Summary
Wir entwickelten ein Echtzeit-Spiegel Robotersystem für die funktionelle Erholung von gelähmte Arme mit Hilfe der automatischen Steuerungstechnik, führte eine klinische Studie an gesunden Probanden und bestimmten Aufgaben durch Feedback von Reha-Ärzte. Diese einfache Spiegel Roboter kann mit einem gelähmte Arm effektiv zu Ergotherapie bei Schlaganfall-Patienten angewendet werden.
Abstract
Spiegeltherapie wurde für die funktionelle Wiederherstellung eines hemiplegic Arm nach Schlaganfall als wirksame Beschäftigungstherapie in einem klinischen Umfeld durchgeführt. Es wird durch Hervorrufen einer Illusion durch Verwendung eines Spiegels durchgeführt, als ob der hemiplegic Arm in Echtzeit zu bewegen, während das gesunde Arm bewegt. Es kann Gehirn Neuroplastizität durch die Aktivierung des sensomotorischen Kortex erleichtern. Allerdings hat herkömmliche Spiegeltherapie eine entscheidende Einschränkung, dass der gelähmte Arm ist nicht wirklich zu bewegen. So entwickelten wir eine Echtzeit-2-Achsen-Spiegel Robotersystem als ein einfaches Add-on-Modul für konventionelle Spiegeltherapie eine geschlossene Rückkopplungsmechanismus, der in Echtzeit die Bewegung des hemiplegic Arm ermöglicht. Wir haben 3 Attitude and Heading Reference System Sensoren, 2 bürstenlose Gleichstrommotoren für Ellbogen und Handgelenken und exoskeletal Rahmen. In einer Machbarkeitsstudie auf sechs gesunden Probanden, Roboterspiegeltherapie war sicher und machbar. Wir weiteren ausgewählten Aufgaben, die für Tätigkeiten von daily leben von Rehabilitation Ärzte Ausbildung durch Feedback. Eine chronische Schlaganfallpatienten zeigten eine Verbesserung in der Fugl-Meyer-Bewertungsskala und Ellbogen Flexorspastizität nach einer 2-wöchigen Anwendung des Spiegels Robotersystem. Robotic Spiegeltherapie proprioceptive Eingang des sensorischen Kortex erhöhen können, die in Neuroplastizität und funktionelle Erholung von hemiplegic Waffen als wichtig angesehen wird. Der Spiegel Robotersystem präsentiert hier leicht effektiv entwickelt und genutzt werden kann Ergotherapie voranzutreiben.
Introduction
Bei Patienten mit Schlaganfall, Dysfunktion eines gelähmte Arm hat lähmende Wirkung. Die Fähigkeit bimanuellen Aktivitäten auszuführen ist von wesentlicher Bedeutung für das tägliche Leben, aber funktionelle Defizit eines gelähmte Arm bleibt oft noch ein paar Jahre nach Beginn des Schlaganfalls. Unter den verschiedenen Trainingsprogrammen im Krankenhaus, eine Übung, die Beweglichkeit oder passive Wiederholung zu erhöhen, einfache Aufgaben nur geringe Auswirkungen auf die funktionelle Erholung von einem gelähmte Arm haben. Aus diesem Grund, die Ausbildung von sinnvollen Aufgaben im Zusammenhang mit Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL) wurde Ergotherapie in Krankenhäusern angewendet.
Die Auswirkungen der Spiegeltherapie wurden 1-4 von früheren Studien in der Neurorehabilitation unter Beweis gestellt. Spiegeltherapie wird durch Hervorrufen einer Illusion durch die Verwendung eines Spiegels durchgeführt, als ob der hemiplegic Arm in Echtzeit zu bewegen, während das gesunde Arm bewegt. Es kann Gehirn Neuroplastizität durch die Aktivierung des sensomotorischen Kortex 1 erleichtern. So motor Leistung und Funktion des gelähmte Arm kann verbessert werden. Allerdings hat herkömmliche Spiegeltherapie eine entscheidende Einschränkung, dass der gelähmte Arm ist nicht wirklich zu bewegen.
Daher entwickelten wir eine Echtzeit-2-Achsen-Spiegel Robotersystem als einfaches Zusatzmodul zu herkömmlichen Spiegeltherapie, geschlossenen Rückkopplungsmechanismus verwendet wird. Dies kann propriozeptiven Eingang an den sensorischen Kortex vermitteln, die in neuroplasticity und funktionellen Wiederherstellung eines gelähmten Armes wichtig angesehen wird (1 und 2) 5-7.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle Verfahren wurden von der Institutional Review Board von Seoul National University Hospital überprüft und genehmigt.
1. Spiegeltherapie Aufgaben
- Beispiele für 2-dimensionale Spiegeltherapie Aufgaben (Figur 3)
- Frei den gesunden Arm zu bewegen, während in den Spiegel ca. 5 min für Aufwärmübung suchen.
