Summary
Vi utvecklade en realtids-spegel robotsystem för funktionell återhämtning av hemiplegisk armar med hjälp av automatisk reglerteknik, genomfört en klinisk studie på friska försökspersoner, och beslutsamma uppgifter genom feedback från rehabiliteringsläkare. Denna enkla spegel robot kan tillämpas effektivt på arbetsterapi i strokepatienter med en hemiplegisk arm.
Abstract
Spegel behandling har utförts enligt effektiv arbetsterapi i en klinisk miljö för funktionell återhämtning av en hemiplegisk arm efter stroke. Det sker genom att framkalla en illusion genom användning av en spegel som om hemiplegisk arm rör sig i realtid när du flyttar den friska armen. Det kan underlätta hjärnan neuroplasticity genom aktivering av sensomotoriska cortex. Emellertid har konventionell spegel behandling en kritisk begränsning i att hemiplegisk arm faktiskt inte rör sig. Därför utvecklade vi en realtids-2-axlig spegel robotsystem som en enkel tilläggsmodul för konventionell spegelterapi med hjälp av en sluten återkopplingsmekanism, som möjliggör realtids förflyttning av hemiplegisk arm. Vi använde tre Attitude and Heading Reference System sensorer, två borstlösa likströmsmotorer för armbåge och handled lederna och exoskeletal ramar. I en förstudie på 6 friska försökspersoner, robot spegel terapi var säker och genomförbar. Vi valde ytterligare uppgifter som är användbara för verksamhet daily levande utbildning genom återkoppling från rehabiliteringsläkare. En kronisk stroke patient uppvisade förbättring i Fugl-Meyer bedömningsskala och armbåge flexor spasticitet efter en 2-veckors applicering av spegeln robotsystemet. Robotic spegel terapi kan öka proprioceptiva insignal till den sensoriska cortex, som anses vara viktiga vid neuroplasticitet och funktionell återhämtning av hemiplegiska armar. Spegeln robotsystem som presenteras häri kan lätt utvecklas och utnyttjas effektivt för att främja arbetsterapi.
Introduction
För patienter med stroke, har dysfunktion av en hemiplegisk arm försvagande effekt. Förmågan att utföra bimanuella aktiviteter är avgörande för det dagliga livet, men funktionell underskott av en hemiplegisk arm fortfarande ofta även några år efter stroke debut. Bland olika utbildningar på sjukhuset, till en övning öka utbudet av rörelse eller passiv upprepning av enkla uppgifter har liten effekt på funktionell återhämtning av en hemiplegisk arm. Av denna anledning har utbildning av meningsfulla uppgifter i samband med dagliga aktiviteter (ADLS) använts för arbetsterapi på sjukhus.
Effekterna av spegelterapi har bevisats av tidigare studier i Neurorehabilitation 1-4. Spegel terapi utförs genom att framkalla en illusion genom användning av en spegel som om hemiplegisk arm rör sig i realtid när du flyttar den friska armen. Det kan underlätta hjärnan neuroplasticitet genom aktivering av sensorimotorisk kortex 1. Således motor kraft och funktion hemiplegisk arm kan förbättras. Emellertid har konventionell spegel behandling en kritisk begränsning i att hemiplegisk arm faktiskt inte rör sig.
Därför har vi utvecklat en realtids-2-axlig spegel robotsystem som en enkel tilläggsmodul till konventionell spegel terapi, med hjälp av återkopplingsmekanism stängd. Detta kan förmedla proprioceptiva ingång till sensoriska hjärnbarken, vilket anses viktigt i neuroplasticity och funktionell återhämtning av en hemiplegisk arm (figur 1 och 2) 5-7.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla de förfaranden som granskades och godkändes av Institutional Review Board i Seoul National University Hospital.
1. Spegel Therapy Tasks
- Exempel på två-dimensionell spegel terapiuppgifter (Figur 3)
- Fritt flytta den friska armen medan du tittar i spegeln ca 5 min för uppvärmning träning.
