Summary
Vi udviklede en real-time spejl robot system til funktionel genopretning af hemiplegisk arme ved hjælp af automatisk styringsteknik, foretaget en klinisk undersøgelse af raske, og beslutsomme opgaver gennem feedback fra rehabilitering læger. Denne enkle spejl robot kan anvendes effektivt til ergoterapi i patienter med slagtilfælde med en hemiplegisk arm.
Abstract
Mirror terapi er udført så effektiv ergoterapi i en klinisk indstilling for funktionel genopretning af en hemiplegisk arm efter slagtilfælde. Det udføres ved at fremkalde en illusion ved anvendelse af et spejl, som om hemiplegisk arm bevæger sig i realtid under flytning af sund arm. Det kan lette hjernen neuroplasticitet gennem aktivering af sensomotoriske cortex. Imidlertid konventionel spejl terapi har en kritisk begrænsning, at den hemiplegisk arm ikke er faktisk bevæger sig. Således har vi udviklet en real-time 2-akse spejl robot systemet som et simpelt add-on modul til konventionel spejl terapi ved hjælp af en lukket feedback-mekanisme, der muliggør real-time bevægelse af hemiplegisk arm. Vi brugte 3 Attitude og udgiftsområde referencesystem sensorer, to børsteløse DC-motorer til albue og håndled, og exoskeletal rammer. I en forundersøgelse på 6 raske forsøgspersoner, robot spejl terapi var sikkert og muligt. Vi udvælges yderligere opgaver er anvendelige til aktiviteter daily levende uddannelse gennem feedback fra rehabilitering læger. En kronisk slagtilfælde patient viste forbedring i Fugl-Meyer vurdering skala og albue flexor spasticitet efter en 2-ugers anvendelse af spejlet robotsystemet. Robotic spejl terapi kan forbedre proprioceptive input til den sensoriske cortex, som anses for at være vigtig i neuroplasticitet og funktionel restitution af hemiplegisk arme. Spejlet robotsystem præsenteret heri, kan let udvikles og udnyttes effektivt til at fremme ergoterapi.
Introduction
For patienter med slagtilfælde, har dysfunktion af en hemiplegisk arm svækkende virkning. Evnen til at udføre halvmanuelle aktiviteter er afgørende for dagligdagen, men funktionelle underskud på en hemiplegisk arm ofte forbliver endda et par år efter strokedebut. Blandt forskellige uddannelsesprogrammer på hospitalet, at en øvelse øge vifte af bevægelse eller passiv gentagelse af simple opgaver har ringe effekt på funktionel inddrivelse af en hemiplegisk arm. Af denne grund, har uddannelse af meningsfulde opgaver i forbindelse med dagligdags aktiviteter (ADLs) blevet anvendt på ergoterapi på hospitaler.
Virkningerne af spejl terapi blev bevist ved tidligere undersøgelser i neurorehabilitering 1-4. Spejl terapi udføres ved at fremkalde en illusion ved anvendelse af et spejl, som om hemiplegisk arm bevæger sig i realtid under flytning af sund arm. Det kan lette hjerne neuroplasticitet ved aktivering af sensomotoriske cortex 1. Således motor magt og funktion af hemiplegisk arm kan forbedres. Imidlertid konventionel spejl terapi har en kritisk begrænsning, at den hemiplegisk arm ikke er faktisk bevæger sig.
Derfor har vi udviklet en real-time 2-akse spejl robot systemet som et simpelt add-on modul til konventionel spejl terapi, ved hjælp af lukkede feedback-mekanisme. Dette kan formidle proprioceptive input til den sensoriske cortex, hvilket anses for vigtigt i neuroplasticitet og funktionel restitution af en hemiplegisk arm (figur 1 og 2) 5-7.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle procedurer blev revideret og godkendt af Institutional Review Board of Seoul National University Hospital.
1. Mirror Terapi Opgaver
- Eksempler på 2-dimensional spejl terapi opgaver (figur 3)
- Frit flytte den sunde arm, mens du kigger i spejlet omkring 5 min for warm-up øvelse.