HINWEIS: Man kann ein Metronom nutzen, so dass der Patient die Bewegung des gesunden Arm in rhythmischer Weise ausüben können. - Auf gesunden Seite, dribbeln und eine kleine Kugel in das gewählte Loch ähnlich wie Billard für ca. 5 min ( "Ball in Löcher" Task) platzieren. Dribbeln und legen Sie eine kleine Kugel in ein Ziel ähnlich wie Fußball für ca. 5 min ( "Fußballspiel" Task).
- Mit nummerierten Aufkleber auf einem Tisch platziert, bewegen Sie den Griff an gesunden Seite in numerischer Reihenfolge und zurück in umgekehrter Richtung ( "Dots Tracing" Task). Wiederholen Sie für ca. 5 min.
- Mit Hilfe eines Objekts im täglichen Leben wie acnach oben auf gesunden Seite mit Griff, schieben Sie es an einen beliebigen Ort (Aufgabe "eine Tasse Moving"). Wiederholen Sie für ca. 5 min.
- Frei den gesunden Arm zu bewegen, während in den Spiegel ca. 5 min für Aufwärmübung suchen.
2. Komponenten des Spiegel-Robotersystem
- AHRS Sensoreinstellungen
- Erhalten Sie 3 im Handel erhältlich AHRS-Sensoren.
HINWEIS: AHRS-Sensoren bestehen aus einem magneto Sensor, Beschleunigungssensor und Gyrosensoren (insgesamt 9-Achse). - Schließen Sie den AHRS-Sensor an einen PC mit USB-Anschluss.
- Verwenden Sie Hyper-Terminal oder andere Kommunikationssoftware auf allgemeine Sensoreinstellungen zu konfigurieren.
- Für jeden Sensor AHRS, auf RS232-Kommunikation, und wählen Sie COM-Port eingestellt. Dann setzen Baudrate auf 115.200 Bits pro Sekunde, Datenbits bis 8, Parität keine, Stoppbits: 1 und Flusskontrolle keine.
- Um den COM-Port überprüfen, klicken Sie auf Home-Taste auf unteren linken Ecke. Rechtsklick auf Computer. Dann klicken Sie auf Eigenschaften. Klicken Sie auf Geräte-Manager. Expand-Port (COM und LPT) Registerkarte durch Anklicken aus.
- Sobald die communication wurde auf 100 festgelegt, stellen Sie Kanal und weisen IDs für jeden Sensor.
ANMERKUNG: Manche Sensoren Kalibrierung der Beschleunigungsmesser benötigen, Gyroskop und Magnetometer vor dem Gebrauch. - Set Ausgabeformat als Quaternionen und Satz Sensoren Batteriereserve anzuzeigen.
HINWEIS: Quaternionen verwendet werden, als auch zu beschleunigen Computing als Gimbal Lock Singularitäten zu beseitigen.
- Erhalten Sie 3 im Handel erhältlich AHRS-Sensoren.
- Brushless DC-Motor-Einstellungen
- Bereiten Sie 2 Hochleistungs-Brushless DC-Motoren und Steuerungen.
- Für jeden Controller, schließen Sie das Stromkabel an eine Stromversorgung. Verbinden Sie außerdem das Motorkabel, Hall-Sensor-Kabel und Geberkabel an den Motor.
- Schließen Sie CAN-CAN-Kabel an einen anderen Controller.
HINWEIS: CANopen ist für die Kommunikation zwischen Geräten verwendet. - Set Node-ID für jede Steuerung zwischen Geräten zu unterscheiden.
- Verbinden Sie das USB-Kabel an den PC für die allgemeine Konfiguration.
- Schalten Sie die Stromversorgung an die Macht der controllers und Motoren.
- Verwenden Sie den Motor vom Hersteller zur Verfügung gestellt Systemkonfigurationssoftware konfigurieren und optimieren den Motor, Hall-Sensor und Encoder.
HINWEIS: Winkelbegrenzungen und Ruhestellung muss für den sicheren Betrieb konfiguriert werden.
- Montage von Rahmen und Motoren
HINWEIS: Jedes Maß an Anführungszeichen gestattet. Bitte beachten Sie die Tabelle der Materialien und Ausrüstungen und von 4 bis Abbildung 13.- Für das Ellenbogengelenk Motor, legte eine der Kupplungskörper mit Nut auf der Motorwelle und sichern einen M5 Sechskantschraube (Abbildung 4).
- Secure "Winkelkupplung Hohlzylinderdeckel" an den Ellenbogen Motor mit 4x M5 Innensechskantschrauben (10 mm) und platzieren Sie den Pufferteil der Kupplungen (Mitte Schieberteil) an der Oberseite des Kupplungskörpers, der in Schritt 2.3.1 angebracht wurde (Abbildung 4).
- Stecken Sie das Kugellager in "Elbow Dachrahmen"und befestigen Sie es mit 4x M4 Innensechskantschrauben (8 mm) (Abbildung 5).
- Stecken "Elbow Motorkraft Dispersionswelle" in die "Untere Ellenbogen-Unterstützung" und sichern Sie sie mit 4x M3 Sechskantschrauben (6 mm). Dann setzen Sie "Ober Ellenbogen - Unterstützung" auf dem "Lower Ellenbogen - Unterstützung" und sichern Sie es 8x M3 Zylinderkopfschrauben (12 mm) (Abbildung 6).