OBS: Man kan använda en metronom så att patienten kan utöva rörelsen hos friska armen i en rytmisk sätt. - På friska sidan, dribbla och placera en liten boll i den valda hålet liknar biljard för ca 5 min ( "Boll i hål" uppgift). Dribbla och placera en liten boll i ett mål som liknar fotboll för ca 5 min ( "fotbollsmatch" uppgift).
- Använda numrerade klistermärken placeras på ett bord, flytta handtaget på friska sidan i nummerordning och tillbaka i omvänd riktning ( "dots spårning" uppgift). Upprepa för ca 5 min.
- Använda något föremål i det dagliga livet, såsom acupp, med hjälp av handtaget på friska sidan, skjut den till en vald plats ( "Flytta en kopp" uppgift). Upprepa för ca 5 min.
- Fritt flytta den friska armen medan du tittar i spegeln ca 5 min för uppvärmning träning.
2. Komponenter i Mirror robotsystem
- AHRS sensorinställningar
- Erhålla 3 kommersiellt tillgängliga AHRS sensorer.
OBS: AHRS Sensorerna består av en magneto-sensor, accelerometer, och gyrosensorer (totalt 9-axeln). - Anslut AHRS sensorn till en dator med en USB-kontakt.
- Använd Hyperterminal eller annan kommunikation för att konfigurera allmänna sensorinställningar.
- För varje AHRS sensor, inställd på RS232 kommunikation och välj COM-port. Ange sedan överföringshastighet på 115.200 bitar per sekund, databitar till 8, paritet till ingen, stoppbitar till en, och flödeskontroll till ingen.
- För att kontrollera COM-port, klicka hemknappen på nedre vänstra hörnet. Högerklicka på datorn. Klicka på Egenskaper. Klicka på Enhetshanteraren. Expandera Port fliken (COM & LPT) genom att klicka på den.
- När kommUniCation har etablerats, inställd kanal till 100 och tilldela ID: n för varje sensor.
OBS: Vissa sensorer kan behöva kalibrering av accelerometer, gyroskop och magnetometer före användning. - Ställ in output format som quaternions och inställda sensorer för att visa batterireserv.
OBS: Quaternions används för att snabba upp computing samt att eliminera gimbal lås singulariteter.
- Erhålla 3 kommersiellt tillgängliga AHRS sensorer.
- inställningar borstlös likströmsmotor
- Förbered 2 högpresterande borstlösa likströmsmotorer och styrenheter.
- För varje styrenhet, anslut strömkabeln till en strömkälla. Dessutom ansluter motorkabeln, Hall givarkabeln, och givarkabel till motorn.
- Anslut CAN-CAN-kabeln till en annan styrenhet.
OBS: CANopen används för kommunikation mellan olika enheter. - Ställ nod-ID för varje styrenhet att skilja mellan olika enheter.
- Anslut USB-kabeln till datorn för allmän konfiguration.
- Slå på strömmen för att driva upp controLlers och motorer.
- Använd motortillverkaren försedda systemkonfiguration för att konfigurera och trimma motorn, Hall sensor, och kodare.
OBS: Vinkel gränser och utgångsläget måste konfigureras för säker drift.
- Montering av ram och motorer
OBS: Varje skräddarsydd del namnges i citattecken. Se tabell över material och utrustning och från figur 4 till figur 13.- För armbågsleden motor, satte en av kopplingsorganen med kilspår på motoraxeln och fäst den med en M5 sexkantshål inställningsskruv (Figur 4).
- Säkra "Elbow koppling ihålig cylinderkåpan" till armbågen motorn med 4x M5 insexskruvarna (10 mm) och placera buffertdelen av kopplingarna (mitten reglaget delen) på toppen av kopplingskroppen som fästes i steg 2.3.1 (Figur 4).
- Anslut kullagret till "Elbow taket frame"och säkra den med 4x M4 insexskruvarna (8 mm) (Figur 5).
- Plug "Elbow motorkraft dispersion axeln" i "Lägre armbåge stöd" och säkra den med 4x M3 skruvarna (6 mm). Sedan placera "Övre armbåge support" ovanpå "Lägre armbåge stöd" och säkra den med 8x M3 skruvarna (12 mm) (Figur 6).
