Fingurendurhæfir - verkefni lokið

Fréttatilkynning verkefnisstjórans

19.5.2017

Lýsing
Verkefnið er að búa til fingurendurhæfingarbúnað fyrir mænuskaðaða við neðri hálsliði. Það er rannsóknar- og þróunarverkefni unnið á vegum Heilbrigðisverkfræðideildar Háskólans í Reykjavík, Vísindadeildar Landspítalans undir merkjum fyrirtæknisins Fire ehf.  Verkefnið vann til Nýsköpunarverðlauna forseta Íslands árið 2008.  Fingurendurhæfir er taugastoðtæki (Neuroprosthesis) sem þróað er til þess að gera fólki, lömuðu fyrir neðan háls, kleift að auka virkni fingra og framkvæma þannig ýmis dagleg verk með notkun raförvunar. Raförvun er aðferð til að draga saman lamaða vöðva í þeim tilgangi að mynda eða auka glataða vöðvavirkni. Rafpúlsar um 300 míkrósekúndna langir og allt að 70 mA að styrk eru sendir með yfir 20 Hz tíðni um vöðvana og örva aðliggjandi hreyfitaug. Vöðvinn dregst þá saman.  Með viðeigandi stjórn á púlsunum og virkjan vöðva má kalla fram hreyfingar tilheyrandi liða.

Heiti verkefnis: Fingurendurhæfir
Verkefnisstjóri: Þórður Helgason, Fire ehf.
Tegund styrks: Verkefnisstyrkur
Styrkár: 2
Fjárhæð styrks: 8,813 millj. kr. alls
Tilvísunarnúmer Rannís: 110759061

VERKEFNIÐ VAR STYRKT AF TÆKNIÞRÓUNARSJÓÐI.

Í þessu rannsóknar- og þróunarverkefni er hannaður og smíðaður raförvunarbúnaður sem nýtist til þess að byggja upp og endurhæfa vöðva og taugar sem hreyfa fingur mænuskaddaðs einstaklings með skaða við hálsliði C4-C8. 

Hulsa. Hönnuð er og gerðar frumgerðir af hulsu sem á er net rafskauta raðað upp í fylki.  Hvert fylki örvar ákveðna vöðva, t. d. beygjuvöðva fingra eða réttuvöðva. Notandi smeygir henni upp á hönd sína og leggst hún þétt að húðinni. Mikilvægt er að notandi getur gert þetta án hjálpar annarra. Netið eða hulsan inniheldur 72 rafskaut, nægjanlegur fjöldi til hægt er að senda straum frá raförvanum nánast hvaða leið sem er í gegnum framhandlegg og því hægt að finna ákjósanlegustu staðsetningu rafskauta fyrir ákveðinn vöðva án þess að færa þau úr stað.

Rafeindabúnaður. Hönnuð, smíðuð og prófuð var örtölva með blátannartengi minni en greiðslukort.  Ætlunin er að hún komist fyrir í hulsunni.  Þá var hönnuð og smíðuð rafskautastjórnstöð til að velja hvaða rafskaut eru virk hverju sinni.  Valið er háð því hvaða vöðvahópa þarf til að ná fram ákveðinni hreyfingu.  Henni er ætlað að deila rafpúlsum frá tilbúnum raförva á rafskaut hulsunnar í ákveðnum hlutföllum.  Rafskautastjórnstöðin er einnig á kori minna en greiðslukort. Einnig var hannað útgangsstig raförva.  Því má stýra frá örtölvunni.  Það kemur í stað rafskautstjórnstöðvarinnar og er búnaðurinn orðin sjálfstæður raförvir. 

Hugbúnaður. Skrifaður var grunnhugbúnaður fyrir örtölvuna og sér hann um að móta örvunarpúlsanna. Þá var skrifaður hugbúnaður til að stjórna hreyfingum fingra. Hreyfingarnar býr notandinn til með grafísku viðmóti. Loks var grafískt viðmót skrifað.  Það keyrir á spjaldtölvu og hefur hún samband við örtölvuna um bátannartengi.

