Des robots améliorent la thérapie des membres supérieurs pour les patients atteints de maladies neurologiques

La robotique a le potentiel de fournir une thérapie aux personnes atteintes de troubles neurologiques, d’aider les cliniciens et d’améliorer potentiellement les résultats des soins. Human Robotix, une start-up formée par une équipe de chercheurs universitaires, a mis au point un robot capable de fournir une évaluation et une thérapie du poignet, du coude et de la cheville. Les premiers résultats suggèrent une réponse positive pour les personnes atteintes d’affections telles que l’accident vasculaire cérébral et la paralysie cérébrale. Pour fournir le système d’entraînement du robot, Human Robotix s’est associé à maxon.  

Les troubles neurologiques affectent le cerveau, la moelle épinière et les nerfs dans tout le corps et, dans les cas graves, ils peuvent avoir un impact sur des mouvements musculaires spécifiques. Cela rend plus difficile pour les gens d’effectuer des tâches allant de l’écriture manuscrite ou de la tenue d’un couteau et d’une fourchette à la marche.

 
La thérapie peut être essentielle pour aider les personnes atteintes de ces maladies à améliorer leurs capacités motrices, et la recherche en robotique est en cours pour soutenir et améliorer le traitement. Non seulement les techniques robotiques pourraient compléter ou améliorer les pratiques thérapeutiques traditionnelles, mais en réduisant la demande de services de thérapie, la technologie pourrait également contribuer à réduire les temps d’attente des patients.

 
La thérapie assistée par robot pour les troubles neurologiques implique que le patient touche et manipule une interface de contrôle physique en réponse à la rétroaction robotique, dans un processus appelé interaction haptique.

 
Le Dr Aaron Yurkewich, professeur adjoint à l’Université Ontario Tech, explique : « Un robot fournit une force spécifique et mesurée à laquelle le patient résiste ou, au contraire, qui l’aide. Grâce à ces exercices, l’objectif est que le patient s’adapte au fil du temps, de sorte que lorsque vous enlevez la force, vous pouvez mesurer comment la personne réagit dans des conditions normales.

Étude de la neuromécanique humaine et de la réadaptation robotique

Des recherches sur la valeur de l’interaction robotique pour l’évaluation et la thérapie des patients sont en cours, et des résultats positifs ont émergé. Pour consolider et faire progresser l’étude, Aaron et ses collègues lldar Farkhatdinov, Kings College London, ainsi que Joshua Brown et Etienne Burdet, tous deux de l’Imperial College London, ont formé la start-up, Human Robotix.

L’équipe a mis au point une nouvelle interface robotique pour étudier le système neuromusculaire humain et traiter les effets de l’AVC, le trouble neurologique le plus courant chez les adultes. Le robot modulaire permet également aux chercheurs d’étudier comment la technologie peut évaluer et fournir un traitement aux personnes atteintes de paralysie cérébrale, la maladie neurologique la plus répandue chez les enfants.

Pour développer un système qui pourrait être mis à la disposition des praticiens et des patients, le robot doit être compact et portable, ce qui lui permet d’être utilisé dans le laboratoire de recherche, la clinique ou à domicile. Pour répondre à ces besoins, l’équipe de Human Robotix a développé le HRX-1.

 
Le robot neuromécanique s’articule autour d’une prise commandée par la main ou le pied que le patient déplace, dans le but de suivre une cible affichée sur un écran. La résistance ou l’assistance dans le suivi de la cible est fournie par le robot, qui peut être contrôlé par le thérapeute ou le chercheur. La poignée peut également se déplacer librement, sans forces supplémentaires, pour reproduire des conditions normales et réelles. Le robot est modulaire et reconfigurable pour le poignet, le coude et la cheville, ainsi que pour les paramètres de fonctionnement bi-manuels impliquant les membres supérieurs et inférieurs.

Le retour d’information permet d’atteindre le bon équilibre assistance-résistance

Le système est également associé à une unité d’électromyographie (EMG) pour mesurer l’effort musculaire et à un appareil d’électroencéphalographie (EEG) qui mesure l’activité cérébrale. En fonction de ce retour d’information, l’assistance ou la résistance fournie par le robot peut être modifiée en conséquence.