- Placera enheten i steg 2.3.4 ovanpå och montering i steg 2.3.3 i mitten, och den sista delen av kopplingskroppen i botten. Gå med alla tillsammans och säkra kopplingskroppen med M5 sexkantshål ställskruvar (10 mm) (Figur 7).
- Säker montering i steg 2.3.5 och montering i steg 2.3.2 med hjälp av 4x M5 insexskruvarna (15 mm) (Figur 7). Rotera montering i steg 2.3.2 för att säkra alla 4 poäng.
- Säkra "Lägre handled koppling ihålig cylinderkåpan" med handleden motorn med 4x M4 insexskruvarna (10 mm). Sedan placera en avkopplingsorgan med kilspår på motoraxeln och fäst den med M4 hex socket ställskruvar; sedan placera buffertdelen av kopplingarna ovanpå kopplingskroppen (Figur 8).
- Bifoga "Friktions reduktion ring" på toppen av "Wrist taket ram" med dubbelhäftande tejp eller någon typ av lim (fig 9).
- Plug "Wrist motorkraft dispersion axeln" i "Hantera" och säkra den med 4x M2.5 insexskruvarna (4 mm) (Figur 10).
- Placera enheten i steg 2.3.9 ovanpå, montering i steg 2.3.8 i mitten, och den sista delen av kopplingskroppen i botten. Gå med alla tillsammans och säkra kopplingskroppen med M4 sexkantshål ställskruvar (10 mm) (Figur 10).
- Secure "Wrist motor2roof2" med montering i steg 2.3.10 använder 4x M3 insexskruvarna (Figur 11).
- Säker montering i steg 2.3.11 och montering i steg 2.3.7 ossIng 4x M3 insexskruvarna (15 mm) (Figur 11).
- Säkert 2 "Joint rörelse limiter" och 2 axelkragar med hjälp av 4x M4 insexskruvarna (15 mm) (Figur 12A).
- Använd axel kragar säkra axlar och "Wrist taket ram" med 8x M3 skruvarna (8 mm) (Figur 12B).
- Skjut axelkragar i monteringen 2.3.13 till axlarna i montering 2.3.14 och säkra ytterligare axelkragar med "Lägre armbåge stöd" med 4x M4 insexskruvarna (15 mm). Sedan ihop de två delarna och säkra med spaken (Figur 13A).
- Säkra "Stöd väggen" till enheten i steg 2.3.15 använder 6x M4 insexskruvarna (15 mm) (Figur 13B). Fäst bordsstativ och montering i steg 2.3.16 använder 6x M6 insexskruvarna (15 mm) (Figur 13C).
3. Design av Mirror Robot System
- Matematisk modell för automatisk styrning
- Ställ dynamisk modell för automatisk styrning av övre extremiteterna rörelse (Figur 14).
OBS: En dynamisk modell av mänsklig övre extremiteterna rörelse kan uttryckas med kinematik av leder och länkar. Därför, med hjälp av en ekvation för robotmanipulatorn, modellering kan erhållas såsom visas nedan:
NOTERA: (
: Gemensam positionsvektor, 
: Gemensam hastighetsvektorn, 
: Gemensam acceleration vektor, H: Inertia matris, F: Coriolis och centrifugalkraften matris, G: Vektor av gravitationskrafter, E: Moment matris på grund av interaktion med miljön, 
: Vektor av generaliserad iska krafter es tillämpas på lederna) Den hemiplegisk och friska arm visar olika aspekter av rörelse. Det vill säga, hemiplegisk armen inte kan röra sig i tid på grund av förlamade muskler eller kan inte ge tillräckligt vridmoment som behövs för rörelse. Därför är systemet utformat så att rehabiliteringsträning kan göras via normal rörelse genom hemiplegi armen; med andra ord, är rehabiliteringsroboten fäst till patientens hemiplegisk arm för att leverera rörelser från det friska arm och kan enkelt formuleras som följer:
Rörelse rehabilitering robot) = (friska arm rörelse) - (hemiplegisk arm rörelse). - Med en rehabiliteringsrobot, fästa patientens förlamad arm till roboten, och observera ytterligare vridmoment och tidsfördröjning på grund av den förlamade armen orsakar fel i hela systemet. Detektera detta via en manipulator på hemiplegisk sidan.
