상지용 감각운동 보형물 (PROLIMB)

전 세계적으로 약 300만 명의 상지 절단 장애인이 있으며, 이들 중 80%는 저소득 국가에 살고 있습니다. 단지 2%만이 보철 치료를 받을 수 있습니다. 세계보건기구(WHO)와 보철 봉사 재단(Prosthetics Outreach Foundation)은 저소득 국가의 환자들이 보철물에 접근할 수 없는 여러 가지 이유를 확인했습니다. 훈련된 인력 부족, 빈번한 교체 및 수리(보철물 교체는 일반적으로 어린이와 어린이의 경우 6~12개월마다 필요함) 성인의 경우 3~5년마다). 이 문제는 개발도상국에만 국한되지 않습니다. 영국에서는 NHS(National Health Service)에서 제공하는 보철물이 사용 가능한 조치를 크게 단순화했거나 일상적인 자금 지원을 받기에는 너무 비쌉니다.

외상성 부상으로 고통받는 상지 절단 장애인에게는 장기적이고 빈번한 집중 치료(업무 관련 부상으로 인해 직장을 떠나는 일수가 가장 많음)와 심리적 지원이 필요합니다. NHS England는 환자 서비스에 연간 약 £60m를 지출합니다. 현재 보철물은 손 본연의 기능을 회복하지 못하는 미용기기에 국한되어 있다. 상지 절단이 있는 성인 인구의 최대 20%가 보철물을 사용하지 않기로 결정했습니다(Biddiss & Chau, 2017). 처방된 장치는 종종 장애물로 간주되어 폐기됩니다. 보철물을 수용한 사람들 중 성인의 26%, 어린이 및 청소년의 45%가 장치에 만족하지 않고 사용하지 않기로 결정했습니다(NHS England, 2015). 따라서 NHS는 사실상 상지 절단 환자의 50% 이상에게 서비스를 제공하지 않습니다. 언급된 이유에는 미세 운동 조절이 잘 발달되지 않은 것, 감각 기능의 부재, 체중, 따뜻함과 인간미의 부족 등이 포함됩니다.

현재 NHS는 3D 프린팅 기술을 활용하는 기업과 협력하여 맞춤형 의수에 대한 대기 시간과 비용을 획기적으로 줄이고 있습니다. Open Bionics의 Brunel Hand는 인간 손 형태의 간단한 근전(근육의 전기 신호 사용) 제어 후크입니다(open Bionics, 2018). 비용이 저렴하고(£1200) NHS가 자금을 지원할 수 있는 가격대이지만 사용자에게 감각 피드백을 제공하는 등 개선할 수 있는 영역이 여전히 있습니다. 현재 상지 보철물이 제공하는 유일한 피드백 형태는 촉각보다는 시각적입니다. 따라서 사용자가 보철물을 효과적으로 사용하려면 보철물을 볼 수 있어야 합니다. 더 많은 그립력을 갖고 따라서 더 많은 기능성을 갖춘 신체 동력 의지도 선호될 것입니다.

신체 동력 보철 장치는 견고하고 견고하며 예측 가능한 특성으로 인해 근전 장치에 비해 많은 장점이 있는 것으로 간주됩니다. 현재 상지 보철물을 개발 중인 다른 회사로는 Touch Bionics, RSL Steeper, Ottobock 및 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)가 있습니다. 이들 회사에서 제작한 보철 장치는 훨씬 더 비쌉니다(약 £20,000 - £75,000). 모두 외부 전원이 필요합니다(예: 배터리) 복잡성이 높을수록 유지 관리가 어렵고 고장 위험이 높습니다. 설명된 사용 가능한 보철물 중 어느 것도 개별적인 촉각 피드백을 제공하지 않습니다.

감각 정보는 중추신경계와의 직접적인 통합을 통해 환자에게 전달될 수 있지만(Yildiz, et al., 2020), 촉각 피드백을 통해 이를 제공하는 것이 더 안전하고 간단합니다. 신체 구동식 하이드로 탄성 햅틱 센서가 개발되었으며, 의수 손가락 끝에서 감각 절단단과 직접 접촉하는 액추에이터로 미세한 감각 정보를 전달할 수 있습니다. 절단단의 민감도 분해능이 감소하더라도(예를 들어 두 개의 분리된 접촉점 사이를 해결하는 능력이 감소함) 실제 가벼운 촉각은 부상 후에도 유지됩니다(예: 절단단 손바닥 또는 팔뚝). 촉각 센서와 액추에이터는 신호를 증폭하여 감도를 향상시킬 수도 있습니다.

신체 구동 감각 상지 보철물을 설계하려면 부상당하지 않은 손의 동작을 충분히 이해해야 합니다. 손은 형태보다 기능을 요구합니다. 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 손의 시각적인 모양이 우선시될 수 있지만 이로 인해 보철물의 디자인과 기능이 제한될 수 있습니다.

