A hybrid FES-exoskeleton system to rehabilitate the upper limb in disabled people

Coordinator: Tehnical University "Gh. Asachi" Iasi
PCCA: 180/2012

Granted by UEFISCDI

Main Menu

Language Switcher

Login Form

Step III

Algcon Team 2014.

Etapa III - Proiectarea şi realizarea modelului experimental EXOSLIM

Obiectivele etapeiProiectarea şi realizarea modelului experimental EXOSLIM.

1.       Proiectarea și realizarea modelului platformei hardware FES și integrarea cu sistemul exoskelet;

2.       Experimentare în laborator și inițierea testelor în mediu clinic;

3.       Testarea bazei de date și pregătirea pentru încărcarea datelor testelor clinice;

4.       Diseminarea rezultatelor (workshop, participare la conferințe, simpozioane, saloane ale cercetării, actualizare website).

 

Rezultate:

1.proiectarea variantei simplificate a exoscheletului (numita varianta B), caracterizată printr-o structură mult mai simplă şi un alt mod de fixare, precum şi prin proiectarea soluţiei cu amortizor liniar pentru mişcări active cu rezistentă [3].

 

Fig.1.1. Modelul CAD al exoscheletului, cu sistemul de frânare cu amortizor liniar cu fluide electroreologice.

2. Realizarea sistemului electronic de control al motoarelor din articulațiile exoskeletului

 

 

3. Implementarea programului de control al sistemului EXOSLIM

Software-ul pentru controlul sistemului EXOSLIM a fost implementat în mediul de programare MATLAB&Simulink® ca o aplicație de tipul ”standalone”, pentru a putea fi folosită în mediul clinic pe computere care nu au pachetul MATLAB® instalat. Kit-ul de instalare al aplicației are în componența sa compilatorul ”Matlab Compiler Runtime” (MCR), pachet care se instalează odată cu aplicația EXOSLIM.

 

 

Fig.3.1.  Fereastra principală a programului destinat controlului sistemului EXOSLIM.

4. Experimentare în laborator și inițierea testelor în mediul clinic.

 

Fig.4.1. Unghiurile și axele după care se face mișcarea pentru fiecare articulație a exoscheletului.

5. Ghid de utilizare a bazei de date pentru proiectul EXOSLIM

Pentru utilizarea și testarea bazei de date a fost elaborat un ghid de utilizare.

Pagina de acces în baza de date este http://exoslim.physiomed.ro.

În cazul vizitatorilor neautentificaţi accesarea paginii rezultă în afişarea une pagini de prezentare a proiectului, prezentată în figura 5.1.

 

Fig.5.1. Pagina de prezentare a proiectului în acces liber.

6. Consideraţii legate de principiile controlului motor aplicate în cadrul tehnologiilor moderne de neuroreabilitare a membrului superior

Tehnologia în neuroreabilitare este în plină expansiune, având numeroase aplicaţii clinice. Întrebarea cheie, fără răspuns încă, este: Care este limita etică a implicării tehnologiei în neuroreabilitare? Cât de mult putem deveni altceva, având un singur scop – funcţionalitatea? Cât de mult vom permite să fim altceva faţă de ce eram odată? Noi cunoaştem aspectele clinice, dar nu ştim încă cât de mult se va perfecţiona tehnica şi cât de adânc va pătrunde ea în biologia noastră. Răspunsul va reprezenta punctul de echilibru între tehnologie, neurobioetică şi neuroreabilitare (NR).

Neuroreabilitarea multisistem (NRMS) (care utilizează o echipă multidisciplinară) reprezintă tot mai mult o combinaţie între antrenament motor specific şi senzitiv, dar şi de implicare a rezervelor senzoriale. La toate acestea se adaugă suportul farmacologic (modelarea neuroplasticităţii şi accentuarea iniţiativei kinetice). În tot acest complex, dedicate NR un loc tot mai important ocupă suportul psihologic – adaptat şi susţinut. Principiul de bază al NR moderne se bazează pe premiza că activitatea motorie este benefică [1]. Introducerea de noi tehnologii trebuie să analizeze necesităţile specifice ale viitorilor utilizatori. În cazul nostru utilizatorii sunt pacienţii şi terapeutul de NR. Punctul lor de vedere asupra NR este diferit.