BEMÆRK: Man kan anvende en metronom således at patienten kan udøve bevægelsen af sund arm i en rytmisk måde. - På sunde side, drible og placere en lille bold i det valgte hul ligner billard for omkring 5 min ( "Bold i huller" opgave). Drible og placere en lille bold ind i et mål svarende til fodbold for omkring 5 min ( "Soccer game" opgave).
- Brug nummererede klistermærker placeret på et bord, skal du flytte håndtaget på sunde side i nummerorden og tilbage i modsat retning ( "Dots tracing" opgave). Gentag for omkring 5 min.
- Brug af ethvert objekt i dagligdagen, såsom acop, ved hjælp af håndtag på sunde side, skubbe det til en udvalgt sted ( "Moving en kop" opgave). Gentag for omkring 5 min.
- Frit flytte den sunde arm, mens du kigger i spejlet omkring 5 min for warm-up øvelse.
2. Komponenter af Mirror Robot System
- AHRS indstillinger sensor
- Opnå 3 kommercielt tilgængelige AHRS sensorer.
BEMÆRK: AHRS sensorer består af en magneto sensor, accelerometer og gyro sensorer (alt 9-akse). - Slut AHRS sensor til en pc med et USB-stik.
- Brug HyperTerminal eller anden kommunikation til at konfigurere generelle indstillinger sensor.
- For hver AHRS sensor, indstillet til RS232 kommunikation og vælg COM-port. Indstil derefter baud rate til 115.200 bit pr sek, databit til 8, paritet til ingen, stop bits til 1, og flowkontrol til ingen.
- For at kontrollere COM-port, skal du klikke hjem knappen på nederste venstre hjørne. Højreklik på computer. Klik derefter på Egenskaber. Klik på Enhedshåndtering. Udvid fanen Port (COM & LPT) ved at klikke på det.
- Når communication er blevet etableret, indstillet kanal til 100 og tildele id'er for hver sensor.
BEMÆRK: Nogle sensorer kan have brug for kalibrering af accelerometer, gyroskop, og magnetometer før brug. - Indstil output format som quaternions og sæt sensorer til at vise batteriets reserve.
BEMÆRK: Quaternions anvendes til at fremskynde computing samt at eliminere kardan lock singulariteter.
- Opnå 3 kommercielt tilgængelige AHRS sensorer.
- Brushless DC motor indstillinger
- Forbered 2 højtydende børsteløse DC-motorer og controllere.
- For hver controller, tilsluttes strømkablet til en strømforsyning. Også tilslut motorkablet, Hall sensor kabel, og encoder kablet til motoren.
- Tilslut CAN-CAN-kablet til en anden controller.
BEMÆRK: CANopen bruges til kommunikation mellem enheder. - Indstil node ID for hver controller til at skelne mellem enheder.
- Tilslut USB-kablet til pc'en til almindelig konfiguration.
- Tænd for strømforsyningen til magten op controLlers og motorer.
- Brug motorfabrikanten-forudsat systemkonfiguration software til at konfigurere og tune motoren, Hall-sensor, og encoder.
BEMÆRK: Vinkel grænser og udgangsposition skal konfigureres for sikker drift.
- Montering af rammen og motorer
BEMÆRK: Hver skræddersyet del er opkaldt i anførselstegn. Der henvises til Tabel over Materialer og udstyr og fra figur 4 til figur 13.- For albueleddet motor, satte en af koblingen organer med not på motorakslen og fastgør den ved hjælp af en M5 hex socket stilleskruen (figur 4).
- Sikker "Elbow kobling hule cylinder dækslet" til albuen motoren ved hjælp 4x M5 socket skruer (10 mm) og anbringe bufferen del af koblingerne (midterste skyderen delvis) på toppen af koblingslegemet, der blev monteret i trin 2.3.1 (figur 4).
- Sæt kuglelejet ind "Elbow tagterrasse ramme"og fastgør det med 4x M4 socket skruer (8 mm) (figur 5).
- Sæt "Elbow motor force spredning aksel" i "Lavere albue support" og fastgør det med 4x M3 socket skruer (6 mm). Derefter placere "Øvre albue support" på toppen af "Lavere albue support", og fastgør den ved hjælp 8x M3 socket skruer (12 mm) (Figur 6).
