Summary
Biz, otomatik kontrol teknolojisini kullanarak hemiplejik silah fonksiyonel iyileşme için gerçek zamanlı bir ayna robot sistemi geliştirdi rehabilitasyon doktorlar geribildirim yoluyla sağlıklı kişilerde klinik çalışma ve kararlı görevleri yürüttü. Bu basit ayna robot hemiplejik kol ile inmeli hastalarda uğraşı terapisi etkili bir şekilde uygulanabilir.
Abstract
Ayna tedavisi inme sonrası bir hemiplejik kolun fonksiyonel iyileşme için bir klinik ortamda etkin mesleki terapi olarak yapılmıştır. Sağlıklı kolunu hareket ettirirken hemiplejik kol gerçek zamanlı olarak hareket ediyormuş gibi bir ayna kullanımı yoluyla bir yanılsama eliciting tarafından yürütülür. Bu sensorimotor korteks aktivasyonu yoluyla beyin nöroplastisiteyi kolaylaştırabilir. Ancak, geleneksel ayna terapisi hemiplejik kol aslında hareket olmadığını kritik bir sınırlama içinde bulunmaktadır. Böylece, hemiplejik kolunun gerçek zamanlı hareket etmesini sağlayan bir kapalı bir geri besleme mekanizması, kullanılarak geleneksel bir ayna tedavisi için basit bir ek modül bir gerçek zamanlı 2 eksenli ayna robot sistem geliştirilmiştir. Biz 3 Tutum kullanılan ve dirsek ve el bileği eklemleri ve exoskeletal çerçeveler için Referans Sistemi sensörleri, 2 fırçasız DC motor Başlık. 6 sağlıklı denek üzerinde bir fizibilite çalışmasında, robotik ayna tedavisi güvenli ve uygulanabilir oldu. Biz daha dai faaliyetleri için yararlı görevleri seçilmişly rehabilitasyon doktorlardan geri bildirimler ile eğitim yaşayan. Bir kronik inmeli hasta ayna robot sisteminin 2 haftalık uygulamadan sonra Fugl-Meyer değerlendirme ölçeği ve dirsek fleksör spastisite iyileşme gösterdi. Robotik ayna terapisi nöroplastisite ve hemiplejik silah fonksiyonel iyileşme önemli olduğu düşünülmektedir duyusal korteks, proprioseptif girdi artırabilir. Burada sunulan ayna robot sistemi kolayca geliştirilen ve mesleki terapi ilerlemek için etkili bir kullanılabilir.
Introduction
inmeli hastalarda, bir hemiplejik kolun fonksiyon bozukluğu etkisi zayıflatıcı vardır. bimanual faaliyetlerini gerçekleştirmek için yeteneği, günlük yaşam için gerekli olan, ancak bir hemiplejik kolun fonksiyonel açığı genellikle inme sonrası bile birkaç yıl kalır. Basit görevler hemiplejik kolun fonksiyonel iyileşme üzerinde çok az etkiye sahip bir hastanede çeşitli eğitim programları arasında, bir egzersiz hareketi ya da pasif tekrarı aralığını artırmak için. Bu nedenle, günlük yaşam (GYA) faaliyetleri ile ilgili anlamlı görevlerin eğitim hastanelerinde uğraşı terapisi uygulanmıştır.
Ayna tedavisinin etkileri nörorehabilitasyon 1-4 önceki çalışmalarda kanıtlandı. Ayna tedavisi sağlıklı kolunu hareket ettirirken hemiplejik kol gerçek zamanlı olarak hareket ediyormuş gibi bir ayna kullanımı yoluyla bir yanılsama eliciting tarafından yürütülür. Bu sensorimotor korteks 1 aktivasyonu ile beyin nöroplastisiteyi kolaylaştırabilir. Bu nedenle, motorr güç ve hemiplejik kolun fonksiyonu geliştirilebilir. Ancak, geleneksel ayna terapisi hemiplejik kol aslında hareket olmadığını kritik bir sınırlama içinde bulunmaktadır.
Bu nedenle, biz kapalı geribildirim mekanizmasını kullanarak, geleneksel ayna terapisi için basit bir eklenti modülü olarak gerçek zamanlı 2-eksenli ayna robot sistemi geliştirdi. Bu nöroplastisite ve bir hemiplejik kolun fonksiyonel iyileşme (Şekil 1 ve 2) 5-7 önemli sayılabilecek duyusal korteks, proprioseptif girdi iletebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
prosedürlerin tamamı gözden geçirilmiş ve Seul Ulusal Üniversitesi Hastanesi Kurumsal Değerlendirme Kurulu tarafından onaylanmıştır.
1. Ayna Tedavisi Görevler
- 2-boyutlu ayna terapisi görevleri örnekleri (Şekil 3)
- aynada ısınma egzersiz için yaklaşık 5 dakika bakarken serbestçe sağlıklı kolunu hareket ettirin.
NOT: Hasta ritmik bir şekilde sağlıklı kolun hareketini egzersiz böylece bir bir metronom kullanabilir. - Sağlıklı tarafta, salya ve yaklaşık 5 dakika ( "Top delik" görev) için Bilardo benzer seçilen deliğe küçük bir top yerleştirin. Salya ve yaklaşık 5 dakika ( "Futbol oyunu" görev) için futbol benzer bir hedef haline küçük bir top yerleştirin.
- bir masa üzerine yerleştirilen numaralı çıkartmaları kullanarak, (görev "Nokta izleme") sayısal sırayla sağlıklı tarafında kolunu ve ters yönde döner. yaklaşık 5 dakika için tekrarlayın.