- Legen Sie die Montage in Schritt 2.3.4 an der Spitze, die Montage in Schritt 2.3.3 in der Mitte und dem letzten Teil des Kupplungskörpers an der Unterseite. Verbinden Sie alle zusammen und sichern Sie den Kupplungskörper mit M5 Sechskant - Schrauben (10 mm) (Abbildung 7).
- Sichere Montage in Schritt 2.3.5 und Montage in Schritt 2.3.2 mit 4x M5 Innensechskantschrauben (15 mm) (Abbildung 7). Drehen Montage in Schritt 2.3.2 alle 4 Punkte zu sichern.
- Secure "Untere Handgelenk Kupplung Hohlzylinderdeckel" mit dem Handgelenk Motor mit 4x M4 Zylinderkopfschrauben (10 mm). Legen Sie dann eine derdie Kupplungskörper mit Nut auf der Motorwelle und befestigen Sie es M4 Sechskant-Set mit Schrauben; Dann legen Sie den Pufferteil der Kupplungen auf der Oberseite des Kupplungskörpers (Abbildung 8).
- Attach "Reibungsreduzierung Ring" auf der "Wrist Dachrahmen" mit einem doppelseitigen Klebeband oder jede Art von Klebstoff (Abbildung 9).
- Stecken "Wrist Motorkraft Dispersionswelle" in "Griff" und sichern Sie es 4x M2.5 Kantschrauben (4 mm) (Abbildung 10).
- Platzieren Baugruppe in Schritt 2.3.9 auf, die Montage in Schritt 2.3.8 in der Mitte und im letzten Teil des Kupplungskörpers an der Unterseite. Verbinden Sie alle zusammen und sichern Sie den Kupplungskörper mit M4 Sechskant - Schrauben (10 mm) (Abbildung 10).
- Secure "Wrist motor2roof2" mit der Montage in Schritt 2.3.10 mit 4x M3 Sechskantschrauben (Abbildung 11).
- Sichere Montage in Schritt 2.3.11 und Montage in Schritt 2.3.7 unsing 4x M3 Sechskantschrauben (15 mm) (Abbildung 11).
- Sichere 2 "Joint Bewegungslimitierer" und 2 Domschachtkragen mit 4x M4 Innensechskantschrauben (15 mm) (Abbildung 12A).
- Verwenden Sie Domschachtkragen Wellen zu sichern und "Wrist Dachrahmen" mit 8x M3 Sechskantschrauben (8 mm) (Abbildung 12B).
- Schieben Sie Domschachtkragen in der Montage 2.3.13 in die Schächte in der Montage 2.3.14 und sichern zusätzliche Domschachtkragen mit "Tiefer Ellenbogen-Unterstützung" mit 4x M4 Zylinderkopfschrauben (15 mm). Dann kommen die beiden Teile und sichern mit Hebel (13A).
- Secure "Stützwand" , um die Montage in Schritt 2.3.15 mit 6x M4 Innensechskantschrauben (15 mm) (Abbildung 13B). Sichern Sie den Tischständer und Montage in Schritt 2.3.16 mit 6x M6 Innensechskantschrauben (15 mm) (Abbildung 13C).
3. Entwurf von Mirror Robot-System
- Mathematisches Modell für die automatische Steuerung
- Set dynamisches Modell für die automatische Steuerung der oberen Extremität Bewegung (Abbildung 14).
HINWEIS: Ein dynamisches Modell des menschlichen oberen Extremität Bewegung kann mit Kinematik der Gelenke und Verbindungen ausgedrückt werden. Daher ist es eine Gleichung für den Roboter-Manipulator verwendet, kann die Modellierung erhalten werden, wie unten gezeigt:
HINWEIS: (
: Gemeinsame Position Vektor, 
: Gemeinsame Geschwindigkeitsvektor, 
: Gemeinsame Beschleunigungsvektor, H: Trägheitsmatrix, F: Coriolis und Zentrifugalkraft Matrix, G: Vektor der Gravitationskräfte, E: Drehmoment Matrix aufgrund mit der Umwelt-Interaktion, 
: Vektor der generali forc es zu den Gelenken angewendet) Der gelähmte und gesunden Arm zeigen verschiedene Aspekte der Bewegung. Das heißt, der gelähmte Arm nicht aufgrund gelähmten Muskeln in der Zeit bewegen kann oder nicht genug Drehmoment für Bewegung benötigt bereitzustellen. Daher ist das System so ausgelegt, dass die Rehabilitationstraining über normale Bewegung durch den gelähmten Armes durchgeführt werden kann; mit anderen Worten wird die Sanierungsroboter des Patienten gelähmte Arm angebracht, um Bewegungen von der gesunden Arm zu liefern und einfach formuliert werden können, wie folgt:
Die Bewegung des Sanierungsroboter) = (Gesunde Armbewegung) - (gelähmte Arm-Bewegung). - Mit einem Sanierungsroboter, befestigen Sie den gelähmten Arm des Patienten mit dem Manipulator und beobachten zusätzliches Drehmoment und eine Zeitverzögerung aufgrund der gelähmte Arm Fehler im Gesamtsystem verursacht. Ermitteln Sie dies über einen Manipulator auf der betroffenen Seite.
