Summary
פתחנו מערכת רובוט המראה בזמן אמת עבור התאוששות תפקודית של נשק ומחוסר בטכנולוגיית בקרה אוטומטית, ערכו מחקר קליני על נבדקים בריאים, ומשימות נחושות באמצעות משוב מרופאי שיקום. רובוט המראה הפשוט הזה יכול להיות מיושם ביעילות ריפוי בעיסוק בחולי שבץ מוחי עם זרוע ומחוסר.
Abstract
Mirror טיפול שבוצע כמו ריפוי בעיסוק יעיל בסביבה קלינית עבור התאוששות תפקודית של זרוע ומחוסר לאחר שבץ. הוא נערך על ידי לעורר אשליה באמצעות שימוש במראה כאילו הזרוע והמחוסר נעה בזמן אמת תוך כדי תנועת הזרוע הבריאה. זה יכול להקל על פלסטיות עצבית במוח באמצעות הפעלה של הקורטקס הסנסורי. עם זאת, טיפול במראה קונבנציונלי יש מגבלה קריטית כי הזרוע והמחוסרת לא זזה באמת. לכן, פיתחנו מערכת רובוט ראי 2 ציר בזמן אמת כמודול הרחבה פשוטה לטיפול קונבנציונאלי המראה באמצעות מנגנון משוב סגור, המאפשר תנועה בזמן אמת של הזרוע ומחוסר. השתמשנו 3 יחס כותרת חיישני מערכת הייחוס, 2 מנועים ללא מברשות DC עבור מרפק ומפרקי יד, ומסגרות שלד חיצוניות. במחקר היתכנות על 6 נבדקים בריאים, טיפול המראה רובוטית היה בטוח ריאלי. בנוסף, אנו נבחרנו משימות שימושיות עבור פעילויות של דאיly חי אימון באמצעות משוב מרופאי שיקום. חולה שבץ כרוני הראה שיפור ספסטיות מכופף בקנה מידת מרפק ערכת Fugl-מאייר לאחר יישום 2-שבוע של מערכת הרובוט במראה. טיפול המראה רובוטית עשוי לשפר פרופריוצפטיבי כדי בקליפה המוטורית, אשר נחשבה חשוב פלסטיות עצבית ועל התאוששות תפקודית של נשק ומחוסר. רובוט המערכת במראה המוצגת כאן ניתן לפתח בקלות מנוצלת ביעילות לקדם ריפוי בעיסוק.
Introduction
עבור חולים עם שבץ, תפקוד לקוי של זרוע ומחוסר יש מתישת השפעה. היכולת לבצע פעולות bimanual חיוני בחיי היומיום, אך הגירעון תפקודית של זרוע ומחוסר לעתים קרובות נשאר אפילו כמה שנים לאחר הופעת שבץ מוחי. בין תוכניות הכשרה שונות בבית החולים, תרגיל כדי להגדיל את טווח התנועה או החזרה פסיבית של משימות פשוטות יש השפעה מועטה על התאוששות תפקודית של זרוע ומחוסר. מסיבה זו, הכשרה של משימות משמעותיות הקשורות לפעילויות יומיומיות (ADLs) הוחלה על ריפוי בעיסוק בבתי חולים.
ההשפעות של טיפול במראה הוכחו על ידי מחקרים קודמים neurorehabilitation 1-4. Mirror טיפול מתנהל על-ידי לעורר אשליה באמצעות שימוש במראה כאילו הזרוע והמחוסר נעה בזמן אמת תוך כדי תנועת הזרוע הבריאה. זה יכול להקל על פלסטיות עצבית במוח על ידי הפעלה של הקורטקס הסנסורי 1. לפיכך, motoכוח r ותפקוד של הזרוע ומחוסר ניתן לשפר. עם זאת, טיפול במראה קונבנציונלי יש מגבלה קריטית כי הזרוע והמחוסרת לא זזה באמת.
לכן, פיתחנו מערכת רובוט ראי 2 ציר בזמן אמת כמודול הרחבה פשוטה לטיפול במראה קונבנציונאלי, באמצעות מנגנון משוב סגור. זה עשוי להעביר מסר פרופריוצפטיבי כדי בקליפה המוטורית, הנחשב חשוב פלסטיות עצבית ועל התאוששות תפקודית של זרוע ומחוסר (איורים 1 ו -2) 5-7.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
כל הנהלים נבדקו ואושר על ידי דירקטוריון הסקירה המוסדי של בית החולים האוניברסיטאי הלאומיים בסיאול.
1. משימות תרפיה Mirror
- דוגמאות של משימות טיפול במראה 2 ממדים (איור 3)
- חופשי להזיז את היד הבריאה תוך מבט במראה כ -5 דק 'עבור תרגיל חימום.