- Böyle ac olarak günlük hayatta herhangi bir nesne kullanarakyukarı, sağlıklı tarafında kolu kullanarak, (görevi "bir bardak taşıma") seçilen yere doğru itin. yaklaşık 5 dakika için tekrarlayın.
- aynada ısınma egzersiz için yaklaşık 5 dakika bakarken serbestçe sağlıklı kolunu hareket ettirin.
Ayna Robot Sistemi 2. Bileşenleri
- AHRS sensör ayarları
- 3 ticari olarak temin AHRS sensörleri elde edin.
NOT: AHRS sensörleri manyeto sensörü, ivme ve gyro sensörler (toplam 9-ekseni) oluşur. - USB konektörü bir PC'ye AHRS sensörünü bağlayın.
- Genel sensör ayarlarını yapılandırmak için hyperterminal veya diğer iletişim yazılımı kullanın.
- Her sensör AHRS için RS232 haberleşme basıp COM bağlantı noktasına ayarlanmış. Ardından, 8 saniyede 115.200 bit, veri bitleri için baud hızını ayarlamak, hiçbiri parite, 1 stop bitlerini ve hiçbiri akış kontrolü.
- COM bağlantı noktasını kontrol etmek için, sol alt köşesinde ev düğmesini tıklatın. Sağ bilgisayarda tıklayın. Sonra da Properties 'i tıklatın. Aygıt Yöneticisi 'ni tıklatın. tıklatarak Liman (COM ve LPT) sekmesini genişletin.
- comm kezunication, kurulan 100 kanal ayarlanır ve her sensör için kimlikleri atamak edilmiştir.
NOT: Bazı sensörler kullanılmadan önce ivmeölçer, jiroskop ve manyetometre kalibrasyonunu gerekebilir. - Pil rezervini görüntülemek için kuaterniyonlara ve set sensörleri gibi çıkış formatını ayarlayın.
Not: Kuaternionlar bilgisayar hızlandırmak için hem de pusula kilit tekillik ortadan kaldırmak için kullanılmaktadır.
- 3 ticari olarak temin AHRS sensörleri elde edin.
- Fırçasız DC motor ayarları
- 2 yüksek performanslı fırçasız DC motorlar ve denetleyicileri hazırlayın.
- Her denetleyicisi için bir güç kaynağına güç kablosunu bağlayın. Ayrıca, motor motor kablosunu Hall sensör kablosunu ve kodlayıcı kablosunu bağlayın.
- Başka bir kontrolöre CAN CAN kablosunu bağlayın.
NOT: CANopen cihazlar arasında iletişim için kullanılır. - Her denetleyici cihazlar arasında ayırt etmek için ayarlayın düğüm kimliği.
- Genel yapılandırma için PC'ye USB kablosunu bağlayın.
- contro kadar güç güç kaynağı açınllers ve motorlar.
- motor, Hall sensörü ve kodlayıcı yapılandırmak ve ayarlamak için motor üreticisi tarafından sağlanan sistem yapılandırma yazılımını kullanın.
NOT: Açı limitleri ve ev konumu güvenli çalışması için yapılandırılmalıdır.
- çerçeve ve motor montajı
NOT: Her ısmarlama bölüm tırnak işareti adlandırılmıştır. Malzeme ve Ekipman Tablo bakın ve Şekil 4'ten Şekil 13'e geçiniz.- Dirsek eklemi motor için, motor miline Kama Yivli bağlantı organlarının tane koyun ve bir M5 altıgen ayar vidasını (Şekil 4) kullanarak sabitleyin.
- 4x M5 soket başlı vida (10 mm) kullanılarak dirsek motora "Dirsek bağlantı içi boş silindir kapağı" Güvenli ve adım 2.3.1 bağlandı bağlantı gövdesinin üstünde kaplin tampon kısmı (orta kaymak parçası) yerleştirmek (Şekil 4).
- "Dirsek çatı çerçeve" içine rulmanı takınve 4x M4 soket başlı vida (8 mm) (Şekil 5) ile sabitleyin.
- "Alt dirsek desteği" içine "Dirsek Motor gücü dağılım milini" Tak ve 4x M3 soket başlı vida (6 mm) ile sabitleyin. Ardından, "Alt dirsek desteği" üstünde "Üst dirsek desteği" yerleştirin ve 8x M3 soket başlı vida (12 mm) (Şekil 6) kullanarak sabitleyin.
- üst, orta adım 2.3.3 montaj ve alt bağlantı gövdesinin son bölümünde adım 2.3.4 derleme yerleştirin. Hep birlikte katılın ve M5 altıgen soket seti vida (10 mm) (Şekil 7) ile bağlantı gövdesini sabitleyin.
- 4x M5 soket başlı vida (15 mm) (Şekil 7) kullanarak adım 2.3.2 adım 2.3.5 ve montaj Güvenli montaj. Tüm 4 puan sabitlemek için adım 2.3.2 derleme döndürün.
- 4x M4 soket başlı vida (10 mm) kullanılarak bilek motoru ile "Alt bilek kavrama içi boş silindir kapağı" sabitleyin. Sonra, bir tane koyunmotor miline kama kanalına ile bağlantı organları ve M4 altıgen soket seti vidaları kullanarak sabitleyin; Daha sonra, bağlantı gövdesinin üstünde kaplinler (Şekil 8) tampon kısmını yerleştirin.
- Çift taraflı bant veya yapıştırıcı her türlü (Şekil 9) ile "Bilek çatı çerçeve" üstünde "Sürtünme azaltma halka" takın.
- "Kolu" içine "Bilek motorlu kuvvet dağılım milini" Tak ve 4x M2.5 soket başlı vidayı (4 mm) (Şekil 10) kullanarak sabitleyin.