« Lorsque vous ajoutez l’assistance robotique à la réadaptation, vous voulez qu’elle soit une force encourageante, mais vous ne voulez pas qu’elle fasse tous les efforts pour vous parce que le patient n’en tirera pas les avantages », explique Aaron. « Grâce à la rétroaction d’information, nous pouvons contrôler le robot pour fournir le bon équilibre d’assistance, jusqu’à ce que le robot puisse fournir le bon niveau de résistance pour encourager les patients à s’adapter. »

Le moteur est au cœur de l’assistance et de la résistance que le robot peut fournir. Un couple d’impulsion allant jusqu’à 4 Nm est nécessaire pour tester la force maximale d’un patient, et un contrôle précis est également essentiel pour obtenir un réglage précis du couple et de la position.

Programme des jeunes ingénieurs

Avec le soutien de maxon Programme des jeunes ingénieurs qui soutient des projets d’universités et de start-ups du monde entier, Human Robotix a spécifié le moteur à courant continu brushless EC90 de maxon, combiné à un contrôleur de position maxon EPOS4. Ce système d’entraînement offre une résolution de couple jusqu’à 0,014 Nm et une détection de position jusqu’à seulement 0,01°.

Le moteur devait également fonctionner à propulsion arrière pour permettre aux patients de contrôler librement sans force d’assistance ou de résistance, ce qui est essentiel pour établir une référence de fonctionnement dans des conditions régulières.

 
Pour que le robot fonctionne comme un système de table, une faible hauteur du moteur est également cruciale.

  
« La plupart des tables ne sont pas réglables, et pour utiliser le robot, les bras du patient doivent être positionnés à un certain niveau, donc une autre raison clé pour laquelle nous avons choisi le moteur plat EC90 de maxon était de minimiser la hauteur, grâce à sa conception compacte et plate », explique Aaron.

 
Pour utiliser le robot avec un patient, le HRX-1 dispose de trois niveaux de contrôle différents, en fonction du temps de configuration et de l’expertise en programmation de chaque utilisateur, qui peut aller d’un clinicien en physiothérapie à un chercheur en ingénierie.

Les cliniciens pressés, par exemple, peuvent utiliser la manette de commande à trois boutons du robot pour sélectionner les modes d’assistance, de résistance ou d’absence de résistance. Alternativement, pour affiner le contrôle au niveau le plus précis, le robot s’intègre à l’environnement de programmation graphique MATLAB Simulink.

« Avec le niveau de contrôle MATLAB Simulink, l’utilisateur peut inclure des algorithmes pour les différentes étapes des exercices, en déterminant quand et dans quelle mesure l’assistance ou la résistance sera fournie », explique Aaron. « Nous avons également des étudiants qui travaillent sur l’IA, étudiant le potentiel de prendre des signaux du cerveau, des muscles ou directement de l’encodeur moteur, pour adapter l’assistance ou la résistance pendant les exercices. »

Augmenter le volume et la qualité des soins

Le robot fait l’objet d’essais médicaux avec des établissements tels que Schön Klinik Bad Aibling, en Allemagne, Evelina London, qui fait partie du Guy’s and St. Thomas' NHS Trust, et d’autres institutions dans le monde. La recherche comprend l’utilisation de deux systèmes à la fois pour simuler des activités bimanuelles telles que l’ouverture d’un bocal, la thérapie combinée de stimulation électrique robotique et fonctionnelle.

« C’est très gratifiant de travailler sur ce projet, car on peut en voir les avantages, tant pour le patient que pour le clinicien », déclare Aaron. « Souvent, le clinicien a du mal à fournir autant de thérapie qu’il le souhaiterait, pour répondre à la demande, tandis que pour le patient, il se peut qu’il ne puisse recevoir une réadaptation que lorsqu’il est avec le thérapeute. Avec notre robot, le HRX-1 a le potentiel d’augmenter à la fois le volume et la qualité des soins.