הערה: אפשר לנצל מטרונום כך שהמטופל יכול לממש את ההצעה של הזרוע הבריאה באופן קצבי. - מצד בריא, לכדרר ומניחים כדור קטן לתוך החור נבחר דומה וביליארד כ -5 דקות ( "כדור בתוך חורים" משימה). לכדרר ומניח כדור קטן לתוך מטרה דומה כדורגל במשך כ 5 דקות (משימת "כדורגל משחק").
- באמצעות מדבקות ממוספרות מונחות על שולחן, להזיז את הידית בצד בריא בסדר מספרים ולחזור בכיוון הפוך ( "נקודות התחקות" משימה). חזור על הפעולה עבור כ -5 דקות.
- באמצעות כל חפץ בחיי היומיום כגון acלמעלה והשתמשתי ידית בצד בריא, לדחוף אותו למקום נבחר ( "להניע כוס" משימה). חזור על הפעולה עבור כ -5 דקות.
- חופשי להזיז את היד הבריאה תוך מבט במראה כ -5 דק 'עבור תרגיל חימום.
2. רכיבים של מערכת רובוט Mirror
- הגדרות חיישן AHRS
- השג 3 חיישנים AHRS זמינים מסחרית.
הערה: חיישני AHRS מורכבים חיישן מגנט, תאוצה, חיישני ג'יירו (9 ציר בסך הכל). - חבר את חיישן AHRS למחשב עם חיבור USB.
- השתמש בתוכנת תקשורת בהיפר או אחרת כדי לקבוע את הגדרות חיישן כלליות.
- עבור כל AHRS חיישן, מוגדר תקשורת RS232 ויציאת COM בחר. ואז, להגדיר קצב שידור כדי 115,200 ביטים לשניים, סיבי נתונים עד 8, זוגיות במעלה, סיבי עצירה 1, בקרת זרימה במעלה.
- כדי לבדוק את יציאת ה- COM, לחץ כפתור הבית על הפינה השמאלית התחתונה. קליק ימני על המחשב. לאחר מכן לחץ על מאפיינים. לחץ על מנהל ההתקנים. להרחיב פורט (COM ו- LPT) כרטיסייה על ידי לחיצה עליו.
- לאחר communication כבר נקבע, להגדיר ערוץ 100 ו להקצות מזהה עבור כל חיישן.
הערה: חלק החיישנים עשויים להזדקק כיול של מד התאוצה, גירוסקופ, מגנטומטר לפני השימוש. - גדר תבנית פלט כפי quaternions וחיישני set כדי להציג מילואי סוללה.
הערה: Quaternions משמש לזרז מחשוב וכן לחסל סינגולריות מנעול gimbal.
- השג 3 חיישנים AHRS זמינים מסחרית.
- הגדרות מנוע Brushless DC
- כן 2 מנועי DC ללא מברשות בעל ביצועים גבוהים ובקרים.
- עבור כל בקר, לחבר את כבל החשמל למקור מתח. כמו כן, חבר את כבל המנוע, כבל חיישן הול, מקודד כבל המנוע.
- מחבר את כבל קאן-קאן כדי בקר אחר.
הערה: CANopen משמש לתקשורת בין מכשירים. - מזהה צומת גדר עבור כל בקר להבחין בין התקנים.
- חבר את כבל ה- USB למחשב עבור תצורה כללית.
- הפעל את אספקת החשמל לשלטון את לניהול העבודותllers ומנועים.
- השתמש בתוכנת תצורת המערכת יצרנית שסופק על-ידי מנוע להגדיר ולכוון את המנוע, חיישן הול, מקודד.
הערה: זווית גבולות לעמדת המוצא חייבים להיות מוגדרת כדי להבטיח פעולה בטוחה.
- עצרת של מסגרת ומנועים
הערה: כל חלק מחוייט נקרא על גרשיים. אנא עיין בטבלה של חומרים וציוד וממנה איור 4 באיור 13.- עבור מנוע מפרק המרפק, לשים אחד גופי הצימוד עם חור מנעול על ציר המנוע לאבטח אותו באמצעות בורג סט שקע hex M5 (איור 4).
- Secure "כיסוי גליל חלול צימוד Elbow" אל המנוע המרפק באמצעות ברגים ראשי קץ 4x M5 (10 מ"מ) ומניחים את החלק החיץ של הזיווגים (חלק המחוון באמצע) על החלק העליון של הגוף צימוד שצורפה בשלב 2.3.1 (איור 4).
- חבר את מיסב לתוך "מסגרת גג Elbow"לאבטח אותו עם ברגים ראשי קץ 4x M4 (8 מ"מ) (איור 5).
- חבר "פיר פיזור כוח מנוע Elbow" לתוך "תמיכת מרפק תחתונה" לאבטח אותו עם ברגים ראשיים קץ 4x M3 (6 מ"מ). ואז, במקום "תמיכת מרפק עליונה" על גבי "התמיכה התחתונה המרפק" לאבטח אותו באמצעות ברגים ראשיים קץ 8x M3 (12 מ"מ) (איור 6).