- Mät fel (s (t): tracking error) som en matematisk ekvation:
es / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
OBS: (s: Tracking error,
: Positiv bestämd konstruktionsparameter matris, 
: Fel mellan önskad och faktisk ställning, 
: Fel mellan önskad och verklig hastighet) Ovanstående felspåming kan kombineras med en dynamisk modell av mänsklig övre extremitet rörelse och kan uttryckas som: 
OBS: (K D: Derivat förstärkningsvärdet med återkoppling ersättning som förändras över tiden,
: Inertia felmatrisen, 
: Coriolis och centrifugalkraft fel matris) - Att styra varje led av rehabiliteringsroboten, använd Lagrangian dynamik 8. En dynamisk Rörelseekvationen för varje fog är:
OBS: (D: Koefficient matris,
: Actuator tröghetsmatris) Koefficienten D i ekvationen ovan påverkar vridmomentet mellan lederna med tröghetskopplingseffekten mellan lederna 8. Den automatiska styrmodellen med hjälp av denna matematiska modellen kan illustreras med blockschemat i figur 14.
- Ställ dynamisk modell för automatisk styrning av övre extremiteterna rörelse (Figur 14).
- Mjukvaruprotokoll (Figur 15)
- När programmet startar, upprätta kommunikation med motorer och sensorer, och initiera värdena. När motorerna och sensorerna är i utgångsläget (se 4.1.3), gå vidare till huvudslingan.
OBS: För samplingsfrekvensen för huvudslingan, rekommenderar vi 50 - 200 prover / sekund. För den maximala fördröjningen, rekommenderar vi två sekunder som mest. Dessutom, för momentgränser, virekommenderar att reglera motorns aktuella värdet med programvara så att armbågen motorn kan utöva 25-40 Nm och handled motor kan utöva 10-20 Nm. - Eftersom det inte avbryts av en stoppknapp, kontinuerligt läsa Attitude and Heading Reference System (AHRS) sensorernas aktuella positionsvärden för att överföra värdena till motorerna.
OBS: Datautgången är i quaternions, och ska vara ordentligt omvandlas till önskad vinkel för robotrörelse. Välj en av sensorkoordinatramar som referens, och återställa den andra sensorkoordinatramar. Med beräknade ramar som referens, använder omvänd kinematik för att få slutresultatet girvinklar. - Eftersom den inte avbryts av en stoppknapp, fortlöpande kontrollera motorerna positioner och uppdatera värdena för att åstadkomma förflyttning till önskat läge tillhandahålls av AHRS sensorer.
OBS: Motor läge tillhandahålls av motorns kodare som kan kontrolleras i programvaran med motor företag & #39; s medföljande programvara bibliotek kommandot. - Samtidigt registrera alla vinklar och vinkelhastigheter från AHRS sensorer.
- När uppgifterna har slutförts och användaren trycker på stoppknappen, avsluta slingan och slutföra roboten genom att flytta det till utgångsläget.
- När programmet startar, upprätta kommunikation med motorer och sensorer, och initiera värdena. När motorerna och sensorerna är i utgångsläget (se 4.1.3), gå vidare till huvudslingan.
- Grafiskt användargränssnitt (GUI) (Figur 16)
- Lägg till "fel i" och "fel ut" funktioner för att upptäcka och felsöka fel under körning.
- patientsidan knappen Lägg till välja robotarbetssidan (patientens paretic sida).
- Konstruera en patient informationsruta för att identifiera patienter.
- Lägg indikatorer motorstatus.
- Lägg vinkel begränsning kontroller för säkerhet.
- Konfigurera den maximala hastigheten, acceleration och retardation för varje motor för att förhindra muskel- och senskador grund av en stel övre extremiteterna.
