소형 탁상형 로봇으로 물리 치료 제공에 혁명을 일으키다

에드 브라운

기술 개요: 어떻게 이 아이디어를 시작하게 되었나요?

하비브 라만 교수: 이는 Connected System Institute의 프로젝트에서 시작되었습니다. 여기서 우리는 모터를 원격으로 제어할 수 있는지 알아보기 위해 디지털 트윈을 만들기 위해 모터 작업을 했습니다. 저는 오랫동안 재활로봇 분야에 종사해 왔습니다. 제가 연구하는 분야는 재활 및 보조 로봇공학입니다. 한 그룹은 뇌졸중 생존자들을 대상으로 작업하고, 다른 그룹은 휠체어를 이용하는 사용자를 대상으로 작업합니다. 코로나 기간 동안 사람들의 재활을 돕는 것은 힘든 일이었습니다. 저는 재활 로봇 공학 분야에서 일하고 있었습니다. 로봇으로 치료를 제공하는 것이었습니다. 그래서 우리는 디지털 기술과 원격 조종 로봇을 이용한 작업을 어떻게 정교하게 만들 수 있을지 생각하고 있었습니다. 그래서 우리는 이 아이디어를 활용하여 로봇으로 원격 의료를 할 수 있는지 알아보았습니다.

당시에는 로봇의 원활하고 안전한 작동과 데이터의 적절한 전송 등 많은 과제가 있었습니다. 일반 산업용 로봇과는 다릅니다. 실시간으로 로봇을 보고, 환자를 보고, 피드백을 받아야 합니다. 그래서 우리는 우리만의 것을 만들기 시작했습니다.

기술 개요: 따라서 이 로봇 팔에서는 장력을 변경해야 합니다. 어떻게 하나요?

라만: 제어 알고리즘은 인간의 움직임 의도를 감지할 수 있습니다. 우리는 두 가지 유형의 센서를 사용합니다. 하나는 근전도(EMG)이고 다른 하나는 힘 센서입니다. 우리는 EMG를 자주 사용하지 않습니다. 단지 시스템이 작동하는지 확인하기 위해서입니다.

기계공학과 교수이자 학과장인 하비브 라만(Habib Rahman)은 뇌졸중 환자가 집을 떠나지 않고도 물리 치료를 받을 수 있도록 하는 휴대용 보조 로봇 팔인 iTbot을 테스트하기 위해 노력했습니다. Rahman이 개발하고 있는 팔 기반 플랫폼은 환자와 치료사 모두에게 이점이 있습니다. (사진=트로이 폭스)

기술 개요: EMG가 무엇을 하는지 알려주실 수 있나요?

라만: EMG 신호는 근육에서 나옵니다. 따라서 움직이려고 하면 어떻게 작동했는지 알 수 있습니다. 우리는 기본 전기 신호를 얻은 다음 근육이 수축할 때 신호를 얻습니다.

기술 개요: EMG 신호가 근육을 꽤 정확하게 측정하나요?

라만: 네, 팔 움직임이 괜찮은 사람이라면요. 그러나 뇌졸중 환자의 경우 좋은 신호를 얻기가 어렵습니다. 그러나 건강한 대상에 대해 이러한 신호를 증폭하면 문제를 해결할 수 있습니다. 힘 센서를 사용하면 움직이려고 하면 근육이 활성화되고 생리적 품질을 측정하는 신호를 얻을 수 있다는 의미입니다. 때로는 팔을 움직이지 않으면 예를 들어 덤벨만 들고 있어도 여전히 근육을 사용하므로 EMG 신호를 받게 됩니다. 모든 움직임에는 근육 신호가 있습니다.

기술 개요: 근조영술을 하려면 팔에 바늘을 꽂아야 하지 않나요?

라만: 근조영술에는 두 가지 버전이 있습니다. 바늘을 사용하는 것도 하나다. 하지만 우리는 표면 EMG를 사용합니다. 접착제로 피부에 고정된 두 전극 사이의 전위차를 측정합니다. 제어 알고리즘은 사람의 손 움직임이 좋으면 힘 센서 신호가 지배적으로 작용하도록 되어 있습니다.

