Summary
Hemos desarrollado un sistema de robot espejo en tiempo real para la recuperación funcional de los brazos hemipléjicos utilizando tecnología de control automático, llevó a cabo un estudio clínico en sujetos sanos, y las tareas determinadas a través de la retroalimentación de los médicos de rehabilitación. Este robot simple espejo se puede aplicar de manera efectiva a la terapia ocupacional en pacientes con accidente cerebrovascular con un brazo hemipléjico.
Abstract
terapia del espejo se ha realizado como la terapia ocupacional eficaz en un entorno clínico para la recuperación funcional de un brazo hemipléjica después del accidente cerebrovascular. Se lleva a cabo mediante la obtención de una ilusión a través del uso de un espejo como si el brazo hemipléjica se está moviendo en tiempo real mientras se mueve el brazo sano. Puede facilitar la neuroplasticidad del cerebro a través de la activación de la corteza sensoriomotora. Sin embargo, la terapia de espejo convencional tiene una limitación fundamental en la que el brazo hemipléjica no se está moviendo realmente. Por lo tanto, hemos desarrollado un sistema de robot espejo de 2 ejes en tiempo real como un simple módulo add-on para la terapia del espejo convencional usando un mecanismo de retroalimentación cerrado, lo que permite el movimiento en tiempo real del brazo hemipléjico. Utilizamos 3 Actitud y Rumbo sensores del sistema de referencia, motores de corriente continua sin escobillas 2 para el codo y articulaciones de la muñeca, y los marcos exoesqueléticas. En un estudio de viabilidad en 6 sujetos sanos, la terapia del espejo robótica era seguro y factible. Hemos seleccionado más tareas útiles para las actividades de daiLy formación a través de la retroalimentación de los médicos de rehabilitación viviente. Un paciente con ictus crónico mostró mejoría en la escala de evaluación de Fugl-Meyer y el codo flexor de la espasticidad después de una aplicación de 2 semanas de duración del sistema de robot espejo. terapia del espejo robótica puede mejorar información propioceptiva a la corteza sensorial, que se considera que es importante en la neuroplasticidad y la recuperación funcional de los brazos hemipléjicos. El sistema de robot espejo presentado en este documento puede ser fácilmente desarrollado y utilizado con eficacia para avanzar en la terapia ocupacional.
Introduction
Para los pacientes con accidente cerebrovascular, disfunción de un brazo hemipléjico ha debilitante efecto. La capacidad de realizar actividades bimanuales es esencial para la vida diaria, pero el déficit funcional de un brazo hemipléjico a menudo permanece incluso unos pocos años después de la aparición del accidente cerebrovascular. Entre los diversos programas de formación en el hospital, un ejercicio para aumentar el rango de movimiento o de la repetición pasiva de tareas simples tienen poco efecto sobre la recuperación funcional de un brazo hemipléjico. Por esta razón, la formación de tareas significativas relacionadas con las actividades de la vida diaria (AVD) se ha aplicado a la terapia ocupacional en hospitales.
Los efectos de la terapia del espejo fueron probados por estudios anteriores en neurorrehabilitación 1-4. terapia del espejo se lleva a cabo mediante la obtención de una ilusión a través del uso de un espejo como si el brazo hemipléjica se está moviendo en tiempo real mientras se mueve el brazo sano. Puede facilitar la neuroplasticidad cerebro por la activación de la corteza sensitivomotora 1. Por lo tanto, motopotencia r y la función del brazo hemipléjica se pueden mejorar. Sin embargo, la terapia de espejo convencional tiene una limitación fundamental en la que el brazo hemipléjica no se está moviendo realmente.
Por lo tanto, hemos desarrollado un sistema de robot espejo de 2 ejes en tiempo real como un simple módulo de complemento a la terapia del espejo convencional, utilizando el mecanismo de retroalimentación cerrado. Esto puede transmitir información propioceptiva a la corteza sensorial, que se considera importante en la plasticidad neuronal y la recuperación funcional de un brazo hemipléjica (Figuras 1 y 2) 5-7.
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Protocol
Todos los procedimientos fueron revisados y aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la Seoul National University Hospital.
1. Tareas terapia del espejo
- Ejemplos de tareas de dimensiones 2-terapia del espejo (Figura 3)
- Libremente mover el brazo sano mientras se mira en el espejo unos 5 minutos para el ejercicio de calentamiento.