- üst, orta adım 2.3.8 montaj ve alt bağlantı gövdesinin son bölümünde adım 2.3.9 derleme yerleştirin. Hep birlikte katılın ve M4 altıgen soket seti vida (10 mm) (Şekil 10) ile bağlantı gövdesini sabitleyin.
- 4x M3 soket başlı vida (Şekil 11) kullanarak adım 2.3.10 montaj ile "Bilek motor2roof2" sabitleyin.
- Adım adım 2.3.11 ve montaj Güvenli montaj bizi 2.3.7ing 4x M3 soket başlı vida (15 mm) (Şekil 11).
- 2 "Ortak hareket sınırlayıcı" ve 4x M4 soket başlı vida (15 mm) (Şekil 12A) kullanılarak 2 mil yaka sabitleyin.
- Milleri ve 8x M3 soket başlı vida (8 mm) (Şekil 12B) kullanarak "Bilek çatı çerçevesi" güvenli şaft yaka kullanın.
- montaj 2.3.14 yılında milleri içine montaj 2.3.13 şaft yaka kaydırın ve 4x M4 soket başlı vidayı kullanarak "Alt dirsek desteği" (15 mm) ile ek mil yaka sabitleyin. Sonra, iki bölümden katılmak ve kol (Şekil 13A) ile sabitleyin.
- 6x M4 soket başlı vida (15 mm) (Şekil 13B) kullanarak adım 2.3.15 montaj için "Destek duvarı" sabitleyin. 6x M6 başlı vida kullanarak adım 2.3.16 tablo standı ve montaj (15 mm) (Şekil 13C) sabitleyin.
Ayna Rob 3. Tasarımot Sistemi
- otomatik kontrol için matematiksel model
- Üst ekstremite hareketinin otomatik kontrol için ayarlanmış dinamik modeli (Şekil 14).
NOT: İnsan üst ekstremite hareketi bir dinamik modeli eklem ve bağlantıların kinematik kullanarak ifade edilebilir. Aşağıda gösterildiği gibi, Bu nedenle, robot kolunun bir denklem kullanılarak, model elde edilebilir:
NOT: (
: Eklem pozisyon vektörü, 
: Ortak hız vektörü, 
: Ortak ivme vektörü, H: Atalet matrisi, F: Coriolis ve merkezkaç kuvveti matrisi, G: yerçekimi kuvvetleri, E Vektör: Tork matrisinin nedeniyle çevre ile etkileşim, 
: Genelleştirilmiş Forc Vektör eklemlere uygulanan es) hemiplejik ve hareket sağlıklı kol gösterisi farklı yönleri. Bu hemiplejik kol nedeniyle felçli kasların zamanında hareket edemez veya hareket için gerekli yeterli tork sağlayamaz vardır. Bu nedenle, sistem rehabilitasyon eğitim hemiplejik kolu ile normal bir hareket yoluyla yapılabilir şekilde tasarlanmıştır; aşağıda başka bir deyişle, rehabilitasyon robotu sağlıklı kolu hareketleri sağlamak amacıyla hastanın hemiplejik koluna bağlı olan ve basit bir şekilde formüle edilebilir:
(Hemiplejik kol hareketi) - rehabilitasyon robot) = (Sağlıklı kol hareketi) hareketi. - Bir rehabilitasyon robot ile genel sistemde hatalara neden dolayı felç kol manipülatör hastanın felçli kolunu bağlamak ve ek tork ve zaman gecikmesi gözlemleyin. Hemiplejik tarafında bir manipülatör aracılığıyla bu algılar.
- Bir matematiksel denklem olarak: hataları (izleme hatası s (t)) ölçün:
ES / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
NOT: (s: Takip hata,
: Pozitif tanımlı tasarım parametre matrisi, 
: Istenen ve gerçek konum arasındaki hata, 
: Yukarıdaki izleme hatası, insan üst ekstremite hareket dinamik bir model ile kombine edilebilir ve) istenen ve gerçek hız arasındaki hata olarak ifade edilebilir: 
NOT: (K D: Zamanla değişen geribildirim tazminat ile Türev kazanç değeri,
: Atalet hata matrisi, 
: Coriolis ve merkezkaç kuvveti hata matrisi) - rehabilitasyon robot her eklemi kontrol etmek için, Lagr kullanınangian dinamikleri 8. Her eklem için hareket dinamik denklemi ise:
NOT: (D: Katsayı matrisi,
: Denklemde Aktüatör atalet matrisi) Katsayı D yukarıdaki eklem 8 arasında atalet bağlantı etkisi ile eklemler arasındaki tork etkilemektedir. Bu matematiksel model kullanılarak otomatik kontrol modeli Şekil 14'de blok şema ile gösterilebilir.
- Üst ekstremite hareketinin otomatik kontrol için ayarlanmış dinamik modeli (Şekil 14).
- Yazılım protokolü (Şekil 15)
- Program başladığında, motor ve sensörler ile iletişim kurmak ve değerleri başlatılamıyor. motorlar ve sensörler başlangıç pozisyonuna (bakınız 4.1.3) altındadır sonra, ana döngü geçmek.
NOT: - 200 örnek / sn, ana döngü örnekleme frekansı için, 50 öneririz. Maksimum gecikme için, biz en fazla 2 sn önerilir. Buna ek olarak, tork sınırları için,40 Nm ve bilek motoru 10 uygulamayın - - 20 Nm dirsek motoru 25 uygulamak, böylece yazılımı ile motor akım değeri düzenleyen önerilir. - Bir stop butonu ile kesintiye uğramaz gibi, sürekli Tutum okumak ve Başlık Referans Sistemi (AHRS) sensörler 'mevcut pozisyon değerlerini motorlara değerleri iletmek için.
