コンパクトな卓上ロボットが理学療法の提供に革命をもたらす

エド・ブラウン

技術概要: このアイデアを思いついたきっかけは何ですか?

ハビブラーマン教授: これは、Connected System Institute とのプロジェクトから始まりました。そこでは、モーターをリモートで制御できるかどうかを確認するために、デジタルツインを作成するモーターに取り組みました。私は長年リハビリロボットの研究に取り組んできました。私の研究はリハビリテーションと支援ロボット工学です。 1 つのグループは脳卒中生存者を対象とし、もう 1 つのグループは車椅子利用者を対象としています。新型コロナウイルス感染症の流行中、人々のリハビリテーションを支援するのは大変なことでした。私はリハビリロボット工学に取り組んでおり、ロボットを使った治療を行っていました。そこで私たちは、デジタル技術を使った仕事や遠隔操作のロボットを使った仕事をどのように詳しく説明できるかを考えていました。そこで、私たちはこのアイデアを利用して、ロボットを使って遠隔医療ができるかどうかを確認しました。

当時はロボットをスムーズかつ安全に動かし、データを正しく送信するなど、多くの課題がありました。これは通常の産業用ロボットとは異なります。私たちはリアルタイムでロボットを観察し、患者を観察し、フィードバックを得る必要があります。そこで、独自の構築を開始しました。

技術概要: したがって、このロボットアームでは張力を変化させる必要があります。どうやってそれを行うのですか?

ラーマン: 制御アルゴリズムは人間の動作の意図を検出できます。私たちは 2 種類のセンサーを使用します。1 つは筋電図 (EMG)、もう 1 つは力センサーです。私たちは EMG を頻繁に使用しません。システムが動作していることを確認するためだけに使用します。

ハビブ・ラーマン教授兼機械工学部長は、脳卒中患者が自宅から離れることなく理学療法を受けられるようにするポータブル補助ロボットアームである iTbot のテストに取り組みました。ラーマン氏が開発しているアームベースのプラットフォームは、患者とセラピストの両方にとって利点があります。 (写真提供：トロイ・フォックス)

技術概要: EMG が何をするのか教えていただけますか?

ラーマン:アン EMG信号は筋肉から来ます。したがって、移動しようとすると、それがどのように機能したかを知ることができます。基本的な電気信号を取得し、筋肉が収縮したときに電気信号を取得します。

技術概要: EMG 信号は筋肉のかなり正確な測定値を提供しますか?

ラーマン: はい、その人がまともな種類の腕の動きを持っている場合は可能です。しかし、脳卒中患者の場合、良好な信号を得るのは困難です。ただし、健康な被験者に対してこれらの信号を増幅すれば、対処可能です。力センサーを使用すると、動かそうとすると筋肉が活性化されていることを意味し、生理機能の質の尺度となる信号を取得できます。場合によっては、腕を動かさない場合、たとえばダンベルを持っているだけであっても、筋肉を使用しているため、筋電図信号が得られます。どのような動きにも筋肉信号が存在します。

技術概要: 筋造影検査には腕に針を挿入する必要があるのではありませんか?

ラーマン: 筋図には 2 つのバージョンがあります。針を使うのも一つです。しかし、私たちは表面筋電図を使用します。接着剤で皮膚に保持された 2 つの電極間の電位差を測定します。制御アルゴリズムは、人の手の動きが良好であれば、力センサーの信号が優先されるように設計されています。

ここでは、UWM の工学応用科学大学で開発されたスマートロボットアームのコンセプトをご覧いただけます。ユーザーはアームを掴み、左側の画面上の形状の線に沿ってアームを動かします。上腕と肩にあるセンサーから筋肉活性化データが提供され、それがデジタルツインに入力されるため、セラピストは治療に必要なすべての身体情報を得ることができます。 (ビデオ提供:ハビブ・ラーマン教授の研究室)

技術概要: 力センサーはどこにありますか?

