Summary
Vi utviklet en real-time speil robot system for funksjonell bedring av hemiplegisk armene ved hjelp av automatisk kontroll teknologi, gjennomført en klinisk studie på friske forsøkspersoner, og bestemte oppgaver gjennom tilbakemeldinger fra rehabilitering leger. Denne enkle speil roboten kan brukes effektivt til ergoterapi i slagpasienter med hemiplegisk arm.
Abstract
Mirror terapi har blitt utført så effektivt ergoterapi i en klinisk setting for funksjonell utvinning av en hemiplegisk arm etter hjerneslag. Det er utført ved utløsning av en illusjon ved bruk av et speil som om hemiplegic armen beveger seg i sanntid mens bevegelse av friske arm. Det kan lette hjernen neuroplasticity gjennom aktivering av sensorisk cortex. Imidlertid har konvensjonelle speil terapi en kritisk begrensning ved at hemiplegic armen ikke er faktisk beveger seg. Derfor utviklet vi en real-time to-aksen speil robot system som en enkel add-on modulen for vanlig speil behandling ved hjelp av en lukket feedback mekanisme som muliggjør sanntids bevegelse av hemiplegisk arm. Vi brukte tre Attitude og kursreferanse System sensorer, to børsteløse DC-motorer for albue og håndledd ledd, og exoskeletal rammer. I en mulighetsstudie på 6 friske forsøkspersoner, robot speil terapi var trygt og gjennomførbart. Vi videre valgt oppgaver nyttige for aktiviteter daily leve opplæring gjennom tilbakemelding fra rehabilitering leger. En kronisk slagpasient viste bedring i Fugl-Meyer vurderingsskala og albuen flexor spastisitet etter en to-ukers program av speilet robot system. Robot speil behandling kan forbedre proprioseptive inngangssignal til den sensoriske cortex, som er ansett å være viktig i neuroplasticity og funksjonell gjenvinning av hemiplegisk armer. Speilet robot system som presenteres her kan lett utvikles og utnyttes effektivt for å fremme ergoterapi.
Introduction
For pasienter med hjerneslag, har dysfunksjon av en hemiplegisk arm ødeleggende effekt. Evnen til å utføre bimanual aktiviteter er viktig for dagliglivet, men funksjonell underskudd på en hemiplegisk arm forblir ofte enda et par år etter symptomdebut. Blant ulike opplæringsprogrammer på sykehuset, til en øvelse øke omfanget av bevegelse eller passiv repetisjon av enkle oppgaver har liten effekt på funksjonell bedring av en hemiplegisk arm. Av denne grunn har trening av meningsfulle oppgaver knyttet til dagliglivets aktiviteter (ADLs) blitt brukt til ergoterapi i sykehus.
Virkningene av speil terapi ble påvist ved tidligere studier i neurorehabilitation 1-4. Speil terapi utføres ved utløsning av en illusjon ved bruk av et speil som om hemiplegic armen beveger seg i sanntid mens bevegelse av friske arm. Det kan lette hjernen neuroplasticity ved aktivering av sensorisk cortex en. Dermed motor kraft og funksjon av hemiplegic armen kan forbedres. Imidlertid har konvensjonelle speil terapi en kritisk begrensning ved at hemiplegic armen ikke er faktisk beveger seg.
Derfor utviklet vi en real-time to-aksen speil robot system som en enkel add-on modulen til vanlig speil terapi, ved hjelp av lukket feedback mekanisme. Dette kan formidle proprioseptive innspill til den sensoriske cortex, som er ansett som viktig i neuroplasticity og funksjonell utvinning av en hemiplegisk arm (figur 1 og 2) 5-7.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle prosedyrer ble gjennomgått og godkjent av Institutional Review Board of Seoul National University Hospital.
1. Mirror Therapy Oppgaver
- Eksempler på to-dimensjonal speil behandlingsoppgaver (Figur 3)
- Fritt flytte den sunne armen mens du ser i speilet ca 5 min for warm-up trening.