NOT: veri çıkışı quaternions olduğunu ve düzgün robot hareket için istenilen açıda haline getirilmelidir. bir referans olarak kare sensor koordinat birini seçin ve diğer sensör çerçeveleri koordine sıfırlayın. referans olarak hesaplanan çerçeveleri, son çıkış yaw açıları elde etmek için ters kinematik kullanın. - Bir stop butonu ile kesintiye uğramaz gibi, sürekli olarak motorlar konumlarını kontrol edin ve AHRS sensörler tarafından sağlanan istenilen pozisyona hareketini gerçekleştirmek için değerlerini güncellemek.
NOT: Motor pozisyon motoru şirketi & # yazılımın içinde kontrol edilebilir motorun kodlayıcı tarafından sağlanmaktadır39; s sağlanan yazılım kütüphanesi komutu. - Bu arada, AHRS sensörlerden gelen tüm açıları ve açısal hızları kaydedin.
- görevleri tamamlanmış ve kullanıcı durdurma düğmesine bastığında sonra, döngü çıkmak ve başlangıç pozisyonuna hareket ettirerek robot sonuçlandırmak.
- Program başladığında, motor ve sensörler ile iletişim kurmak ve değerleri başlatılamıyor. motorlar ve sensörler başlangıç pozisyonuna (bakınız 4.1.3) altındadır sonra, ana döngü geçmek.
- Grafiksel kullanıcı arayüzü (GUI) (Şekil 16)
- "Hata" Ekle ve yürütülmesi sırasında tespit etmek fonksiyonları ve hata ayıklama hataları "dışarı hata".
- Robot operasyon tarafı (hastanın paretik tarafı) seçmek için hasta yan düğme ekleyin.
- hastaları tanımlamak için bir hasta bilgi kutusu oluşturun.
- Motor durum göstergelerini ekleyin.
- güvenliği için açı sınırlaması denetimleri ekleyin.
- nedeniyle sert bir üst ekstremite kas ve tendon yaralanmaları önlemek için her bir motor için maksimum hız, ivme ve yavaşlama yapılandırın.
NOT: Sistem hemiplejik kolun hızlanma ve yavaşlama yansıtır. - birdd göstergeler, motor pozisyonunu ve hızını ve giriş güncel bilgileri almak için.
- AHRS sensörleri ile sistem arasındaki iletişimi kurmak için bir VISA kaynak adı kontrolünü oluşturmak.
- birikmiş sensör sürüklenme hataları ortadan kaldırmak için bir kalibrasyon fonksiyonu ekleyin.
- Sensör bilgilerini almak için sensörler için gösterge düzenleyin.
NOT: Sensör bilgileri ortak açıları (arka arkaya iki sensörler arasındaki açı) ve pil rezervi bulunmaktadır.
- Ayna robot çalışması sırasında aşmak kol spastisite
- Her eklem için spastisite üstesinden gelmek için yeterli tork uygulamak olabilir motorlar seçin.
NOT: Bilek motoru 10 Nm daha yüksek tork çıkışı ve dirsek motoru daha yüksek 25 Nm olmalıdır. - sıkı bir şekilde hastanın koluna robotu hareketi aktarmak için, robot, dış iskelet önkol düzeltmek için, yarı-elastik malzemeden yapılan şerit kullanın.
NOT: Streç olarak yarı elastik askıları,h kumaşlar askıları ya da polyester / naylon elastik örgülü askıları, tavsiye edilir. askıları çok esnek iseniz, bir pozisyonda kolu tutamaz. kayışlar tüm elastik değilse, kas veya tendon yaralanmaları dirsek spastisite yüksek derecede durumunda ortaya çıkabilir. - dirsek ve bilek hareketi izole etmek amacıyla, çerçeveler içinde sıkarak bilek düzeltmek için bir şaft yaka ile kombine 2 katı çerçeveleri kullanın.
NOT: Şaft yaka bilek sertlik aşırı ise kas ve tendon yaralanmaları önlemek için kullanılır. - robot eli düzeltmek için sap etrafında askıları kullanın.
- Her eklem için spastisite üstesinden gelmek için yeterli tork uygulamak olabilir motorlar seçin.
: Eklem pozisyon vektörü, 
: Ortak hız vektörü, 
: Ortak ivme vektörü, H: Atalet matrisi, F: Coriolis ve merkezkaç kuvveti matrisi, G: yerçekimi kuvvetleri, E Vektör: Tork matrisinin nedeniyle çevre ile etkileşim, 
: Genelleştirilmiş Forc Vektör eklemlere uygulanan es) hemiplejik ve hareket sağlıklı kol gösterisi farklı yönleri. Bu hemiplejik kol nedeniyle felçli kasların zamanında hareket edemez veya hareket için gerekli yeterli tork sağlayamaz vardır. Bu nedenle, sistem rehabilitasyon eğitim hemiplejik kolu ile normal bir hareket yoluyla yapılabilir şekilde tasarlanmıştır; aşağıda başka bir deyişle, rehabilitasyon robotu sağlıklı kolu hareketleri sağlamak amacıyla hastanın hemiplejik koluna bağlı olan ve basit bir şekilde formüle edilebilir: 
: Pozitif tanımlı tasarım parametre matrisi, 
: Istenen ve gerçek konum arasındaki hata, 
: Yukarıdaki izleme hatası, insan üst ekstremite hareket dinamik bir model ile kombine edilebilir ve) istenen ve gerçek hız arasındaki hata olarak ifade edilebilir: 
: Atalet hata matrisi, 
: Coriolis ve merkezkaç kuvveti hata matrisi) 
: Denklemde Aktüatör atalet matrisi) Katsayı D yukarıdaki eklem 8 arasında atalet bağlantı etkisi ile eklemler arasındaki tork etkilemektedir. Bu matematiksel model kullanılarak otomatik kontrol modeli Şekil 14'de blok şema ile gösterilebilir. Ayna Robot Sistemi 4. Klinik Uygulama
- Robotik ayna tedavisi yürütmek
- Hastanın durumuna göre yüksekliği ve görev tablonun genişliğini ayarlayın.
