil, comme lorsque mon médecin me donne un tensiomètre qu’il peut surveiller depuis chez soi, pour que le médecin n’ait pas besoin de venir vérifier ma tension tous les jours. De la même manière, cela aidera le thérapeute et le patient. L'assurance ne couvre qu'un nombre limité de visites de physiothérapie au cours de l'année. Cependant, le robot permettra au patient de suivre les conseils du thérapeute pendant une durée illimitée.

Notes techniques : À l’avenir, qui paierait pour la machine ? Serait-il couvert par une assurance ?

Rahman : Je suis sûr que l’assurance le couvrira car de nos jours, l’assurance couvre les contrats de location de machines à mouvement passif continu (CPM), s’ils sont médicalement justifiés. Mais ils ne vous donnent que des répétitions, rien d'autre. Le robot le rend intelligent. Ainsi, puisque les machines CPM sont couvertes, nous prévoyons que le robot le sera également, car il ressemble à un CPM mais avec des fonctionnalités avancées. Un patient n’aurait pas besoin d’acheter le robot ; ce serait juste une location.

Notes techniques : Où en êtes-vous en termes de commercialisation ?

Rahman : Nous menons actuellement des expériences avec de vraies victimes d'accident vasculaire cérébral. J'ai fondé une startup l'année dernière et nous travaillons maintenant avec quelques autres personnes qui nous aident à commercialiser l'appareil. Il reste encore quelques choses à faire. Nous pourrions désormais le vendre comme un simple robot à des fins de recherche, mais si nous voulons l'utiliser dans un cadre clinique à domicile, nous devons obtenir l'approbation de la FDA, ce qui pourrait prendre un à deux ans.

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