- Messen Fehler (s (t): Tracking Error) als mathematische Gleichung:
es / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
HINWEIS: (s: Tracking Error,
: Positive bestimmte Design-Parameter-Matrix, 
: Fehler zwischen Soll- und Ist-Position, 
: Fehler zwischen Soll- und Ist-Geschwindigkeit) Die obige Spurfehler mit einem dynamischen Modell des menschlichen oberen Extremität Bewegung kombiniert werden können, und kann ausgedrückt werden als: 
HINWEIS: (K D: Derivative Gain - Wert mit Feedback - Kompensation , die im Laufe der Zeit ändert,
: Inertia Fehlermatrix, 
: Coriolis und Matrix Zentrifugalkraft Fehler) - Um jedes Gelenk des Sanierungsroboter zu steuern, verwenden LwGangian Dynamik 8. Eine dynamische Gleichung für jedes Gelenk der Bewegung ist:
HINWEIS: (D: Koeffizient Matrix,
: Antrieb Trägheitsmatrix) Koeffizient D in der Gleichung wirkt sich über das Drehmoment zwischen den Gelenken mit inertialen Kopplungseffekt zwischen den Gelenken 8. Die automatische Steuerung Modell dieses mathematischen Modells können 14 durch das Blockdiagramm in Abbildung dargestellt.
- Set dynamisches Modell für die automatische Steuerung der oberen Extremität Bewegung (Abbildung 14).
- Software - Protokoll (Abbildung 15)
- Wenn das Programm startet, die Kommunikation mit Motoren und Sensoren, und die Werte zu initialisieren. Sobald die Motoren und Sensoren an der Ausgangsposition sind (siehe 4.1.3), bewegen sich zur Hauptschleife auf.
HINWEIS: Für die Abtastfrequenz der Hauptschleife, empfehlen wir 50 bis 200 Abtastungen / Sek. Für die maximale Verzögerung, empfehlen wir 2 Sekunden bei den meisten. Zusätzlich zur Drehmomentgrenzen wirempfehlen den Motorstromwert mit Software so zu regeln, dass der Ellenbogen Motor 25 ausüben kann - 40 Nm und Motor ausüben kann Handgelenk 10 - 20 Nm. - Da es nicht durch eine Stopp-Taste unterbrochen wird, lesen Sie kontinuierlich die Attitude Heading Reference System (AHRS) aktuellen Positionswerte der Sensoren die Werte an die Motoren zu übertragen.
HINWEIS: Die Datenausgabe in Quaternionen ist, und sollte richtig in den gewünschten Winkel für Roboterbewegung umgewandelt werden. Wählen Sie eine der Sensorkoordinatenrahmen als Referenz, und setzen die anderen Sensorkoordinatenrahmen. Mit berechneten Rahmen als Referenz verwenden inverse Kinematik die Endausgabe Gierwinkel zu erhalten. - Da es nicht durch eine Stopp-Taste unterbrochen wird, ständig die Positionen der Motoren zu überprüfen und um die Werte zu aktualisieren Bewegung in die gewünschte Position durch die AHRS Sensoren zu erreichen.
HINWEIS: Die Motorposition wird durch den Motor des Gebers zur Verfügung gestellt, die innerhalb der Software mit dem Motor Company & # geprüft werden kann39; s zur Verfügung gestellten Software-Bibliothek Befehl. - Inzwischen erfassen alle Winkel und Winkelgeschwindigkeiten von den AHRS-Sensoren.
- Sobald die Aufgaben abgeschlossen sind und der Benutzer drückt die Stopp-Taste, beenden Sie die Schleife und den Roboter zum Abschluss bringen, indem sie es in die Ausgangsposition zu bewegen.
- Wenn das Programm startet, die Kommunikation mit Motoren und Sensoren, und die Werte zu initialisieren. Sobald die Motoren und Sensoren an der Ausgangsposition sind (siehe 4.1.3), bewegen sich zur Hauptschleife auf.
- Grafische Benutzeroberfläche (GUI) (Abbildung 16)
- Add "Fehler in" und "Fehler aus" Funktionen zur Erkennung und Debug-Fehler während der Ausführung.
- In patientenseitige Taste, um den Roboterbetrieb Seite (Patienten paretisch Seite) zu wählen.
- Konstruieren Sie eine Patienteninformationsfeld, um die Patienten zu identifizieren.
- In Motorstatusanzeigen.
- Hinzufügen Winkelbegrenzung Kontrollen für die Sicherheit.
- Legen Sie die maximale Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung für jeden Motor Muskel- und Sehnenverletzungen aufgrund eines steifen oberen Extremität zu verhindern.
