Summary
We ontwikkelden een real-time mirror robot systeem voor het functioneel herstel van de aangedane armen met behulp van automatische controle-technologie, voerden een klinische studie met gezonde proefpersonen, en vastbesloten taken via feedback van revalidatie artsen. Deze eenvoudige spiegel robot kan effectief te ergotherapie bij patiënten met een beroerte worden aangebracht met een aangedane arm.
Abstract
Mirror therapie is uitgevoerd volgens de effectieve ergotherapie in een klinische setting voor functioneel herstel van een aangedane arm na een beroerte. Het wordt uitgevoerd door het opwekken van een illusie door het gebruik van een spiegel alsof de aangedane arm beweegt in real-time tijdens het verplaatsen van de gezonde arm. Het kan de hersenen neuroplasticiteit te vergemakkelijken door middel van de activering van de sensomotorische cortex. Echter, conventionele spiegeltherapie een kritische beperking dat de hemiplegische arm eigenlijk beweegt. Aldus hebben we een real-time 2-assige robot mirror systeem als eenvoudige uitbreidingsmodule conventionele spiegeltherapie met een gesloten feedbackmechanisme met real-time beweging van de hemiplegische arm mogelijk maakt. We gebruikten 3 Attitude and Heading Reference System sensoren, 2 borstelloze DC-motoren voor de elleboog en pols gewrichten en exoskeletal frames. In een haalbaarheidsstudie op 6 gezonde proefpersonen, robotachtig spiegel therapie was veilig en haalbaar is. We verder geselecteerde taken die bruikbaar zijn voor activiteiten van daily levende training door middel van feedback van revalidatie artsen. Een CVA patiënt toonden verbetering in de Fugl-Meyer beoordelingsschaal en elleboog flexiespasticiteit na 2 weken toepassing van de spiegel robotsysteem. Robot spiegeltherapie kan proprioceptieve ingang vergroten om de sensorische cortex, die wordt belangrijk geacht neuroplasticiteit en functioneel herstel van hemiplegische behandelgroepen. De spiegel robotsysteem document kan gemakkelijk worden ontwikkeld en effectief gebruikt om ergotherapie te bevorderen.
Introduction
Voor patiënten met een beroerte, disfunctie van een aangedane arm heeft verzwakkende effect. De mogelijkheid om activiteiten uit te voeren met twee handen is van essentieel belang voor het dagelijks leven, maar functioneel tekort van een aangedane arm blijft vaak zelfs een paar jaar na het begin van de beroerte. Tussen de verschillende opleidingen in het ziekenhuis, een oefening om het bereik van de beweging of passieve herhaling te verhogen van eenvoudige taken hebben weinig effect op functioneel herstel van een aangedane arm. Om deze reden heeft de opleiding van zinvolle taken met betrekking tot de activiteiten van het dagelijks leven (ADL) is toegepast op ergotherapie in ziekenhuizen.
De effecten van de spiegel therapie werden aangetoond door eerdere studies in neurorevalidatie 1-4. Spiegeltherapie wordt uitgevoerd door het opwekken van een illusie door het gebruik van een spiegel alsof de aangedane arm beweegt in real-time tijdens het verplaatsen van de gezonde arm. Het kan hersenen neuroplasticiteit vergemakkelijken door activering van de sensorimotorische cortex 1. Dus, motor kracht en functie van de hemiplegische arm kan worden verbeterd. Echter, conventionele spiegeltherapie een kritische beperking dat de hemiplegische arm eigenlijk beweegt.
Daarom hebben we een real-time 2-assige robot mirror systeem als eenvoudige uitbreidingsmodule conventionele spiegeltherapie, met gesloten terugkoppelingsmechanisme. Dit kan proprioceptieve ingang brengen aan de sensorische cortex, die belangrijk neuroplasticiteit en functioneel herstel van een hemiplegische arm (figuren 1 en 2) 5-7 wordt beschouwd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle procedures werden beoordeeld en goedgekeurd door de Institutional Review Board van Seoul National University Hospital goedgekeurd.
1. Mirror Therapy Taken
- Voorbeelden van 2-dimensionale spiegeltherapie taken (figuur 3)
- Vrij bewegen de gezonde arm, terwijl in de spiegel kijken ongeveer 5 minuten voor de warming-up.