- Placer samlingen i trin 2.3.4 oven, samling i trin 2.3.3 i midten, og den sidste del af koblingslegemet ved bunden. Deltag alle sammen og sikre koblingen krop med M5 hex socket sæt skruer (10 mm) (Figur 7).
- Sikker montering i trin 2.3.5 og montage i trin 2.3.2 ved hjælp 4x M5 socket skruer (15 mm) (Figur 7). Drej samling i trin 2.3.2 til at sikre alle 4 punkter.
- Secure "Lavere håndled kobling hule cylinder dække" med håndleddet motoren ved hjælp af 4x M4 socket skruer (10 mm). Derefter placere en afkoblingen organer med notgang på motorakslen og fastgør den med M4 hex socket sæt skruer; derefter placere buffer del af koblingerne på toppen af koblingslegemet (figur 8).
- Vedhæfte "Friction reduktion ring" ovenpå "Wrist rooftop ramme" med dobbeltklæbende tape eller nogen form for klæbemiddel (figur 9).
- Sæt "Wrist motor force spredning aksel" i "Handle", og fastgør den med 4x M2,5 socket skruer (4 mm) (figur 10).
- Placer samlingen i trin 2.3.9 oven, montering i trin 2.3.8 i midten, og den sidste del af koblingslegemet ved bunden. Deltag alle sammen og sikre koblingen krop med M4 hex socket sæt skruer (10 mm) (figur 10).
- Secure "Wrist motor2roof2" med samlingen i trin 2.3.10 bruge 4x M3 socket skruer (Figur 11).
- Sikker montering i trin 2.3.11 og montage i trin 2.3.7 osING 4x M3 socket skruer (15 mm) (Figur 11).
- Secure 2 "Fælles bevægelse limiter" og 2 Akselflanger bruger 4x M4 socket skruer (15 mm) (Figur 12A).
- Brug Akselflanger at sikre aksler og "Wrist tagterrasse ramme" ved hjælp 8x M3 socket skruer (8 mm) (Figur 12B).
- Skub Akselflanger i samlingen 2.3.13 ind akslerne i samlingen 2.3.14 og sikre yderligere aksel kraver med "Lavere albue støtte" ved hjælp af 4x M4 socket skruer (15 mm). Derefter slutte sig til de to dele og sikres med håndtaget (figur 13A).
- Secure "Støtte væg" til samlingen i trin 2.3.15 bruge 6x M4 socket skruer (15 mm) (Figur 13B). Fastgør bordstativ og montage i trin 2.3.16 bruge 6x M6 socket skruer (15 mm) (figur 13C).
3. Design af Mirror Robot System
- Matematisk model for automatisk kontrol
- Sæt dynamisk model til automatisk styring af overekstremitet bevægelse (figur 14).
BEMÆRK: En dynamisk model af den menneskelige overekstremitet bevægelse kan udtrykkes ved hjælp af kinematik samlinger og links. Derfor anvendelse af en ligning for robotmanipulatoren, kan opnås, modelleringen som vist nedenfor:
BEMÆRK: (
: Fælles position vektor, 
: Fælles hastighedsvektoren, 
: Fælles acceleration vektor, H: Inerti matrix, F: Coriolis og centrifugalkraft matrix, G: Vektor af gravitationel kræfter, E: Torque matrix skyldes interaktion med miljøet, 
: Vektor af generaliseret kræf es anvendes på leddene) Den hemiplegisk og raske arm viser forskellige aspekter af bevægelse. Dvs. den hemiplegisk arm kan ikke bevæge sig i gang på grund af lammede muskler eller ikke kan give nok moment er nødvendig for bevægelse. Derfor er systemet konstrueret således, at genoptræning kan ske via normal bevægelighed gennem hemiplegiske arm; med andre ord, er rehabilitering robot fastgjort til patientens hemiplegisk arm for at levere bevægelser fra den sunde arm og kan simpelthen formuleres som følger:
Motion for rehabilitering robot) = (Sund arm bevægelse) - (hemiplegisk arm bevægelse). - Med en rehabilitering robot, vedhæfte patientens lammet arm til manipulator, og observere ekstra drejningsmoment og tidsforsinkelse på grund af den lammede arm forårsager fejl i det samlede system. Detect dette via en manipulator på hemiplegisk side.