ラーマン: 手首のハンドルにあるため、力センサーが常に動きを検出します。対象者の障害に応じて、補助レベルを適度に調整したり、動きにくくしたりできるコントローラー。厳しくするということは、抵抗を与えて筋肉を鍛えることを意味します。補助療法や抵抗療法など、さまざまな治療法があります。患者のニーズに基づいて、補助や抵抗を与えるようにコントローラーをプログラムできます。

理学療法士に行くと、抵抗を与えながら押してもらうように言われるかもしれません。同様に、ロボットは抵抗を与えます。押しようとすると、少し硬くなります。私たちは目標をプログラムし、その人に目標に到達してもらいますが、筋肉を働かせるためには本当に一生懸命努力する必要があります。目標を与えると、その人がそれを達成できない場合に、ロボットがその目標に到達するのを手助けすることがあります。これは能動的支援療法と呼ばれます。

誰かが脳卒中を患うと、ニューラルネットワークの接続が壊れたようになります。その人は小さな作業や細かい運動能力のやり方を忘れてしまうため、多くの助けが必要になります。これには多くの繰り返しが必要ですが、ロボットがそれを行うことができます。デバイスは参加者の努力を必要とせずに参加者の手足を優しく動かします。これは受動療法と呼ばれます。痛みを伴わずに筋肉を伸ばし、正しい動きのパターンを強化します。被験者が実際に動き始めると、調整を学ぶことができるようにいくつかの機能的なタスクを与えます。

技術概要: 技術的には、どのようにして張力を調整しますか?

ラーマン: 力センサー信号または EMG 信号に基づいてモーター電流を調整し、モーターの動作を変更するモータードライバーがあります。

大学院生がセラピー治療にロボットアームを使用している (右) と同時に、アームがリアルタイムで収集しているデータがセラピストの画面上のデジタルツインに表示されます (左)。写真では二人が一緒の部屋にいますが、患者と腕が同じ場所にあり、セラピストとコンピュータが別の場所にある場合でも、同じセットアップが機能します。 (ビデオ提供:ハビブ・ラーマン教授の研究室)

技術概要: ロボットを使用するには 2 つの方法があると読みました。遠隔から使用する方法と、セラピストのオフィスなどで直接使用する方法です。

ラーマン: いつも対面で行っていましたが、現在は遠隔医療を検討しています。さまざまなバージョンのロボットがあります。 1匹は本当に小さくて、人の家に行くことができます。別のバージョンでは、リハビリセンターに行き、治療目標を設定するために理学療法を受けることができます。セラピストはリモートでデータを取得し、必要に応じて治療プロトコルを調整したり、ロボットをリモートで制御したりすることができます。

技術概要: どのくらいが十分で、どのくらいが多すぎるかを決めるには、セラピストの指導が必要ではないでしょうか?つまり、注意しないと誰かを傷つける可能性があります。

ラーマン: はい、私たちは脳卒中患者と協力し、データを取得しています。ただし、AI が完全に開発されると、必要な指導は少なくなりますが、セラピストは常に最新情報を把握する必要があります。私たちは多くの脳卒中患者と協力して、監視をあまり必要としない程度まで AI を完全に開発する予定です。ただし、ロボットをプログラムして監督するセラピストは依然として必要です。コントローラーを操作する被験者を常に登録しています。

技術概要: 治療を受ける人によってかなり異なるようです。したがって、セラピストがいない場合、たとえ高度な AI があったとしても、この人にはこれほどの力が必要だとどうして言えるのか、私にはわかりません。

ラーマン: ロボットを配線するときに、事前動作を与え、痛みの期間を検出できる法則があります。筋肉が活性化すると、痛みが増し、力センサーの結果が増加します。これが実験段階での作業方法です。

技術概要: これも筋電図で測定されますか?

ラーマン: はい、筋電図と力センサーの両方ですが、私たちはシステムを開発中であるため、この痛みが大丈夫かどうかをセラピストに再確認しています。次に、それをコントローラーに入力します。

将来的には何千人もの患者が発生し、それぞれが異なります。痛みのない可動域を測定するために3つのものを使用しています。 EMGセンサーは活動レベルを示し、力センサーは抵抗レベルを示し、顔の表情から痛みを検出できるカメラを使用しています。私たちはまだ開発段階にあるため、これが必ずしも 100% 正しいわけではありませんが、私たちの長期的な目標は、最小限の監視を必要とするシステムを作成することです。

技術概要: デジタルツインを作成していますか?