- הנח את המכלול בשלב 2.3.4 על גבי, את המכלול בשלב 2.3.3 באמצע, ואת החלק האחרון של גוף הצימוד בתחתית. הצטרפו כולם יחד ולאבטח את הגוף צימוד עם ברגים סט שקע hex M5 (10 מ"מ) (איור 7).
- הרכבת Secure בשלב 2.3.5 והרכבה בשלב 2.3.2 באמצעות ברגים ראשיים קץ 4x M5 (15 מ"מ) (איור 7). סובב הרכבה בשלב 2.3.2 כדי לאבטח את כל 4 נקודות.
- Secure "כיסוי גליל חלול צימוד תחתון מפרק" עם המנוע מפרק באמצעות ברגים ראשי קץ 4x M4 (10 מ"מ). ואז, במקום אחדגופי הצימוד עם חור מנעול על ציר המנוע לאבטח אותו באמצעות ברגי סט שקע hex M4; אז, והנח עליה את חלק החיץ של הזיווגים על גבי גוף הצימוד (איור 8).
- צרף "טבעת הפחתת חיכוך" על גבי "מסגרת גג שורש כף יד" עם קלטת דו צדדית או כל סוג של דבק (איור 9).
- חבר "פיר פיזור בכוח היד עם מנוע עזר" לתוך "טפל" לאבטח אותו באמצעות ברגים ראשי קץ 4x M2.5 (4 מ"מ) (איור 10).
- מניח הרכבה בשלב 2.3.9 על גבי, הרכבה בשלב 2.3.8 באמצע, ואת החלק האחרון של גוף הצימוד בתחתית. הצטרפו כולם יחד ולאבטח את הגוף צימוד עם ברגים סט שקע hex M4 (10 מ"מ) (איור 10).
- Secure "שורש כף היד motor2roof2" עם מכלול בשלב 2.3.10 באמצעות ברגים ראשי קץ 4x M3 (איור 11).
- הרכבת Secure בשלב 2.3.11 והרכבה בשלב 2.3.7 לנוing 4x M3 שקע הברגים בראש (15 מ"מ) (איור 11).
- Secure 2 "מגביל תנועה משותפת" ו -2 צווארונים פירים באמצעות ברגים ראשיים קץ 4x M4 (15 מ"מ) (איור 12 א).
- השתמש צווארונים פירים לאבטח פירים "מסגרת גג שורש כף יד" באמצעות ברגים ראשיים קץ 8x M3 (8 מ"מ) (איור 12 ב).
- חלק צווארונים פירים הרכבה 2.3.13 אל פסי הרכבת 2.3.14 ומאובטחים צווארונים פירים נוספים עם "תמיכת מרפק תחתונה" באמצעות ברגים ראשיים קץ 4x M4 (15 מ"מ). לאחר מכן, להצטרף לשני חלקים ומאובטחים עם המנוף (איור 13 א).
- Secure "קיר תמיכה" אל המכלול בשלב 2.3.15 באמצעות ברגים ראשיים קץ 6x M4 (15 מ"מ) (איור 13 ב). אבטח את דוכן השולחן והרכבה בשלב 2.3.16 באמצעות ברגים ראשי קץ 6x M6 (15 מ"מ) (13C איור).
עיצוב 3. Mirror רובמערכת ot
- מודל מתמטי של בקרה אוטומטית
- מודל דינמי גדר עבור בקרה אוטומטית של תנועת גפה העליונה (איור 14).
הערה: מודל דינמי של תנועת גפה העליונה אדם יכולה לבוא לידי ביטוי באמצעות קינמטיקה של מפרקים וקישורים. לכן, באמצעות משוואה עבור מניפולטור הרובוט, מודלים ניתן להשיג כפי שמוצג להלן:
הערה: (
: וקטור עמדה משותפת, 
: וקטור מהירות משותף, 
: וקטור תאוצה משותף, H: מטריקס אינרציה, F: קוריוליס ומטריקס כוח הצנטריפוגלי, G: וקטור של כוחות, E הכביד: מטריקס מומנט בשל אינטראקציה עם הסביבה, 
: וקטור של forc הכללית es מוחל על המפרקים) את ומחוסר והיבטים שונים להראות זרוע בריאה של תנועה. כלומר, הזרוע והמחוסרת לא יכולה לזוז בזמן בשל שרירים משותקים או אינו יכולה לספק מספיק מומנט דרושי תנועה. לכן, המערכת מתוכננת כך ההכשרה והשיקום ניתן לעשות זאת באמצעות תנועה נורמלית דרך הזרוע והמחוסר; במילות אחרות, רובוט שיקום מחוברת הזרוע והמחוסרת של המטופל על מנת לספק תנועות מהזרוע הבריאה אפשר לנסח בפשטות כדלקמן:
Motion של רובוט שיקום) = (תנועת זרוע בריאה) - (תנועת זרוע ומחוסרת). - עם רובוט שיקום, לצרף את הזרוע המשותקת של המטופל אל מניפולטור, ולבחון מומנט נוסף ועיכוב הזמן בשל זרוע משותקת גרימת שגיאות במערכת הכוללת. זיהוי זה באמצעות מניפולטור בצד ומחוסר.