NOTA: Se puede utilizar un metrónomo para que el paciente puede ejercitar el movimiento del brazo sano de una manera rítmica. - Por el lado sano, driblar y colocar una pequeña bola en el agujero elegido similar al billar durante unos 5 minutos ( "Bola en agujeros" de la tarea). Driblar y colocar una bola pequeña en un objetivo similar al fútbol durante unos 5 minutos ( "juego de fútbol" tarea).
- El uso de pegatinas numeradas colocados sobre una mesa, mover la palanca en el lado sano en orden numérico y regresar en dirección inversa ( "Puntos de rastreo" de la tarea). Repita durante unos 5 minutos.
- El uso de cualquier objeto en la vida diaria, tales como acarriba, utilizando la manilla de lado sano, empujarlo a un lugar escogido ( "Movimiento de una taza" tarea). Repita durante unos 5 minutos.
- Libremente mover el brazo sano mientras se mira en el espejo unos 5 minutos para el ejercicio de calentamiento.
2. Componentes del Sistema Robot Espejo
- los ajustes del sensor AHRS
- Obtener 3 sensores AHRS disponibles comercialmente.
NOTA: Los sensores AHRS consisten en un sensor magneto, acelerómetro y sensores de giro (9 ejes total). - Conectar el sensor AHRS a un PC con un conector USB.
- Utilice software de comunicación HyperTerminal u otro para configurar los parámetros generales del sensor.
- Para cada AHRs sensor, fijado a la comunicación RS232 y seleccione el puerto COM. A continuación, establezca la velocidad de transmisión de 115.200 bits por segundo, bits de datos a 8, paridad a ninguno, bits de parada a 1, y el control de flujo a ninguno.
- Para comprobar el puerto COM, haga clic en el botón Inicio en la esquina inferior izquierda. Haga clic derecho en el ordenador. A continuación, haga clic en Propiedades. Haga clic en Administrador de dispositivos. Ampliar ficha Puerto (COM y LPT) haciendo clic en él.
- Una vez que el comunicadorunicación se ha establecido, ajustar el canal 100 y asignar identificadores para cada sensor.
NOTA: Algunos sensores pueden necesitar calibración del acelerómetro, giroscopio, magnetómetro y antes de su uso. - Establecer formato de salida como cuaterniones y sensores SET para mostrar la reserva de la batería.
NOTA: cuaterniones se utilizan para acelerar la computación, así como para eliminar las singularidades bloqueo de ejes.
- Obtener 3 sensores AHRS disponibles comercialmente.
- ajustes del motor de corriente continua sin escobillas
- Preparar 2 motores y controladores sin escobillas de corriente continua de alto rendimiento.
- Para cada controlador, conecte el cable de alimentación a una fuente de alimentación. Además, conecte el cable del motor, el cable del sensor Hall y el cable del encoder al motor.
- Conectar el cable CAN-CAN a otro controlador.
NOTA: CANopen se utiliza para la comunicación entre dispositivos. - Set ID de nodo para cada controlador para distinguir entre dispositivos.
- Conecte el cable USB al PC para su configuración general.
- Conectar la fuente de alimentación para encender el contromateriales de carga y motores.
- Utilice el software de configuración del sistema proporcionada por el fabricante del motor para configurar y poner a punto el motor, sensor Hall, y el codificador.
NOTA: Ángulo límites y posición inicial deben configurarse para una operación segura.
- Montaje de bastidor y motores
NOTA: Cada parte o hechos a medida se nombra en comilla. Por favor refiérase a la Tabla de Materiales y Equipo y en la Figura 4 a la Figura 13.- Para el motor articulación del codo, poner uno de los órganos de acoplamiento con chaveta en el eje del motor y fijarlo con un casquillo hexagonal tornillo de fijación M5 (Figura 4).
- Secure "cubierta de acoplamiento cilindro hueco del codo" al motor usando el codo 4x M5 tornillos de cabeza hueca (10 mm) y coloque la pieza de amortiguamiento de los acoplamientos (parte regulador del medio) en la parte superior del cuerpo de acoplamiento que se adjunta en el paso 2.3.1 (Figura 4).
- Enchufe el cojinete de bolas en "Marco de la azotea del codo"y fijarlo con tornillos de cabeza hueca 4x M4 (8 mm) (Figura 5).