HINWEIS: Das System spiegelt die Beschleunigung und Verzögerung des gelähmte Arm. - EINdd Indikatoren Motorposition und -geschwindigkeit, und Eingangsstrominformation abzurufen.
- Erstellen Sie eine VISA-Ressourcenname Kontrolle, um eine Kommunikation zwischen AHRS-Sensoren und dem System.
- Fügen Sie eine Kalibrierungsfunktion aufgelaufenen Sensordriftfehler zu beseitigen.
- Ordnen Sie die Anzeige für die Sensoren, um Sensorinformationen abzurufen.
HINWEIS: Die Sensorinformationen enthält die Gelenkwinkel (Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sensoren) und Batteriereserve.
- Überwinden Arm Spastik bei Spiegel Roboterbetrieb
- Wählen Sie Motoren, die genügend Drehmoment zu überwinden Spastizität für jedes Gelenk ausüben kann.
HINWEIS: Wrist Motor sollte die Drehmomentabgabe von mehr als 10 Nm, und Ellbogenmotor höher als 25 nm aufweisen. - Um die Roboterbewegung auf den Arm des Patienten zu fest zu übertragen, verwenden Riemen, die aus halbelastischen Material hergestellt sind, den Unterarm im Roboter Exoskelett zu beheben.
HINWEIS: Semi-elastische Bänder, wie stretch Stoffe Riemen oder Polyester / Nylon elastischen geflochtenen Riemen, werden empfohlen. Wenn die Bänder zu elastisch sind, wird es nicht den Arm in Position zu halten. Wenn die Riemen überhaupt nicht elastisch sind, Muskel- oder Sehnenverletzungen im Fall von einem hohen Grad an Ellenbogen Spastizität auftreten können. - Um Ellenbogen und Handgelenk Bewegung zu isolieren, verwenden Sie zwei festen Rahmen mit einer Welle Kragen kombiniert, um das Handgelenk zu beheben, indem sie in den Rahmen quetschen.
HINWEIS: Wellenringe werden verwendet, um Muskel- und Sehnenverletzungen, wenn die Steifigkeit im Handgelenk zu groß ist zu verhindern. - Verwenden Sie Riemen um den Griff der Hand an den Roboter zu reparieren.
- Wählen Sie Motoren, die genügend Drehmoment zu überwinden Spastizität für jedes Gelenk ausüben kann.
: Gemeinsame Position Vektor, 
: Gemeinsame Geschwindigkeitsvektor, 
: Gemeinsame Beschleunigungsvektor, H: Trägheitsmatrix, F: Coriolis und Zentrifugalkraft Matrix, G: Vektor der Gravitationskräfte, E: Drehmoment Matrix aufgrund mit der Umwelt-Interaktion, 
: Vektor der generali forc es zu den Gelenken angewendet) Der gelähmte und gesunden Arm zeigen verschiedene Aspekte der Bewegung. Das heißt, der gelähmte Arm nicht aufgrund gelähmten Muskeln in der Zeit bewegen kann oder nicht genug Drehmoment für Bewegung benötigt bereitzustellen. Daher ist das System so ausgelegt, dass die Rehabilitationstraining über normale Bewegung durch den gelähmten Armes durchgeführt werden kann; mit anderen Worten wird die Sanierungsroboter des Patienten gelähmte Arm angebracht, um Bewegungen von der gesunden Arm zu liefern und einfach formuliert werden können, wie folgt: 
: Positive bestimmte Design-Parameter-Matrix, 
: Fehler zwischen Soll- und Ist-Position, 
: Fehler zwischen Soll- und Ist-Geschwindigkeit) Die obige Spurfehler mit einem dynamischen Modell des menschlichen oberen Extremität Bewegung kombiniert werden können, und kann ausgedrückt werden als: 
: Inertia Fehlermatrix, 
: Coriolis und Matrix Zentrifugalkraft Fehler) 
: Antrieb Trägheitsmatrix) Koeffizient D in der Gleichung wirkt sich über das Drehmoment zwischen den Gelenken mit inertialen Kopplungseffekt zwischen den Gelenken 8. Die automatische Steuerung Modell dieses mathematischen Modells können 14 durch das Blockdiagramm in Abbildung dargestellt. 4. Klinische Anwendung des Spiegels Robotersystem
- Durchführung von Roboterspiegeltherapie
- Einstellen Höhe und Breite der Aufgabentabelle in Übereinstimmung mit dem Zustand des Patienten.
- Legen Sie einen Spiegel in der Mittellinie zwischen den beiden Arme nach oben, und legen Sie es auf einem Tisch oder einer Plattform.
- Platzieren Sie AHRS-Sensoren am Handgriff, Handgelenk-Rahmen und Rand der Plattform, auf gesunde seitige Ausrichtplatte parallel zu der Orientierung des Roboters.
HINWEIS: Die interne Gierachse sollte der Sensor werden nach oben zeigt. - Führen Sie die Therapie-Software in einem Computer.
- Wählen Sie die gelähmte Seite durch den Patienten-Side-Schalter klicken.
