Les robots portables s’adaptent aux modèles de mouvement des bras individuels pour les patients AVC et la SLA

Ayant vécu avec un diagnostic de la SLA depuis 2018, Kate NYCZ peut vous dire de première main ce que c’est que de perdre lentement la fonction motrice pour les tâches de base. “Mon bras peut atteindre peut-être 90 degrés, mais il se fatigue et tombe”, a déclaré l’homme de 39 ans. “Manger ou faire un mouvement répétitif avec ma main droite, qui était ma main dominante, est difficile. Je suis principalement devenu gaucher.”

Des gens comme NYCZ qui vivent avec une maladie neurodégénérative comme la SLA ou qui ont eu un accident vasculaire cérébral souffrent souvent d’un mouvement altéré de l’épaule, du bras ou des mains, les empêchant de tâches quotidiennes comme la brossage de dents, le combinaison des cheveux ou la consommation.

Au cours des dernières années, les bio-ingénieurs de Harvard ont développé un robot doux et portable qui non seulement fournit une assistance de mouvement pour ces personnes, mais pourrait même augmenter les thérapies pour les aider à retrouver la mobilité.

Mais pas deux personnes ne bougent exactement de la même manière. Les mouvements physiques sont hautement individualisés, en particulier pour la mobilité, ce qui rend difficile la conception d’un appareil qui fonctionne pour de nombreuses personnes différentes.

Il s’avère que les progrès de l’apprentissage automatique peuvent créer une touche plus personnelle. Des chercheurs de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas), ainsi que des médecins-scientifiques du Massachusetts General Hospital et de la Harvard Medical School, ont mis à niveau leur robot portable pour répondre aux utilisateurs des mouvements exacts d’un utilisateur, dominant l’appareil avec une assistance plus personnalisée qui pourrait offrir aux utilisateurs mieux, plus de soutien contrôlé pour les tâches quotidiennes.

La recherche publiée dans Communications de la nature a été dirigé par Conor Walsh, le professeur d’ingénierie et des sciences appliquées de Paul A. Maeder, dont le laboratoire développe des dispositifs robotiques d’assistance centrés sur l’homme pour ceux qui souffrent de troubles du mouvement.

Depuis plus de six ans, le laboratoire de Walsh a collaboré avec le spécialiste des accidents vasculaires cérébraux et des neurorehabilitation, le Dr David Lin, directeur de la Massachusetts General Hospital Neurorecovery Clinic; et spécialiste de la SLA, le Dr Sabrina Paganoni, codirecteur du Massachusetts General Hospital Neurological Clinical Research Institute – tous deux co-auteurs de l’article – pour développer des dispositifs cliniquement pertinents pour les patients.

“Cela a été une merveilleuse collaboration car l’équipe du Dr Walsh a priorisé, notamment les perspectives du clinicien et des patients dès le premier jour”, a déclaré Paganoni. “Cette approche collaborative nous a permis de travailler ensemble sur les prototypes et la conception d’étude très initiaux.”

NYCZ a été référé à l’équipe d’étude des mers par Paganoni en 2018, peu de temps après avoir été diagnostiqué avec une semaine d’une semaine de son 33e anniversaire. NYCZ a fourni des données et des tests d’utilisateurs pour plusieurs itérations de l’appareil, y compris la dernière qui comprend un composant de rétroaction moteur personnalisée.

“Je suis grande sur la technologie et les appareils pour aider à améliorer la qualité de vie des personnes vivant avec la SLA … J’ai l’impression que ce robot pourrait aider avec cet objectif”, a-t-elle déclaré.

Mise à jour logicielle avec modèle d’apprentissage automatique

Le document décrit une mise à jour majeure du logiciel alimentant l’appareil, qui se compose d’un gilet chargé de capteur avec un ballon attaché sous le bras qui se gonfle et dégonfle pour appliquer une assistance mécanique à un membre faible ou altéré.

Les chercheurs ont utilisé un modèle d’apprentissage automatique qui personnalise les niveaux d’assistance à l’utilisateur individuel en apprenant quels mouvements que l’utilisateur essaie de faire, via des capteurs qui suivent à la fois le mouvement et la pression.