OBS: Systemet speglar acceleration och retardation av hemiplegisk arm. - endd indikatorer för att hämta motor position och hastighet, och mata in aktuell information.
- Bygg en VISA resursnamn kontroll för att upprätta kommunikation mellan AHRS sensorer och system.
- Lägg till en kalibreringsfunktion för att eliminera ackumulerade sensordrift fel.
- Ordna indikatorn för sensorerna för att hämta sensorinformation.
OBS: Informationen sensorn innehåller gemensamma vinklar (vinkeln mellan två sensorer i rad) och batterireserv.
- Övervinna spasticitet arm under spegel robot drift
- Välj motorer som kan utöva tillräckligt vridmoment för att övervinna spasticitet för varje led.
OBS: Wrist motor bör ha vridmoment högre än 10 Nm, och armbåge motor högre än 25 Nm. - I syfte att stadigt överföra robotrörelse till patientens arm, använda remmar som är tillverkade av halvelastiskt material för att fixera underarmen i robot exoskelett.
NOT: Semi-elastiska remmar, såsom sträcka ah tyger remmar eller polyester / nylon elastisk flätade band, rekommenderas. Om banden är för elastiskt, kommer det inte att hålla armen i läge. Om banden är inte elastiska alls, kan muskel eller senskador inträffar i fallet med en hög grad av armbågen spasticitet. - För att isolera armbåge och handled rörelse, använda 2 fasta ramar i kombination med en axelkrage för att fixera handleden genom att klämma den i ramarna.
OBS: Axel kragar används för att förhindra muskel- och senskador, om styvheten i handleden är överdriven. - Använd remmar runt handtaget för att fixera handen till roboten.
- Välj motorer som kan utöva tillräckligt vridmoment för att övervinna spasticitet för varje led.
: Gemensam positionsvektor, 
: Gemensam hastighetsvektorn, 
: Gemensam acceleration vektor, H: Inertia matris, F: Coriolis och centrifugalkraften matris, G: Vektor av gravitationskrafter, E: Moment matris på grund av interaktion med miljön, 
: Vektor av generaliserad iska krafter es tillämpas på lederna) Den hemiplegisk och friska arm visar olika aspekter av rörelse. Det vill säga, hemiplegisk armen inte kan röra sig i tid på grund av förlamade muskler eller kan inte ge tillräckligt vridmoment som behövs för rörelse. Därför är systemet utformat så att rehabiliteringsträning kan göras via normal rörelse genom hemiplegi armen; med andra ord, är rehabiliteringsroboten fäst till patientens hemiplegisk arm för att leverera rörelser från det friska arm och kan enkelt formuleras som följer: 
: Positiv bestämd konstruktionsparameter matris, 
: Fel mellan önskad och faktisk ställning, 
: Fel mellan önskad och verklig hastighet) Ovanstående felspåming kan kombineras med en dynamisk modell av mänsklig övre extremitet rörelse och kan uttryckas som: 
: Inertia felmatrisen, 
: Coriolis och centrifugalkraft fel matris) 
: Actuator tröghetsmatris) Koefficienten D i ekvationen ovan påverkar vridmomentet mellan lederna med tröghetskopplingseffekten mellan lederna 8. Den automatiska styrmodellen med hjälp av denna matematiska modellen kan illustreras med blockschemat i figur 14. 4. klinisk tillämpning av Mirror robotsystem
- Genomföra robot spegel terapi
- Justera höjden och bredden av uppgiften tabell i enlighet med patientens tillstånd.
- Ställ upp en spegel i mittlinjen mellan de båda armarna, och ställa den på ett bord eller plattform.
- Placera AHRS sensorer på handtaget, handledram, och kanten på plattformen på friska sidan rikt parallellt med robotens orientering.
OBS! Sensorn interna gir axel ska peka uppåt. - Exekvera terapi programvara i en dator.
- Välj hemiplegisk sida genom att klicka på patientsidan switch knappen.