- Mål fejl (s (t): Tracking error) som en matematisk ligning:
es / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
BEMÆRK: (s: Tracking fejl,
: Positiv konkret designparameter matrix, 
: Fejl mellem ønskede og faktiske position, 
: Fejl mellem ønskede og den faktiske hastighed) Ovenstående sporingsfejlsignal kan kombineres med en dynamisk model af human øvre lemmer bevægelse og kan udtrykkes som: 
BEMÆRK: (K D: Afledte gain værdi feedback kompensation, der ændrer sig over tid,
: Inerti error matrix, 
: Coriolis og centrifugalkraft error matrix) - For at styre hver samling af rehabilitering robot, bruge Lagrangian dynamik 8. En dynamisk ligning af bevægelse for hver fælles er:
BEMÆRK: (D: Koefficient matrix,
: Aktuator inerti matrix) Koefficient D i ligningen ovenfor påvirker momentet mellem leddene med inerti kobling effekt mellem leddene 8. Den automatiske model ved hjælp af denne matematiske model kan illustreres ved blokken skemaet i fig 14.
- Sæt dynamisk model til automatisk styring af overekstremitet bevægelse (figur 14).
- Software protokol (figur 15)
- Når programmet starter, etablere kommunikation med motorer og sensorer, og initialisere værdierne. Når motorerne og sensorer er i udgangsposition (se 4.1.3), gå videre til de vigtigste loop.
BEMÆRK: sampling frekvens af de vigtigste loop, anbefaler vi 50 - 200 prøver / sek. For den maksimale forsinkelse, anbefaler vi 2 sek på de fleste. Hertil kommer, for momentgrænser, vianbefale at regulere motorens aktuelle værdi med software, så albuen motor kan udøve 25-40 Nm og håndled motor kan udøve 10 - 20 Nm. - Da det ikke er afbrudt af et stop-knap, løbende læse Attitude og udgiftsområde referencesystem (AHRS) føleres aktuelle positionsværdier at overføre værdierne til motorerne.
BEMÆRK: De data output er i quaternioner, og skal være korrekt omdannes til den ønskede vinkel for robot bevægelse. Vælg en af sensoren koordinere frames som reference, og nulstille den anden sensor koordinatsystemer. Med beregnede rammer som reference, skal du bruge invers kinematik for at opnå de endelige output drejningsvinkler. - Da det ikke er afbrudt af en stopknap, kontinuerligt kontrollere motorernes positioner, og opdatere værdierne til at udføre bevægelse i den ønskede position, som de AHRS sensorer.
BEMÆRK: motorposition leveres af motorens encoder, kan kontrolleres inde i software med motoren selskab & #39; s medfølgende software bibliotek kommando. - I mellemtiden, registrere alle vinkler og kantede hastigheder fra AHRS sensorer.
- Når opgaverne er afsluttet, og brugeren trykker på stopknappen, afslutte løkken og færdiggøre robotten ved at flytte det til den oprindelige position.
- Når programmet starter, etablere kommunikation med motorer og sensorer, og initialisere værdierne. Når motorerne og sensorer er i udgangsposition (se 4.1.3), gå videre til de vigtigste loop.
- Grafiske brugergrænseflade (GUI) (figur 16)
- Tilføj "fejl i" og "fejl ud" funktioner til at opdage og debug fejl under udførelsen.
- Tilføj patient-side-knappen for at vælge robotten operation side (patientens paretisk side).
- Konstruer en patientinformation boks til at identificere de patienter.
- Tilføj motor statusindikatorer.
- Tilføj vinkel begrænsning kontrol for sikkerheden.
- Konfigureres den maksimale hastighed, acceleration og deceleration for hver motor for at forhindre muskler og seneskader grund af en stiv øvre lemmer.
BEMÆRK: Systemet afspejler acceleration og deceleration af hemiplegisk arm. - ENdd indikatorer til at hente motor position og hastighed, og input aktuelle oplysninger.