MERK: Man kan benytte en metronom slik at pasienten kan utøve bevegelsen av den friske arm i en rytmisk måte. - På sunne siden, drible og plassere en liten ball i den valgte hullet ligner på biljard i ca 5 min ( "Ball i hull" oppgave). Drible og plassere en liten ball i et mål som ligner på fotball i ca 5 min ( "fotballkamp" oppgave).
- Ved hjelp av nummererte klistremerker plassert på et bord, flytte håndtaket på sunn side i numerisk rekkefølge og tilbake i motsatt retning ( "Dots tracing" oppgave). Gjenta for ca 5 min.
- Ved hjelp av et objekt i dagliglivet slik som acopp, ved hjelp av håndtaket på sunn side, skyv den til en utvalgt sted ( «Flytte en kopp" oppgave). Gjenta for ca 5 min.
- Fritt flytte den sunne armen mens du ser i speilet ca 5 min for warm-up trening.
2. Komponenter i Mirror Robot System
- sensorinnstillinger AHRS
- Skaff 3 kommersielt tilgjengelige AHRS sensorer.
MERK: AHRS sensorer består av en magneto sensor, akselerometer og gyrosensorer (totalt 9-akse). - Koble AHRS sensor til en PC med en USB-kontakt.
- Bruk Hyperterminal eller annen kommunikasjon programvare for å konfigurere generelle sensorinnstillingene.
- For hver AHRS sensor, satt til RS232 kommunikasjon og velger COM-port. Deretter angir overføringshastigheten til 115,200 biter per sekund, databiter til 8, paritet stykke, stoppbiter til 1, og flytkontroll stykke.
- For å sjekke COM-port, kan du klikke hjem-knappen nederst i venstre hjørne. Høyreklikk på datamaskinen. Deretter klikker du på Egenskaper. Klikk på Enhetsbehandling. Utvid kategorien Port (COM og LPT) ved å klikke på det.
- Når communikasjon er etablert, stille kanal til 100 og tildele IDer for hver sensor.
MERK: Noen sensorer kan trenge kalibrering av akselerometer, gyroskop og magnetometer før bruk. - Sett output format som quaternions og sett sensorer for å vise batterireserve.
MERK: quaternions brukes til å øke hastigheten på databehandling, samt å eliminere Braket lock singulariteter.
- Skaff 3 kommersielt tilgjengelige AHRS sensorer.
- motor innstillinger Børsteløs DC
- Forbered 2 høy ytelse børsteløs DC-motorer og styringer.
- For hver kontrolleren, koble strømkabelen til en strømforsyning. Også koble motorkabelen, Hall sensor kabel, og giverkabelen til motoren.
- Koble CAN-CAN-kabelen til en annen kontroller.
MERK: CANopen benyttes for kommunikasjon mellom enheter. - Sett node ID for hver kontrolleren til å skille mellom enheter.
- Koble USB-kabelen til PC for generell konfigurasjon.
- Slå på strømforsyningen for å lade opp controLlers og motorer.
- Bruk motorprodusenten-forutsatt systemkonfigurasjonen programvaren til å konfigurere og tune motoren, Hall sensor, og encoder.
MERK: Vinkel grenser og posisjonen må konfigureres for sikker drift.
- Montering av ramme og motor
MERK: Hver skreddersydd delen er navngitt i anførselstegn. Vennligst referer til Table of Materials og utstyr og fra Figur 4 til Figur 13.- For albueleddet motor, satte en av koblings organer med kilespor på motorakselen og fest den med en M5 hex socket sett skruen (figur 4).
- Secure "Elbow kobling hul sylinder cover" til albuen motor med 4x M5 socket skruene (10 mm) og plasser buffer del av koplingene (midterste skyvekontrollen del) på toppen av koblingshuset som var festet i trinn 2.3.1 (figur 4).
- Plugg kulelager inn "Elbow ramme på taket"og fest den med 4x M4 socket skruer (8 mm) (figur 5).
- Plugg "Elbow motor kraft spredning aksel" inn "Nedre albuen støtte" og fest den med 4x M3 socket skruer (6 mm). Deretter plasserer "Øvre albuen støtte" på toppen av "Lower albuen støtte" og fest den med 8x M3 socket skruer (12 mm) (figur 6).