Principiile de NRMS cuprind: obţinerea unui răspuns specific, orientarea spre un scop, oferirea unui sens psihologic şi foarte important – insistenţă pe repetiţie. NR robotică asociază antrenamentul specific cu un înalt nivel de repetiţie, foarte potrivit pentru un pacient, cu mai puţină voinţă de recuperare. De asemenea, utilizarea roboticii asociază antrenamentul motor cu cel senzitiv proprioceptiv, realizând un cuplu ideal pentru NR. La fel de interesată este implicarea roboticii în recuperarea deficitelor motorii şi proprioceptive la membrul superior prin integrarea coordonării vizio-motorii după cum am solicitat în cererea de brevet Nr. A.00693 înregistrată în 15.09.2014 [2]. Prin aceasta componenta electromecanică devine cu adevărat orientată spre scop. Includerea căii vizuale şi a numeroaselor sale conexiuni corticale în procesul de NR prin dispozitivul propus de noi (în cadrul solicitării de brevet) este un pas intermediar între realitatea virtuala şi interfaţa creier-computer. Subiectul propunerii vizează mai multe aspecte:

-          Spaţiul înconjurător devine mai apropiat de pacient;

-          Mişcările suportate de dispozitivul electromecanic cresc în precizie;

-          Antrenarea vizuală stimulează fenomenele de învăţare motorie, facilitând anticiparea kinetică (pacientul poate exersa deplasarea extremităţii distale a membrului superior dar prin exerciţii vizuale).

-          Creşte utilitatea membrului superior deficitar şi creşte suportul psihologic pentru prelungirea timpului acordat exerciţiilor.

-          Suportul anatomic al reprezentării vizuo-motorii este complicat şi doar parţial elucidate.

Informaţiile vizuale se proiectează pe aria parietală 40 din emisferul stâng (împreună cu proiecţiile parietale, temporal şi prefrontale). În partea posterioară şi superioară a ariei 40 se situează reţelele neuronale destinate planului kinetic anticipativ al mâinii. De aici pleacă căi ce se proiectează pe aria F6 (cortexul premotor). În aria F6 planul kinetic anticipativ se transformă în ordine kinetic secvenţiale, ordonate temporal care sunt trimise ariei F4 (aria M1) [4]. Cuplajul vizuo-spaţial şi coordonarea vizuo-manuală este un fenomen permanent, se perfecţionează în primii ani de viaţă (forma cea mai elevată fiind scrisul) şi ne însoţeşte până la moarte. După perfecţionare fenomenul este slab, conştientizat. Este definit ca şi o mişcare orientată spre o ţintă sau de urmărire a ţintei, a membrului superior şi care implică un număr important de mecanisme neuronale: de la detecţia ţintei până la execuţia şi finalizarea mişcării. Datorită organizării sale sistemul vizual poziţionează mâna în spaţiul 3D. Secretul acestui mecanism constă în ancorajul temporal al mişcării întregului membru superior.

 

Rezultatele se pot sintetiza în:

-          Proiectarea unei variante simplificate a exoscheletului precum și proiectarea soluției cu amortizor liniar pentru mișcări active cu rezistență;

-          Proiectarea și realizarea modelului platformei FES;

-          Integrarea platformei FES cu sistemul exoschelet;

-          Dezvoltarea software-ului de control al întregului sistem exoschelet-FES ca o aplicație de tipul ”standalone”;

-          Testarea întregului sistem in-vivo în laborator pe subiecți sănătoși și elaborarea protocolului de testare în mediul clinic pe pacienți;

-          Realizarea și testarea platformei software de tip bază de date pentru analiza datelor experimentale.

Pentru diseminarea rezultatelor a fost actualizat site-ul web al proiectului, s-au depus două cereri de brevet, s-au publicat lucrări științifice (3 indexate IEEExplore, 1 indexată ISI Web of science, 1 indexată ISI Proceedings - Thomson Reuters, 1 ISI in curs de publicare) și s-au distribuit materiale publicitare la expoziții și conferințe pe tematica proiectului.

 

 

Bibliografie

[1] Tomoko Kitago, J.W. Krakower, Motor learning principles for neurorehabilitation, in Handbook of Clinical neurologz, 110, 93 - 103, Elsevier, 2013;

[2] Poboroniuc Marian Silviu, Bulboacă Angelo Corneliu, Irimia Dănuț Constantin, Adriana Elena Bulboacă, Olaru Radu, Sistem hibrid mecatronic-neuroproteză EXOSLIM pentru recuperarea brațului la persoanele cu handicap neuromotor, Cerere brevet nr. 693/15 septembrie 2014.

[3] Mândru, D., Chetran, B., Noveanu, S., Tătar, O. - Exoschelet modular pentru membrul superior, cu aplicaţii în recuperare, nr. A / 00856, data de depozit 13 noiembrie.2014.

[4] Rizzolatti G., Kalaska F. Voluntarz Movement: Parietal cortex., in Principles of Neurol. Science, Fifth Edition, Editată de E. Kandel, J. Schwarty, Th. Jessell, S. Siegelbaum, A. Hudspeth, Mc Graw H:U, 2013, 894 – 900.

 

Search

Who's Online

We have one guest and no members online

Home | Contact

Copyright © 2013. All Rights Reserved IEEIA.