OPMERKING: Men kan een metronoom gebruiken zodat de patiënt de beweging van het gezonde arm op ritmische wijze kan uitoefenen. - Op gezonde kant, dribbelen en plaats een kleine bal in het gekozen gat vergelijkbaar met biljart voor ongeveer 5 min ( "Bal in gaten" taak). Dribbelen en plaats een kleine bal in een doel vergelijkbaar met voetbal voor ongeveer 5 min ( "Soccer game" taak).
- Met behulp van genummerde stickers geplaatst op een tafel, verplaats de hendel aan gezonde kant in numerieke volgorde en terug te keren in omgekeerde richting ( "Dots tracing 'taak). Herhaal dit voor ongeveer 5 minuten.
- Gebruik van een object in het dagelijks leven, zoals acup, met behulp van handvat aan gezonde kant, duw hem naar een gekozen plek (taak "een kopje Moving"). Herhaal dit voor ongeveer 5 minuten.
- Vrij bewegen de gezonde arm, terwijl in de spiegel kijken ongeveer 5 minuten voor de warming-up.
2. Onderdelen van de Mirror Robot System
- sensorinstellingen AHRS
- Het verkrijgen van 3 commercieel verkrijgbare AHRS sensoren.
LET OP: AHRS sensoren bestaan uit een magneto-sensor, accelerometer en gyroscoop sensoren (in totaal 9-as). - Sluit de AHRS sensor op een pc met een USB-connector.
- Gebruik hyperterminal of andere communicatie-software om algemene sensor instellingen te configureren.
- Voor elke AHRS sensor, ingesteld op RS232 communicatie en selecteer COM-poort. Stel vervolgens baud rate tot 115.200 bits per seconde, databits 8, pariteit voor niemand, stopbits tot 1, en flow control voor niemand.
- Om de COM-poort te controleren, klikt u home-knop op de linkerbenedenhoek. Klik met de rechtermuisknop op de computer. Klik vervolgens op Eigenschappen. Klik op Device Manager. Vouw tabblad Poort (COM & LPT) door erop te klikken.
- Zodra de communicatie is vastgesteld, ingesteld kanaal 100 en ID toewijzen aan elke sensor.
OPMERKING: Sommige sensoren kunnen de kalibratie van de accelerometer, gyroscoop en magnetometer nodig voor gebruik. - Stel output formaat als quaternions en de set sensoren om de batterij reserve weer te geven.
OPMERKING: Quaternions worden gebruikt om de snelheid van computers alsmede kompasvergrendeling singulariteiten elimineren.
- Het verkrijgen van 3 commercieel verkrijgbare AHRS sensoren.
- motorinstellingen borstelloze DC
- Bereid 2 high-performance borstelloze DC motoren en controllers.
- Voor elke controller, sluit het netsnoer aan op een voeding. Ook sluit de motor kabel, Hall-sensor kabel en encoder kabel aan op de motor.
- Sluit de CAN-CAN-kabel aan op een andere controller.
OPMERKING: CANopen wordt gebruikt voor communicatie tussen apparaten. - Set knooppunt ID voor elke controller om onderscheid te maken tussen apparaten.
- Sluit de USB-kabel op de pc voor algemene configuratie.
- Schakel de stroomvoorziening aan de macht van de controLlers en motoren.
- Gebruik de motor-fabrikant bevoorraadde systeemconfiguratie software configureren en afstemmen van de motor, Hall-sensor, en encoder.
LET OP: Hoek grenzen en uitgangspositie moet worden geconfigureerd voor een veilige werking.
- Montage van het frame en motoren
OPMERKING: Elke maat deel wordt genoemd in aanhalingsteken. Raadpleeg de tabel van Materialen & Equipment en uit figuur 4 Figuur 13.- Voor het ellebooggewricht motor, zet één van de koppeling lichamen met gleuf op de motoras en zet hem met behulp van een M5 zeskante stelschroef (figuur 4).
- Veilige "Elleboog koppeling holle cilinderbescherming" naar de elleboog motor via 4x M5 inbusschroeven (10 mm) en plaats de buffer deel van de koppelingen (middelste schuifknop deel) bovenop het koppelingslichaam dat werd bevestigd in stap 2.3.1 (Figuur 4).
- Steek de kogellager in "Elleboog frame van het dak"en zet hem vast met 4x M4 inbusschroeven (8 mm) (Figuur 5).