- Plassere sammenstillingen i trinn 2.3.4 på toppen, er sammenstillingen i trinn 2.3.3 på midten, og den siste del av koblingslegemet ved bunnen. Bli med alle sammen og sikre koblingen kroppen med M5 hex socket justeringsskruene (10 mm) (figur 7).
- Sikker montering i trinn 2.3.5 og montering i trinn 2.3.2 bruker 4x M5 socket skruene (15 mm) (figur 7). Roter montering i trinn 2.3.2 for å sikre alle 4 poeng.
- Secure "Nedre leddet kobling hul sylinder dekselet" med håndleddet motor med 4x M4 socket skruer (10 mm). Deretter plasserer en avkoblings organer med kilespor på motorakselen og fest den med M4 hex socket justeringsskruene; Deretter plasserer bufferen del av koplingene på toppen av koblingshuset (figur 8).
- Fest "Redusert friksjon ring" på toppen av "Wrist ramme taket" med dobbeltsidig tape eller noen form for lim (figur 9).
- Plugg "Wrist motor kraft spredning aksel" inn "Handle" og fest den med 4x M2.5 socket skruer (4 mm) (figur 10).
- Plasser montering i trinn 2.3.9 på toppen, montering i trinn 2.3.8 i midten, og den siste delen av koblingen kroppen nederst. Bli med alle sammen og sikre koblingen kroppen med M4 hex socket justeringsskruene (10 mm) (figur 10).
- Secure "Wrist motor2roof2" med forsamlingen i trinn 2.3.10 bruker 4x M3 socket skruer (figur 11).
- Sikker montering i trinn 2.3.11 og montering i trinn 2.3.7 ossing 4x M3 socket skruer (15 mm) (figur 11).
- Fest 2 "Joint bevegelse limiter" og 2 aksel krager bruker 4x M4 socket skruer (15 mm) (Figur 12A).
- Bruk aksel krage for å sikre sjakter og "Wrist taket ramme" med 8x M3 socket skruer (8 mm) (Figur 12B).
- Skyv akselen krager i forsamlingen 2.3.13 til akslene i forsamlingen 2.3.14 og sikre ytterligere akselkrager med "Nedre albuen støtte" ved hjelp av 4 x M4 socket skruer (15 mm). Så, bli med de to delene og fest med spaken (figur 13A).
- Secure "Support veggen" til forsamlingen i trinn 2.3.15 bruker 6x M4 socket skruer (15 mm) (Figur 13B). Fest bordstativ og montering i trinn 2.3.16 bruker 6x M6 socket skruer (15 mm) (figur 13C).
3. Design av Mirror Robot System
- Matematisk modell for automatisk regulering
- Sett dynamisk modell for automatisk styring av overekstremitet bevegelse (Figur 14).
MERK: En dynamisk modell av menneskelig overekstremitet bevegelse kan uttrykkes ved hjelp av kinematikk av ledd og koblinger. Derfor, ved bruk av en ligning for robotmanipulator, modelleringen kan oppnås som vist nedenfor:
NOTAT: (
: Joint posisjon vektor, 
: Joint hastighetsvektor, 
: Joint akselerasjon vektor, H: Inertia matrise, F: Coriolis og sentrifugalkraft matrise, G: Vektor av gravitasjonskrefter, E: Torque matrise på grunn av interaksjon med miljøet, 
: Vektor av generalisert forc es benyttet i ledd) Den hemiplegisk og sunne arm viser ulike aspekter ved bevegelse. Det vil si at hemiplegic armen ikke kan bevege seg i tid på grunn av lamme muskler eller kan ikke tilveiebringe nok dreiemoment som er nødvendig for bevegelse. Derfor er systemet utformet slik at rehabilitering trening kan gjøres via normal bevegelse gjennom hemiplegisk arm; med andre ord, er rehabilitering roboten er festet til pasientens hemiplegic arm for å levere bevegelser fra den friske arm og kan enkelt formuleres som følger:
Bevegelse av rehabilitering robot) = (Healthy arm bevegelse) - (hemiplegisk arm bevegelse). - Med en rehabilitering robot, feste pasientens lammet arm til manipulator, og observere ekstra dreiemoment og tidsforsinkelse på grunn av lammet arm forårsaker feil i hele systemet. Oppdage dette via en manipulator på hemiplegisk side.