- Byg en VISA navn ressource kontrol til at etablere kommunikation mellem AHRS sensorer og systemet.
- Tilføj en kalibreringsfunktion at fjerne akkumulerede sensor afdrift fejl.
- Arranger indikatoren for sensorerne for at hente sensor information.
BEMÆRK: Oplysningerne sensor omfatter de fælles vinkler (vinkel mellem to på hinanden følgende sensorer) og batteri reserve.
- Overvindelse arm spasticitet under spejlet robot operation
- Vælg motorer, der kan øve nok moment til at overvinde spasticitet for hver samling.
BEMÆRK: Wrist motor skal have drejningsmoment højere end 10 Nm, og albue motor højere end 25 Nm. - For at fast overføre robotten bevægelse til patientens arm, bruge stropper, der er lavet af semi-elastisk materiale at fastsætte underarmen i robotten Exoskeleton.
BEMÆRK: Semi-elastisk stropper, såsom stræh stof stropper eller polyester / nylon elastisk flettet remme, anbefales. Hvis stropperne er for elastisk, vil det ikke fastholdelse af armen i position. Hvis stropperne er ikke elastisk overhovedet kan opstå muskel- eller seneskader i tilfælde af en høj grad af albue spasticitet. - For at isolere albue og håndled drift udnytte 2 solid frames kombineret med en aksel krave til at fastsætte håndleddet ved at klemme det i rammerne.
BEMÆRK: Akselflanger anvendes til at forhindre muskler og seneskader hvis stivheden i håndleddet er for stor. - Brug stropper omkring håndtaget til at fastsætte hånden til robotten.
- Vælg motorer, der kan øve nok moment til at overvinde spasticitet for hver samling.
: Fælles position vektor, 
: Fælles hastighedsvektoren, 
: Fælles acceleration vektor, H: Inerti matrix, F: Coriolis og centrifugalkraft matrix, G: Vektor af gravitationel kræfter, E: Torque matrix skyldes interaktion med miljøet, 
: Vektor af generaliseret kræf es anvendes på leddene) Den hemiplegisk og raske arm viser forskellige aspekter af bevægelse. Dvs. den hemiplegisk arm kan ikke bevæge sig i gang på grund af lammede muskler eller ikke kan give nok moment er nødvendig for bevægelse. Derfor er systemet konstrueret således, at genoptræning kan ske via normal bevægelighed gennem hemiplegiske arm; med andre ord, er rehabilitering robot fastgjort til patientens hemiplegisk arm for at levere bevægelser fra den sunde arm og kan simpelthen formuleres som følger: 
: Positiv konkret designparameter matrix, 
: Fejl mellem ønskede og faktiske position, 
: Fejl mellem ønskede og den faktiske hastighed) Ovenstående sporingsfejlsignal kan kombineres med en dynamisk model af human øvre lemmer bevægelse og kan udtrykkes som: 
: Inerti error matrix, 
: Coriolis og centrifugalkraft error matrix) 
: Aktuator inerti matrix) Koefficient D i ligningen ovenfor påvirker momentet mellem leddene med inerti kobling effekt mellem leddene 8. Den automatiske model ved hjælp af denne matematiske model kan illustreres ved blokken skemaet i fig 14. 4. Klinisk Anvendelse af Mirror Robot System
- Gennemførelse af robot spejl terapi
- Juster højden og bredden af opgaven tabel i overensstemmelse med patientens tilstand.
- Opsæt et spejl i midterlinjen mellem begge arme, og sæt den på et bord eller platform.
- Placer AHRS sensorer på håndtag, håndledramme, og kanten af platformen på sunde side justering parallelt med robottens orientering.
BEMÆRK: Sensoren interne yaw-aksen skal pege opad. - Udfør terapi software i en computer.
- Vælg den hemiplegisk side ved at klikke på kontakten knappen Patient-Side.
- Indstil de maksimale fælles vinkel grænser i overensstemmelse med patientens fælles tilstand. For sikker drift, brug albue flexion grænse mindre end 50º, albue forlængelse grænse mere end -70º, håndled fleksion grænse mindre end 80º, og håndled udvidelse grænse mere end -60º.