Dans les versions précédentes de l’appareil, qui n’a suivi que le mouvement, les chercheurs ont constaté que les utilisateurs avaient du mal à repousser leur bras une fois que le robot avait aidé à le soulever. “Certaines personnes n’avaient pas suffisamment de force résiduelle pour surmonter toute sorte d’erreur que le robot faisait”, a expliqué le co-premier auteur et étudiant diplômé James Arnold.

Dans la nouvelle version, en plus du modèle d’apprentissage automatique, ils ont incorporé un modèle basé sur la physique qu’ils avaient précédemment développé qui estime la pression minimale nécessaire pour soutenir le bras pendant le mouvement. Cela rend l’assistance du robot plus naturel pour l’utilisateur, offrant une aide plus nuancée sur les tâches de base comme manger et boire.

La combinaison des modèles a permis au robot de composer ou de descendre rapidement la quantité d’assistance qu’il offre à tout moment, en fonction de ce qu’il a appris sur la façon dont cet utilisateur se déplace normalement.

Tests utilisateurs

En collaboration avec les chercheurs cliniques de MGH, les ingénieurs ont testé leur appareil avec neuf volontaires, dont NYCZ, qui avait connu un accident vasculaire cérébral et quatre vivant avec la SLA.

“Pour les personnes vivant avec la SLA, les considérations les plus importantes comprennent le confort, la facilité d’utilisation et la capacité de l’appareil à s’adapter à leurs besoins spécifiques et à leurs modèles de mouvement”, a déclaré Paganoni.

“La personnalisation est cruciale pour améliorer leur indépendance fonctionnelle et leur qualité de vie… Cet appareil a le potentiel d’améliorer considérablement la fonction des membres supérieurs, d’améliorer les activités de vie quotidiennes et de réduire les mouvements compensatoires.”

Les résultats ont montré qu’un robot formé sur les données de mouvement d’un utilisateur individuel pouvait distinguer les mouvements d’épaule de l’utilisateur avec une précision de 94%. La quantité de force dont une personne avait besoin pour réduire son bras a été réduite d’environ un tiers, par rapport aux versions précédentes.

Les utilisateurs ont également montré des gammes de mouvements plus importantes dans leurs épaules, leurs coudes et leurs poignets, réduisant la nécessité de compenser avec le corps penché ou la torsion, et rendre leurs mouvements globalement plus exacts et plus efficaces.

Les études antérieures avec le robot portable s’étaient concentrées sur une seule articulation ou un seul score clinique pour évaluer le mouvement du patient, a expliqué le co-premier auteur et camarade postdoctoral Prabhat Pathak.

“Ce que nous avons fait ici a été de regarder les activités simulées de la vie quotidienne, en utilisant un système de capture de mouvement très précis – similaire aux systèmes utilisés dans les films. Nous avons examiné comment chaque mouvement conjoint a changé, et s’ils étaient en mesure de faire les tâches plus efficacement.”

NYCZ a déclaré que voir les différentes versions de l’appareil au fil des ans a été gratifiante, et elle a remarqué que certains de ses commentaires se sont reflétés dans les versions plus récentes.

“Ils ont fait un excellent travail en incorporant et incluant la personne”, a-t-elle déclaré. “Ils ne sont pas assis dans le laboratoire en train de jouer avec le robot. J’avais l’impression qu’ils étaient vraiment engagés avec moi. Je ne me sentais pas comme un rat de laboratoire ou un rouage dans une roue.”

Généralisable à de nombreuses populations

Les chercheurs notent que leur appareil pourrait être généralisable à de nombreuses populations de personnes souffrant de troubles du membre supérieur. Bien que les patients ayant subi un AVC soient généralement axés sur la réhabilitation par le retrait progressif de la force et du mouvement, la SLA est dégénérative, ce qui signifie que le dispositif pourrait être plus précieux pour l’assistance du mouvement uniquement.

L’équipe continue d’affiner la technologie pour permettre un jour aux utilisateurs de l’utiliser indépendamment à la maison.