- מדוד שגיאות (s (t): שגיאת מעקב) כמשוואה מתמטית:
es / ftp_upload / 54,521 / 54521eq6.jpg "/>
הערה: (ים: מעקב שגיאה,
: מטריקס פרמטר עיצוב חיובי מוגדר 
: שגיאה בין המיקום הרצוי והמצוי, 
: שגיאה בין רצוי ומהירות בפועל) שגיאת המעקב לעיל ניתן לשלב עם מודל דינמי של תנועת גפה העליונה אדם יכול לבוא לידי ביטוי: 
הערה: (K D: ערך רווח נגזר עם פיצוי משוב זה משתנה לאורך זמן,
: מטריקס שגיאת האינרציה, 
: קוריוליס ומטריקס שגיאה כוח צנטריפוגלי) - כדי לשלוט בכל משותפת של רובוט השיקום, השתמש Lagrדינמיקת angian 8. משוואה דינמית של תנועה עבור כל משותף היא:
הערה: (D: מטריקס מקדם,
: מטריקס האינרציה מפעילה) מקדם D במשוואה לעיל משפיע על המומנט בין מפרקים עם אפקט צימוד אינרציאלי בין מפרקי 8. מודל הבקרה האוטומטי באמצעות מודל מתמטי זה יכול להיות מתואר על ידי הערכה לחסום באיור 14.
- מודל דינמי גדר עבור בקרה אוטומטית של תנועת גפה העליונה (איור 14).
- פרוטוקול תוכנה (איור 15)
- כאשר התכנית מתחילה, ליצור תקשורת עם מנועים וחיישנים, ו לאתחל את הערכים. לאחר מנועים וחיישנים נמצאים העמדה הראשונית (ראה 4.1.3), על מנת להעביר את הלולאה הראשית.
הערה: לקבלת תדר דגימה של הלולאה הראשית, אנו ממליצים 50 - 200 דגימות / sec. על העיכוב המקסימאלי, אנו ממליצים 2 שניות לכל היותר. בנוסף, עבור גבולות מומנט, אנחנוממליץ להסדיר את ערך המנוע הנוכחי עם תוכנה, כך מנוע המרפק יכול להפעיל 25 - 40 ננומטר מנוע מפרק יכול להפעיל 10 - 20 Nm. - כמו כן, הוא לא מופרע על ידי כפתור הכיבוי, ברציפות לקרוא את היחס ואת הפניה מערכת כותרת (AHRS) ערכי המיקום הנוכחי 'חיישנים להעביר את הערכים אל המנועים.
הערה: תפוקת הנתונים נמצאת quaternions, ויש לשנותה כראוי לתוך לזווית הרצויה עבור תנועת רובוט. בחר אחת מאפשרויות החיישן לתאם מסגרות כהפניה, ולאפס את החיישן האחר לתאם מסגרות. עם מסגרות מחושבת כהפניה, השתמש קינמטיקה ההופכי להשיג הזוויות לסבסב הפלט הסופיות. - כמו כן, הוא לא מופרע על ידי כפתור כיבוי, ברציפות לבדוק את עמדות המנועים ולעדכן את הערכים להשיג תנועה למיקום הרצוי שמספק חיישני AHRS.
הערה: מיקום המנוע מסופק על ידי המקודד של המנוע כי ניתן לבדוק בתוך התוכנה עם חברת המכוניות & #39; s בתנאי פקודת תוכנת הספרייה. - בינתיים, להקליט את כל זוויות מהירויות זוויתי מהחיישנים AHRS.
- בסיום המשימות הושלמו המשתמש לוחץ על כפתור הכיבוי, צא הלולאה לסיים את הרובוט על ידי הזזת אותו למצב הראשוני.
- כאשר התכנית מתחילה, ליצור תקשורת עם מנועים וחיישנים, ו לאתחל את הערכים. לאחר מנועים וחיישנים נמצאים העמדה הראשונית (ראה 4.1.3), על מנת להעביר את הלולאה הראשית.
- ממשק משתמש גרפי (GUI) (איור 16)
- הוסיפו "שגיאות" ו "את השגיאה" פונקציות לאתר ולתקן שגיאות באגים במהלך ביצוע.
- להוסיף כפתור החולה בצד לבחור בצד המבצע רובוט (צד שתקונית של המטופל).
- לבנות קופסא מידע למטופל לזהות את החולים.
- הוסף מחווני מצב המנוע.
- להוסיף בקרות הגבלת זווית לבטיחות.
- הגדר את המהירות המרבית, אצה, האטה לכל מנוע כדי למנוע פציעות שריר וגיד עקב גפה עליונה נוקשה.
הערה: המערכה משקפת את אצת האטה של הזרוע והמחוסרת. - אאינדיקטורים dd לאחזר מיקום המנוע ומהירות, ומידע הקלט הנוכחי.