BEMÆRK: Plus og minus tegn er automatisk rettet og grænser også korrigeres, hvis out of bounds i software-niveau. - Set maksimale hastighed, acceleration og deceleration. For disse værdier, bruge velocity værdi mellem 0 og 22,5 rpm i albue motor og anvendelse velocity værdi mellem 0 og 33 rpm i håndled motor.
BEMÆRK: konventionel spejl terapi, indstilles alle værdier til nulat immobilisere robotten. - Udfyld patientinformation.
- Tænd alle AHRS Sensorer før du kører programmet.
- Kør programmet ved at klikke på pilen knappen i øverste venstre hjørne af programmet.
- Når "gem som" hurtige popper op, skriv ordentlige filnavne for resultat data om strengen boksen og tryk på ok.
- Mens robotten og den sunde arm er i udgangsposition (begge hænder væk fra kroppen og parallelt med hinanden), trykke på knappen kalibrering at initialisere sensor værdier til nul for den oprindelige position.
BEMÆRK: Se trin 1.1.1 - 1.1.4 for hænderne, der anvendes i denne opgave. - Tryk på STOP-knappen, når alle opgaver er afsluttet.
BEMÆRK: For robot spejl behandling, bør en biomedicinsk ingeniør fungere som den vigtigste koordinator, og ergoterapeuten skal hjælpe patienten.
- Klinisk en undersøgelse af raske forsøgspersoner
- Gennemføre en klinisk undersøgelse af raske forsøgspersoner for at bekræftesikkerhed og gennemførlighed 8. Giv instruktion ( "Du skal ikke flytte din hemiplegisk arm på din egen.") Til emner for fuldstændig passiv bevægelse af hemiplegisk arm.
- Placer begge underarme på rammer og hænder på håndtagene. Derefter fix underarmene med stropper.
- Evaluering af terapeutiske virkninger
- Før behandlingen, foretage funktionelle evalueringer som Fugl-Meyer vurdering skala 9, modificeret Ashworth skala 10, modificeret Barthel indeks 11, Jebsen hånd funktionstest, hånd effektmåling, neglect test, og motor evoked potentiale test for patienterne.
- Udføre klinisk forsøg med patienter med slagtilfælde med 2-dimensional spejl robot i 30 - 60 min per dag. Giv instruktion ( "Du skal ikke flytte din hemiplegisk arm på din egen.") For patienterne.
- Efter patienterne udrette sidste session, adfærd opfølgning funktionelle evalueringer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Seks raske forsøgspersoner gennemførte en "pen mærkning opgave« (rører de to små plader skiftevis med en pen fastgjort på den sunde hånd som vist i figur 17) 10 gange, som tog i gennemsnit 106 sek pr emne. Ingen bivirkning blev observeret, og robot spejl terapi viste sig at være mulig.
Derudover blev en klinisk undersøgelse af rehabilitering læger udført. Vi anmodede ekspertudtalelser at bestemme passende opgaver for effektiv robot spejl ergoterapi. Med feedback fra 6 rehabilitering læger, graden af illusion fremkaldt af spejlet robotten var højest for "bold i hul" og "flytte en kop" opgaver (7,2 ud af 10 på en numerisk ratingskala [NRS] for hver), efterfulgt af "fodboldkamp" (7,0 / 10) og "prikker sporing" opgaver (6,5 / 10). Med hensyn til synkronicitet bevægelighed mellem begge arme i løbet afrobotic spejl terapi "flytte en kop" opgave havde en NRS score på 7,0 / 10, efterfulgt af "fodboldkamp" og "prikker sporingen" (6,8 / 10 hver), og "bold i huller" (6,2 / 10) (figur 3). Blandt disse 4 opgaver, rehabilitering læger anbefales "fodboldkamp" som en nyttig opgave for ADL træning hos patienter med slagtilfælde.