- Plug "Elbow motor force dispersie shaft" in "Lower elleboog support" en zet hem vast met 4x M3 inbusschroeven (6 mm). Dan, plaats "Upper elleboog support" op de top van de "Lower elleboog support" en zet hem vast met behulp van 8x M3 inbusschroeven (12 mm) (Figuur 6).
- Plaats het geheel in stap 2.3.4 bovenop het samenstel in stap 2.3.3 in het midden, en het laatste deel van het koppelingslichaam aan de onderzijde. Join allemaal samen en zet de koppeling lichaam met M5 hex socket set schroeven (10 mm) (figuur 7).
- Secure montage in stap 2.3.5 en montage in stap 2.3.2 met behulp van 4x M5 inbusschroeven (15 mm) (figuur 7). Draai de montage in stap 2.3.2 op alle 4 punten veilig te stellen.
- Secure "Lagere pols koppeling holle cilinder deksel" met de pols motor met behulp van 4x M4 inbusschroeven (10 mm). Plaats dan een vande koppeling lichamen met gleuf op de motoras en zet hem met behulp van M4 hex socket set schroeven; Plaats vervolgens de buffer deel van de koppelingen bovenop het koppelingslichaam (Figuur 8).
- Bevestig "Wrijving reductie ring" bovenop "Pols frame van het dak" met dubbelzijdig tape of een soort lijm (figuur 9).
- Plug "Pols motor force dispersie shaft" in "Handle" en zet hem vast met behulp van 4x M2.5 inbusschroeven (4 mm) (Figuur 10).
- Plaats samenstel in stap 2.3.9 geplaatst, assemblage in stap 2.3.8 in het midden, en het laatste deel van het koppelingslichaam aan de onderzijde. Join allemaal samen en zet de koppeling lichaam met M4 hex socket set schroeven (10 mm) (Figuur 10).
- Secure "Pols motor2roof2" met de assemblage in stap 2.3.10 behulp 4x M3 inbusschroeven (Figuur 11).
- Secure montage in stap 2.3.11 en montage in stap 2.3.7 onsing 4x M3 inbusschroeven (15 mm) (Figuur 11).
- Secure 2 "Joint beweging limiter" en 2 as kragen gebruik 4x M4 inbusschroeven (15 mm) (Figuur 12A).
- Gebruik as kragen om schachten en "Pols dak kader" met 8x M3 inbusschroeven (8 mm) (Figuur 12B) veilig te stellen.
- Schuif de as kragen in assembly 2.3.13 in de schachten in assembly 2.3.14 en veilig extra as kragen met "Lower elleboog ondersteuning" met 4x M4 inbusschroeven (15 mm). Dan maak beide delen en veilig met hendel (Figuur 13A).
- Secure "Steun muur" om de assemblage in stap 2.3.15 behulp 6x M4 inbusschroeven (15 mm) (Figuur 13B). Bevestig de tafelstandaard en assemblage in stap 2.3.16 behulp 6x M6 inbusschroeven (15 mm) (Figuur 13C).
3. Het ontwerp van de Mirror Robot System
- Wiskundig model voor automatische controle
- Stel dynamisch model voor het automatisch regelen van de bovenste ledematen beweging (Figuur 14).
OPMERKING: Een dynamisch model van menselijke bovenste ledematen beweging kan worden uitgedrukt in kinematica van voegen en verbindingen. Daarom worden bij een vergelijking voor de robot manipulator, het modelleren kan worden verkregen zoals hieronder weergegeven:
NOTITIE: (
: Gemeenschappelijk standpunt vector, 
: Joint snelheidsvector, 
: Joint versnellingsvector, H: Inertia matrix F: Coriolis en middelpuntvliedende kracht matrix G: Vector van zwaartekracht, E: Koppel matrix door de wisselwerking met de omgeving, 
: Vector van algemene krachte es toegepast op de gewrichten) De hemiplegische en gezonde arm tonen verschillende aspecten van de beweging. Dat wil zeggen de hemiplegische arm kan bewegen in de tijd door verlamde spieren of kan niet genoeg koppel nodig voor beweging. Daarom is het systeem zodanig ontworpen dat de rehabilitatie training kan via normale beweging door de hemiplegische arm; Met andere woorden, de revalidatie robot is om aangedane arm van de patiënt om de bewegingen te bevrijden van de gezonde arm als volgt bevestigd en kan eenvoudig worden geformuleerd:
Motie van revalidatie robot) = (Healthy arm beweging) - (aangedane arm beweging). - Met een revalidatie robot, bevestigt verlamde arm van de patiënt naar de manipulator en acht extra koppel en tijdvertraging vanwege de verlamde arm veroorzaken fouten in het totale systeem. Detect dit via een manipulator aan de hemiplegische zijde.