- Her iki kollar arasındaki orta hatta bir ayna kurmak, ve bir masa ya da platform üzerine ayarlayın.
- sap, bileğinde AHRS sensörleri yerleştirinÇerçeve ve robotun yönde paralel olarak sağlıklı yan hizalama üzerinde platformun kenarı.
NOT: sensörün iç yaw eksen yukarı bakacak olmalıdır. - Bir bilgisayarda terapi yazılımını yürütün.
- Hasta-Side anahtarı butonuna tıklayarak hemiplejik tarafını seçin.
- Hastanın ortak durumuna göre maksimum eklem açı sınırları ayarlayabilirsiniz. Güvenli çalışma için, dirsek fleksiyon sınırını az 50º daha fazla -70º fazla dirsek uzatma sınırı, az 80º den bilek fleksiyon sınırı ve bilek uzatma sınırı kullanabilirsiniz daha fazla -60º.
NOT: Artı ve eksi işaretleri otomatik olarak düzeltilir ve limitleri de sınırların dışında ise yazılım düzeyinde düzeltilir. - Ayarlanan maksimum hız, ivme ve yavaşlama. Bu değerler için, bilek motor 0 ile 33 rpm arasında dirsek motoru ve kullanım hızı değeri 0 ile 22.5 rpm arasında hız değerini kullanın.
NOT: Geleneksel ayna tedavisi için, sıfıra tüm değerleri ayarlamakrobot hareketsiz hale getirmek. - Hasta bilgileri doldurun.
- programı çalıştırmadan önce tüm AHRS Sensörler açın.
- Programın sol üst köşesindeki ok düğmesini tıklayarak programı çalıştırın.
- Bir kez, yukarı istemi pops "farklı kaydet" dize kutusu ve basın ok üzerinde sonuç verileri için uygun dosya adlarını yazın.
- Robot ve sağlıklı kolu (her iki elin vücuttan ve paralel gelen birbirine) İlk pozisyonda iken, başlangıç pozisyonuna için sıfıra sensör değerlerini başlatmak için kalibrasyon düğmesine basın.
NOT: adımları 1.1.1 bakınız - Bu görev kullanılan eller için 1.1.4. - tüm görevler tamamlandıktan STOP düğmesine basın.
NOT: Robotik ayna tedavisi için, bir biyomedikal mühendisi ana koordinatör olarak hareket etmelidir ve mesleki terapist hastayı yardımcı olmalıdır.
- Sağlıklı bireylerde klinik bir çalışma
- onaylamak için sağlıklı kişilerde bir klinik çalışma yapılmasıEmniyet ve fizibilite 8. talimat vermek ( "kendi başınıza hemiplejik kolunu hareket ettirmeyin.") hemiplejik kolun tamamen pasif hareketi için konulara.
- kolları her iki çerçeveleri ön kol ve eller yerleştirin. Ardından, kayışlar ön kol düzeltmek.
- terapötik etkilerinin değerlendirilmesi
- Tedavi öncesi, hastalar için potansiyel testi uyandırılmış gibi Fugl-Meyer değerlendirme ölçeği 9, modifiye Ashworth ölçeği 10, modifiye Barthel indeksi 11, Jebsen el fonksiyon testi, el güç ölçümü, hemispasyal ihmal testi ve motor olarak fonksiyonel değerlendirmeler yapmak.
- Günde 60 dakika - 30 2-boyutlu ayna robot olan inmeli hastalarda klinik deneme yapıyoruz. talimat vermek ( "kendi başınıza hemiplejik kolunu hareket ettirmeyin.") hastaya.
- Hastalar son oturumu gerçekleştirmek sonra davranış takip fonksiyonel değerlendirmeler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Altı sağlıklı birey konu başına ortalama 106 saniye sürdü 10 kez (Şekil 17'de gösterildiği gibi sağlıklı yandan bağlı bir kalem ile dönüşümlü olarak iki küçük panoları dokunmadan) bir 'kalem işaretleme görevi' gerçekleştirdi. Hiçbir yan etki gözlenmedi ve robotik ayna tedavisi mümkün olduğu kanıtlanmıştır.
Buna ek olarak, rehabilitasyon doktorlar klinik çalışması yapılmıştır. Biz etkili robotik ayna uğraşı terapisi için uygun görevleri belirlemek için uzman görüşleri istedi. 6 rehabilitasyon doktorlar geribildirim ile, ayna robot tarafından ortaya illüzyon derecesi (sayısal derecelendirme ölçeği her [NRS] 10 üzerinden 7.2) görevleri "bir fincan hareket" "deliklere topu" ve en yüksek, ardından "futbol oyunu" (7.0 / 10) ve görevler (6.5 / 10) "izleme noktalar". her iki kol arasında hareket synchronicity sırasında ilgili"Bir fincan hareket" robotik ayna terapisi, görev "deliklere topu" "futbol oyunu" ve "nokta izleme" (6.8 / 10 adet) ve (6.2 / 10) (Şekil ardından 7.0 / 10 bir NRS skoru 3). Bu 4 görevleri arasında, rehabilitasyon doktorları inmeli hastalarda ADL eğitimi için yararlı bir görev olarak "futbol oyunu" önerilir.