- Stellen Sie die maximale Gelenkwinkel Grenzen nach Patientengelenks Zustand. Für einen sicheren Betrieb verwenden Grenze Ellbogenflexion weniger als 50 °, Ellenbogen Verlängerung Grenze mehr als -70º, Grenze Handgelenkflexion weniger als 80º und Handgelenk Verlängerung Grenze mehr als -60º.
HINWEIS: Plus- und Minuszeichen werden automatisch korrigiert und Grenzwerte werden auch dann, wenn außerhalb der Grenzen in der Software-Ebene korrigiert. - Setzt die maximale Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung. Für diese Werte verwenden Geschwindigkeitswert zwischen 0 und 22,5 Umdrehungen pro Minute für Winkelmotor und Verwendung Geschwindigkeitswert zwischen 0 und 33 Umdrehungen pro Minute für Handgelenk Motor.
HINWEIS: Bei herkömmlichen Spiegeltherapie, setzen Sie alle Werte auf Nullden Roboter zu immobilisieren. - Füllen Sie Patienteninformationen.
- Schalten Sie alle AHRS-Sensoren vor dem Ausführen des Programms.
- Führen Sie das Programm, indem Sie den Pfeil in der linken oberen Ecke des Programms klicken.
- Sobald die Aufforderung Pops "Speichern unter" auf, schreiben richtige Dateinamen für die Ergebnisdaten auf der Saite Feld ein und drücken Sie OK.
- Während der Roboter und der gesunde Arm in Ausgangsposition sind (beide Hände vom Körper weg und parallel zueinander), drücken Sie die Kalibrierungstaste Sensorwerte auf Null für die Ausgangsposition zu initialisieren.
HINWEIS: Siehe Schritte 1.1.1 - 1.1.4 für die Hände bei dieser Aufgabe eingesetzt. - STOP-Taste drücken, wenn alle Aufgaben abgeschlossen sind.
HINWEIS: Für die Roboterspiegeltherapie, ein biomedizinisches Ingenieur sollte als Hauptkoordinator fungieren, und die Beschäftigungstherapeuten sollte den Patienten helfen.
- Klinische eine Studie an gesunden Probanden
- Führen Sie eine klinische Studie an gesunden Probanden bestätigenSicherheit und Durchführbarkeit 8. Geben Sie den Befehl ( "Do not Ihre hemiplegic Arm auf eigene Faust zu bewegen.") Zu den Themen für die vollständig passive Bewegung des hemiplegic Arm.
- Legen Sie beide Unterarme auf den Rahmen, und die Hände an den Griffen. Dann befestigen Sie die Unterarme mit Riemen.
- Bewertung der therapeutischen Wirkungen
- Vor der Therapie führen funktionelle Auswertungen wie Fugl-Meyer - Bewertungsskala 9, modifizierte Ashworth Skala 10, modifizierte Barthel - Index 11, Jebsen Handfunktionstest, Handkraftmessung, Visueller Neglect - Test und motorisch evozierte Potential Test für die Patienten.
- Führen klinischen Studie für Schlaganfallpatienten mit 2-dimensionalen Spiegel Roboter für 30 - 60 min pro Tag. Geben Sie den Befehl ( "Do not Ihre hemiplegic Arm auf eigene Faust zu bewegen."), Um die Patienten.
- Nachdem die Patienten letzten Sitzung zu erreichen, Verhalten Follow-up-funktionelle Auswertungen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sechs gesunde Probanden führte eine "Stift Markierung Aufgabe" (berühren Sie die beiden kleinen Bretter abwechselnd mit einem Stift auf der gesunden Hand angebracht , wie in Abbildung 17 dargestellt) 10 - mal , die pro Person auf durchschnittlich 106 Sekunden dauerte. Keine unerwünschten Ereignisse beobachtet und Roboterspiegeltherapie wurde bewiesen, machbar zu sein.
Darüber hinaus wurde eine klinische Studie zur Rehabilitation Ärzte durchgeführt. Wir baten um Gutachten zu entsprechenden Aufgaben für eine effektive Roboter Spiegel Ergotherapie bestimmen. Mit Feedback von 6 Rehabilitation Ärzte, der Grad der Illusion, die durch den Spiegel Roboter ausgelöst war am höchsten für "Ball in Löcher" und "Bewegen einer Tasse" Aufgaben (7,2 von 10 auf einer numerischen Ratingskala [NRS] für jeden), gefolgt von "Fußballspiel" (7.0 / 10) und "Punkte Tracing" Aufgaben (6.5 / 10). In Bezug auf die Synchronität der Bewegung zwischen beiden Armen währendRoboterspiegeltherapie, hatte 7,0 / 10 eine NRS - Score von Aufgabe "eine Tasse bewegen", gefolgt von "Fußballspiel" und "Punkte Tracing" (6.8 / 10 pro Person ), und "Ball in Löcher" (6.2 / 10) (Abbildung 3). Unter diesen vier Aufgaben empfohlen Rehabilitation Ärzte "Fußballspiel" als eine nützliche Aufgabe für ADL-Training bei Patienten mit Schlaganfall.