UoW의 사지 운동에 대한 매개변수화된 수학적 모델을 개발하고 부드럽고 강성 제어가 가능한 로봇 구조와 UCL의 햅틱 피드백 인터페이스를 만드는 시너지 전문 지식을 결합한 이 프로젝트의 목표는 신체를 모델링, 설계, 제작 및 검증하는 것입니다. 기계적 촉각 피드백이 통합된 전동 손가락 끝 손가락 보철물. 프로젝트 성공을 위해 가장 중요한 것은 UHCW 및 UHCW 혁신 허브의 숙련된 임상 전문가와의 긴밀한 협력을 통한 혁신적인 성격입니다. UHCW 혁신 허브는 전반에 걸쳐 상담과 임상 입력을 제공합니다.

PROLIMB II 연구는 촉각 촉각 피드백 메커니즘을 보철물에 통합할 때 시험 설계의 타당성을 테스트할 단일 센터 파일럿 연구입니다. PROLIMB II 연구에서는 기존 CE 마크가 표시된 손가락 보철물(Naked Prostheses)과 UCL에서 제작 및 설계한 CE 마크가 없는 보철물을 활용할 예정입니다. CE 마크가 표시된 손가락 보철물은 맞춤형으로 제작된 손가락 보철물을 Steeper Group(SG)이라는 보조 회사를 통해 영국에 유통하는 미국의 상업 회사인 Naked Prosthetics(NP)에서 맞춤 제작 및 제조됩니다. CE 마크가 없는 보철물은 UCL의 PROLIMB II 연구진이 설계하고 제조합니다. PROLIMB 연구팀은 참가자에게 손가락 끝으로 물체를 터치할 때 감각 피드백을 제공할 수 있도록 보철물을 수정할 예정입니다(장치에 대한 전체 세부정보 및 수정 사항은 확인할 수 있습니다). 섹션 1.3에서). 감각 데이터를 수집하기 위해 잔여 그루터기에 부착된 햅틱 피드백 메커니즘을 사용하여 테스트도 수행됩니다.

본 연구에서는 최대 10명의 참가자를 모집할 예정입니다. 연구에 동의한 환자의 총 수는 동의 후 NP가 보철물을 받을 참가자를 선별해야 하므로 일부 참가자가 보철물에 대한 비이상적인 후보자로 간주될 수 있으므로 10명보다 클 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 참가자에게는 대신 사용할 UCL 보철물이 제공됩니다. 잠재적 참가자는 연구에 동의한 지 1년 이내에 사고나 수술로 인해 하나 이상의 손가락/엄지 손가락이 절단되었을 것입니다. 상처는 동의 시점에 완전히 치유되며 보형물/촉각 피드백 시스템은 손상된 진피와 접촉하지 않습니다. 잠재적 참가자는 University UHCW의 PROLIMB 연구팀의 위임된 개인에 의해 식별됩니다. 자격이 있는 경우 참가자에게 연구 정보 팩이 전송되고 연구에 대해 추가 논의를 위해 전화를 받게 됩니다. 참가자가 만족하면 연구에 참여하도록 초대됩니다.

NP로부터 보철물을 제공받으시는 분들을 위해 각 참가자별로 맞춤 제작됩니다. 따라서 동의한 참가자는 NP 전문가의 심사를 받아야 합니다. 여기에는 참가자가 부분적인 손 정보 양식을 작성하고 절단 수준과 현재 동작 범위를 보여주는 참가자의 손 사진과 비디오를 보내는 것이 포함됩니다. 개인 데이터는 Naked Prosthetics와 공유되지 않으며 모든 사진/비디오는 의사 익명 처리되고(고유한 참가자 ID에 연결됨) 참가자의 손/팔만 표시됩니다.

적합하다고 판단되면 장치는 참가자를 위해 맞춤 제작되어 초기 연결 및 참가자 테스트를 위해 UHCW로 전송됩니다. 그 후 보철물은 UCL의 공동 작업자에게 전송되며, UCL은 보철물을 수정하여 촉각 촉각 피드백을 손가락 끝에 통합한 다음 UHCW로 반환합니다. 수정된 보철물은 참가자에게 다시 부착되고 추가 테스트가 진행됩니다(테스트 절차에 대한 자세한 내용은 섹션 7.2에서 확인할 수 있습니다). 보철물은 UCL에서도 제공될 수 있으며, 이에 대한 자세한 내용은 섹션 1.3.2에서 확인할 수 있습니다.

테스트는 향후 10개월 동안 계속되며 UHCW 보행 실험실에서 격월(± 3주) 간격으로 실시됩니다. 테스트는 PROLIMB II 보철물이 부착된 상태와 부착되지 않은 상태 모두에서 수행됩니다. 모든 성능 테스트는 VICON 모션 캡처 시스템(VMCS)을 사용하여 참가자를 녹화하는 동안 수행됩니다. 방문할 때마다 일련의 설문지와 인터뷰도 진행되어 PROLIMB II 보철물에 대한 참가자의 만족도와 관련된 데이터를 수집합니다. 연구가 끝나면 참가자는 원하는 경우 PROLIMB II 보철물을 보관할 수 있지만 이는 장치에 대한 어떤 형태의 보증도 제공되지 않는다는 점을 알게 됩니다.