- לבנות פקד שם משאב ויזה כדי ליצור תקשורת בין חיישני AHRS והמערכת.
- הוספת פונקצית כיול לחסל שגיאות להיסחף חיישן שנצברו.
- מסדר את המחוון עבור החיישנים כדי לאחזר מידע חיישן.
הערה: מידע החיישן כולל הזוויות המשותפות (הזווית בין שני חיישנים רצופים) ובמילואי סוללה.
- ספסטיות זרוע התגברות במהלך מבצע רובוט ראי
- בחר מנועים שיכולים להפעיל מספיק מומנט להתגבר ספסטיות לכל משותפת.
הערה: שורש כף יד מנוע צריך פלט מומנט גבוה מ -10 Nm, ומנוע מרפק גבוה מ -25 Nm. - כדי להעביר את הצעת הרובוט בחוזקה אל זרוע המטופל, להשתמש רצועות כי הם עשויים מחומר חצי אלסטי לתקן האמה של שלד הרובוט.
הערה: רצועות חצי אלסטי, כגון סטרץ 'h רצועות בדים או פוליאסטר / ניילון רצועות קלועות אלסטי, מומלצות. אם הרצועות גם אלסטי, זה לא יחזיק את היד בתנוחה. אם הרצועות לא אלסטי בכלל, פציעות שריר או גיד עלולות להתרחש במקרה של רמה גבוהה של ספסטיות מרפק. - על מנת לבודד תנועת מרפק ופרק כף יד, השתמש 2 מסגרות מוצקות בשילוב עם צווארון פיר לתקן את שורש כף היד על ידי כיווצת אותו המסגרות.
הערה: צווארונים פירים משמשים כדי למנוע פציעות שריר וגיד אם נוקש בפרק כף היד הוא מוגזם. - השתמש ברצועות סביב הידית כדי לתקן את היד אל הרובוט.
- בחר מנועים שיכולים להפעיל מספיק מומנט להתגבר ספסטיות לכל משותפת.
: וקטור עמדה משותפת, 
: וקטור מהירות משותף, 
: וקטור תאוצה משותף, H: מטריקס אינרציה, F: קוריוליס ומטריקס כוח הצנטריפוגלי, G: וקטור של כוחות, E הכביד: מטריקס מומנט בשל אינטראקציה עם הסביבה, 
: וקטור של forc הכללית es מוחל על המפרקים) את ומחוסר והיבטים שונים להראות זרוע בריאה של תנועה. כלומר, הזרוע והמחוסרת לא יכולה לזוז בזמן בשל שרירים משותקים או אינו יכולה לספק מספיק מומנט דרושי תנועה. לכן, המערכת מתוכננת כך ההכשרה והשיקום ניתן לעשות זאת באמצעות תנועה נורמלית דרך הזרוע והמחוסר; במילות אחרות, רובוט שיקום מחוברת הזרוע והמחוסרת של המטופל על מנת לספק תנועות מהזרוע הבריאה אפשר לנסח בפשטות כדלקמן: 
: מטריקס פרמטר עיצוב חיובי מוגדר 
: שגיאה בין המיקום הרצוי והמצוי, 
: שגיאה בין רצוי ומהירות בפועל) שגיאת המעקב לעיל ניתן לשלב עם מודל דינמי של תנועת גפה העליונה אדם יכול לבוא לידי ביטוי: 
: מטריקס שגיאת האינרציה, 
: קוריוליס ומטריקס שגיאה כוח צנטריפוגלי) 
: מטריקס האינרציה מפעילה) מקדם D במשוואה לעיל משפיע על המומנט בין מפרקים עם אפקט צימוד אינרציאלי בין מפרקי 8. מודל הבקרה האוטומטי באמצעות מודל מתמטי זה יכול להיות מתואר על ידי הערכה לחסום באיור 14. 4. יישום קליני של מערכת רובוט Mirror
- ניצוח טיפול המראה רובוטית
- התאם גובה ורוחב של שולחן המשימה בהתאם למצבו של החולה.
- ההגדרה מראה קו האמצע בין שני הזרועות, ולהגדיר אותו על שולחן או פלטפורמה.
- מניחים חיישנים AHRS על הידית, מפרקמסגרת, ואת הקצה של פלטפורמה על יישור צד בריא במקביל של אורינטצית הרובוט.
הערה: הציר לסבסב הפנימי של החיישן צריך להיות כלפי מעלה. - הפעל את תוכנת הטיפול במחשב.
- בחר בצד והמחוסר על ידי לחיצה על כפתור מתג חולה-סייד.
- הגדר את גבולות זווית משותפת מקסימלית בהתאם מצב המשותף של המטופל. כדי להבטיח פעולה בטוחה, להשתמש מגבלת כיפוף מרפק פחות 50º, גבול רחבת מרפק יותר -70º, מגבלת כיפוף מפרקת פחות 80º, ולהגביל רחבה מפרקת יותר -60º.