- Mål feil (s (t): relativ volatilitet) som en matematisk ligning:
es / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
MERK: (s: Relativ volatilitet,
: Positiv bestemt utforming parameter matrise, 
: Feil mellom ønsket og faktisk posisjon, 
: Feil mellom ønsket og virkelig hastighet) Den ovenfor relativ feil kan kombineres med en dynamisk modell for menneskelig øvre lem bevegelse og kan uttrykkes som: 
MERK: (K D: Derivatforsterkning verdi med tilbakemelding kompensasjon som endrer seg over tid,
: Inertia feil matrise, 
: Coriolis og sentrifugalkraft feil matrise) - For å kontrollere hvert ledd av rehabiliterings robot, bruke Lagrangian dynamikk 8. En dynamisk bevegelsesligningen for hvert ledd er:
MERK: (D: Coefficient matrise,
: Actuator treghet matrise) Coefficient D i ligningen ovenfor påvirker dreiemoment mellom leddene med treghet koblingen effekt mellom leddene 8. Den automatiske kontrollmodell ved hjelp av denne matematiske modellen kan illustreres ved det blokkskjema på figur 14.
- Sett dynamisk modell for automatisk styring av overekstremitet bevegelse (Figur 14).
- Programvareprotokoll (figur 15)
- Når programmet starter, etablere kommunikasjon med motorer og sensorer, og initial verdiene. Når motorene og sensorer er i utgangsstillingen (se 4.1.3), gå videre til hovedsløyfen.
MERK: For samplingfrekvens på hoved loop, anbefaler vi 50 - 200 samples / sek. For maksimal forsinkelse, anbefaler vi 2 sek på de fleste. I tillegg, for momentgrensene, vianbefaler å regulere motorstrømmen verdi med programvare slik at albuen motor kan utøve 25-40 Nm og håndledd motor kan utøve 10-20 Nm. - Som det ikke blir avbrutt av en stoppknapp, kontinuerlig lese Attitude og kursreferanse System (AHRS) sensorer nåværende posisjonsverdier til å overføre verdier til motorene.
MERK: Datautgangen er i quaternions, og skal være riktig forvandlet til ønsket vinkel for robot bevegelse. Velge en av sensor koordinaten rammer som en referanse, og tilbakestiller den andre sensoren koordinat rammer. Med beregnede rammer som en referanse, brukes inverse kinematikk for å oppnå de endelige utgangs yaw vinkler. - Ettersom det ikke er avbrutt av en stoppknapp, kontrollerer kontinuerlig motorer posisjoner, og oppdaterer verdier for å oppnå bevegelse i ønsket posisjon gitt av AHRS sensorene.
MERK: Motoren posisjon er levert av motorens koder som kan sjekkes på innsiden av programvare med motoren selskapet & #39; s medfølgende programvaren bibliotek kommando. - I mellomtiden, registrere alle vinkler og vinkelhastigheter fra AHRS sensorer.
- Når oppgavene er fullført og brukeren trykker på stoppknappen, avslutter løkken og sluttføre roboten ved å flytte det til utgangsposisjonen.
- Når programmet starter, etablere kommunikasjon med motorer og sensorer, og initial verdiene. Når motorene og sensorer er i utgangsstillingen (se 4.1.3), gå videre til hovedsløyfen.
- Grafisk brukergrensesnitt (GUI) (figur 16)
- Legg til "feil i" og "feil ut" funksjoner for å oppdage og feilsøke feil under utføring.
- Legg pasientsideknappen for å velge roboten drift siden (pasientens paretic side).
- Konstruer en pasientinformasjon boksen for å identifisere pasientene.
- Legg motorstatusindikatorer.
- Legg vinkel begrensning kontroller for sikkerhet.
- Konfigurer maksimal hastighet, akselerasjon og retardasjon for hver motor for å forebygge muskel- og seneskader på grunn av en stiv overekstremitet.
