Robot Meja Ringkas Merevolusi Pemberian Terapi Fisik

Ed Brown

Ringkasan Teknologi: Bagaimana Anda memulai ide ini?

Profesor Habib Rahman: Ini dimulai dari sebuah proyek dengan Connected System Institute kami, di mana kami mengerjakan motor untuk membuat kembaran digitalnya untuk melihat apakah kami dapat mengontrol motor dari jarak jauh. Saya telah mengerjakan robotika rehabilitasi sejak lama. Penelitian saya di bidang rehabilitasi dan robotika bantu. Satu kelompok menangani orang-orang yang selamat dari stroke, dan kelompok lainnya menangani pengguna kursi roda. Selama masa COVID, merupakan perjuangan untuk membantu orang merehabilitasi. Saya telah mengerjakan robotika rehabilitasi - memberikan terapi dengan robot. Jadi, kami kemudian memikirkan bagaimana kami bisa menguraikan pekerjaan kami dengan teknologi digital dan pekerjaan kami dengan robot yang dioperasikan dari jarak jauh. Jadi, kami menggunakan ide ini untuk melihat apakah kami dapat melakukan telehealth dengan robot.

Ada banyak tantangan pada saat itu:pengoperasian robot yang lancar dan aman serta transmisi data dengan baik. Ini tidak seperti robot industri biasa. Kita perlu melihat robot secara real time, menemui pasien, dan mendapatkan masukan. Jadi, kami mulai membangunnya sendiri.

Ringkasan Teknologi: Jadi, pada lengan robot ini, ketegangannya harus divariasikan. Bagaimana cara melakukannya?

Rahman: Algoritme kontrol dapat mendeteksi niat manusia terhadap gerakan. Kami menggunakan dua jenis sensor:satu adalah elektromiogram (EMG), yang lainnya adalah sensor gaya. Kami jarang menggunakan EMG — hanya untuk memverifikasi bahwa sistem berfungsi.

Habib Rahman, profesor dan ketua, teknik mesin bekerja untuk menguji iTbot, sebuah lengan robot bantu portabel yang memungkinkan pasien stroke menerima terapi fisik tanpa meninggalkan rumah. Platform berbasis lengan yang dikembangkan Rahman memiliki keunggulan bagi pasien dan terapis. (Foto oleh Troye Fox)

Ringkasan Teknologi: Bisakah Anda memberi tahu saya apa fungsi EMG?

Rahman:Sebuah Sinyal EMG berasal dari otot. Jadi, jika Anda mencoba untuk pindah, kita bisa tahu cara kerjanya. Kita mendapatkan sinyal listrik dasar dan kemudian kita mendapatkannya ketika otot berkontraksi.

Ringkasan Teknologi: Apakah sinyal EMG memberikan ukuran otot yang cukup akurat?

Rahman: Ya, jika orang tersebut memiliki gerakan lengan yang baik. Tapi, bagi penderita stroke, sulit mendapatkan sinyal yang baik. Namun, jika kita memperkuat sinyal ini untuk subjek yang sehat, hal ini dapat diatasi. Dengan sensor gaya, jika mencoba bergerak berarti sedang mengaktifkan otot dan kita dapat memperoleh sinyal yang menjadi ukuran kualitas fisiologi. Kadang-kadang kalau lengan saya tidak digerakkan, misalnya hanya memegang dumbbell, tetap saja menggunakan otot sehingga kita akan mendapat sinyal EMG. Setiap gerakan akan memiliki sinyal otot.

Ringkasan Teknologi: Bukankah miogram memerlukan penusukan jarum ke lengan?

Rahman: Ada dua versi miogram; menggunakan jarum adalah salah satunya. Tapi kami menggunakan EMG permukaan. Ini mengukur perbedaan potensial antara dua elektroda yang ditempelkan pada kulit dengan perekat. Algoritme kontrolnya sedemikian rupa sehingga jika seseorang memiliki pergerakan tangan yang baik, sinyal sensor gaya akan mendominasi.