- Tapón "Codo de fuerza del motor del eje de dispersión" en "ayuda del codo inferior" y fijarlo con tornillos de cabeza hueca 4x M3 (6 mm). Luego, coloque "ayuda del codo superior" en la parte superior de la "ayuda del codo inferior" y fijarlo con 8x M3 tornillos de cabeza hueca (12 mm) (Figura 6).
- Coloque el conjunto en el paso 2.3.4 en la parte superior, el conjunto en el paso 2.3.3 en el medio, y la última parte del cuerpo de acoplamiento en la parte inferior. Unirse a todos juntos y asegurar el cuerpo de acoplamiento con tornillos de fijación M5 con hexágono interior (10 mm) (Figura 7).
- El montaje seguro en el paso 2.3.5 y montaje en el paso 2.3.2 usando 4x M5 tornillos de cabeza hueca (15 mm) (Figura 7). Girar el grupo en el paso 2.3.2 para asegurar los 4 puntos.
- Secure "acoplamiento muñeca cubierta de cilindro hueco inferior" con el motor M4 muñeca mediante 4x tornillos de cabeza hueca (10 mm). A continuación, colocar una delos órganos de acoplamiento con chaveta en el eje del motor y fijarlo con tornillos de fijación M4 con hexágono interior; a continuación, colocar la parte de amortiguación de los acoplamientos en la parte superior del cuerpo de acoplamiento (Figura 8).
- Fijar el "anillo de reducción de la fricción" en la parte superior del "marco de la azotea de la muñeca" con cinta adhesiva de doble cara o cualquier tipo de adhesivo (Figura 9).
- Enchufe de "Muñeca fuerza del motor del eje de dispersión" en "Handle" y fijarlo con 4x M2.5 socket tornillos de cabeza (4 mm) (Figura 10).
- Coloque el conjunto en el paso 2.3.9 en la parte superior, el montaje en el paso 2.3.8 en el medio, y la última parte del cuerpo de acoplamiento en la parte inferior. Unirse a todos juntos y asegurar el cuerpo de acoplamiento con M4 tornillos de cabeza hueca hexagonal de ajuste (10 mm) (Figura 10).
- Secure "motor2roof2 Muñeca" con el conjunto en el paso 2.3.10 usando tornillos de cabeza hueca 4x M3 (Figura 11).
- el montaje seguro en el paso 2.3.11 y montaje en el paso 2.3.7 nosotros4x tornillos de M3 de cabeza hueca (15 mm) (Figura 11).
- Secure 2 "limitador de movimiento de la junta" y 2 collares de eje utilizando 4x tornillos de cabeza hueca M4 (15 mm) (Figura 12A).
- Use collares de eje para fijar los ejes y "Marco de la azotea de la muñeca" por medio de 8x M3 tornillos de cabeza hueca (8 mm) (Figura 12B).
- Deslice collares de eje en el montaje 2.3.13 en los ejes de montaje 2.3.14 y seguro collares de eje adicionales con "soporte inferior del codo" con 4x tornillos M4 de cabeza hueca (15 mm). A continuación, unir las dos partes y asegure con la palanca (Figura 13A).
- Secure "pared de apoyo" a la asamblea en el paso 2.3.15 utilizando 6x M4 tornillos de cabeza hueca (15 mm) (Figura 13B). Asegure el soporte de mesa y montaje en el paso 2.3.16 utilizando 6x M6 tornillos de cabeza hueca (15 mm) (Figura 13C).
3. Diseño de espejo RobSistema de ot
- Modelo matemático para el control automático
- Conjunto modelo dinámico para el control automático del movimiento del miembro superior (Figura 14).
NOTA: Un modelo dinámico del movimiento del miembro superior humano puede expresarse utilizando la cinemática de las articulaciones y los enlaces. Por lo tanto, utilizando una ecuación para el manipulador de robot, el modelado se puede obtener como se muestra a continuación:
NOTA: (
: Posición Común del vector, 
: Vector de junta de velocidad, 
: Conjunto del vector aceleración, H: matriz de inercia, F: Coriolis y la matriz de la fuerza centrífuga, G: Vector de fuerzas gravitacionales, E: Matriz Par debido a la interacción con el medio ambiente, 
: Vector de forc generalizada es aplicado a las articulaciones) El hemipléjica y brazo muestran diferentes aspectos saludables de movimiento. Es decir, el brazo hemipléjica no puede moverse en el tiempo debido a los músculos paralizados o no puede proporcionar suficiente par de torsión necesario para el movimiento. Por lo tanto, el sistema está diseñado de tal manera que la formación de rehabilitación se puede hacer a través de movimiento normal a través del brazo hemipléjica; en otras palabras, el robot de rehabilitación está unido al brazo hemipléjica del paciente con el fin de entregar los movimientos del brazo sano y puede formularse simplemente como sigue:
Movimiento del robot de rehabilitación) = (Healthy movimiento del brazo) - (hemipléjica movimiento del brazo). - Con un robot de rehabilitación, adjuntar brazo paralizado del paciente para el manipulador, y observar par adicional y retardo de tiempo debido a la brazo paralizado causar errores en el sistema general. Detectar esto a través de un manipulador en el lado hemipléjico.