UWM 공과대학 및 응용과학 대학에서 개발한 스마트 로봇 팔의 개념이 여기에 표시됩니다. 사용자는 팔을 잡고 왼쪽 화면의 모양 선을 따라 움직입니다. 그의 윗팔과 어깨에 있는 센서는 디지털 트윈에 입력되는 근육 활성화 데이터를 제공하므로 치료사는 치료를 제공하는 데 필요한 모든 신체 정보를 얻을 수 있습니다. (하비브 라만 교수 연구실 영상 제공)

기술 개요: 힘 센서는 어디에 있나요?

라만: 손목 손잡이에 있으므로 힘 센서가 항상 사용자의 움직임을 감지합니다. 피사체의 장애에 따라 지원 수준을 적당히 조정하거나 피사체가 움직이기 어렵게 만드는 컨트롤러입니다. 강하게 만든다면 이는 저항을 주고 근육을 키우는 것을 의미합니다. 보조요법, 저항요법 ​​등 다양한 치료법이 있습니다. 환자의 필요에 따라 컨트롤러를 프로그래밍하여 지원 또는 저항을 제공할 수 있습니다.

물리치료사에게 가면 저항을 하면서 밀어달라고 요청할 수도 있습니다. 마찬가지로, 로봇은 저항을 제공할 것입니다. 로봇을 밀려고 하면 약간 힘들어질 것입니다. 우리는 목표를 프로그래밍하고 그 사람이 목표에 도달하도록 돕습니다. 하지만 근육이 작동하려면 정말 열심히 밀어야 합니다. 때때로 우리가 그들에게 목표를 제시할 때, 그 사람이 목표를 달성할 수 없으면 로봇이 목표에 도달하도록 도와줄 것입니다. 이것을 능동 보조 치료라고 합니다.

뇌졸중으로 고통받는 사람은 신경망의 연결이 다소 끊어집니다. 사람은 작은 작업을 수행하는 방법과 미세한 운동 능력을 잊어버리므로 많은 도움이 필요합니다. 이를 위해서는 로봇이 제공할 수 있는 많은 반복이 필요합니다. 장치는 참가자의 노력 없이 참가자의 사지를 부드럽게 움직입니다. 이를 수동 치료라고 합니다. 통증 없이 근육을 스트레칭하고 올바른 움직임 패턴을 강화합니다. 피험자가 실제 움직임을 보이기 시작하면 우리는 그들이 조정하는 방법을 배울 수 있도록 몇 가지 기능적 작업을 제공합니다.

기술 개요: 기술적으로 장력을 어떻게 조절하나요?

라만: 힘 센서 신호 또는 EMG 신호를 기반으로 모터 전류를 조정하여 모터 작동을 변경하는 모터 드라이버가 있습니다.

대학원생이 치료 치료를 위해 로봇 팔을 사용하고(오른쪽), 팔이 실시간으로 수집하는 데이터가 치료사의 화면(왼쪽)에 있는 디지털 트윈에 표시됩니다. 사진은 방에 함께 있는 모습을 보여주지만, 환자와 팔이 한 위치에 있고 치료사와 컴퓨터가 다른 위치에 있을 때에도 동일한 설정이 작동합니다. (하비브 라만 교수 연구실 영상 제공)

기술 개요: 로봇을 사용하는 방법에는 원격으로 사용하거나 치료실에서 직접 사용하는 두 가지 방법이 있다는 것을 읽었습니다.

라만: 항상 직접 대면 방식이었지만 지금은 원격 의료를 탐구하고 있습니다. 우리는 다양한 버전의 로봇을 가지고 있습니다. 하나는 정말 작아서 사람의 집에 갈 수 있습니다. 또 다른 버전은 사람들이 치료 목표를 설정하기 위해 물리 치료를 받을 수 있는 재활 센터로 갈 수 있습니다. 그러면 치료사는 원격으로 데이터를 얻을 수 있으며, 필요할 경우 치료 프로토콜을 조정하고 로봇을 원격으로 제어할 수도 있습니다.