Konsep lengan robot pintar yang dikembangkan di Fakultas Teknik &Sains Terapan UWM dapat dilihat di sini. Pengguna menggenggam lengan dan menggerakkannya mengikuti garis bentuk pada layar di sebelah kiri. Sensor di lengan atas dan bahunya menyediakan data aktivasi otot yang dimasukkan ke dalam digital twin sehingga terapis memiliki semua informasi fisik yang diperlukan untuk memberikan perawatan. (Video milik laboratorium Profesor Habib Rahman.)

Ringkasan Teknologi: Di mana sensor gayanya?

Rahman: Letaknya di pegangan pergelangan tangan, sehingga sensor gaya selalu mendeteksi gerakan Anda. Berdasarkan kecacatan subjek, pengontrol yang dapat menyesuaikan tingkat bantuan secara moderat atau mempersulit subjek untuk bergerak. Jika Anda membuatnya sulit, itu berarti Anda memberikan perlawanan dan membangun otot. Terapinya banyak sekali, misalnya terapi bantuan dan terapi resistif. Berdasarkan kebutuhan pasien, kami dapat memprogram pengontrol untuk memberikan bantuan atau perlawanan.

Saat Anda menemui ahli terapi fisik, mereka mungkin meminta Anda untuk mengejan sambil memberikan perlawanan. Demikian pula, robot akan memberikan perlawanan — jika Anda mencoba mendorongnya, itu akan membuatnya sedikit keras. Kami memprogram suatu tujuan dan membiarkan orang tersebut mencapai tujuan tersebut, tetapi mereka harus benar-benar berusaha keras agar ototnya bekerja. Terkadang ketika kita memberi mereka target, jika orang tersebut tidak dapat mencapainya, robot akan membantu mereka mencapainya — ini disebut terapi bantuan aktif.

Ketika seseorang menderita stroke, koneksi jaringan sarafnya terputus - orang tersebut lupa bagaimana melakukan tugas-tugas kecil, keterampilan motorik halus, sehingga membutuhkan banyak bantuan. Hal ini memerlukan banyak pengulangan, yang dapat diberikan oleh robot – perangkat dengan lembut menggerakkan anggota tubuh peserta tanpa usaha mereka sendiri – ini disebut terapi pasif. Ini meregangkan otot tanpa rasa sakit dan memperkuat pola gerakan yang benar. Setelah subjek mulai mendapatkan gerakan nyata, kami memberi mereka beberapa tugas fungsional sehingga mereka dapat belajar berkoordinasi.

Ringkasan Teknologi: Secara teknis, bagaimana cara mengatur ketegangan?

Rahman: Kami memiliki driver motor yang mengatur arus motor berdasarkan sinyal sensor gaya atau sinyal EMG untuk mengubah aktuasi motor.

Seorang mahasiswa pascasarjana menggunakan lengan robot untuk pengobatan terapi (kanan) sementara data yang dikumpulkan lengan tersebut secara real-time muncul di kembaran digital di layar terapis (kiri). Meskipun foto menunjukkan mereka berada di ruangan bersama-sama, pengaturan yang sama berfungsi ketika pasien dan lengan berada di satu lokasi dan terapis serta komputer berada di lokasi yang berbeda. (Video milik laboratorium Profesor Habib Rahman.)

Ringkasan Teknologi: Saya membaca bahwa ada dua cara menggunakan robot — dari jarak jauh atau secara langsung, misalnya di kantor terapis.

Rahman: Itu selalu dilakukan secara langsung, tetapi kami sekarang menjajaki telehealth. Kami memiliki versi robot yang berbeda. Yang satu berukuran sangat kecil dan bisa dibawa ke rumah seseorang. Versi lain dapat dilakukan di pusat rehabilitasi, di mana orang dapat menerima fisioterapi untuk menetapkan target terapi. Terapis kemudian dapat memperoleh data dari jarak jauh, dan bila diperlukan, menyesuaikan protokol terapi, dan bahkan mengontrol robot dari jarak jauh.