הערה: הפלוס וסימני מינוס מתוקן באופן אוטומטי ומגבלות גם מתוקן אם מחוץ לתחום ברמת תוכנה. - הגדר מהירות מקסימלית, האצה, האטה. עבור ערכים אלה, השתמשו ערך מהירות בין 0 ל 22.5 סל"ד במשך ערך מהירות מנוע ושימוש מרפק בין 0 ל 33 סל"ד במשך מנוע כף יד.
הערה: לקבלת טיפול במראה קונבנציונלי, להגדיר את כל הערכים לאפסכדי לשתק את הרובוט. - מלא את המידע המטופל.
- הפעילו את כל חיישני AHRS לפני הפעלת התוכנית.
- הפעל את התכנית על ידי לחיצה על לחצן החץ בפינה השמאלית העליונה של התכנית.
- לאחר "שמור בשם" אבא שאלה עד, לכתוב שמות קבצים תקינים לנתוני תוצאה על המייתר בתיבה ולחץ על אישור.
- בעוד הרובוט ואת הזרוע הבריאה נמצא עמדה ראשונית (שני הידות מהגוף ו מקבילות זו לזו), ללחוץ על כפתור הכיול לאתחל ערכי חיישן לאפס עבור העמדה הראשונית.
הערה: עיין בשלבים 1.1.1 - 1.1.4 עבור הידיים המשמשים משימה זו. - לחצן STOP לחץ כאשר כל המשימות הושלמו.
הערה: לקבלת הטיפול רובוטית במראה, מהנדס ביו לפעול כרכז הראשי, ואת המרפאת בעיסוק צריכה לסייע לחולה.
- מחקר קליני על נבדקים בריאים
- לערוך מחקר קליני על נבדקים בריאים כדי לאשרבטיחות והיתכנות 8. תן את ההנחיה ( "אל תזיז הזרוע והמחוסר שלך בעצמך.") לנושאים לתנועה פסיבית לחלוטין של זרוע ומחוסרת.
- מניחים את שתי זרועותיו על מסגרות, והידיים אוחזות בידיות. לאחר מכן, לתקן את אמות עם רצועות.
- הערכת השפעות טיפוליות
- לפני הטיפול, לערוך הערכות פונקציונליות, כגון סולם 9 הערכת Fugl-מאייר, בקנה מידה אשוורת שונה 10, מדד Barthel שונה 11, בדיקת תפקודי יד Jebsen, מדידת כוח ביד, מבחן הזנחת צד, ומנוע עורר מבחן פוטנציאל המטופלים.
- לנהל ניסוי קליני לחולי שבץ עם רובוט ראי 2-ממדי עבור 30 - 60 דקות ליום. תן את ההנחיה ( "אל תזיז הזרוע ומחוסר שלך בעצמך.") לחולים.
- אחרי המטופלים להשיג בפגישה אחרונה, התנהגות ומעקב הערכות תפקודיות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
שישה נבדקים בריאים ערכו 'משימת סימון עטה' (נגיעת שני לוחות קטנים לסירוגין עם עט המצורף מצד הבריא כפי שמוצגת באיור 17) 10 פעמים אשר לקחו בממוצע 106 שניות לכל נושא. אין תופעות לוואי נצפו, וטיפול המראה רובוטית הוכח להיות ריאלי.
בנוסף, מחקר קליני על רופאי שיקום נערך. בקשנו חוות דעת של מומחים כדי לקבוע משימות מתאימות ריפוי בעיסוק במראה רובוטית יעיל. עם משוב 6 רופאי שיקום, מידת האשליה שהושרה על ידי רובוט המראה הייתה גבוהה ביותר עבור "כדור חורה" ו "נע כוס" משימות (7.2 מתוך 10 בסולם דירוג מספרים [NRS] לכל אחד), ואחריו "כדורגל משחק" (7.0 / 10) ואת "פיקסלים התחקות" משימות (6.5 / 10). באשר סינכרוניזציה של תנועה בין שני הזרועות במהלך טיפול המראה רובוטית, "נע כוס" הייתה משימת ציון NRS של 7.0 / 10, ואחריו "משחק כדורגל" ו "פיקסלים התחקות" (6.8 / 10 כל אחד), ו "כדור חורה" (6.2 / 10) (איור 3). בין 4 משימות אלה, רופאי שיקום מליץ "משחק כדורגל" כמשימה שימושית לאימוני ADL בחולים עם שבץ.