기술 개요: 어느 정도가 충분하고 어느 정도가 너무 많은지 결정하기 위해 치료사의 안내를 받아야 하지 않을까요? 조심하지 않으면 누군가에게 해를 끼칠 수 있다는 뜻입니다.

라만: 예, 우리는 뇌졸중 피해자들과 협력하여 데이터를 수집하고 있습니다. 그러나 AI가 완전히 개발되면 안내가 덜 필요하지만 치료사는 항상 루프에 있어야 합니다. 우리는 감독이 덜 필요할 정도로 AI를 완전히 개발하기 위해 많은 뇌졸중 피해자들과 협력할 것입니다. 그러나 로봇을 프로그래밍하고 감독하려면 치료사가 여전히 필요합니다. 저희는 컨트롤러 작업을 위해 항상 피험자를 등록하고 있습니다.

기술 개요: 치료받는 사람에 따라 많이 다른 것 같아요. 따라서 고급 AI를 사용하더라도 치료사가 없이 어떻게 이 개인에게 이 정도의 힘이 필요하다고 말할 수 있는지 잘 모르겠습니다.

라만: 로봇에 배선을 하면 사전 동작을 주고 통증 기간을 감지할 수 있는 법칙이 있습니다. 근육이 활성화되면 통증이 증가하고 힘 센서 결과가 증가합니다. 이것이 우리가 실험 단계에서 작업하는 방식입니다.

기술 개요: 이것도 EMG로 측정되나요?

라만: 네, EMG와 힘 센서 둘 다요. 하지만 시스템을 개발하는 중이므로 이 통증이 괜찮은지 치료사와 다시 확인하고 있습니다. 그런 다음 이를 컨트롤러에 입력합니다.

미래에는 수천 명의 환자가 있을 것이며, 그들 모두는 서로 다릅니다. 우리는 통증이 없는 운동 범위를 측정하기 위해 세 가지를 사용하고 있습니다. EMG 센서는 활동 수준을 보여주고, 힘 센서는 저항 수준을 보여주며, 얼굴 표정에서 통증을 감지할 수 있는 카메라를 사용하고 있습니다. 아직 개발 단계이기 때문에 이것이 반드시 100% 정확하다고는 할 수 없지만, 우리의 장기적인 목표는 최소한의 감독이 필요한 시스템을 만드는 것입니다.

기술 개요: 디지털 트윈을 만들고 계시나요?

라만: 예, 치료사는 실제 로봇을 가지고 있지 않고 복제품을 가지고 있습니다. 로봇을 원격으로 이동하고 생성되는 데이터를 읽을 수 있습니다. 관절 각도가 얼마나 이동했는지, 로봇이 얼마나 많은 힘을 받았는지 확인할 수 있습니다.

디지털 트윈에는 두 가지 목적이 있습니다. 하나는 로봇을 원격으로 제어하는 ​​것입니다. 둘째, 로봇이 이동하면 피드백을 보내어 얼마나 멀리 이동했는지 확인할 수 있습니다. 피험자가 움직이려고 하면 힘의 크기와 방향, EMG 판독값 등을 볼 수 있습니다. 양방향 커뮤니케이션입니다.

기술 개요: 그럼 센서뿐만 아니라 송신기도 필요한 걸까요?

라만: 예, 우리는 Microsoft Azure 클라우드 서비스를 사용합니다. 우리는 신호를 Microsoft Azure 클라우드로 보낸 다음 환자의 집으로 보냅니다. 치료사 없이 작업하는 경우 치료사가 언제든지 액세스할 수 있도록 데이터가 클라우드에 저장됩니다.

기술 요약: 게임을 하신다는 글을 읽었습니다.