Ringkasan Teknologi: Bukankah hal ini harus dipandu oleh seorang terapis untuk memutuskan berapa banyak yang cukup dan berapa banyak yang terlalu banyak? Maksudku, kamu bisa melukai seseorang jika kamu tidak berhati-hati.

Rahman: Ya, kami menangani korban stroke, mendapatkan data. Namun, setelah AI kita berkembang sepenuhnya, panduan yang dibutuhkan akan berkurang, namun terapis harus selalu memantau perkembangannya. Kami akan bekerja sama dengan banyak korban stroke untuk mengembangkan AI sepenuhnya sehingga pengawasan yang kami perlukan lebih sedikit. Namun, kita masih membutuhkan terapis untuk memprogram dan mengawasi robot tersebut. Kami selalu mendaftarkan subjek untuk bekerja pada pengontrol.

Ringkasan Teknologi: Bagi saya, hal ini sangat bervariasi tergantung individu yang dirawat. Jadi, saya tidak yakin bagaimana tanpa seorang terapis, bahkan dengan AI yang canggih, Anda dapat mengatakan bahwa kekuatan sebesar ini dibutuhkan oleh individu ini.

Rahman: Saat Anda memasang robot, ada hukum yang dapat memberi Anda gerakan awal dan mendeteksi periode nyeri Anda. Begitu terjadi aktivasi otot maka nyeri akan meningkat, dan hasil sensor gaya akan meningkat. Inilah cara kami bekerja dalam tahap percobaan.

Ringkasan Teknis: Apakah ini juga diukur dengan EMG?

Rahman: Ya, baik EMG maupun sensor gaya, tetapi karena kami sedang mengembangkan sistemnya, kami memeriksa ulang dengan terapis untuk memutuskan apakah rasa sakit ini baik-baik saja. Lalu kita masukkan ke dalam controller.

Di masa depan akan ada ribuan pasien, yang masing-masing berbeda. Kami menggunakan tiga hal untuk mengukur rentang gerak bebas rasa sakit. Sensor EMG menunjukkan tingkat aktivitas, sensor gaya menunjukkan tingkat resistensi, dan kami menggunakan kamera, yang dapat mendeteksi rasa sakit dari ekspresi wajah. Hal ini belum tentu 100 persen benar karena kami masih dalam tahap pengembangan, namun tujuan jangka panjang kami adalah membuat sistem yang memerlukan pengawasan minimal.

Ringkasan Teknologi: Apakah Anda sedang membuat kembaran digital?

Rahman: Ya, terapisnya tidak punya robot asli, mereka punya replikanya. Anda dapat menggerakkan robot dari jarak jauh dan membaca data yang dihasilkan. Anda dapat melihat seberapa besar sudut sambungan bergerak, seberapa besar gaya yang diberikan pada robot.

Kembaran digital memiliki dua tujuan. Salah satunya adalah mengendalikan robot dari jarak jauh. Kedua, ketika robot sudah bergerak, ia mengirimkan umpan balik sehingga kita bisa melihat seberapa jauh ia telah bergerak. Setelah subjek mencoba bergerak, kita dapat melihat besaran dan arah gaya, pembacaan EMG, dan sebagainya. Ini adalah komunikasi dua arah.

Ringkasan Teknis: Jadi, Anda memerlukan pemancar dan juga sensor?

Rahman: Ya, kami menggunakan layanan Microsoft Azure Cloud. Kami mengirimkan sinyal ke cloud Microsoft Azure dan kemudian ke rumah pasien. Jika mereka bekerja tanpa terapis, data akan disimpan di cloud sehingga terapis dapat mengaksesnya kapan saja.

Ringkasan Teknologi: Saya membaca bahwa Anda menggunakan game.

Rahman: Penelitian menunjukkan bahwa terapi robot akan meningkatkan kinerja kita dengan menggunakan permainan. Ada latar belakang ilmiah mengenai hal ini, yang disebut prinsip pembelajaran motorik. Berdasarkan hal tersebut, kami memberikan subjek rejimen terapi terpandu yang spesifik untuk tugas tersebut. Kami memberi mereka tantangan yang tepat dan mengumpulkan masukan eksplisit dan implisit tentang sejauh mana kemajuan mereka.