- Ställ in maximal gemensam vinkelgränser i enlighet med patientens gemensamma tillstånd. För säker drift, använd armbågen flexion gräns mindre än 50 °, armbåge förlängningsgräns mer än -70º, handled böjning gräns mindre än 80 °, och handled sträckgränsen mer än -60º.
OBS: Plus och minustecken automatiskt korrigeras och gränser är också korrigeras om out of bounds i programvarunivå. - Inställda maximala hastighet, acceleration, och retardation. För dessa värden, använd hastighetsvärde mellan 0 och 22,5 rpm under armbågen motor och användning hastighetsvärde mellan 0 och 33 rpm för handleds motor.
OBS: För konventionell spegel behandling, ställa in alla värden till nollatt immobilisera roboten. - Fyll i patientinformation.
- Slå på alla AHRS sensorer innan du kör programmet.
- Kör programmet genom att klicka på pilen i det övre vänstra hörnet av programmet.
- När "Spara som" snabba dyker upp, skriva riktiga filnamn för resultatdata på strängen rutan och tryck på OK.
- Medan roboten och den friska armen är i utgångsläget (båda händerna borta från kroppen och parallellt med varandra) genom att trycka på kalibreringsknappen för att initiera sensorvärden till noll för utgångsläget.
OBS: Se steg 1.1.1 - 1.1.4 för händerna som används i denna uppgift. - Tryck på STOP-knappen när alla uppgifter är klara.
OBS: För robotspegelterapi, bör en biomedicinsk ingenjör fungera som huvudsamordnare och arbetsterapeuten bör hjälpa patienten.
- Klinisk studie på friska försökspersoner
- Genomföra en klinisk studie på friska försökspersoner för att bekräftasäkerhet och genomförbarhet 8. Ge instruktionen ( "Rör inte din hemiplegisk arm på egen hand.") Till de ämnen för helt passiv rörelse hemiplegisk arm.
- Placera båda underarmarna på ramar och händerna på handtagen. Sedan fastställa underarmarna med remmar.
- Utvärdering av terapeutiska effekter
- Före terapi, genomföra funktionella utvärderingar såsom Fugl-Meyer bedömningsskala 9, modifierad Ashworth skala 10, modifierad Barthel index 11, Jebsen handen funktionstest, hand effektmätningen, neglect test, och motorn evoked potential test för patienterna.
- Genomföra klinisk prövning för strokepatienter med två-dimensionell spegel robot för 30-60 minuter per dag. Ge instruktionen ( "Rör inte din hemiplegisk arm på egen hand.") Till patienterna.
- Efter patienterna åstadkomma sista sessionen, genomföra uppföljning funktionella utvärderingar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sex friska försökspersoner genomförde en "penna märkning uppgift" (röra de två små skivor växelvis med en penna fäst på den friska sidan som visas i figur 17) 10 gånger som tog i genomsnitt 106 sek per ämne. Ingen biverkning observerades, och robot spegel terapi visat sig vara genomförbart.
Dessutom genomfördes en klinisk studie på rehabiliterings läkare genomförts. Vi begärde expertutlåtanden för att bestämma lämpliga uppgifter för effektiv robot spegel arbetsterapi. Med feedback från 6 rehabiliteringsläkare, var graden av illusion som framkallas av spegeln robot högst för "bollen i hål" och "flytta en kopp" uppgifter (7,2 av 10 på en numerisk bedömningsskala [NRS] för vardera), följt av "fotbollsmatch" (7,0 / 10) och "prickar spårning" uppgifter (6,5 / 10). När det Synchronicity rörlighet mellan de båda armarna underrobot spegel terapi, "flytta en kopp" uppgift hade en NRS poäng 7,0 / 10, följt av "fotbollsmatch" och "prickar spårning" (6,8 / 10 vardera), och "bollen i hål" (6,2 / 10) (Figur 3). Bland dessa 4 uppgifter, rehabilitering läkare rekommenderas "fotbollsmatch" som en användbar uppgift för ADL träning hos patienter med stroke.