Vi har udført et klinisk forsøg for patienter med slagtilfælde med spejl robot i 30 min per dag i 2 uger (10 sessioner). Emner skal opfylde følgende kriterier inklusionskriterierne: 1) over 18 år; 2) supratentorial slagtilfælde diagnosticeret mellem 4 måneder og 6 år siden; og 3) øverste lemmer hemiplegi med Medical Research Council (MRC) grad 2 eller mindre. Vigtigste udelukkelseskriterier er som følger: 1) modificeret Ashworth skala af grad 3 eller flere (svær spasticitet); 2) mini-mental tilstand eksamen score mindre end 12; og 3) global eller sensorisk afasi.
10. besøg, han gennemførte opfølgning funktionelle evalueringer. Den Fugl-Meyer vurdering omfanget af hemiplegisk arm forbedret 12-17 ud af 66, og modificeret Ashworth skala af albue flexors (for spasticitet) blev reduceret fra klasse 2 til 1+. Venstre laterale pinch-effekt blev forøget fra 0 til 3 lb. Andre parametre viste ingen forskel før og efter robotic spejl terapi (figur 18 og tabel 1).
Figur 1. Konceptuel Flow for Robotic Mirror Terapi til lette proprioceptive input. Eksperimentet er designet i overensstemmelse med den konceptuelle flow for robot spejl terapi.
Figur 2. En Diagram over Mirror Robot System. Bevægelser i raske arm er fremskrevet til Exoskelet knyttet til hemiplegisk arm med en software algoritme gennem input fra 3 AHRS sensorer. Klik her for at se en større version af dette tal.
. Figur 3. Forskellige opgaver ved hjælp af Mirror Robot System Brugerne kan blive trænet af to-dimensionelle opgaver; bold i huller, fodboldspil, prikker opsporing, og bevæger sigen kop. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Elbow Motor Assembly. Montering trin for albueleddet motor, koblinger, og albue kobling hule cylinder cover.
Figur 5. Bearing & Elbow Rooftop Frame forsamling. Montering mellem lejet og albue tagterrassen ramme forsamling.
Figur 6. Elbow Support Assembly. Assembly trin til albue motor force spredning aksel, øvre e lbow støtte, og lavere albue støtte.
Figur 7. Albue Support og Albue Motor Assembly. Montering trin for albuen støtte og albuen motor.
Figur 8. Wrist Motor Assembly. Montering trin for håndleddet motor, koblinger, og lavere håndled kobling hule cylinder cover.
Figur 9. Friction Reduction Ring Attachment. Fastgørelse af reduktionen Friktionsringen til ramme håndleddet på taget.
annonce / 54521 / 54521fig10.jpg "/>
Figur 10. Håndtag forsamling. Montering trin for 3D trykte håndtag, kobling, og håndleddet motor force spredning aksel.
Figur 11. Håndtag & Wrist Motor Assembly. Montering trin for håndleddet motor og håndtaget.
Figur 12. Fælles Movement Limiter forsamling. Assembly skridt til (A) fælles bevægelse limiter, (B) længdejustering skaft, og den samlede håndtag.
Figur 13. Final Assembly.Montering skridt til (A) monteret albue motor del med den samlede håndleddet motordelen hjælp aksel kraver og aksel, (B) samlet robot med støtte vægge, og (C) samles robot med den opgave tabellen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 14. Block-ordningen for den automatiske styring matematisk model. Den ydre skelet robot udnytter lukket feedback-mekanisme for real-time kontrol.
Figur 15. Samlet Softwaren. Softwareprogrammet bruger en tætd feedback-mekanisme til at drive robotten systemet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 16. GUI af Programmet. Brugeren kan styre og konfigurere programmet til terapi via GUI. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 17. En Pen Marking opgave i 6 raske forsøgspersoner ved hjælp af Prototype af Mirror Robot System. Gennemførelse af en pen mærkning opgave 10 gange i træk tog i gennemsnit 106 sek per emne.