- Meet fouten (s (t): tracking error) als een wiskundige vergelijking:
es / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
LET OP: (s: Tracking error,
: Positieve definitieve ontwerp parameter matrix, 
: Fout tussen de gewenste en de werkelijke positie, 
: Error tussen gewenste en werkelijke snelheid) Bovenstaande spoorvolgfoutsignaal kan worden gecombineerd met een dynamisch model van menselijke bovenste ledematen beweging en kan worden uitgedrukt als: 
LET OP: (K D: Afgeleide gain waarde met de feedback vergoeding die veranderingen in de tijd,
: Inertia error matrix, 
: Coriolis en middelpuntvliedende kracht error matrix) - Aan elk gewricht van de revalidatie robot te besturen, gebruikt Lagrangian dynamiek 8. Een dynamische vergelijking van de beweging voor elk gewricht is:
LET OP: (D: Coëfficiënt matrix,
: Actuator inertie matrix) Coëfficiënt D in de bovenstaande vergelijking van invloed op het koppel tussen de voegen met traagheidskoppel effect tussen de gewrichten 8. De automatische besturing model met deze mathematisch model kan worden geïllustreerd door het blokschema in figuur 14.
- Stel dynamisch model voor het automatisch regelen van de bovenste ledematen beweging (Figuur 14).
- Softwareprotocol (Figuur 15)
- Wanneer het programma start, de communicatie met de motoren en sensoren, en initialiseren van de waarden. Zodra de motoren en sensoren zijn bij de eerste positie (zie 4.1.3), ga dan naar de hoofdlus.
LET OP: Voor de sampling frequentie van de belangrijkste loop, raden wij 50-200 samples / sec. Voor de maximale vertraging, raden wij 2 sec bij de meeste. Daarnaast is voor het koppel grenzen, weraden aan om de motor huidige waarde met de software te regelen, zodat de elleboog motor kan uitoefenen 25-40 Nm en pols motor kan uitoefenen 10 - 20 Nm. - Aangezien het niet wordt onderbroken door een stop-knop, continu lees de houding en de huidige positie waarden Heading Reference System (AHRS) sensoren om de waarden doorgeven aan de motoren.
NB: De data output is in quaternions, en moet goed worden omgezet in de gewenste hoek voor de robot beweging. Kies een van de sensor te coördineren frames als referentie, en reset de andere sensor te coördineren frames. Berekend met frames als referentie gebruikt inverse kinematica voor de uiteindelijke uitvoer gierhoeken verkrijgen. - Aangezien niet wordt onderbroken door een stoptoets continu controleren posities van de motoren en het actualiseren van de waarden beweging bereiken naar de gewenste positie door de AHRS sensoren.
LET OP: De motor positie wordt verzorgd door encoder motor die in de software kan worden gecontroleerd met de motor company & #39; s meegeleverde software bibliotheek commando. - Ondertussen registreert alle hoeken en hoeksnelheden van de AHRS sensoren.
- Zodra de werkzaamheden zijn voltooid en de gebruiker op de stopknop, verlaat de lus en afronding van de robot door het te verplaatsen naar de uitgangspositie.
- Wanneer het programma start, de communicatie met de motoren en sensoren, en initialiseren van de waarden. Zodra de motoren en sensoren zijn bij de eerste positie (zie 4.1.3), ga dan naar de hoofdlus.
- Grafische gebruikersinterface (GUI) (Figuur 16)
- Add "fout" en "fout out" functies op te sporen en te debuggen fouten tijdens de uitvoering.
- Voeg patiënt-side-knop om de robot operatie zijde (paretische zijde patiënt) te kiezen.
- De bouw van een patiënt informatie in om de patiënten te identificeren.
- Voeg motor statusindicatoren.
- Voeg beperking hoek controles voor de veiligheid.
- Configureren van de maximale snelheid, versnelling en vertraging voor elke motor spieren en pezen voorkomen door een stijve bovenste ledematen.