Biz 2 hafta (10 seans) için günde 30 dakika süreyle ayna robot ile inme hastaları için klinik deneme yapılmıştır. Denekler Aşağıdaki kapsama kriterleri karşılamak gerekir: 1) 18 yaşını; 4 ay ve 6 yıl önce arasında tanı 2) supratentoryal inme; Tıbbi Araştırma Konseyi (MRC) notu 2 veya daha az ve 3) üst ekstremite hemipleji. aşağıdaki gibi ana dışlama kriterleri şunlardır: 1) sınıf 3 veya daha fazla (spastisite) ve Ashworth skalası değiştirilmiş; 2) Mini-mental durum muayenesi 12 daha az puan; ve 3) Küresel veya duyusal afazi.
10. ziyaretini gerçekleştirir sonra takip fonksiyonel değerlendirmeler yapılmıştır. hemiplejik kolun Fugl-Meyer değerlendirme ölçeği 66 üzerinden 17'ye 12'den geliştirilmiş ve dirsek fleksörlerindeki Ashworth skalası modifiye (spastisite için) 1+ kadar grade 2 düşürülmüştür. Sol lateral kavrama gücü diğer parametreler (Şekil 18 ve Tablo 1) öncesi ve robotik ayna tedavisi sonrasında herhangi bir fark ortaya 0 ila 3 lb çıkarılmıştır.
Robotik Mi için Şekil 1. Kavramsal Akışrror Terapi Propriyoseptif Giriş kolaylaştırılması için. deney robotik ayna tedavisi için kavramsal akışı ile uyumlu olacak şekilde tasarlanmıştır.
Şekil 2. Ayna Robot Sistemi A diyagramı. Sağlıklı kol hareketleri 3 AHRS sensörlerden gelen girişi üzerinden bir yazılım algoritması tarafından hemiplejik koluna bağlı exoskeleton tahmin edilmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
. Ayna Robot Sistemi kullanılarak Şekil 3. Çeşitli Görevler kullanıcı 2 boyutlu görevler tarafından eğitilmiş olabilir; deliklere top, futbol oyunu, noktalar izleme ve hareketliBir bardak. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4. Dirsek Motor Montaj. Meclis dirsek eklemi motor, kaplin ve dirsek kavrama içi boş silindir kapağı için adımlar.
Şekil 5. Rulman ve Dirsek Çatı Çerçeve Montaj. Meclis rulman ve dirsek çatı çerçeve montaj arasında.
Şekil 6. Dirsek Desteği Meclisi. Dirsek, motor gücü dağılım şaft için Meclis adımlar, üst e lbow destek ve alt dirsek desteği.
Şekil 7. Dirsek Destek ve Dirsek Motor Montaj. Meclis dirsek desteği ve dirsek motor için adımlar.
Şekil 8. Bilek Motor Montaj. Meclis bilek eklem motor, kaplin ve alt bilek kavrama içi boş silindir kapağı için adımlar.
Şekil 9. Sürtünme Azaltma Yüzük Eklenti. Bilek çatı çerçeveye sürtünme azaltma halkasının Ek.
reklam / 54521 / 54521fig10.jpg "/>
Şekil 10. Kolu Montaj. Meclis 3D baskılı sap, bağlanma için adımları ve bilek motoru gücü dağılım mili.
Şekil 11. Kolu ve Bilek Motor Montaj. Meclis bilek motor ve sap için adımları.
Şekil (A) Ortak hareket sınırlayıcı 12. Ortak Hareketi Sınırlayıcı Meclisi. Meclis adımlar, (B) uzunluğu ayarlama mili ve montajı kolu.
13. Final Assembly Şekil.Mil yaka ve mili kullanılarak monte bilek, motor bölümü ile (A) monte dirsek, motor bölümü için montaj aşamaları, (B) destek duvarları ile robot montajı, ve (C) görev tablosu ile robot toplandı. Bir görmek için buraya tıklayınız Bu rakamın daha büyük bir versiyonu.
Otomatik Kontrol Matematiksel Modeli Şekil 14. Blok Şeması. Dış iskelet robot gerçek zamanlı kontrol için kapalı bir geri besleme mekanizması kullanır.
Şekil 15. Genel Yazılım Programı. Yazılım programı yakın kullanırRobot sistemi sürmek için d geribildirim mekanizması. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil Programı 16. GUI. Denetlemek ve GUI aracılığıyla terapi programı yapılandırabilirsiniz Kullanıcı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil Ayna Robot Sistemi prototip kullanarak 6 Sağlıklı Bireylerde 17. Kalem İşaretleme Görev. 10 kez arka arkaya konu başına ortalama 106 saniye sürdü görevi işaretleme kalemi yürütmek.
Şekil 18. Kronik Sağ Bazal Ganglion Kanama ile 60 yaşındaki erkek hastanın fonksiyonel değerlendirilmesi. Robotik ayna tedavisinin 10 seans sonra iyileşme gösterdi verilerin ana alt kümeleri. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
| Önce | 10 seans sonra | |
| Mini-mental durum muayenesi | 29 | - |
| Fugl-Meyer değerlendirme ölçeği (Üst ekstremite) | 12 | 17 |
| Omuz/dirsek | 11 | 15 |
| Bilek | 0 | 1 |
| El | 1 | 1 |
| Modifiye Ashworth skalası | ||
| dirsek fleksör | 2 | 1+ |
| bilek fleksör | 0 | 0 |
| Modifiye Barthel indeksi (Üst ekstremite) | 25 | 25 |
| Jebsen el fonksiyon testi | Uncheckable | Uncheckable |
| Sol el gücü (lb) | ||
| kavrama | 8 | 8 |
| Lateral tutam | 0 | 3 |
| palmar tutam | 0 | 0 |
| Hemineglect testi | ||
| Çizgi bölme testi | 6/6 her | 6/6 her |
| Albert testi | 12/12 her | 12/12 her |
| Motor uyarılmış potansiyel | Cevap yok | Cevap yok |
Kronik sağ Bazal Ganglion Kanama ile 60 yaşındaki Erkek Hastada Tablo 1. Fonksiyonel Değerlendirme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu çalışmanın temel amacı, bir otomatik kontrol algoritması kullanılarak bir hemiplejik kolun fonksiyonel iyileşme için gerçek zamanlı bir ayna robot sistemi geliştirmekti. İnme sonrası üst ekstremite bozukluğu uzun vadeli kurtarma robot yardımlı terapi etkisi önceki çalışmalarda 12 yararlı olduğu kanıtlanmıştır, ve kol robotlarının çeşitli 13-20 girmiştir. Ancak, ikili kol hareketi gerçekleştirdi üst ekstremite robotların önceki çalışmalar ayna tedavisinin 14-15 kavramından farklı bir ayna, kullanmadan mekanik bağlantıları uyguladı. Böylece, bizim çalışmamız proprioseptif girişi kolaylaştırmak için gerçek bir ayna kullanarak kendi çalışmalarının bir uzantısı olabilir.