- Medir los errores (s (t): error de seguimiento) como una ecuación matemática:
en / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
NOTA: (s: Tracking error,
: Positivo matriz de parámetros de diseño definitivo, 
: El error entre la posición deseada y la real, 
: Error entre deseada y la velocidad real) El error de seguimiento anteriormente se puede combinar con un modelo dinámico del movimiento del miembro superior humano y se puede expresar como: 
NOTA: (KD: valor de la ganancia derivativa con compensación de realimentación que cambia con el tiempo,
: Matriz de error inercia, 
: Coriolis y la matriz de error fuerza centrífuga) - Para controlar cada articulación del robot de rehabilitación, utilice Lagrla dinámica angian 8. Una ecuación dinámica de movimiento de cada articulación es:
NOTA: (D: matriz de coeficientes,
: Matriz actuador inercia) Coeficiente D en la ecuación anterior afecta a la par entre las articulaciones con efecto de acoplamiento de inercia entre las articulaciones 8. El modelo de control automático utilizando este modelo matemático puede ser ilustrado por el esquema de bloques de la figura 14.
- Conjunto modelo dinámico para el control automático del movimiento del miembro superior (Figura 14).
- Protocolo de software (Figura 15)
- Cuando se inicia el programa, establecer la comunicación con motores y sensores, e inicializar los valores. Una vez que los motores y sensores están en la posición inicial (véase 4.1.3), pasar al bucle principal.
NOTA: Para la frecuencia de muestreo del bucle principal, se recomienda 50 - 200 muestras / seg. Para el retardo máximo, se recomienda 2 segundos como máximo. Además, para los límites de par, serecomendar a regular el valor de la corriente del motor con el software de modo que el motor puede ejercer codo 25 - 40 Nm y el motor de la muñeca puede ejercer 10-20 Nm. - Ya que no se ve interrumpida por un botón de paro, leer continuamente la actitud y los valores actuales de posición de la rúbrica del Sistema de Referencia (AHRS) sensores para transmitir los valores a los motores.
Nota: La salida de datos está en cuaterniones, y deben transformarse correctamente en el ángulo deseado para el movimiento del robot. Elija uno de los sensores de coordenadas fotogramas como una referencia, y restablecer la coordenada de otro sensor de marcos. Con los marcos calculados como referencia, utilizar cinemática inversa para obtener los ángulos de guiñada salida final. - Ya que no se ve interrumpida por un botón de parada, comprobar continuamente las posiciones de los motores 'y actualizar los valores para lograr el movimiento hasta la posición deseada proporcionada por los sensores AHRS.
NOTA: La posición del motor es proporcionado por el codificador del motor que se puede comprobar en el software con la compañía del motor & #39; s comando de la biblioteca de software suministrado. - Mientras tanto, registrar todos los ángulos y velocidades angulares de los sensores AHRS.
- Una vez que las tareas se han completado y el usuario presiona el botón de parada, salir del bucle y finalizar el robot moviéndolo a la posición inicial.
- Cuando se inicia el programa, establecer la comunicación con motores y sensores, e inicializar los valores. Una vez que los motores y sensores están en la posición inicial (véase 4.1.3), pasar al bucle principal.
- Interfaz gráfica de usuario (GUI) (Figura 16)
- Añadir "error en" y "error cabo" funciones para detectar y depurar errores durante la ejecución.
- Añadir botón al lado del paciente de elegir el lado de operación del robot (lado parética del paciente).
- Construir un cuadro de información del paciente para identificar a los pacientes.
- Añadir los indicadores de estado de motor.
- Agregar controles de limitación de ángulo para la seguridad.
- Configurar la velocidad máxima, aceleración y desaceleración para cada motor para prevenir lesiones musculares y de los tendones debido a un miembro superior rígida.