Jadi, sebuah game berguna untuk itu. Kami memberi tugas kepada pasien, katakanlah untuk berpindah dari satu titik ke titik lainnya. Begitu mereka sampai di sana, kami membuatnya sedikit lebih jauh untuk meningkatkan rentang gerak mereka, agar sedikit menantang bagi mereka. Mereka tahu jalurnya dan tahu persis berapa lama waktu yang dibutuhkan. Dengan permainan, terapisnya seperti ada di sana. Kami menggunakan tugas-tugas fungsional dalam permainan — mencuci, membersihkan meja, mengambil sendok dari satu tempat dan meletakkannya di tempat lain. Permainan ini dikembangkan berdasarkan prinsip pembelajaran motorik, jadi karena kami menggunakan umpan balik implisit dan eksplisit, mereka dapat memantau kemajuannya. Permainan juga menarik. Melakukan tugas yang berulang-ulang mungkin terasa sedikit membosankan, tetapi bermain game benar-benar membuat seseorang tertarik. Meningkatkan skor Anda dapat memotivasi. Penelitian yang dilakukan kelompok kami menunjukkan bahwa penggunaan permainan memberikan hasil yang lebih baik.

Ringkasan Teknis: Apa keuntungan menggunakan robot ini dibandingkan hanya menggunakan ahli terapi fisik?

Rahman: Mereka saling melengkapi. Kita selalu kekurangan terapis, dan jumlah mereka semakin berkurang. Mereka dapat memberikan robot tersebut kepada pasien, dan robot tersebut dapat bekerja tanpa lelah 24/7. Hal ini memungkinkan satu terapis menemui banyak pasien dalam sehari. Daripada harus duduk bersama pasien sambil melakukan 10 repetisi, robot dapat melakukannya dengan tepat.

Itu sebuah alat, seperti ketika dokter saya memberi saya mesin tekanan darah yang bisa mereka pantau dari rumah, sehingga dokter tidak perlu datang untuk memeriksa tekanan darah saya setiap hari. Dengan cara yang sama, ini akan membantu terapis dan pasien. Asuransi hanya mencakup sejumlah kunjungan terapi fisik sepanjang tahun. Namun, robot tersebut akan memungkinkan pasien mengikuti panduan terapis untuk waktu yang tidak terbatas.

Ringkasan Teknologi: Ke depan, siapa yang akan membayar mesin tersebut? Apakah akan ditanggung oleh asuransi?

Rahman: Saya yakin asuransi akan menanggungnya karena saat ini asuransi mencakup perjanjian sewa mesin continuous passive motion (CPM), jika secara medis dapat dibenarkan. Tapi mereka hanya memberi Anda pengulangan, tidak lebih. Robot membuatnya pintar. Jadi, karena mesin CPM tercakup, kami mengantisipasi bahwa robot juga akan tercakup, karena ini seperti CPM tetapi dengan fungsionalitas tingkat lanjut. Seorang pasien tidak perlu membeli robot tersebut; itu hanya sewa saja.

Ringkasan Teknologi: Di mana posisi Anda dalam mengkomersialkan ini?

Rahman: Kami sekarang menjalankan eksperimen dengan korban stroke yang sebenarnya. Saya mendirikan sebuah startup tahun lalu dan kami sekarang bekerja dengan beberapa orang lain yang membantu kami mengkomersialkan perangkat tersebut. Ada beberapa hal yang masih perlu dilakukan. Kini kami dapat menjualnya hanya sebagai robot untuk tujuan penelitian, namun jika kami ingin menggunakannya di lingkungan klinis di rumah, kami perlu mendapatkan persetujuan FDA, yang dapat memakan waktu satu hingga dua tahun.

Transkrip

Transkrip tidak tersedia untuk video ini.