Bir önceki sistemini yükseltmek için, sağlıklı koluna AHRS sensörleri uygulayarak ve hemiplejik dirsek ve bilek motorlar takılarak gerçek zamanlı olarak hareket etmek hemiplejik kolu sağladı. için hemiplejik kolundan proprioseptif girdiBeynin duyusal korteks ayna robot sistemi ile gelişmiş olabilir. Propriosepsiyon kolaylaştırılması gelecekteki çalışmada fonksiyonel beyin MRG ile teyit edilmesi gerekir.
Gecikmenin minimize edildiğinde ayna etkisi maksimize edilecek beri sistemin minimum senkronizasyon gecikme olması için kritik öneme sahiptir. yazılım mimarisi içinde bir döngü içinde paralel bunları okurken bunu başarmak için, biz gerekli minimum bayt sayısı ile sensörlerden gelen verileri alınır. 0.40 sn - Sonuç olarak, sağlıklı kol ve robot arasındaki senkronizasyon gecikmesi sadece yaklaşık 0.04 olduğunu.
Bu çalışmada bazı sınırlamalar vardır. İlk olarak, bu tür kavrama ya da tutam ince parmak hareketlerini ve geleneksel ayna tedavisinin 3 boyutlu görevleri dahil olamazdı. İkincisi, biz mümkün olduğunca fizyolojik hareketini korumak için sağlıklı kolun dirsek eklemini düzeltmek vermedi. Ancak, dirsek eklem hareket açıklığı kısıtlanması syn geliştirmek için yararlı olacaktırmotor tarafından hareket ettirilir ters dirsek ile kronikleşme. Sağlıklı yan dirsek nedenle, eşzamanlılık geliştirmek ve olacak sabitleyen ek yapı kurarak sistemi değiştirme, tedavinin etkisini artıracaktır. eklem yavaş hareket olmasına rağmen Üçüncü olarak, şiddetli spastisite veya sertlik olan hastalar, çünkü yetersiz motor gücü dahil edilememiştir. Sistem ortalama sertlik üstesinden gelmek için daha yüksek tork çıkış motoru değiştirilmesiyle değiştirilebilir. Bununla birlikte, daha güçlü bir motor ile, spastisite veya sertlik ciddi düzeyde olan hastalara tedavi eklem aşırı kuvvet uygulaması nedeniyle tendon, kemik yaralanmaları önlemek için kaçınılmalıdır.
Biz burada sunulan ayna robot sistemi kolayca geliştirilen ve mesleki terapi ilerlemek için etkili bir kullanılabilir ki, inanıyorum.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Mühendislik ve Tıp Koleji, Seul Ulusal Üniversitesi (800-20150090), College of Beyin Fusion Programı Seul Ulusal Üniversitesi'nden (800-20120444) ve Disiplinlerarası Araştırma Girişimleri Programı tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LabVIEW | National Instruments | System design software | |
| 24 V power supply | XP Power | MHP1000PS24 24V | Any 24 V power supply should do |
| AHRS sensor receiver | E2box | EBRF24GRCV | |
| AHRS sensors | E2box | EBIMU-9DOFV2 | You will need total 3 sensors. Any AHRS sensors will do |
| EC90 flat motor module | Maxon | 323772 + 223094 + 453231 | Any geared motor with higher than 30 Nm should do. (For our custom machined parts, you will need these particular flat motor and gear module, but the gear ratio and encoder may vary) |
| EC45 flat motor module | Maxon | 397172 | Any geared motor with higher than 10 Nm should do (For our custom machined parts, you should use the same gear module but the gear ratio, motor, and encoder may vary) |
| EPOS2 70/10 controller | Maxon | 375711 | This can be replaced with EPOS 24/5 controller |
| EPOS2 24/5 controller | Maxon | 367676 | |
| Connector and cable set | Maxon | 381405 + 384915 + 275934 + 354045 | You can also make these cables. Connectors and corresponding wire info can be found in "300583-Hardware-Reference-En.pdf" and "300583-Cable-Starting-Set-En.pdf" |
| Coupling- Oldham, Set Screw Type | Misumi | MCORK30-10-12 | Type may vary |
| Coupling- High Rigidity, Oldham, Set Screw Type |
Misumi | MCOGRK34-12-12 | Type may vary |
| Shaft Collars | Misumi | SCWDM10-B | You will need 4 sets |
| Shaft Collars | Misumi | SDBJ10-8 | You will need 2 sets |
| Precision Linear Shaft | Misumi | PSSFG10-200 | Any straight 10 mm diameter shaft with at least 200 mm length should do |
| Bearings with housings | Misumi | BGRAB6801ZZ | |
| Elbow motor force dispersion shaft | custom machined | 3D CAD | |
| Lower elbow support | custom machined | Part Drawings | |
| Elbow rooftop frame | custom machined | Part Drawings | |
| Support wall | custom machined | Part Drawings | You will need 2 frames. |
| Elbow coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Wrist motor force dispersion shaft | custom machined | Part Drawings | |
| Wrist rooftop frame | custom machined | Part Drawings | |
| Upper wrist coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Lower wrist coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Joint movement limiter | custom machined | Part Drawings | |
| Handle | 3D printed | Part Drawings | |
| Upper elbow support | 3D printed | Part Drawings | |
| Friction reduction ring | 3D printed | Part Drawings | |
| Acrylic mirror | custom laser cutting | Part Drawings | |
| Task table | custom machined | Part Drawings | |
| Silicone sponge | |||
| DOF limiter | 3D printed | Part Drawings | |
| DOF limiter lid | 3D printed | Part Drawings | |
| Healthyarm handle | 3D printed | Part Drawings | |
| Ball rollers - Press fit | Misumi | BCHA18 | |
| Goalpost | 3D printed | Part Drawings | |
| Circle trace | 3D printed | Part Drawings | |
| Angled assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Curved assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Plain assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Task board | custom laser cutting | Part Drawings |
References
- Hamzei, F., et al. Functional plasticity induced by mirror training: the mirror as the element connecting both hands to one hemisphere. Neurorehabil Neural Repair. 26 (5), 484-496 (2012).