NOTA: El sistema refleja la aceleración y la desaceleración del brazo hemipléjico. - UNdd indicadores para recuperar la posición del motor y la velocidad, y la entrada de información actual.
- Construir un control de nombre de recurso VISA para establecer la comunicación entre los sensores y el sistema AHRS.
- Añadir una función de calibración para eliminar los errores de deriva del sensor acumulados.
- Organizar el indicador para los sensores con el fin de recuperar la información de sensor.
NOTA: La información del sensor incluye los ángulos de las articulaciones (ángulo entre dos sensores consecutivos) y de la reserva de la batería.
- La superación de la espasticidad del brazo durante el funcionamiento del robot espejo
- Seleccione motores que pueden ejercer el par suficiente para superar la espasticidad para cada articulación.
NOTA: el motor de la muñeca debe tener el par de salida superior a 10 Nm, y el motor del codo superior a 25 Nm. - Con el fin de transferir firmemente el movimiento del robot para el brazo del paciente, utilizar correas que están hechos de material semi-elástico para fijar el antebrazo en el exoesqueleto robot.
NOTA: Semi-elástico correas, como stretchh correas o telas de poliéster / nylon correas trenzadas elástica, se recomiendan. Si las correas son demasiado elástica, no va a sujetar el brazo en posición. Si las correas no son elásticos en absoluto, lesiones musculares o tendinosas pueden ocurrir en el caso de un alto grado de espasticidad codo. - Con el fin de aislar codo y la muñeca movimiento, utilizar 2 marcos sólidos combinados con un collar del eje para fijar la muñeca apretándolo en los marcos.
NOTA: collares de eje se utilizan para prevenir lesiones musculares y de los tendones si la rigidez en la muñeca es excesiva. - Utilice correas alrededor de la manija para fijar la mano al robot.
- Seleccione motores que pueden ejercer el par suficiente para superar la espasticidad para cada articulación.
: Posición Común del vector, 
: Vector de junta de velocidad, 
: Conjunto del vector aceleración, H: matriz de inercia, F: Coriolis y la matriz de la fuerza centrífuga, G: Vector de fuerzas gravitacionales, E: Matriz Par debido a la interacción con el medio ambiente, 
: Vector de forc generalizada es aplicado a las articulaciones) El hemipléjica y brazo muestran diferentes aspectos saludables de movimiento. Es decir, el brazo hemipléjica no puede moverse en el tiempo debido a los músculos paralizados o no puede proporcionar suficiente par de torsión necesario para el movimiento. Por lo tanto, el sistema está diseñado de tal manera que la formación de rehabilitación se puede hacer a través de movimiento normal a través del brazo hemipléjica; en otras palabras, el robot de rehabilitación está unido al brazo hemipléjica del paciente con el fin de entregar los movimientos del brazo sano y puede formularse simplemente como sigue: 
: Positivo matriz de parámetros de diseño definitivo, 
: El error entre la posición deseada y la real, 
: Error entre deseada y la velocidad real) El error de seguimiento anteriormente se puede combinar con un modelo dinámico del movimiento del miembro superior humano y se puede expresar como: 
: Matriz de error inercia, 
: Coriolis y la matriz de error fuerza centrífuga) 
: Matriz actuador inercia) Coeficiente D en la ecuación anterior afecta a la par entre las articulaciones con efecto de acoplamiento de inercia entre las articulaciones 8. El modelo de control automático utilizando este modelo matemático puede ser ilustrado por el esquema de bloques de la figura 14. 4. Aplicación Clínica del Sistema de reflejo Robot
- La realización de la terapia del espejo robótico
- Ajustar la altura y la anchura de la tabla de tareas de acuerdo con la condición del paciente.
- Configurar un espejo en la línea media entre los dos brazos, y la puso sobre una mesa o plataforma.
- Coloque sensores AHRS en asa, la muñecamarco, y el borde de la plataforma en alineación lado sano en paralelo con la orientación del robot.
NOTA: eje de guiñada interna del sensor debe apuntar hacia arriba. - Ejecutar el software de terapia en un ordenador.
- Elija el lado hemipléjico haciendo clic en el botón del interruptor del Paciente-Side.
- Establecer los límites máximos de ángulo de la articulación de acuerdo con la condición del paciente conjunta. Para un funcionamiento seguro, utilice límite de flexión del codo inferior a 50º, limitar la extensión del codo más de -70º, límite de flexión de la muñeca de menos de 80º, y el límite de extensión de la muñeca más de -60º.