Mikilvægt markmið er að þolendur mænuskaða geti sjálfir beitt búnaðinum sér til hagsbóta án nokkurrar utanaðkomandi aðstoðar. Notendur eiga að geta sett á sig búnaðinn, notað hann til að hreyfa fingur og framkvæma einföld verk eins og að skrifa, drekka úr bolla, opna hurðir og þess háttar.  Þessir þættir hafa mikil áhrif á sjálfstæði einstaklingsins og auka lífsgæði hans verulega.

Afrakstur og ávinningur

Samantekið er afrakstur verkefnisins frumgerð af Fingurendurhæfi. Hana má nota til að sýna hvað hægt er að gera með slíkum búnaði. Við þróun Fingurendurhæfisins var gerð rafskautahulsa fyrir neðri handlegg með 72 rafskautum, ný tegund af rafskautum, hand- og örtölvustýrð rafskautastjórnstöðvar, örtölvukerfi fyrir rafeindastýrða rafskautastjórnstöð, útgangsstig raförva, stjórnhugbúnaður og notendaskil sjúklings. Þá var búnaðurinn mældur og prófaður. Gerðar voru mælingar á vöðvum notanda, form og þéttni greind og fingurvöðvar þjálfaðir.  Ávinningur af nýjum búnaði er að hann hefur gert mögulega þjálfun vöðva viðkomandi einstaklings, hægt er að ná markvissara til vöðva fyrir ákveðnar hreyfingar og framkalla hreyfingar sem ekki voru mögulegar áður.  Þá er kominn sérhæfður tækjabúnaður til að þróa hugbúnað Fingurendurhæfisins með.

Framhald og hagnýting

Í framhaldi þarf að hanna búnaðinn þ.a. hann verði markaðshæfur.  Til þess þarf útlit og öll gerð að vera aðlaðandi, eitthvað sem fólk vill setja á handlegg sinn og nota.  Úr þessari þróun má selja fleiri vörur en bara Fingurendurhæfinn sem slíkan.  Einnig markaðssetja rafskautin sérstaklega og raförva fyrir rafskautafylki. Ætlunin er að fá einkaleyfi á rafskautunum. Finna verður fjármögnun til þessara verkefna og er það næsta skref.  

Listi yfir afrakstur verkefnisins 

Frumgerð Fingurendurhæfisins:

• Hulsa með rafskautafylkjum, samtals 72 rafskaut (til eru þrjár frumgerðir)
  
• Örtövukerfi til stjórnunar á raförvun fingurvöðva og fjarskipta til spjaldtölvu notanda
  
• Rafeindabúnaður til að deila örvunarpúlsum á rafskaut
  
• Útangsstig raförva
  
• Hugbúnaður fyrir púlsformun
  
• Hugbúnaður fyrir stjórnun hreyfinga fingra
  
• Notendaviðmót fyrir spjaldtölvu
  

 Vinnuferli og þjálfun:

• Notendahandbók
  
• Þjálfun notanda, Haraldar Sigþórssonar
  

Greinar í tímaritum og úttdrættir á ráðstefnum:

• R Hugosdóttir, C.D. Mørch, O.K. Andersen, T. Helgason, L. Arent-Nielsen: „Evaluating the Ability of Non-Rectangular Electrical Pulse Forms to Preferentially Activate Nociceptive Fibers by Comparing Perception Thresholds.“, Útdráttur fyrir SASP2017 (í rýni)
  
• Rósa Hugosdóttir, Skúli Þór Jónasson, Haraldur Sigþórsson, Þórður Helgason: “Feasibility study of a novel electrode concept for a neuroprosthesis for augmentation of impaired finger functions”. Eur J Trans Myol – Basic Appl Myol. 2014; 24(3): 209-215
  
• S. Mottagi, T. Helgason, U.G. Hofmann: “A scalable multi-channel modular electrical stimulator for therapeutic field steering”. Proceedings of the 48th DGBMT annual conference, 2014.
  