Wir führten eine klinische Studie für Schlaganfall-Patienten mit Spiegel Roboter für 30 Minuten pro Tag für 2 Wochen (10 Sitzungen). Themen müssen die folgenden Aufnahmekriterien zu erfüllen: 1) über 18 Jahre alt; 2) supratentoriellen Schlaganfall diagnostiziert zwischen 4 Monaten bis 6 Jahren; und 3) der oberen Extremitäten hemiplegia mit Medical Research Council (MRC) Grad 2 oder weniger. Hauptausschlusskriterien sind wie folgt: 1) modifizierte Ashworth Skala von Grad 3 oder mehr (schwere Spastik); 2) Mini-Mental State Examination Score von weniger als 12; und 3) global oder sensorische Aphasie.
10. Besuch erreicht, dirigierte er funktionelle Auswertungen Follow-up. Die Fugl-Meyer-Bewertungsskala des gelähmte Arm verbessert von 12 bis 17 aus 66, und modifizierte Ashworth Skala von Ellbogenbeuger (für Spastik) wurde von Klasse 2 bis 1+ reduziert. Linke seitliche Klemmleistung wurde von 0 bis 3 Pfund erhöht Andere Parameter ergab keinen Unterschied vor und nach der Roboter - Spiegeltherapie (Abbildung 18 und Tabelle 1).
Abbildung 1. Konzeptionelle Fluss für den Roboter - Mirror Therapie Propriozeptive Eingang zu erleichtern. Das Experiment ist so konzipiert , in Übereinstimmung mit der konzeptionellen Fluss für den Roboter - Spiegeltherapie.
Abbildung 2. Ein Diagramm des Spiegels Robotersystem. Die Bewegungen des gesunden Arm sind mit dem Exoskelett projiziert auf die gelähmte Arm befestigt durch einen Software - Algorithmus durch Eingabe von 3 AHRS - Sensoren. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
. Abbildung 3. Verschiedene Aufgaben der Spiegel Robot - System mit dem Benutzer kann durch 2-dimensionale Aufgaben geschult werden; Ball in Löcher, Fußballspiel, Punkte Tracing und Bewegeneine Tasse. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. Elbow Motormontage. Montageschritte für Ellenbogengelenk Motor, Kupplungen und Winkelkupplung Hohlzylinderabdeckung.
Abbildung 5. Lager & Elbow Dachrahmenmontage. Montage zwischen dem Lager und dem Ellbogen Dachrahmenanordnung.
Abbildung 6. Elbow Support Montage. Montageschritte für Ellenbogen Motorkraft Dispersionswelle, obere e LBOW Unterstützung und untere Ellenbogen-Unterstützung.
Abbildung 7. Elbow Support & Ellenbogenmotormontage. Montageschritte für die Ellenbogen - Unterstützung und den Ellenbogen Motor.
Abbildung 8. Handgelenk Motormontage. Montageschritte für Handgelenk Motor, Kupplungen und unteren Handgelenk Kupplung Hohlzylinderabdeckung.
Abbildung 9. Reibungsreduzierung Ring. Die Befestigung des Reibungsreduzierung Ring am Handgelenk Dachrahmen.
ad / 54521 / 54521fig10.jpg "/>
Abbildung 10. Griff Montage. Montageschritte für den 3D - Druck Griff, Kupplung und das Handgelenk Motorkraft Dispersionswelle.
Abbildung 11. Handle & Handgelenk Motormontage. Montageschritte für das Handgelenk Motor und den Griff.
Abbildung 12. Gemeinsame Bewegungslimitierer Montage. Montageschritte für die (A) gemeinsame Bewegungslimitierer, (B) Längenanpassung Welle und die montierten Griff.
Abbildung 13. Endmontage.Montageschritte für die (A) montiert Ellenbogen Motorteil mit dem Teil Handgelenkeinheit Motor mit Domschachtkragen und Welle, (B) montiert Roboter mit den Stützwänden, und (C) montiert Roboter mit dem Task - Tabelle. Bitte klicken Sie hier anzuschauen größere Version der Figur.
Abbildung 14. Blockschema der automatischen Steuerung Mathematisches Modell. Das Exoskelett Roboter nutzt geschlossenen Feedback - Mechanismus für die Echtzeitsteuerung.
Abbildung 15. Insgesamt Software - Programm. Das Software - Programm verwendet eine enged - Feedback - Mechanismus , das Robotersystem zu fahren. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 16. GUI des Programms. Der Benutzer kann das Programm für die Therapie über das GUI zu steuern und zu konfigurieren. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 17. Ein Stift Kennzeichnung Aufgabe in 6 gesunden Probanden Prototyp Spiegel Robotersystem verwendet wird . Die Durchführung einer Stiftmarkierung Aufgabe 10 mal hintereinander auf pro Fach durchschnittlich 106 Sekunden dauerte.