MERK: Systemet reflekterer akselerasjon og nedbremsing av hemiplegisk arm. - ENdd indikatorer for å hente motor posisjon og hastighet, og innspill aktuell informasjon.
- Bygg et VISA ressursnavn kontrollen for å etablere kommunikasjon mellom AHRS sensorer og systemet.
- Legg en kalibreringsfunksjon for å eliminere akkumulerte sensor drift feil.
- Ordne indikatoren for sensorene for å hente sensorinformasjon.
MERK: Sensoren informasjonen omfatter leddvinkler (vinkelen mellom to påfølgende sensorer) og batterireserve.
- Overvinne arm spastisitet under speil robot drift
- Velg motorer som kan utøve nok dreiemoment til å overvinne spastisitet for hvert ledd.
MERK: Armbånds motor bør ha dreiemoment høyere enn 10 Nm, og albue motor høyere enn 25 Nm. - For å fast overføre roboten bevegelse til pasientens arm, bruke stropper som er laget av semi-elastisk materiale for å fikse underarmen i robot exoskeleton.
MERK: Semi-elastisk stropper, for eksempel strekkeh stoff stropper eller polyester / nylon elastisk flettet stropper, anbefales. Dersom stroppene er for elastisk, vil det ikke holde armen i stilling. Dersom stroppene ikke er elastisk i det hele tatt, kan muskel- eller seneskader oppstår i tilfelle av en høy grad av albuen spastisitet. - For å isolere albue og håndledd bevegelse, bruke 2 faste rammer kombinert med en akselkrage for å feste håndleddet ved å klemme den i rammene.
MERK: Shaft collars brukes til å forebygge muskel og sene skader hvis stivhet i håndleddet er overdreven. - Bruk stropper rundt håndtaket for å fikse hånden til roboten.
- Velg motorer som kan utøve nok dreiemoment til å overvinne spastisitet for hvert ledd.
: Joint posisjon vektor, 
: Joint hastighetsvektor, 
: Joint akselerasjon vektor, H: Inertia matrise, F: Coriolis og sentrifugalkraft matrise, G: Vektor av gravitasjonskrefter, E: Torque matrise på grunn av interaksjon med miljøet, 
: Vektor av generalisert forc es benyttet i ledd) Den hemiplegisk og sunne arm viser ulike aspekter ved bevegelse. Det vil si at hemiplegic armen ikke kan bevege seg i tid på grunn av lamme muskler eller kan ikke tilveiebringe nok dreiemoment som er nødvendig for bevegelse. Derfor er systemet utformet slik at rehabilitering trening kan gjøres via normal bevegelse gjennom hemiplegisk arm; med andre ord, er rehabilitering roboten er festet til pasientens hemiplegic arm for å levere bevegelser fra den friske arm og kan enkelt formuleres som følger: 
: Positiv bestemt utforming parameter matrise, 
: Feil mellom ønsket og faktisk posisjon, 
: Feil mellom ønsket og virkelig hastighet) Den ovenfor relativ feil kan kombineres med en dynamisk modell for menneskelig øvre lem bevegelse og kan uttrykkes som: 
: Inertia feil matrise, 
: Coriolis og sentrifugalkraft feil matrise) 
: Actuator treghet matrise) Coefficient D i ligningen ovenfor påvirker dreiemoment mellom leddene med treghet koblingen effekt mellom leddene 8. Den automatiske kontrollmodell ved hjelp av denne matematiske modellen kan illustreres ved det blokkskjema på figur 14. 4. Klinisk Bruk av Mirror Robot System
- Gjennomføring robot speil terapi
- Juster høyde og bredde av oppgave bord i samsvar med pasientens tilstand.
- Sett opp et speil i midtlinjen mellom begge armene, og sett den på et bord eller plattform.
- Plasser AHRS sensorer på håndtaket, håndleddramme, og kanten av plattformen på sunn side samkjøre parallelt med robotens orientering.
MERK: Sensoren interne vertikalaksen skal peke opp. - Utføre behandlingen programvare i en datamaskin.
- Velg hemiplegisk side ved å klikke på Patient-Side bryterknappen.
