Tak unikalne jak każda dłoń: egzoszkielety ułatwiające pacjentom powrót do codzienności

Urazy ścięgien po wypadkach lub następstwa udarów mózgu mogą znacząco ograniczać sprawność dłoni. Coraz częściej w terapii wykorzystuje się egzoszkielety – urządzenia mocowane na ręce jak „drugie kości”, które wspomagają ruchy nadgarstka i palców. Skuteczność rehabilitacji zależy jednak od tego, czy konstrukcja jest idealnie dopasowana do dłoni pacjenta, ma niewielką masę i kompaktowe rozmiary. Sprzęt, który bardziej przeszkadza niż pomaga, zwykle trafia na półkę i pozostaje nieużywany.

Podstawa: modelowanie CAD i druk 3D

Fraunhofer IWU wykorzystuje obecnie stopy z pamięcią kształtu, silniki krokowe i technologie druku 3D do produkcji egzoszkieletów idealnie dopasowanych i delikatnie wspomagających ruch. Kluczowym elementem jest precyzyjne dopasowanie konstrukcji do anatomii dłoni. Ręce różnią się nie tylko rozmiarem, ale też proporcjami – nawet lewa i prawa dłoń tej samej osoby mogą być odmienne. Druk 3D w technologii selektywnego spiekania laserowego (SLS) pozwala na niemal nieograniczoną swobodę kształtów, budując warstwa po warstwie formę z proszku polimerowego.

Największą efektywność produkcji uzyskuje się, gdy bazą jest parametryczny model CAD. Idealnie, gdy dostępny jest cyfrowy skan 3D ręki pacjenta – umożliwia to nie tylko odwzorowanie kształtu, ale też relacji pomiędzy poszczególnymi elementami dłoni. Tak powstaje niezwykle precyzyjne „negatywowe” odwzorowanie ręki, a przyszłe modyfikacje konstrukcji są znacznie łatwiejsze do wprowadzenia.

Kompaktowy i precyzyjny napęd

Oprócz anatomii każda dłoń różni się także siłą mięśni. Dla większości pacjentów korzystne jest indywidualne dostosowanie siły i zakresu ruchu egzoszkieletu. Duża masa urządzenia byłaby jednak obciążeniem, dlatego kluczowe znaczenie ma optymalny napęd.

Alina Carabello, doktorantka w Fraunhofer IWU i pracownik naukowy Uniwersytetu Technicznego w Chemnitz, opracowała koncepcję wykorzystującą silnik krokowy oraz druty ze stopu z pamięcią kształtu pełniące funkcję sztucznych ścięgien. Silnik precyzyjnie steruje „ścięgnami” – jednym do zginania, drugim do prostowania palców i nadgarstka – umożliwiając utrzymanie lub korektę pozycji. Mechanizm ten jest szczególnie istotny np. podczas chwytu plastikowej butelki z wodą gazowaną, która zmienia kształt po otwarciu.

Napęd działa w oparciu o koło zębate, dźwignię, zapadkę i drut FGL. Podgrzanie drutu powoduje jego skurcz, co przesuwa dźwignię o określony kąt i wprawia koło zębate w ruch. W efekcie lina sztucznego ścięgna jest nawijana lub rozwijana, co zgina lub prostuje palec. Po schłodzeniu drut powraca do pierwotnego kształtu dzięki sprężynie lub drugiemu drutowi FGL. Takie rozwiązanie zapewnia powtarzalny i precyzyjny ruch, a łagodna reakcja drutów FGL gwarantuje bezpieczne i płynne wspomaganie.

Egzoszkielety spersonalizowane dla rehabilitacji

Fraunhofer IWU zwraca uwagę, że wiele wyrobów medycznych wymaga większej personalizacji, aby lepiej odpowiadać na indywidualne potrzeby pacjentów i ułatwiać pracę terapeutom. Sprzęt medyczny jest często projektowany według standardowych wymiarów, bez uwzględnienia wieku, płci, wzrostu, wagi czy specyficznych ograniczeń ruchowych.

Nowe egzoszkielety opracowane w Fraunhofer IWU przeznaczone są głównie dla pacjentów po urazach ścięgien oraz po udarach mózgu, a także w przypadku wrodzonych lub nabytych porażeń. Dzięki nim możliwe jest częstsze wykonywanie ćwiczeń usprawniających, nawet bez stałej obecności terapeuty, co może przyspieszyć powrót funkcji ręki w procesie rehabilitacji.

Źródło: Fraunhofer IWU