NOTA: signos menos Plus y se corrigen automáticamente y los límites también se corrigen si fuera de límites en el nivel de software. - Establecer la velocidad máxima, aceleración y deceleración. Para estos valores, utilice el valor de velocidad entre 0 y 22,5 rpm durante valor de la velocidad del motor y el uso del codo entre 0 y 33 rpm para el motor de la muñeca.
NOTA: Para la terapia de espejo convencional, establece todos los valores a ceropara inmovilizar el robot. - Rellene la información del paciente.
- Encienda todos los sensores AHRS antes de ejecutar el programa.
- Ejecutar el programa haciendo clic en el botón de flecha en la esquina superior izquierda del programa.
- Una vez que el "guardar como" estallidos rápidos arriba, escribir los nombres de archivo adecuados para los datos de resultados en el cuadro de la cadena y pulse OK.
- Mientras el robot y el brazo sano están en la posición inicial (las dos manos lejos del cuerpo y paralelas entre sí), pulse el botón de calibración para inicializar los valores del sensor a cero para la posición inicial.
NOTA: Consulte los pasos 1.1.1 - 1.1.4 de las manos utilizados en esta tarea. - Pulse el botón STOP cuando se hayan completado todas las tareas.
NOTA: Para la terapia del espejo robótico, ingeniero biomédico debe actuar como coordinador principal, y el terapeuta ocupacional debe ayudar al paciente.
- Clínica de un estudio sobre sujetos sanos
- Llevar a cabo un estudio clínico en sujetos sanos para confirmarseguridad y la viabilidad 8. Dar la instrucción ( "No mueva el brazo hemipléjico por su cuenta.") A los sujetos para el movimiento completamente pasiva del brazo hemipléjico.
- Coloque los dos antebrazos sobre los marcos y las manos en las asas. A continuación, fijar los antebrazos con las correas.
- Evaluación de los efectos terapéuticos
- Antes de la terapia, realizar evaluaciones funcionales tales como Fugl-Meyer escala de evaluación 9, la escala Ashworth modificada 10, índice de Barthel modificado 11, prueba de función de la mano de Jebsen, medición de potencia lado, prueba de la negligencia hemiespacial, y el motor de potenciales evocados de prueba para los pacientes.
- Llevar a cabo ensayos clínicos para pacientes con accidente cerebrovascular con el robot de espejo de 2 dimensiones de 30 - 60 minutos por día. Dar la instrucción ( "No mueva el brazo hemipléjico por su cuenta.") Para los pacientes.
- Después de que los pacientes logran última sesión, la conducta de seguimiento evaluaciones funcionales.
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Representative Results
Seis sujetos sanos realizaron un «marcado pluma tarea '(tocando los dos tableros pequeños alternativamente con una pluma adjunto en la mano sano, como se muestra en la Figura 17) 10 veces que tuvieron, en promedio, 106 seg por sujeto. No se observó ningún acontecimiento adverso, y la terapia del espejo robótico fue demostrado ser factible.
Además, se llevó a cabo un estudio clínico en los médicos de rehabilitación. Nos habíamos pedido la opinión de expertos para determinar las tareas adecuadas para la terapia ocupacional espejo robótico eficaz. Con la retroalimentación de 6 médicos de rehabilitación, el grado de ilusión provocada por el robot espejo era más alto para "bola en los orificios" y "mover una copa" tareas (7,2 sobre 10 en una escala de calificación numérica [NRS] para cada uno), seguido de "partido de fútbol" (7,0 / 10) y "puntos de rastreo" tareas (6.5 / 10). En cuanto a la sincronización de movimiento entre los dos brazos duranteterapia del espejo robótico, "mover una copa" tarea tenía una puntuación NRS de 7,0 / 10, seguido de "partido de fútbol" y "puntos de localización" (6,8 / 10 cada uno), y "bola en los agujeros" (6,2 / 10) (figura 3). Entre estas 4 tareas, los médicos recomendaron rehabilitación "partido de fútbol" como una tarea útil para la formación ADL en pacientes con accidente cerebrovascular.