라만: 연구에 따르면 로봇 치료는 게임을 사용하여 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이에 대한 과학적 배경이 있는데, 이를 운동 학습 원리라고 합니다. 이를 바탕으로 우리는 대상자에게 작업별 안내 치료 요법을 제공합니다. 우리는 그들에게 올바른 도전 과제를 제시하고 그들이 얼마나 발전하고 있는지에 대한 명시적이고 묵시적인 피드백을 수집합니다.

그래서 게임이 유용합니다. 우리는 환자에게 한 지점에서 다른 지점으로 이동하라는 작업을 제공합니다. 일단 거기까지 가면 움직임 범위를 늘리기 위해 조금 더 멀리 이동시켜서 조금 어렵게 만듭니다. 그들은 코스를 알고 있으며 시간이 얼마나 걸리는지 정확히 알고 있습니다. 게임에서는 치료사가 거기 있는 것과 같습니다. 우리는 게임에서 기능적 작업을 사용합니다. 즉, 씻기, 테이블 청소하기, 한 곳에서 숟가락을 가져와 다른 곳에 놓기 등입니다. 게임은 운동 학습 원리를 기반으로 개발되었으므로 암시적 및 명시적 피드백을 사용하므로 개선 사항을 모니터링할 수 있습니다. 게임도 매력적입니다. 반복적인 작업을 수행하는 것은 약간 지루하게 느껴질 수 있지만 게임을 하는 것은 실제로 사람을 참여시킵니다. 점수를 높이면 동기가 부여될 수 있습니다. 우리 그룹이 수행한 연구에 따르면 게임을 사용하면 더 나은 결과가 나온다는 사실이 밝혀졌습니다.

기술 개요: 단순히 물리치료사를 고용하는 대신 이 로봇을 사용하면 어떤 이점이 있나요?

라만: 그들은 서로를 보완합니다. 우리는 치료사가 끊임없이 부족하고 그 수가 감소하고 있습니다. 로봇은 환자에게 로봇을 제공할 수 있으며 연중무휴 24시간 쉬지 않고 작동할 수 있습니다. 이를 통해 한 명의 치료사가 하루 동안 많은 환자를 볼 수 있습니다. 환자가 10회 반복하는 동안 환자 옆에 앉아 있어야 하는 대신 로봇이 이를 정확하게 수행할 수 있습니다.

이는 의사가 집에서 모니터링할 수 있는 혈압 기계를 제공하는 것과 같은 도구이므로 의사가 매일 혈압을 확인하러 올 필요가 없습니다. 비슷한 방식으로 이는 치료사와 환자에게 도움이 될 것입니다. 보험은 연중 제한된 수의 물리 치료 방문에만 적용됩니다. 하지만 로봇을 사용하면 환자는 치료사의 안내를 무제한으로 따를 수 있습니다.

기술 요약: 앞으로 누가 기계 비용을 지불할까요? 보험이 적용되나요?

라만: 요즘 보험은 의학적으로 정당한 경우 연속 수동 동작(CPM) 기계 임대 계약을 보장하기 때문에 보험이 이를 보장할 것이라고 확신합니다. 하지만 그들은 단지 반복만을 제공할 뿐 다른 것은 없습니다. 로봇이 스마트하게 만듭니다. 그래서 CPM 기계가 다루어지기 때문에 CPM과 비슷하지만 고급 기능을 갖춘 로봇도 다루어질 것으로 예상됩니다. 환자는 로봇을 구입할 필요가 없습니다. 그냥 대여일 뿐입니다.

기술 요약: 이것을 상업화하는 측면에서 어디에 있습니까?

라만: 우리는 현재 실제 뇌졸중 환자를 대상으로 실험을 진행하고 있습니다. 저는 작년에 스타트업을 설립했고 현재는 장치 상용화를 돕는 다른 사람들 몇 명과 협력하고 있습니다. 아직 해야 할 일이 몇 가지 있습니다. 이제 연구 목적으로만 로봇으로 판매할 수 있지만 임상 가정 환경에서 사용하려면 FDA 승인을 받아야 하며 1~2년이 걸릴 수 있습니다.

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