NB: Het systeem geeft de versnelling en vertraging van de aangedane arm. - EENdd indicatoren motor positie en snelheid, en input actuele informatie op te halen.
- Bouw een VISA naam resource control om de communicatie tussen AHRS sensoren en het systeem in te stellen.
- Voeg een calibratie functie aan het geaccumuleerde sensor drift fouten te elimineren.
- Schik de indicator voor de sensoren om de sensor te halen.
NB: De sensor informatie omvat de batterij reserve gewrichtshoeken (hoek tussen twee opeenvolgende sensoren) en.
- Overwinnen arm spasticiteit tijdens spiegel robot operatie
- Selecteer motoren die genoeg koppel om spasticiteit te overwinnen voor elke gezamenlijk kunnen uitoefenen.
LET OP: Pols motor moet koppel hoger zijn dan 10 Nm, en elleboog motor hoger zijn dan 25 Nm hebben. - Om de robotbeweging stevig dragen aan de arm van de patiënt, met spanbanden die zijn gemaakt van semi-elastisch materiaal aan de onderarm in de robot exoskelet lossen.
LET OP: Semi-elastische banden, zoals stretch stoffen riemen of polyester / nylon elastische gevlochten riemen, worden aanbevolen. Als de banden te elastisch, zal het niet de arm in positie te houden. Als de banden niet elastisch helemaal kunnen spieren of pezen verwondingen bij een hoge elleboog spasticiteit. - Met het oog op de elleboog en pols beweging te isoleren, gebruik 2 solide frames in combinatie met een as kraag aan de pols te lossen door te knijpen in de frames.
OPMERKING: stelringen wordt verhinderd spieren en pezen of de stijfheid in de pols overdreven. - Gebruik banden om de handgreep om de hand vast aan de robot.
- Selecteer motoren die genoeg koppel om spasticiteit te overwinnen voor elke gezamenlijk kunnen uitoefenen.
: Gemeenschappelijk standpunt vector, 
: Joint snelheidsvector, 
: Joint versnellingsvector, H: Inertia matrix F: Coriolis en middelpuntvliedende kracht matrix G: Vector van zwaartekracht, E: Koppel matrix door de wisselwerking met de omgeving, 
: Vector van algemene krachte es toegepast op de gewrichten) De hemiplegische en gezonde arm tonen verschillende aspecten van de beweging. Dat wil zeggen de hemiplegische arm kan bewegen in de tijd door verlamde spieren of kan niet genoeg koppel nodig voor beweging. Daarom is het systeem zodanig ontworpen dat de rehabilitatie training kan via normale beweging door de hemiplegische arm; Met andere woorden, de revalidatie robot is om aangedane arm van de patiënt om de bewegingen te bevrijden van de gezonde arm als volgt bevestigd en kan eenvoudig worden geformuleerd: 
: Positieve definitieve ontwerp parameter matrix, 
: Fout tussen de gewenste en de werkelijke positie, 
: Error tussen gewenste en werkelijke snelheid) Bovenstaande spoorvolgfoutsignaal kan worden gecombineerd met een dynamisch model van menselijke bovenste ledematen beweging en kan worden uitgedrukt als: 
: Inertia error matrix, 
: Coriolis en middelpuntvliedende kracht error matrix) 
: Actuator inertie matrix) Coëfficiënt D in de bovenstaande vergelijking van invloed op het koppel tussen de voegen met traagheidskoppel effect tussen de gewrichten 8. De automatische besturing model met deze mathematisch model kan worden geïllustreerd door het blokschema in figuur 14. 4. Klinische Toepassing van de Mirror Robot System
- Het uitvoeren van robot spiegel therapie
- Pas de hoogte en breedte van de taak tabel overeenkomstig toestand van de patiënt.
- Het opzetten van een spiegel in de middellijn tussen beide armen, en zet het op een tafel of platform.
- Plaats AHRS sensoren op de handgreep, polsframe, en de rand van het platform aan gezonde kant uitlijnen parallel aan de oriëntatie van de robot.
OPMERKING: De sensor interne yaw as moet worden naar boven wijst. - Voer de therapie software in een computer.
- Kies de hemiplegische zijde door te klikken op de Patient-Side-schakelaar drukken.
- Stel de maximale gezamenlijke hoek limieten in overeenstemming met de gezamenlijke toestand van de patiënt. Voor een veilig gebruik, gebruik elleboogflexie limiet minder dan 50º, elleboog extensie limiet meer dan -70º, polsflexie limiet minder dan 80º, en pols rekgrens meer dan -60º.