- Angi maksimal felles vinkelgrensene i samsvar med pasientens felles tilstand. For sikker bruk, bruk albue fleksjon grense mindre enn 50º, albue forlengelse grense mer enn -70º, håndledd fleksjon grense mindre enn 80º, og håndledd forlengelse grense mer enn -60º.
MERK: Pluss og minustegnene blir automatisk korrigert og grensene er også korrigert hvis utenfor banen i programvaren nivå. - Angi maksimal hastighet, akselerasjon og nedbremsing. For disse verdier ved å bruke hastighetsverdi mellom 0 og 22,5 opm i albue motor og bruk hastighetsverdi mellom 0 og 33 rpm i håndledd motor.
MERK: For konvensjonell speil terapi, sette alle verdier til nullå immobilisere roboten. - Fyll ut pasientopplysninger.
- Slå på alle AHRS Sensorer før du kjører programmet.
- Kjør programmet ved å klikke på pilen knappen i øvre venstre hjørne av programmet.
- Når "lagre som" rask dukker opp, skrive riktig filnavn for resultatdata på strengen boksen og trykk ok.
- Mens roboten og sunn armen er i utgangsposisjon (begge hendene vekk fra kroppen og parallelt med hverandre), trykk på kalibreringsknappen for å initialisere sensorverdiene til null for utgangsposisjonen.
MERK: Se trinn 1.1.1 - 1.1.4 for hendene brukes i denne oppgaven. - Trykk på STOP-knappen når alle oppgaver er fullført.
MERK: For robot speilet, bør en biomedisinsk ingeniør fungere som hovedkoordinator og ergoterapeut skal hjelpe pasienten.
- Klinisk en studie på friske forsøkspersoner
- Gjennomføre en klinisk studie på friske individer for å bekreftesikkerhet og gjennomførbarhet 8. Gi instruksjon ( "Ikke flytte hemiplegisk arm på egen hånd.») Til de fagene for helt passiv bevegelse av hemiplegisk arm.
- Plasser begge underarmene på rammene, og hendene på håndtakene. Deretter fikse underarmene med stropper.
- Evaluering av terapeutiske effekter
- Før behandlingen, foreta funksjonelle evalueringer som Fugl-Meyer vurderingsskala 9, modifisert Ashworth skalaen 10, endret Barthel indeks 11, Jebsen hånd funksjonstest, effektmåling hånd, Neglekt testen, og motoren fremkalt potensial test for pasientene.
- Gjennomføre klinisk studie for slagpasienter med 2-dimensjonal speil robot i 30 - 60 min per dag. Gi instruksjon ( "Ikke flytte hemiplegisk arm på egen hånd.») Til pasientene.
- Etter pasientene oppnå siste økten, gjennomføre oppfølging funksjonelle evalueringer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Seks friske individer gjennomføres en "penn merking oppgave '(berøre de to små styrer vekselvis med en penn festet på den friske hånd, som vist på figur 17) 10 ganger som tok i gjennomsnitt 106 sek pr emne. Ingen bivirkninger ble observert, og robot speil terapi ble vist seg å være gjennomførbart.
I tillegg ble en klinisk studie på rehabiliterings leger utført. Vi ba om ekspertuttalelser for å fastsette egnede oppgaver for effektiv robot speil ergoterapi. Med tilbakemeldinger fra 6 rehabilitering leger, graden av illusjonen utløst av speilet robot var høyest for "ball i hull" og "flytte en kopp" oppgaver (7,2 av 10 på en numerisk vurderingsskalaen [NRS] for hver), etterfulgt av "soccer game" (7.0 / 10) og "prikker sporing" oppgaver (6.5 / 10). Når det gjelder synkron bevegelse mellom begge armene underrobot speil terapi, "flytte en kopp" oppgave hadde en NRS score på 7.0 / 10, etterfulgt av "fotballkamp" og "prikker tracing" (6,8 / 10 hver), og "ball i hull" (6.2 / 10) (figur 3). Blant disse 4 oppgavene, rehabilitering legene anbefalte "fotballkamp" som en nyttig oppgave for ADL trening hos pasienter med hjerneslag.