• Rósa Hugosdóttir, Skúli Þór Jónasson, Þórður Helgason: “Hönnun sílikonhetta fyrir rafskatu í rafskautafylki”.  Læknablaðið, Fylgirit 76 – Vísindi á vordögum, þing Landspítala, bls.: 28
  
• Gudmundsdottir, Rannveig Asa; Svanbjornsdottir, Drofn; Sigthorsson, Haraldur; Ingvarsson, Pall; Gudmundsdottir Vilborg; Helgason, Thordur: “Finger Muscle Density Changes after Electrical Stimulation Therapy”.  Christian Baumgartner, Winfried Mayr (Eds.): UMIT – Lecture Notes in Biomedical Computer Science and Mechatronics. Volume 2: Tagungsband zur ÖGBMT-Jahrestagung 2012, pp. 47-48, Sept. 2012
  
• Thordur Helgason, Rosa Hugosdottir, Haraldur Sigthorsson, Vilborg Gudmundsdottir, Paolo Gargiulo, Pall Ingvarsson: “Design of small electrodes for matrix stimulation of finger muscles”. Proceedings BMT 2012, 46. DGBMT Jahrestagung, Biomedizinische Technik, 2012
  
• Rannveig Ása Gumundsdóttir, Dröfn Svanbjörnsdóttir, Haraldur Sigþórsson, Paolo Gargiulo, Páll Ingvarsson, Vilborg Guðmundsdóttir, Þórður Helgason: “Þéttni fingurvöðva í raförvunarþjálfun”.  Læknablaðið, fylgirit 70, 2012, bls: 51
  
• Þórður Helgason, Rósa Hugosdóttir, Haraldur Sigþórsson, Dröfn Svanbjörnsdóttir, Vilborg Guðmundsdóttir: “Hönnun flatarmálslítilla skauta fyrir rafskautafylki til notkunar við fingurendurhæfingu”. Læknablaðið, fylgirit 70, 2012, bls: 52
  
• Svanbjörnsdóttir D, Óskarsdóttir A, Sigþórsson H, Gargiulo P, Guðmundsdóttir V, Ingvarsson P, Helgason T.: “Finger Muscle Density Changes after Electrical Stimulation Therapy, a Case Report”.  Biomed Tech 2011; 56 (Suppl.1) BMT 2011.
  
• Svanbjornsdottir D, Gargiulo P, Helgason T.: “Preliminary Study on Invasive Application for Therapeutic Electrical Stimulation of Denervated Muscles: Energy Requirements”.  Biomed Tech 2011; 56 (Suppl.1) BMT 2011.
  
• Dröfn Svanbjörnsdóttir, Arna Óskarsdóttir, Haraldur Sigþórsson, Paolo Gargiulo, Þórður Helgason: „Samanburður á þéttni vöðva með og án raförvunarmeðferðar, stakt tilfelli“. Læknablaðið 2011, Fylgirit 68 – Vísindi á vordögum, V-77.
  
• Arna Óskarsdóttir, Haraldur Sigþórsson, Þórður Helgason:  “Frumgerð taugastoðtækis fyrir endurhæfingu fingra og sjálfstæði notanda.” Læknablaðið 2010, fylgirit 63 - Vísindi á vordögum Landspítala, V-126
  
• Oskarsdottir A, Stigthorsson H, Helgason T: “Neuroprosthesis for finger rehabilitation and independent user application”, 10th Vienna International Workshop on Functional Electrical Stimulation and 15th IFESS Annual Conference, 2010 Vienna Austria. p. 352-354
  

Lokaritgerðir:

• Christoph Baldauf: „Development of a microprocessor based system to control stimulation of finger muscles with electrode matrices“. BS ritgerð, Hochschule Ravensburg-Weingarten, Des. 2015.
  
• Oliver Worm: „Modeling and optimization of TES for the human forearm“, Master Thesis in Computer Science, Section of Neuroelectronic Systems Facutly of Engineering, Albert-Ludwigs Universität Freiburg, Nov 2015
  

Skýrslur og kynningar:

• Björgheiður Margrét Helgasdóttir, Christoph Baldauf: „Finger rehabilitatior“, NSN skýrsla 2016
  
• Sabrina Krakhofer: „Investigation on EMG-activity when electrically stimulation the analogous muscle on the contra lateral side“, Skýrsla, jan. 2015
  
• Skúli Þór Jónasson: „Púlsmótunarhugbúnaður fyrir fingurendurhæfi“. Kynning á Vísindi á vordögum LSH, 2015. Útdráttur, Læknablaðið, 2015/101 Fylgirit 85, bls 25.
  