LET OP: Plus en mintekens worden automatisch gecorrigeerd en de grenzen worden ook gecorrigeerd als out of bounds in de software-niveau. - Ingestelde maximum snelheid, versnelling en vertraging. Voor deze waarden, gebruiken velocity waarde tussen 0 en 22,5 rpm voor elleboog motor en het gebruik velocity waarde tussen 0 en 33 toeren voor pols motor.
LET OP: Voor conventionele spiegel therapie, zet alle waarden op nulde robot immobiliseren. - Vul patiëntgegevens.
- Zet alle AHRS Sensoren voor het uitvoeren van het programma.
- Start het programma door te klikken op de pijl in de linkerbovenhoek van het programma.
- Zodra de "opslaan als" prompt verschijnt, schrijf de juiste bestandsnamen voor resultaat data op de snaar in en druk op OK.
- Terwijl de robot en de gezonde arm ten beginpositie (beide handen weg van het lichaam en evenwijdig aan elkaar), drukt de kalibratieknop om sensorwaarden initialiseren nul voor de uitgangspositie.
OPMERKING: Zie stap 1.1.1 - 1.1.4 van de gebruikte in deze taak handen. - Druk op de STOP-knop wanneer alle taken zijn voltooid.
LET OP: Voor de robot spiegel therapie, een biomedisch ingenieur moet optreden als de belangrijkste coördinator, en de ergotherapeut moet de patiënt te helpen.
- Klinisch onderzoek bij gezonde proefpersonen
- Voer een klinische studie bij gezonde proefpersonen om te bevestigende veiligheid en de haalbaarheid 8. Geef de instructie ( "Verplaats uw aangedane arm op uw eigen.") Om de onderwerpen voor volledig passief beweging van aangedane arm.
- Plaats beide onderarmen op de frames en de handen op de handgrepen. Dan bevestig de onderarmen met riemen.
- Evaluatie van therapeutische effecten
- Voordat de therapie uit te voeren functionele evaluaties zoals Fugl-Meyer assessment schaal 9, gemodificeerde Ashworth schaal 10, bewerkt Barthel index 11, Jebsen handfunctie test, handkracht meting, neglect test, en de motor evoked potential test voor de patiënten.
- Voeren klinische studie voor CVA-patiënten met een 2-dimensionale spiegel robot voor 30 - 60 minuten per dag. Geef de instructie ( "Verplaats uw aangedane arm op uw eigen.") Aan de patiënten.
- Na de patiënten te bereiken laatste sessie, gedrag follow-up functionele evaluaties.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Zes gezonde proefpersonen voerden een "pen markering taak" (aanraken van de twee kleine platen afwisselend met een pen bevestigd aan de gezonde kant zie figuur 17) 10 keer die werd gemiddeld 106 sec per vak. Geen bijwerking werd waargenomen, en robotica spiegel therapie werd bewezen haalbaar.
Bovendien is een klinische studie betreffende herstel artsen uitgevoerd. We hadden gevraagd om deskundige adviezen om geschikte taken voor effectieve robot spiegel ergotherapie te bepalen. Feedback van 6 revalidatie artsen, de mate van illusie opgewekt door de spiegel robot was het hoogst voor "inworp gaten" en "verplaatsen van een kop" taken (7,2 uit 10 op een numerieke beoordelingsschaal [NRS] voor elk), gevolgd door "soccer game" (7,0 / 10) en "stippen tracing" taken (6,5 / 10). Ten aanzien van de synchroniciteit van beweging tussen beide armen tijdensrobot spiegel therapie, "het verplaatsen van een kopje" taak had een NRS score van 7,0 / 10, gevolgd door "voetbalwedstrijd" en "dots tracing" (6,8 / 10 elk), en "ball in gaten" (6,2 / 10) (Figuur 3). Onder deze 4 taken, revalidatie artsen aanbevolen "voetbalwedstrijd" als een nuttige taak voor ADL training bij patiënten met een beroerte.