ערכנו ניסוי קליני לחולי שבץ עם רובוט במראה למשך 30 דקות ליום במשך 2 שבועות (10 מפגשים). נושאים צריכים לענות על הקריטריונים להכללה הבאים: 1) מעל גיל 18; 2) שבץ supratentorial שאובחנו בין 4 חודשים לפני 6 שנים; ו -3) hemiplegia העליונה איבר עם המועצה למחקר רפואי (MRC) ציון 2 או פחות. קריטריוני דרה עיקריים הם כדלקמן: 1) לשנות אשוורת בסולם של דרגה 3 או יותר (ספסטיות חמורה); 2) בדיקת מדינה מיני-נפשי להבקיע פחות מ -12; ו -3) אפזיה גלובלית או חושית.
er.within-page = "1"> חולה שבץ זכר 60 בן עם דימום הגרעינים הבזליים ימין שיתוק בחצי הגוף השמאלי 19 חודשים לפני קיבלו טיפול במראה רובוטיות 2 שבועות. טיפול המראה רובוטית כלל 4 משימות ( "כדור חורה", "נע כוס", "משחק כדורגל", ו "פיקסלים התחקות"). לאחר שהמטופל משיג ביקור ה -10, שערך ומעקב הערכות תפקודיות. סולם ההערכה Fugl-מאייר של הזרוע ומחוסר השתפר בני 12 עד 17 מתוך 66, ו שונה בקנה מידה Ashworth של מכופפי המרפק (עבור ספסטיות) הופחת מכיתה 2 עד 1+. כוח צביטה לרוחב שמאל הוגדל מ -0 עד 3 קילו פרמטרים אחרים עולים כי אין הבדל לפני ואחרי טיפול מראה רובוטית (איור 18 ולוח 1).
איור 1. תזרים רעיוני עבור רובוטית Mirror תרפיה כדי להקל פרופריוצפטיבי. הניסוי נועד בהתאם זרימת מושגית עבור טיפול המראה רובוטית.
איור 2. דיאגרמה של מערכת רובוט הראי. תנועות של הזרוע הבריאה צפויות השלד החיצוני המחובר לזרוע ומחוסר ידי אלגוריתם תוכנה באמצעות קלט מן 3 חיישני AHRS. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
. איור 3. משימות שונות באמצעות מערכת רובוט Mirror המשתמשים יכולים להיות מאומנים על ידי משימות 2-ממדי; כדור חורה, משחק כדורגל, נקודות התחקות, והעברהכוס. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. מרפק מוטורי אסיפה. אסיפת צעדים עבור מנוע מפרק מרפק, זיווגים, צימוד מרפק כיסוי גליל חלול.
Bearing איור 5. & מרפק גג מסגרת אסיפה. אסיפה בין נושא את מכלול מסגרת גג מרפק.
איור 6. עצרת תמיכת מרפק. צעדי הרכבה פירית פיזור מנוע כוח מרפק, דואר עליון תמיכת lbow, ותמיכת מרפק נמוכה.
איור 7. תמיכת מרפק & מוטורי אסיפת מרפק. עצרת צעדים על תמיכת מרפק ואת מנוע המרפק.
איור 8. יד מוטור אסיפה. אסיפת צעדים עבור מנוע מפרק כף-יד, זיווגים, ומכסים גליל חלול צימוד מפרק נמוך.
איור 9. חיכוך הפחתת טבעת קובץ מצורף. קבצים מצורפים של טבעת הפחתת חיכוך למסגרת גג יד.
המודעה / 54,521 / 54521fig10.jpg "/>
איור 10. עצרת ידית. עצרת צעדים בתור ידית המצמד המודפס 3D, ואת פיר פיזור כוח מנוע כף יד.
ידית איור 11. & מוטורי אסיפת שורש כף יד. עצרת צעדים עבור המנוע מפרק ואת הידית.
איור 12. משותפת התנועה מגביל עצרת. צעדי אסיפה עבור (א) מגביל תנועה משותפת, (B) פיר התאמת אורך, ואת הידית התאספה.
איור 13. סופי האסיפה.צעדי הרכבה עבור חלק מנוע המרפק התאסף (א) עם חלק מנוע מפרק נאסף באמצעות צווארונים פירים פיר, (B) התאספו רובוט עם הקירות תומכים, ו- (ג) התאסף רובוט עם משימת השולחן. אנא לחצו כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 14. בלוק תכנית של המודל המתמטי הבקרה האוטומטית. רובוט השלד מנצל מנגנון משוב סגור לבקרה בזמן האמת.
איור 15. תכנית תוכנה בסך הכל. תכנית התוכנה משתמשת קרובה מנגנון משוב ד לנהוג מערכת הרובוט. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 16. GUI של התוכנית. המשתמש יכול לשלוט ולהגדיר את התוכנית לטיפול באמצעות GUI. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 17. עט משימת סימון 6 אנשים בריאים באמצעות אבטיפוס של מערכת רובוט ראי. ניצוח עטים סימון משימה 10 פעמים לקחו ברציפות על 106 שניות בממוצע לכל נושא.