Vi har genomfört en klinisk studie för strokepatienter med spegel robot för 30 minuter per dag i 2 veckor (10 sessioner). Ämnen måste uppfylla följande inklusionskriterier: 1) över 18 år gamla; 2) supratentoriella stroke diagnostiseras mellan 4 månader och 6 år sedan; och 3) övre extremiteterna hemiplegi med Medical Research Council (MRC) grad 2 eller mindre. Huvudsakliga uteslutningskriterier är följande: 1) modifierad Ashworth skala av grad 3 eller fler (svår spasticitet); 2) Mini Mental Test poäng mindre än 12; och 3) global eller sensorisk afasi.
10: e besöket genomförde han uppföljning funktionella utvärderingar. Bedömningen omfattningen av hemiplegisk arm Fugl-Meyer förbättrades från 12 till 17 av 66, och modifierad Ashworth skala av armbågen flexors (för spasticitet) minskades från grad 2 till 1 +. Vänstra laterala effekt nypa ökades från 0 till 3 lb. Andra parametrar avslöjade ingen skillnad före och efter robotspegelbehandling (figur 18 och tabell 1).
Figur 1. Konceptuell Flow för Robotic Mirror Therapy att Underlätta Proprioceptiv Input. Experimentet är utformad i enlighet med det konceptuella flödet för robotspegelterapi.
Figur 2. Ett diagram över Mirror robotsystem. Förflyttning av den friska armen beräknas exoskelett fäst vid hemiplegisk arm med en mjukvarualgoritm genom input från 3 AHRS sensorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
. Figur 3. Olika uppgifter med hjälp av Mirror robotsystem kan användarna utbildas av två-dimensionella uppgifter; bollen i hål, fotbollsmatch, prickar spåra och flyttaen kopp. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Elbow motorenhet. Montering steg för armbågsleden motor, kopplingar, och armbåge koppling ihålig cylinderkåpan.
Figur 5. Lager & Elbow Rooftop ramanordning. Montering mellan lager och armbågen på taket ramenheten.
Figur 6. Armbågsskydd Assembly. Monterings steg för armbågen drivkraft dispersion axel, övre e lbow stöd och lägre armbåge stöd.
Figur 7. Armbågsskydd & Elbow Motor församling. Montering steg för armbågen stöd och armbågen motorn.
Figur 8. Wrist motorenhet. Montering steg för handleden motor, kopplingar och lägre handled koppling ihålig cylinderkåpan.
Figur 9. friktionsminskning ring Attachment. Montering av minskningen friktionsringen till handleden på taket ramen.
ad / 54521 / 54521fig10.jpg "/>
Figur 10. Handtag församlingen. Montering steg för 3D tryckta handtaget, koppling, och handleden motorkraften dispersion axeln.
Figur 11. Handtag & Wrist Motor församling. Montering steg för handleden motorn och handtaget.
Figur 12. ledrörlighet Limiter församlingen. Monterings steg för (A) ledrörlighet limiter, (B) längdjustering axel och monterade handtaget.
Figur 13. slutmontering.Monteringssteg för (A) monteras armbåge motordelen med det monterade handledsmotordelen med hjälp av axel kragar och skaft, (B) monteras robot med stödmurar, och (C) monteras robot med uppgiften tabellen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 14. blockschema av regler matematiska modellen. Den exoskelett Roboten utnyttjar slutna system återkoppling för realtidsstyrning.
Figur 15. övergripande program programvara. Programvaran använder en närad återkopplingsmekanism för att driva robotsystemet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 16. GUI av programmet. Användaren kan styra och konfigurera programmet för terapi via GUI. Klicka god här för att se en större version av denna siffra.
Figur 17. Pen Märkning uppgift i 6 friska försökspersoner med hjälp av Prototype Mirror robotsystem. Genomföra en penna märkning uppgift 10 gånger i följd tog i genomsnitt 106 sek per ämne.