We voerden een klinische studie voor CVA-patiënten met spiegel robot gedurende 30 minuten per dag gedurende 2 weken (10 sessies). Onderwerpen moeten de volgende inclusie criteria voldoen: 1) meer dan 18 jaar oud; 2) supratentoriële takt gediagnosticeerd tussen 4 maanden en 6 jaar geleden; en 3) de bovenste ledematen hemiplegie met de Medical Research Council (MRC) rang 2 of minder. Belangrijkste uitsluitingscriteria zijn als volgt: 1) gemodificeerd Ashworth schaal van graad 3 of meer (ernstige spasticiteit); 2) mini-mental state examination scoren minder dan 12; en 3) mondiale of zintuiglijke afasie.
10e bezoek, dirigeerde hij follow-up functionele evaluaties. De Fugl-Meyer evaluatie omvang van de hemiplegische arm verbeterde van 12 tot 17 van de 66, en gewijzigd Ashworth schaal van elleboog flexoren (voor spasticiteit) werd teruggebracht van graad 2 tot 1+. Linker laterale pinch vermogen werd verhoogd van 0 tot 3 lb. andere parameters geen verschillen voor en na robot spiegeltherapie (Figuur 18 en Tabel 1).
Figuur 1. Conceptuele Flow voor de Robotic Mirror Therapy proprioceptieve input vergemakkelijken. Het experiment is ontworpen volgens de conceptuele stroom voor de robot spiegeltherapie.
Figuur 2. Een diagram van de Mirror Robot System. Het verloop van de gezonde arm naar verwachting het exoskelet door middel van inbreng van een software-algoritme om de aangedane arm bevestigd van 3 AHRS sensoren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
. Figuur 3. Diverse Taken met behulp van de Mirror Robot System De gebruikers kunnen worden getraind door 2-dimensionale taken; bal in de gaten, voetbalspel, stip opsporing, en bewegeneen beker. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. Elbow Motor Vergadering. Montage stap voor ellebooggewricht motor, koppelingen, en elleboog koppeling holle cilinder te dekken.
Figuur 5. Bearing & Elleboog Rooftop Frame Assembly. Montage tussen lager en de elleboog raam op het dak monteren.
Figuur 6. Elbow Ondersteuning Vergadering. Montage stappen voor elleboog motor kracht dispersie schacht, bovenste e LBOW ondersteuning en lagere elleboog ondersteuning.
Figuur 7. Elbow Support & Elleboog Motor Assembly. Montage stappen voor de elleboog ondersteuning en de elleboog motor.
Figuur 8. Pols Motor Vergadering. Montage stap voor polsgewricht motor, koppelingen, en een lagere pols koppeling holle cilinder te dekken.
Figuur 9. Friction Reduction Ring Attachment. Bevestiging van de vermindering van wrijving ring aan het frame pols dak.
ad / 54521 / 54521fig10.jpg "/>
Figuur 10. Handle Assembly. Montage stappen voor de 3D-gedrukte handvat, koppeling, en de pols motor kracht dispersie schacht.
Figuur 11. Handle & Pols Motor Assembly. Montage stappen voor de pols motor en de handgreep.
Figuur 12. gezamenlijke beweging Limiter Vergadering. Montage stappen voor de (A) gezamenlijke beweging limiter, (B) lengte aanpassing as, en de verzamelde handvat.
Figuur 13. Final Assembly.Montage stappen voor de (A) gemonteerd elleboog motor deel met de geassembleerde pols motor deel met behulp van de as kragen en as, (B) gemonteerd robot met de steun muren, en (C) gemonteerd robot met de taak tafel. Klik hier om te bekijken grotere versie van dit cijfer.
Figuur 14. Blok Scheme van de Automatic Control Mathematisch Model. Het exoskelet robot maakt gebruik van gesloten feedback-mechanisme voor real-time controle.
Figuur 15. Over het algemeen Software Program. Het programma maakt gebruik van een nauwed feedback mechanisme om de robot systeem rijden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Afbeelding 16. GUI van het programma. De gebruiker kan controleren en configureren van het programma voor therapie via GUI. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 17. Een Pen Markering Task in 6 gezonde proefpersonen met behulp van Prototype van Mirror Robot System. Het uitvoeren van een pen markering taak 10 keer achter elkaar duurde gemiddeld 106 sec per onderwerp.