Figur 18. Funktionel Evaluering af en 60-årig mandlig patient med kronisk Right basalganglierne Blødning. Vigtigste delmængder af data, der viste forbedring efter 10 sessioner af robot spejl terapi. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Før | Efter 10 sessioner | |
| Mini-Mental State Examination | 29 | - |
| Fugl-Meyer skala vurdering (Øvre ekstremitet) | 12 | 17 |
| Skulder/albue | 11 | 15 |
| Håndled | 0 | 1 |
| Hånd | 1 | 1 |
| Modificeret Ashworth skala | ||
| Elbow flexor | 2 | 1+ |
| Wrist flexor | 0 | 0 |
| Modificeret Barthel indeks (Øvre ekstremitet) | 25 | 25 |
| Jebsen hånd funktionstest | Uncheckable | Uncheckable |
| Venstre hånd effekt (lb) | ||
| Greb | 8 | 8 |
| Lateral knivspids | 0 | 3 |
| Palmar knivspids | 0 | 0 |
| Hemineglect test | ||
| Linje bisection test | 6/6 hver | 6/6 hver |
| Albert test | 12/12 hver | 12/12 hver |
| Motor evoked potentiale | Ingen reaktion | Ingen reaktion |
Tabel 1. Funktionel Evaluering af en 60-årig mandlig patient med kronisk rigtige basalganglierne Blødning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det primære formål med dette studie var at udvikle en real-time spejl robot system til funktionel genopretning af en hemiplegisk arm ved hjælp af en automatisk kontrol algoritme. Effekten af robot-assisteret terapi på langsigtet genopretning af øverste lemmer værdiforringelse efter slagtilfælde blev bevist gavnlig i tidligere undersøgelser 12, og forskellige former for arm robotter er blevet indført 13-20. Men tidligere undersøgelser af øvre ekstremitet robotter, realiserede bilateral armbevægelse anvendte mekaniske forbindelser uden anvendelse af et spejl, som er forskellig fra begrebet spejl terapi 14-15. Således kan vores undersøgelse være en forlængelse af deres arbejde ved at anvende en faktisk spejl for at lette proprioceptive input.
At opgradere det tidligere system, vi gjorde det muligt for hemiplegisk arm til at bevæge sig i realtid ved at anvende AHRS sensorer på den sunde arm og fastgørelse motorer til hemiplegisk albue og håndled. Proprioceptive input fra hemiplegisk arm tilsensoriske cortex af hjernen kan styrkes gennem spejlet robot-systemet. Lettelse af proprioception skal bekræftes ved funktionel hjerne MRI i en kommende undersøgelse.
Det er afgørende for systemet at have minimal synkronisering forsinkelse siden spejl effekt vil blive maksimeret, når forsinkelsen er minimeret. For at opnå dette, hentet vi data fra sensorer med nødvendige minimum byte count, mens du læser dem parallelt i en løkke inde i softwarearkitektur. Som følge heraf synkroniseringen forsinkelse mellem sunde arm og robotten er kun ca. 0,04 - 0,40 sek.
Der er flere begrænsninger i denne undersøgelse. Først kunne vi ikke omfatte fine fingerbevægelser såsom greb eller knivspids, og 3-dimensionelle opgaver konventionel spejl terapi. For det andet, vi ikke løse albueleddet af den sunde arm for at bevare fysiologisk bevægelse så meget som muligt. begrænsning af den række af albue bevægelse, vil dog være hensigtsmæssigt at styrke SYNkroniske med det modsatte albue, som bevæges af motoren. Modificering af systemet ved at installere yderligere struktur, der fastgør den sunde side albue vil forbedre synkronicitet og vil derfor øge effekten af terapien. For det tredje kunne patienter, som havde svær spasticitet eller stivhed ikke medtages på grund af utilstrækkelig motoreffekt, selv om fælles bevægede sig langsomt. Systemet kan ændres ved at erstatte motoren med højere drejningsmoment for at overvinde moderat stivhed. Men selv med kraftig motor, bør undgås behandling til patienter med alvorlige niveauer af spasticitet eller stivhed for at forhindre sene eller knogleskader grund af overdreven kraftpåvirkning på leddene.
Vi mener imidlertid, at spejlet robotsystem præsenteret heri, kan let udvikles og udnyttes effektivt til at fremme ergoterapi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af Brain Fusion Program for Seoul National University (800-20120444) og Interdisciplinært Research Initiativer Program fra Ingeniørhøjskolen og College of Medicine, Seoul National University (800-20.150.090).
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).