Abbildung 18. Funktionelle Auswertung eines 60-jährigen männlichen Patienten mit chronischer rechten Basalganglien Einblutung. Hauptuntergruppen von Daten , die nach 10 Sitzungen von Roboterspiegeltherapie Verbesserung zeigte. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Vor | Nach 10 Sitzungen | |
| Mini-Mental State Examination | 29 | - |
| Fugl-Meyer - Bewertungsskala (Obere Extremität) | 12 | 17 |
| Schulter/Ellbogen | 11 | 15 |
| Handgelenk | 0 | 1 |
| Hand | 1 | 1 |
| Modifizierte Ashworth Skala | ||
| Elbow Beuge | 2 | 1+ |
| Handgelenkbeuge | 0 | 0 |
| Geändert Barthel - Index (Obere Extremität) | 25 | 25 |
| Jebsen Handfunktionstest | Option Nicht überprüfbare | Option Nicht überprüfbare |
| Linke Hand Kraft (lb) | ||
| Griff | 8 | 8 |
| Lateral pinch | 0 | 3 |
| Palmar pinch | 0 | 0 |
| Halbseitenneglect Test | ||
| Linie bisection Test | 6/6 jeder | 6/6 jeder |
| Albert - Test | 12.12 je | 12.12 je |
| Motor evozierte Potentiale | Keine Antwort | Keine Antwort |
Tabelle 1. Funktionelle Auswertung eines 60-jährigen männlichen Patienten mit chronischer rechten Basalganglien Blutung.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Das primäre Ziel dieser Studie war es, ein Echtzeit-Spiegel Robotersystem für die funktionelle Wiederherstellung eines gelähmten Armes unter Verwendung eines automatischen Steueralgorithmus zu entwickeln. Die Wirkung von robotergestützten Therapie auf langfristige Erholung der oberen Gliedmaßen Beeinträchtigung nach Schlaganfall wurde in früheren Studien 12, und verschiedene Arten von Arm Roboter wurden 13-20 eingeführt als vorteilhaft erwiesen. Frühere Studien der oberen Extremität Roboter jedoch, dass bilaterale Armbewegung realisiert angelegten mechanischen Verbindungen ohne Verwendung eines Spiegels, der aus dem Konzept der Spiegeltherapie 14-15 unterscheidet. Somit können unsere Studie eine Erweiterung ihrer Arbeit durch einen tatsächlichen Spiegel mit propriozeptiven Input zu erleichtern.
Um das vorherige System zu aktualisieren, aktivieren wir die gelähmte Arm in Echtzeit bewegen, indem AHRS-Sensoren auf den gesunden Arm und Anbringen Motoren an den hemiplegic Ellenbogen und Handgelenk. Propriozeptive Eingabe von dem hemiplegic Arm dersensorischen Kortex des Gehirns kann durch den Spiegel Robotersystem verbessert werden. Facilitation der Propriozeption muss durch funktionelle MRT des Gehirns in einer zukünftigen Studie bestätigt werden.
Es ist wichtig, dass das System mindestens Synchronisationsverzögerung zu haben, da die Spiegeleffekt maximiert wird, wenn die Verzögerung minimiert wird. Um dies zu erreichen, wir abgerufene Daten von Sensoren mit einem Minimum an notwendigen Byteanzahl während sie parallel in einer Schleife innerhalb der Softwarearchitektur zu lesen. Als Ergebnis ist die Synchronisationsverzögerung zwischen dem gesunden Arm und dem Roboter nur etwa 0,04 bis 0,40 sec.
Es gibt mehrere Einschränkungen in dieser Studie. Zunächst konnten wir nicht feinen Fingerbewegungen sind wie Griff oder Zuziehen, und 3-dimensionale Aufgaben herkömmlicher Spiegeltherapie. Zweitens, wir haben nicht das Ellbogengelenk des gesunden Arm befestigen, um physiologische Bewegung so weit wie möglich zu erhalten. Allerdings Einschränkung des Bereichs der Winkelbewegung wäre hilfreich, syn zu verbessernChronizität mit dem gegenüberliegenden Ellbogen, die durch den Motor bewegt wird. Ändern des Systems durch zusätzliche Struktur installieren, die die gesunde Seite Ellenbogen sichert die Synchronität zu verbessern und damit die Wirkung der Therapie erhöhen. Drittens Patienten, die eine schwere Spastik oder Steifheit hatte, konnte nicht wegen unzureichender Motorleistung aufgenommen werden, auch wenn das Gelenk langsam bewegt. Das System könnte durch den Austausch des Motors mit einer höheren Drehmomentabgabe geändert werden moderate Steifheit zu überwinden. Aber auch bei starken Motor, Behandlung von Patienten mit schwerer Ebenen der Spastik oder Steifigkeit sollte vermieden werden Sehnen- oder Knochenverletzungen durch übermäßige Kraftanwendung auf die Gelenke zu verhindern.
Wir glauben jedoch, dass der Spiegel Robotersystem hierin vorgestellt leicht effektiv Beschäftigungstherapie voran entwickelt und genutzt werden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch das Gehirn Fusion-Programm von der Seoul National University (800-20120444) und dem Interdisziplinären Forschungsinitiativen Programm von College of Engineering und College of Medicine, Seoul National University (800-20150090) unterstützt.
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).