Figur 18. Funktionell utvärdering av en 60-årig manlig patient med kronisk Höger basala ganglierna blödning. Huvud delmängder av data som visade förbättring efter 10 sessioner robot spegel terapi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Innan | Efter 10 sessioner | |
| Mini Mental Test | 29 | - |
| Fugl-Meyer bedömningsskala (Övre extremitet) | 12 | 17 |
| Skuldra/armbåge | 11 | 15 |
| Handled | 0 | 1 |
| Hand | 1 | 1 |
| Modifierad Ashworth skala | ||
| armbåge flexor | 2 | 1+ |
| handled flexor | 0 | 0 |
| Modifierad Barthel index (Övre extremitet) | 25 | 25 |
| Jebsen handen funktionstest | Uncheckable | Uncheckable |
| Vänster effekt (lb) | ||
| Grepp | 8 | 8 |
| Lateral nypa | 0 | 3 |
| palmar nypa | 0 | 0 |
| Hemineglect testet | ||
| Line TUDELNING testet | 6/6 varje | 6/6 varje |
| Albert-test | 12/12 varje | 12/12 varje |
| Motor evoked potential | Inget svar | Inget svar |
Tabell 1. Funktionell utvärdering av en 60-årig manlig patient med kronisk rätt basala ganglierna blödning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det primära syftet med denna studie var att utveckla en realtids-spegel robotsystem för funktionell återhämtning av en hemiplegisk arm med hjälp av en automatisk regleralgoritm. Effekten av robotassisterad terapi på långsiktig återhämtning av övre extremiteten försämring efter stroke visat sig vara nyttiga i tidigare studier 12, och olika typer av arm robotar har införts 13-20. Men tidigare studier av övre extremiteterna robotar som realiserade bilaterala armrörelse tillämpas mekaniska anslutningar utan att använda en spegel, som skiljer sig från begreppet spegelterapi 14-15. Sålunda kan vår studie vara en förlängning av sitt arbete med hjälp av en verklig spegel för att underlätta proprioceptiv ingång.
För att uppgradera det tidigare systemet, möjlig vi hemiplegisk arm att röra sig i realtid genom att tillämpa AHRS sensorer på den friska armen och fästa motorer till hemiplegisk armbåge och handled. Proprioceptiva input från hemiplegisk armen tillsensoriska cortex av hjärnan kan ökas genom spegeln robotsystemet. Underlättande av proprioception måste bekräftas av funktionell hjärn MRI i en framtida studie.
Det är viktigt för systemet att ha minsta synkroniseringsfördröjningen sedan spegeleffekten maximeras när fördröjningen minimeras. För att uppnå detta, hämtade vi data från sensorer med minimum som krävs byte räkna när man läser dem parallellt inom en slinga inne mjukvaruarkitekturen. Som ett resultat, är synkroniseringsfördröjningen mellan den friska armen och roboten endast ca 0,04-0,40 sek.
Det finns flera begränsningar i denna studie. Först, vi kunde inte omfatta fina fingerrörelser såsom grepp eller nypa, och 3-dimensionella uppgifter konventionell spegel terapi. För det andra, vi inte fixa armbågsleden av den friska armen för att bevara fysiologisk rörelse så mycket som möjligt. Skulle dock begränsning av området för armbågen rörelse vara till hjälp för att förbättra syn-kronicitet med det motsatta armbågen som framdrivs av motorn. Modifiering av systemet genom att installera ytterligare struktur som säkrar friska sidan armbågen förbättrar Synchronicity och kommer därför att öka effekten av behandlingen. För det tredje, kan patienter som hade svår spasticitet eller styvhet inte med på grund av otillräcklig motoreffekt, även om leden gått långsamt. Systemet kan modifieras genom att ersätta motorn med högre utgående vridmoment för att övervinna måttlig styvhet. Men även med stark motor, behandling till patienter med allvarliga nivåer av spasticitet eller styvhet bör undvikas för att förhindra senor eller benskador på grund av överdrivet våld ansökan till lederna.
Vi tror dock att spegeln robotsystemet som presenteras häri kan lätt utvecklas och utnyttjas effektivt för att främja arbetsterapi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av hjärnan Fusion Program för Seoul National University (800-20120444) och tvärvetenskapligt programinsatser från College of Engineering och College of Medicine, Seoul National University (800 till 20.150.090).
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).