ラーマン: はい、セラピストは本物のロボットを持っているのではなく、そのレプリカを持っています。ロボットを遠隔から動かし、生成されるデータを読み取ることができます。関節の角度がどれだけ動いたか、ロボットにどれだけの力が加わったかを確認できます。

デジタルツインには 2 つの目的があります。 1つはロボットを遠隔操作することです。次に、ロボットが移動するとフィードバックが送信されるので、どれだけ移動したかがわかります。被験者が動こうとすると、力の大きさと方向、筋電図の測定値などがわかります。これは双方向通信です。

技術概要: センサーだけでなく送信機も必要ということですね?

ラーマン: はい、Microsoft Azure クラウドサービスを使用しています。信号は Microsoft Azure クラウドに送信され、その後患者の自宅に送信されます。セラピストなしで作業している場合、データはクラウドに保存されるため、セラピストがいつでもアクセスできます。

技術概要: あなたがゲームを利用していると聞きました。

ラーマン: 研究によると、ロボット療法では、ゲームを使用することでパフォーマンスが向上することがわかっています。これには、運動学習原理と呼ばれる科学的背景があります。それに基づいて、対象者にタスク固有のガイド付き治療計画を提供します。私たちは彼らに適切な課題を与え、彼らがどこまで進歩しているかについての明示的および暗黙的なフィードバックを収集します。

そこで役立つのがゲームです。私たちは患者に課題を与えます。たとえば、ある地点から別の地点に移動するなどです。彼らがそこに到達したら、私たちは彼らの可動範囲を広げるために少し遠くに移動し、彼らにとって少し難しいものにします。彼らはコースを知っており、どれくらいの時間がかかるかを正確に知っています。ゲームでは、セラピストがそこにいるような気分になります。私たちはゲームの中で、洗濯したり、テーブルを掃除したり、ある場所からスプーンを取り出して別の場所に置いたりするなど、機能的なタスクを使用します。ゲームは運動学習の原則に基づいて開発されているため、暗黙的および明示的なフィードバックを使用するため、ゲームの改善を監視できます。ゲームも魅力的です。繰り返しの作業を行うのは少し退屈に感じるかもしれませんが、ゲームをプレイすることは本当に夢中になります。スコアの向上はモチベーションにもつながります。私たちのグループが行ってきた調査によると、ゲームを使用するとより良い結果が得られることがわかっています。

技術概要: 理学療法士だけを使用する代わりにこのロボットを使用する利点は何ですか?

ラーマン: それらは互いに補完し合います。セラピストは常に不足しており、その数は減少しています。患者にロボットを渡すと、ロボットは 24 時間 365 日休みなく働きます。これにより、1 人のセラピストが 1 日に多くの患者を診察できるようになります。患者が 10 回の繰り返しを行う間、患者と一緒に座る必要はなく、ロボットならそれを正確に行うことができます。

これは、医師が自宅から測定できる血圧計をくれるようなツールなので、医師が毎日私の血圧を測りに来る必要はありません。同様に、これはセラピストと患者を助けるでしょう。保険が適用されるのは、年間限られた回数の理学療法のみです。ただし、ロボットを使用すると、患者は無制限にセラピストのガイダンスに従うことができます。

技術概要: 今後のことを考えて、その機械の代金は誰が払うのでしょうか?保険でカバーされますか?

ラーマン: 最近では、医学的に正当と認められる場合、連続受動運動 (CPM) マシンのレンタル契約にも保険が適用されるため、保険が適用されると確信しています。しかし、それらは繰り返しを与えるだけで、他には何も与えません。ロボットはそれを賢くします。したがって、CPM マシンが対象となるため、CPM に似た高度な機能を備えたロボットも同様に対象となることが予想されます。患者はロボットを購入する必要はありません。それは単なるレンタルになります。

技術概要: これを商業化するという点では、どのような状況にありますか?

ラーマン: 私たちは現在、実際の脳卒中患者を対象に実験を行っています。私は昨年スタートアップを設立し、現在、デバイスの商品化を支援してくれる他の数人の人々と協力しています。まだやらなければならないことがいくつかあります。研究目的の単なるロボットとして販売できるようになりましたが、家庭の臨床環境で使用したい場合は FDA の承認を得る必要があり、それには 1 ～ 2 年かかる可能性があります。