o: keep-together.within-page = "1"> 
איור 18. הערכה תפקודית של חולה זכר בן 60 עם כרונית Right בסל גרעיני דימום. תת ראשים של נתונים שהראו שיפור לאחר 10 מפגשים של טיפול המראה רובוטית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| לפני | לאחר 10 מפגשים | |
| במבחן מיני-מנטל | 29 | - |
| סולם ההערכה Fugl-מאייר (גפיים עליונים) | 12 | 17 |
| כָּתֵף/מַרְפֵּק | 11 | 15 |
| מפרק כף היד | 0 | 1 |
| יד | 1 | 1 |
| בקנה מידה שונה אשוורת | ||
| מכופף Elbow | 2 | 1+ |
| מכופף שורש כף יד | 0 | 0 |
| מדד Modified Barthel (גפיים עליונים) | 25 | 25 |
| בדיקת תפקודי יד Jebsen | Uncheckable | Uncheckable |
| כוח ביד שמאל (lb) | ||
| אחיזה | 8 | 8 |
| Lקמצוץ ateral | 0 | 3 |
| קמצוץ Palmar | 0 | 0 |
| מבחן Hemineglect | ||
| מבחן חציית Line | 6/6 כל | 6/6 כל |
| אלברט מבחן | 12/12 כל | 12/12 כל |
| מנוע עורר פוטנציאל | אין תגובה | אין תגובה |
הערכה תפקודית טבלת 1. מטופל גבר 60 בן עם Basal תקין כרוני גרעיני דימום.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
המטרה העיקרית של המחקר הנוכחי הייתה לפתח מערכת רובוט המראה בזמן אמת עבור התאוששות תפקודית של זרוע ומחוסר באמצעות אלגוריתם בקרה אוטומטי. שפעת הטיפול בסיוע רובוט על התאוששות לטווח ארוכה של ירידת ערך עליון גפה לאחר השבץ הוכחה מועילה במחקרים קודמים 12, וכן סוגים שונים של רובוטי זרוע הוכנסו 13-20. עם זאת, מחקרים קודמים של רובוטי גפיים עליונים כי הבינו תנועת יד הבילטרליים מיושמים קשרים מכאניים ללא שימוש במראה, שונה מהמושג במראה הטיפול 14-15. לכן, המחקר שלנו יכול להיות שלוחה של עבודתם באמצעות מראה בפועל כדי להקל פרופריוצפטיבי.
כדי לשדרג את המערכת הקודמת, אפשרנו זרוע והמחוסרת לנוע בזמן אמת על ידי יישום חיישני AHRS על הזרוע הבריאה הצמדת מנועים עד המרפק והמחוסר ופרק כף היד. פרופריוצפטיבי מהזרוע ומחוסר אלקליפת המוח חושית ניתן לשפר באמצעות מערכת הרובוט במראה. הנחיית של פרופריוספציה צריכה להיות מאושרת על ידי ה- MRI מוח התפקודי במחקר עתידי.
זה קריטי עבור המערכת יש עיכוב סנכרון מינימום מאז אפקט המראה יהיה מוגדל כאשר העיכוב ממוזער. כדי להשיג זאת, אנו לאחזר נתונים מחיישנים עם ספירת בייט צורך מינימלי בעת קריאת אותם במקביל בתוך לולאה בתוך ארכיטקטורת תוכנה. כתוצאה מכך, עיכוב הסנכרון בין הזרוע הבריאה הרובוט הוא רק 0.04 - 0.40 שניות.
ישנן מספר מגבלות במחקר זה. ראשית, אנחנו לא יכולים לכלול תנועות אצבע גלם כמו אחיזה או קמצוץ, ומשימות 3 ממדים של טיפול במראה קונבנציונלי. שנית, אנו לא פתרנו את מפרק המרפק של היד הבריאה לשמר תנועה פיזיולוגית ככל האפשר. עם זאת, הגבלת טווח תנועת מרפק תהיה מועילה לשפר synכרוני עם המרפק הנגדי אשר מועבר על ידי המנוע. שינוי במערכת ידי התקנת מבנה נוסף שמחבר את המרפק הצד הבריא ישפר את סינכרוניות, ולכן יגדיל את השפעת הטיפול. שלישית, חולים שעברו ספסטיות או נוקשות חמורות לא יכלו להיכלל בגלל כוח המנוע מספיק, אם כי המפרק נע באיטיות. המערכת יכולה להיות שונה על ידי החלפת המנוע עם תפוקת מומנט גבוהה להתגבר קשיחות מתונה. עם זאת, גם עם מנוע חזק, טיפול לחולים עם רמות קשות של ספסטיות או נוקשות יש להימנע כדי למנוע פציעות גיד או עצם בשל יישום בכוח מופרז למפרקים.
אנו מאמינים, עם זאת, כי מערכת רובוט ראי המוצגת כאן ניתן לפתח בקלות מנוצלת ביעילות לקדם ריפוי בעיסוק.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים אין לי מה לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית Fusion המוח של האוניברסיטה הלאומית בסיאול (800-20120444) והתכנית יוזמות למחקר רב תחומי מ בית ספר גבוה להנדסה המכללה לרפואה, האוניברסיטה הלאומית בסיאול (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).