Vi gjennomførte en klinisk studie for slagpasienter med speil robot for 30 minutter per dag i 2 uker (10 økter). Emne må oppfylle følgende inklusjonskriterier: 1) over 18 år; 2) supratentorial slag diagnostisert mellom 4 måneder og 6 år siden; og 3) øvre lem hemiplegi med Medical Research Council (MRC) grad 2 eller mindre. Viktigste eksklusjonskriteriene er som følger: 1) modifisert Ashworth skala fra grad 3 eller mer (alvorlig spastisitet); 2) mini mental status scorer mindre enn 12; og 3) global eller sensorisk afasi.
th besøk, gjennomførte han oppfølging funksjonelle evalueringer. Den Fugl-Meyer vurderingsskala av hemiplegisk arm forbedret 12-17 av 66, og modifisert Ashworth skala fra albuen flexors (for spastisitet) ble redusert fra klasse 2 til 1+. Venstre side klype kraft ble øket fra 0 til 3 lb Andre parametere viste ingen forskjell før og etter robot speil behandling (figur 18 og tabell 1).
Figur 1. Conceptual Flow for Robotic Mirror Therapy for å lette Proprioseptiv Input. Eksperimentet er utformet i henhold til den begrepsmessige strømningen for robot speilet terapi.
Figur 2. En Diagram av speilet Robot System. Bevegelser av sunn arm er anslått til exoskeleton festet til hemiplegisk arm av en programvarealgoritme gjennom innspill fra 3 AHRS sensorer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
. Figur 3. Ulike oppgaver ved hjelp av speil Robot System Brukerne kan trenes av to-dimensjonale oppgaver; ball i hull, fotballkamp, prikker sporing, og flyttingen kopp. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Elbow Motor Assembly. Montering trinn for albueleddet motor, koblinger, og albue kobling hul sylinder dekselet.
Figur 5. Lager & Elbow Rooftop Frame Assembly. Montering mellom lageret og albuen ramme taket montering.
Figur 6. Elbow Support forsamlingen. Monterings trinnene for albue motor kraft spredning aksel, øvre e lbow støtte, og lavere albuen støtte.
Figur 7. Elbow Support og Elbow Motor Assembly. Montering trinn for albuen støtte og albuen motor.
Figur 8. Wrist Motor Assembly. Montering trinn for håndleddet motor, koblinger, og lavere håndledd kobling hul sylinder dekselet.
Figur 9. redusert friksjon Ring Vedlegg. Festing av redusert friksjon ringen for å ramme håndleddet på taket.
ad / 54521 / 54521fig10.jpg "/>
Figur 10. Handle Assembly. Montering trinn for 3D trykt håndtaket, kopling, og håndleddet motorkraften spredning aksel.
Figur 11. Håndtak & Wrist Motor Assembly. Montering trinn for håndleddet motor og håndtaket.
Figur 12. Joint Movement Limiter forsamlingen. Monterings skritt for (A) felles bevegelse begrenser, (B) lengdejustering skaftet, og den sammensatte håndtaket.
Figur 13. sluttmontasje.Monterings skritt for (A) monteres albue motordelen med den sammensatte leddet motordelen ved hjelp av aksel snipper og aksel, (B) montert robot med støttemurer, og (C) montert robot med oppgaven tabellen. Klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 14. Block Scheme av automatikken matematiske modellen. Den exoskeleton robot benytter lukket feedback mekanisme for real-time kontroll.
Figur 15. Samlet Programvaren. Programmet bruker en nærd feedback mekanisme for å kjøre roboten systemet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 16. GUI av Programmet. Bruker kan kontrollere og konfigurere programmet for terapi via GUI. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 17. En Pen Merking oppgave i 6 friske personer som bruker Prototype av Mirror Robot System. Gjennomføre en penn merking oppgave 10 ganger etter hverandre tok i gjennomsnitt 106 sek per emne.