Hemos llevado a cabo un ensayo clínico para pacientes con accidente cerebrovascular con el robot de espejo durante 30 minutos por día durante 2 semanas (10 sesiones). Los sujetos deben cumplir con los siguientes criterios de inclusión: 1) más de 18 años de edad; 2) derrame cerebral supratentorial diagnosticados entre los 4 meses y hace 6 años; y 3) la hemiplejía del miembro superior con el Consejo de Investigación Médica (MRC) 2 o menor grado. criterios de exclusión principales son los siguientes: 1) modificado escala Ashworth de grado 3 o más (espasticidad severa); 2) mini examen del estado mental de puntuación inferior a 12; y 3) la afasia global o sensorial.
10ª visita, se llevó a cabo el seguimiento de las evaluaciones funcionales. La escala de evaluación de Fugl-Meyer del brazo hemipléjico mejoró del 12 al 17 de 66, y la escala modificada de Ashworth de los flexores del codo (para la espasticidad) se redujo de grado 2 a 1+. Poder pinza lateral izquierdo se incrementó de 0 a 3 libras Otros parámetros no revelaron diferencias antes y después de la terapia del espejo robótico (Figura 18 y Tabla 1).
Figura 1. Flujo conceptual para la robótica MiTerapia rror para Facilitar la información propioceptiva. El experimento se diseña de acuerdo con el flujo conceptual para la terapia espejo robótico.
Figura 2. Un esquema del sistema del robot espejo. Los movimientos del brazo sano se prevé que el exoesqueleto unido al brazo hemipléjico mediante un algoritmo de software a través de las aportaciones de 3 sensores AHRS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
. Figura 3. Diversas tareas utilizando el sistema de robot Espejo Los usuarios se forman por las tareas de 2 dimensiones; bola en los agujeros, juego de fútbol, puntos de rastreo, y moviendouna taza. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Codo Motor Asamblea. Pasos de montaje del motor para el codo conjunta, acoplamientos, y la cubierta del cilindro hueco de acoplamiento del codo.
Figura 5. Teniendo conjunto del bastidor y la azotea del codo. Asamblea entre el cojinete y el conjunto del codo marco de la azotea.
Figura 6. Conjunto de soporte del codo. Pasos de montaje para el eje de dispersión codo fuerza del motor, superior e LBOW apoyo, y un menor apoyo para el codo.
Figura 7. Codo Codo Soporte y Motor Asamblea. Asamblea pasos para la ayuda del codo y el motor codo.
Figura 8. Motor de muñeca Asamblea. Pasos de montaje de la muñeca del motor conjunta, acoplamientos, y la cubierta del cilindro hueco inferior acoplamiento muñeca.
Anillo de Reducción de la Figura 9. La fricción adjuntos. La fijación del anillo de reducción de la fricción en el bastidor de la azotea muñeca.
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Figura 10. El conjunto de mango. Pasos de montaje para el mango, el acoplamiento impresa en 3D, y el eje de dispersión de la fuerza del motor muñeca.
Figura 11. manija y la muñeca del motor Asamblea. Pasos de montaje para el motor de la muñeca y el mango.
Figura 12. Conjunto de medidas Movimiento limitador Asamblea. Montaje para la (A) limitador de movimiento de la articulación, (B) eje de ajuste de la longitud, y el asa montada.
Figura 13. Montaje final.Pasos de montaje para la (A) montada parte del motor codo con la parte del motor de la muñeca ensamblado utilizando collares de eje y eje, (B) montadas robot con las paredes de soporte, y (C) ensambladas robot con la tabla de tareas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 14. Esquema de bloques del modelo matemático de Control Automático. El robot utiliza exoesqueleto mecanismo de retroalimentación cerrado para el control en tiempo real.
Figura 15. Programa de software global. El programa de software utiliza una estrechad mecanismo de retroalimentación para accionar el sistema de robot. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 16. interfaz gráfica de usuario del programa. El usuario puede controlar y configurar el programa para la terapia a través de interfaz gráfica de usuario. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 17. un marcador de tareas en 6 sujetos sanos utilizando Prototipo de Sistema de robot espejo. La realización de un marcador tarea 10 veces consecutivas tomaron en promedio 106 segundos por tema.