Figuur 18. Functionele Evaluatie van een 60-jarige mannelijke patiënt met chronische Right basale ganglia bloeding. Belangrijkste subsets van de gegevens die verbetering toonden na 10 sessies van robot spiegel therapie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Voor | Na 10 sessies | |
| Mini-Mental State Examination | 29 | - |
| Fugl-Meyer assessment schaal (Opper-extremiteit) | 12 | 17 |
| Schouder/elleboog | 11 | 15 |
| Pols | 0 | 1 |
| Hand | 1 | 1 |
| Modified Ashworth schaal | ||
| elleboog flexor | 2 | 1+ |
| pols flexor | 0 | 0 |
| Modified Barthel index (Opper-extremiteit) | 25 | 25 |
| Jebsen handfunctie-test | oncontroleerbare | oncontroleerbare |
| Linkerhand vermogen (lb) | ||
| greep | 8 | 8 |
| Lateral pinch | 0 | 3 |
| Palmar pinch | 0 | 0 |
| Hemineglect-test | ||
| Line tweedeling-test | 06/06 elk | 06/06 elk |
| Albert-test | 12/12 elk | 12/12 elk |
| Motor evoked potential | Geen antwoord | Geen antwoord |
Tabel 1. Functionele Evaluatie van een 60-jarige mannelijke patiënt met chronische juiste basale ganglia bloeding.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het primaire doel van dit onderzoek was om een real-time mirror robotsysteem voor functioneel herstel van een hemiplegische arm een automatisch regelalgoritme ontwikkelen. Het effect van robot-ondersteunde therapie op de lange termijn herstel van de bovenste ledematen impairment na een beroerte werd gunstig bewezen in eerdere studies 12, en verschillende soorten arm robots zijn ingevoerd 13-20. Echter, eerdere studies van bovenste lidmaat robots die bilaterale armbeweging gerealiseerd toegepaste mechanische verbindingen zonder een spiegel, die verschilt van het begrip spiegeltherapie 14-15. Zo kan onze studie verlenging van hun werk met behulp van een echte spiegel proprioceptieve ingang vergemakkelijken.
Om de vorige systeem te upgraden, kon we de aangedane arm in real-time te bewegen door het toepassen van AHRS sensoren op de gezonde arm en het bevestigen van motoren om de aangedane elleboog en pols. Proprioceptieve input van de aangedane arm naar desensorische cortex van de hersenen kan worden verbeterd door de spiegel robotsysteem. Faciliteren van proprioceptie dient te worden bevestigd door middel van functionele MRI van de hersenen in een toekomstige studie.
Het is van cruciaal belang voor het systeem op minimum synchronisatie vertraging, omdat de spiegel effect zal worden gemaximaliseerd als de vertraging wordt geminimaliseerd. Hiervoor we opgehaalde gegevens van sensoren met minimaal noodzakelijke aantal bytes terwijl ze binnen een lus in de softwarearchitectuur lezen parallel. Dientengevolge, de synchronisatie vertraging tussen de gezonde arm en de robot slechts 0,04-0,40 sec.
Er zijn verschillende beperkingen aan deze studie. Ten eerste, konden we niet voorzien van fijne vingerbewegingen zoals grip of knijpen, en 3-dimensionale taken van conventionele spiegel therapie. Ten tweede, hebben we niet het ellebooggewricht van de gezonde arm vast aan fysiologische beweging zo veel mogelijk te behouden. Toch zou beperking van het bereik van de elleboog beweging nuttig zijn om syn verbeterenchroniciteit met de andere elleboog dat zich op de motor. Wijzigen van het systeem door het installeren van extra structuur die stelt de gezonde kant zal de elleboog synchroniciteit verbeteren en daarom zal het effect van de behandeling te verhogen. Ten derde, kan patiënten die ernstige spasticiteit of stijfheid had niet worden opgenomen als gevolg van onvoldoende motorvermogen, hoewel de gezamenlijke langzaam verplaatst. Het systeem kan worden aangepast door de motor vervangen hogere koppel matige stijfheid overwinnen. Maar zelfs met sterke motor, behandeling van patiënten met ernstige mate van spasticiteit en stijfheid moet worden vermeden om te voorkomen pezen of botletsel gevolg van overmatige krachtuitoefening aan de gewrichten.
Wij vinden echter, dat de spiegel robotsysteem hierin vermelde gemakkelijk kunnen worden ontwikkeld en effectief gebruikt voor bezigheidstherapie bevorderen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de Brain Fusion Programma van Seoul National University (800-20120444) en het Interdisciplinary Research Initiatives Program van College of Engineering en 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).