Figur 18. Funksjonell Evaluering av en 60 år gammel mannlig pasient med kronisk Høyre basalgangliene blødning. Hoved undergrupper av data som viste bedring etter 10 økter av robot speil terapi. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Før | Etter 10 økter | |
| Mini mental status | 29 | - |
| Fugl-Meyer vurderingsskala (Øvre ekstremitet) | 12 | 17 |
| Skulder/albue | 11 | 15 |
| Håndledd | 0 | 1 |
| Hånd | 1 | 1 |
| Modifisert Ashworth skala | ||
| Elbow flexor | 2 | 1+ |
| Wrist flexor | 0 | 0 |
| Modifisert Barthel indeks (Øvre ekstremitet) | 25 | 25 |
| Funksjonstest Jebsen hånd | uncheckable | uncheckable |
| Venstre hånd makt (lb) | ||
| Grep | 8 | 8 |
| Lateral klype | 0 | 3 |
| Palmar klype | 0 | 0 |
| Hemineglect test | ||
| Linje halverings test | 6/6 hver | 6/6 hver |
| Albert test | 12/12 hver | 12/12 hver |
| Motor fremkalt potensial | Ingen respons | Ingen respons |
Tabell 1. Funksjonell Evaluering av en 60 år gammel mannlig pasient med kronisk riktig basalgangliene blødning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det primære formål med denne studien var å utvikle en sanntids speilrobotsystem for funksjonell helbredelse av en hemiplegic arm ved hjelp av en automatisk reguleringsalgoritme. Effekten av robotassistert terapi på langsiktige utvinningen av øvre lem svikt etter hjerneslag ble påvist gunstig i tidligere studier 12, og ulike typer arm roboter har blitt innført 13-20. Imidlertid tidligere studier av overekstremitetene roboter som realiseres bilateral arm bevegelsen påføres mekaniske forbindelser uten bruk av et speil, som er forskjellig fra begrepet speilet terapi 14-15. Dermed kan vår studie være en forlengelse av sitt arbeid ved å bruke en faktisk speilet for å legge til rette for proprioseptiv innspill.
For å oppgradere det gamle systemet, vi aktivert hemiplegisk arm å bevege seg i sanntid ved å bruke AHRS sensorer på sunn arm og feste motorer til hemiplegisk albue og håndledd. Proprioseptive innspill fra hemiplegisk arm tilsensoriske cortex av hjernen kan forbedres gjennom speilet robotsystemet. Tilrettelegging av propriosepsjon må bekreftes av funksjonell MRI av hjernen i en fremtidig studie.
Det er kritisk for at systemet skal ha minimum synkroniseringsforsinkelser ettersom speileffekt blir maksimert når forsinkelsen er minimert. For å oppnå dette, hentet vi data fra sensorer med et minimum av nødvendig antall byte under lesing av dem i parallell i en sløyfe inne i programvarearkitektur. Som et resultat, er synkroniseringen forsinkelse mellom det friske arm og roboten bare omtrent 0,04 til 0,40 sek.
Det er flere begrensninger i denne studien. Først, kunne vi ikke inkludere fine fingerbevegelser som grep eller klemme, og tre-dimensjonale oppgaver konvensjonell speil terapi. For det andre, vi ikke fikse albueleddet av den sunne armen for å bevare fysiologisk bevegelse så mye som mulig. Men begrensning av omfanget av albue bevegelse ville være nyttig for å forbedre synkronisiteten med den motsatte albuen som beveges ved hjelp av motoren. Å modifisere systemet ved å installere ytterligere konstruksjon som sikrer sunn side albuen vil forbedre synkron, og derfor vil øke virkningen av terapien. Tredje, pasienter som hadde alvorlig spastisitet eller stivhet ble ikke inkludert på grunn av utilstrekkelig motorkraft, selv om felles beveget seg sakte. Systemet kan modifiseres ved å erstatte motor med høyere dreiemoment for å overvinne moderat stivhet. Men selv med sterk motor, behandling til pasienter med alvorlig grad av spastisitet eller stivhet bør unngås for å forhindre sene eller bein skader på grunn av overdreven makt søknad til leddene.
Vi tror imidlertid at speilet robot system som presenteres her kan lett utvikles og utnyttes effektivt for å fremme ergoterapi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av Brain Fusion Program for Seoul National University (800-20120444) og Tverrfaglig satsinger Program fra College of Engineering og College of Medicine, Seoul National University (800-20150090).
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).