Figura 18. Evaluación funcional de un hombre de 60 años de edad, paciente de sexo masculino con los ganglios basales derecho crónica hemorragia. Principales subconjuntos de datos que mostraron una mejoría después de 10 sesiones de terapia del espejo robótico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| antes de | Después de 10 sesiones | |
| Examen de Estado Mini-Mental | 29 | - |
| Escala de evaluación de Fugl-Meyer (La extremidad superior) | 12 | 17 |
| Hombro/codo | 11 | 15 |
| Muñeca | 0 | 1 |
| Mano | 1 | 1 |
| Escala de Ashworth modificada | ||
| flexor del codo | 2 | 1+ |
| flexor de la muñeca | 0 | 0 |
| Índice de Barthel modificado (La extremidad superior) | 25 | 25 |
| Prueba de función de la mano de Jebsen | incontenible | incontenible |
| Energía de la mano izquierda (lb) | ||
| Apretón | 8 | 8 |
| Lpizca ateral | 0 | 3 |
| pizca Palmar | 0 | 0 |
| prueba de heminegligencia | ||
| Prueba de línea de bisección | 6/6 cada uno | 6/6 cada uno |
| Albert prueba | 12/12 cada | 12/12 cada |
| Potencial evocado motor | Ninguna respuesta | Ninguna respuesta |
Tabla 1. Evaluación funcional de un hombre de 60 años de edad, paciente de sexo masculino con el derecho de los ganglios basales hemorragia crónica.
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Discussion
El propósito principal de este estudio fue desarrollar un sistema de robot espejo en tiempo real para la recuperación funcional de un brazo hemipléjica mediante un algoritmo de control automático. El efecto de la terapia asistida por robot en la recuperación a largo plazo de deterioro de las extremidades superiores después del accidente cerebrovascular fue probado beneficioso en estudios previos 12, y varios tipos de robots de brazo se han introducido 13-20. Sin embargo, los estudios anteriores de los robots de la extremidad superior que realizan el movimiento del brazo bilateral aplican conexiones mecánicas sin utilizar un espejo, que es diferente del concepto de la terapia de espejo 14-15. Por lo tanto, nuestro estudio puede ser una extensión de su trabajo mediante el uso de un espejo real para facilitar la información propioceptiva.
Para actualizar el sistema anterior, hemos habilitado el brazo hemipléjico a moverse en tiempo real mediante la aplicación de sensores AHRS en el brazo sano y montaje de motores hasta el codo y la muñeca hemipléjica. información propioceptiva desde el brazo a la hemipléjicacorteza sensorial del cerebro puede mejorarse mediante el sistema de robot espejo. Facilitación de la propiocepción deben ser confirmadas por resonancia magnética funcional del cerebro en un estudio futuro.
Es crítico para que el sistema tiene un retraso mínimo de sincronización ya que el efecto espejo se maximiza cuando se reduce al mínimo el retardo. Para lograr esto, se recuperaron los datos de los sensores con un mínimo número de bytes necesarios durante la lectura en paralelo dentro de un bucle dentro de la arquitectura de software. Como resultado de ello, el retardo de sincronización entre el brazo sano y el robot es de sólo 0,04 a 0,40 seg.
Hay varias limitaciones en este estudio. En primer lugar, no pudimos incluir los movimientos finos de los dedos, como la adherencia o pellizco, y las tareas de 3 dimensiones de la terapia del espejo convencional. En segundo lugar, no nos fijamos la articulación del codo del brazo sano para preservar el movimiento fisiológico tanto como sea posible. Sin embargo, la restricción de la amplitud de movimiento del codo sería de gran ayuda para mejorar syncronicidad con el codo opuesto que es movido por el motor. Modificación del sistema mediante la instalación de una estructura adicional que fija el codo lado sano mejorará la sincronicidad y, por tanto, aumentará el efecto de la terapia. En tercer lugar, los pacientes que tenían la espasticidad severa o rigidez no pudieron ser incluidos debido a la potencia del motor insuficiente, a pesar de la articulación se movía lentamente. El sistema podría ser modificado mediante la sustitución del motor con un mayor par de salida para superar la rigidez moderada. Sin embargo, incluso con motor fuerte, el tratamiento de los pacientes con niveles graves de espasticidad o rigidez debe evitarse para prevenir las lesiones del tendón o hueso debido a la aplicación de una fuerza excesiva sobre las articulaciones.
Creemos, sin embargo, que el sistema de robot espejo presenta en este documento puede ser fácilmente desarrollado y utilizado con eficacia para avanzar en la terapia ocupacional.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el Programa de Fusión Cerebro de la Universidad Nacional de Seúl (desde 800 hasta 20.120.444) y el Programa de Iniciativas de Investigación Interdisciplinaria de la Facultad de Ingeniería y la Facultad de Medicina de la Universidad Nacional de Seúl (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
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