- Thieme, H., Mehrholz, J., Pohl, M., Behrens, J., Dohle, C. Mirror therapy for improving motor function after stroke. Cochrane Database Syst Rev. 3, CD008449 (2012).
- Dohle, C., et al. Mirror therapy promotes recovery from severe hemiparesis: a randomized controlled trial. Neurorehabil Neural Repair. 23 (3), 209-217 (2009).
- Pervane Vural, S., Nakipoglu Yuzer, G. F., Sezgin Ozcan, D., Demir Ozbudak, S., Ozgirgin, N. Effects of Mirror Therapy in Stroke Patients With Complex Regional Pain Syndrome Type 1: A Randomized Controlled Study. Arch Phys Med Rehabil. 97 (4), 575-581 (2016).
- De Santis, D., et al. Robot-assisted training of the kinesthetic sense: enhancing proprioception after stroke. Front Hum Neurosci. 8, 1037 (2015).
- Smorenburg, A. R., Ledebt, A., Deconinck, F. J., Savelsbergh, G. J. Practicing a matching movement with a mirror in individuals with spastic hemiplegia. Res Dev Disabil. 34 (9), 2507-2513 (2013).
- Semrau, J. A., Herter, T. M., Scott, S. H., Dukelow, S. P. Robotic identification of kinesthetic deficits after stroke. Stroke. 44 (12), 3414-3421 (2013).
- Niku, S. Chapter 4, Dynamic Analysis and Forces. Introduction to Robotics: Analysis, Systems, Applications. , Prentice Hall. (2001).
- Sanford, J., Moreland, J., Swanson, L. R., Stratford, P. W., Gowland, C. Reliability of the Fugl-Meyer assessment for testing motor performance in patients following stroke. Phys Ther. 73 (7), 447-454 (1993).
- Bohannon, R. W., Smith, M. B. Interrater reliability of a modified Ashworth scale of muscle spasticity. Phys Ther. 67 (2), 206-207 (1987).
- Shah, S., Vanclay, F., Cooper, B. Improving the sensitivity of the Barthel Index for stroke rehabilitation. J Clin Epidemiol. 42 (8), 703-709 (1989).
- Lo, A. C., et al. Robot-assisted therapy for long-term upper-limb impairment after stroke. N Engl J Med. 362 (19), 1772-1783 (2010).
- Ho, N. S., et al. An EMG-driven exoskeleton hand robotic training device on chronic stroke subjects: task training system for stroke rehabilitation. IEEE Int Conf Rehabil Robot. , 5975340 (2011).
- Hesse, S., Schulte-Tigges, G., Konrad, M., Bardeleben, A., Werner, C. Robot-assisted arm trainer for the passive and active practice of bilateral forearm and wrist movements in hemiparetic subjects. Arch Phys Med Rehabil. 84 (6), 915-920 (2003).
- Lum, P. S., et al. MIME robotic device for upper-limb neurorehabilitation in subacute stroke subjects: A follow-up study. J Rehabil Res Dev. 43 (5), 631-642 (2006).
- Yang, C. L., Lin, K. C., Chen, H. C., Wu, C. Y., Chen, C. L. Pilot comparative study of unilateral and bilateral robot-assisted training on upper-extremity performance in patients with stroke. Am J Occup Ther. 66 (2), 198-206 (2012).
- Nef, T., Mihelj, M., Riener, R. ARMin: a robot for patient-cooperative arm therapy. Med Biol Eng Comput. 45 (9), 887-900 (2007).
- Ozkul, F., Barkana, D. E., Demirbas, S. B., Inal, S. Evaluation of proprioceptive sense of the elbow joint with RehabRoby. IEEE Int Conf Rehabil Robot. , 5975466 (2011).
- Pehlivan, A. U., Celik, O., O'Malley, M. K. Mechanical design of a distal arm exoskeleton for stroke and spinal cord injury rehabilitation. IEEE Int Conf Rehabil Robot. , 5975428 (2011).
- Zhang, H., et al. Feasibility studies of robot-assisted stroke rehabilitation at clinic and home settings using RUPERT. IEEE Int Conf Rehabil Robot. , 5975440 (2011).