• Skúli Þór Jónasson: „Hugbúnaður fyrir Örtölvustýrða rafskatuastjónstöð“ NSN skýrsla 2014
  
• Rósa Hugosdóttir: „Design of a QT Graphical User Interface for Electrical Stimulation“,  Skýrsla 2014
  
• Helga Jóna Harðardóttir: „Rafskautafylki fyrir fingurendurhæfingu“, NSN skýrlsa 2014
  

Eldra efni:

• Uppkast að grein: Þórður Helgason, Rósa Hugosdóttir, Paolo Gargiulo, Vilborg Guðmundsdóttir, Páll Ingvarsson: „Neuroprosthesis for finger rehabilitation“ 2012.
  
• Starfsnámsritgerð: Michael Peter Fink. Örtölvukerfi fyrir straumstýringu. 2011.
  

Veggspjöld:

• Vísindi á vordögum 2010
  
• Ráðstefna: Medical Physics and Biomedical Engineering World Congress 2009

NSN skýrslur: 2007, 2008, 2009, 2010
Kynning á ráðstefnu, BMT 2011, árleg ráðstefna Deutsche Gesellschaft für Biomedizinische Technik:  Svanbjörnsdóttir D, Óskarsdóttir A, Sigþórsson H, Gargiulo P, Guðmundsdóttir V, Ingvarsson P, Helgason T.: “Finger Muscle Density Changes after Electrical Stimulation Therapy, a Case Report”.  Biomed Tech 2011; 56 (Suppl.1) BMT 2011.
                Ferð til Stiftung Orthopaedische Universitaetsklinik, Heidelberg, Dr. Rudiger Rupp, í Þýskalandi.  Ástand sjúklings skoðað, ráðgjöf og umræður, hönnun á raförva og hugbúnaði, kennsla á forritunarhugbúnað Motionstim 8, október 2010.
Kynning á sameiginlegri ráðstefnu: 10th Vienna International Workshop on Functional Electrical Stimulation og 15th Annual Conference of the International FES Society í Vín 8 – 12 sept. 2010:
        Oskarsdottir A, Stigthorsson H, Helgason T: “Neuroprosthesis for finger rehabilitation and                  independent user application”, 10th Vienna International Workshop on Functional Electrical              Stimulation and 15th IFESS Annual Conference, 2010 Vienna Austria. p. 352-354

Fyrirlestrar haldnir um verknefnið á eftirtöldum stöðum: Blóðbankinn; Grensásdeild LSH; Háskólinn í Reykjavík; Fjölbraut í Breiðholti: Menntaskólinn við Sund.

Ferð til Stiftung Orthopaedische Universitaetsklinik, Heidelberg, Dr. Rudiger Rupp, í Þýskalandi.  Verkefnið kynnt, ástand sjúklings skoðað, ráðgjöf og umræður um samstarf og hönnun á raförva og hugbúnaði, desember 2009.

Kynning á ráðstefnu, Medical Physics and Biomedical Engineering World Congress 2009 Munich, Þýskalandi sept. 2009. Ofangreind verkefni kynnt á veggspjaldi.

Grein skrifuð fyrir Medical Physics and Biomedical Engineering World Congress 2009: Oskarsdottir, T. Helgason: “Application of electrode matrix to locate stimulation sites for hand functions of SCI patients.” Medical Physics and Biomedical Engineering, World Congress 2009, IFMBE Proceedings 25/IX, p. 377-380, 2009. http://www.springerlink.com/content/gv5v76p23v34qj21/

Birting í fyrsta þætti þáttaraðarinnar Íslensk vísindi í umsjón Ara Trausta sem sýndir voru á Rúv haustið 2009.
Frétt Ruv, maí 2009. Viðtal við Þórð Helgason og Harald Sigþórsson og stutt myndskeið sýnt.
Grein um verkefnið skrifuð í Tímariti Háskólans í Reykjavík, http://www.ru.is/haskolinn/timarit-hr

Veggspjald á Vísindi á vordögum 2009, Landspítalinn