方法文章

用于偏瘫上肢功能恢复的机器人镜像疗法系统

DOI：

10.3791/54521

⸱

2016年8月15日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Seoul National University College of Medicine, 2Department of Rehabilitation Medicine, Chungnam National University Hospital, 3Interdisciplinary Program for Bioengineering, Seoul National University Graduate School, 4Department of Rehabilitation Medicine, Seoul National University Hospital, 5Seoul National University College of Medicine, 6Institute of Medical and Biological Engineering, Seoul National University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们开发了一种利用自动控制技术实现偏瘫上肢功能恢复的实时镜像机器人系统，对健康受试者进行了临床研究，并通过康复医生的反馈确定了训练任务。这种简单的镜像机器人可有效应用于偏瘫上肢中风患者的作业治疗。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

镜像疗法作为一种有效的作业治疗手段，已在临床环境中用于中风后偏瘫上肢的功能恢复。该疗法通过使用镜子诱发一种错觉，使患者在移动健侧上肢的同时，感觉偏瘫侧上肢也在实时运动。这种方法可通过激活感觉运动皮层促进大脑神经可塑性。然而，传统镜像疗法存在一个关键局限性，即偏瘫侧上肢并未实际运动。因此，我们开发了一种实时双轴镜像机器人系统，作为传统镜像疗法的简易附加模块，采用闭环反馈机制，实现偏瘫侧上肢的实时同步运动。系统使用了3个姿态与航向参考系统传感器、2个用于肘关节和腕关节的无刷直流电机，以及外骨骼框架。在一项针对6名健康受试者的可行性研究中，机器人辅助镜像疗法显示安全且可行。我们进一步通过康复科医生的反馈，筛选出适用于日常生活活动训练的任务。一名慢性期中风患者在连续2周应用该镜像机器人系统后，其Fugl-Meyer评估量表评分和肘屈肌痉挛程度均有所改善。机器人辅助镜像疗法可能增强向感觉皮层的本体感觉输入，这被认为在神经可塑性和偏瘫上肢功能恢复中具有重要意义。本文所介绍的镜像机器人系统易于开发，可有效用于提升作业治疗效果。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

对于中风患者而言，偏瘫上肢功能障碍会造成严重的不良影响。完成双手协调活动的能力对日常生活至关重要，但即使在中风发生数年后，偏瘫上肢的功能缺陷往往仍然存在。在医院开展的各类训练项目中，增加关节活动范围的练习或简单任务的被动重复训练，对偏瘫上肢功能恢复的效果有限。因此，与日常生活活动（ADLs）相关的有意义任务训练已被应用于医院的作业治疗中。

既往研究已证实镜像疗法在神经康复中的作用1-4。镜像疗法通过使用镜子产生一种错觉，即在移动健侧上肢的同时，偏瘫侧上肢也在实时运动。该疗法可通过激活感觉运动皮层促进大脑神经可塑性1，从而改善偏瘫侧上肢的肌力和功能。然而，传统镜像疗法存在一个关键局限性，即偏瘫侧上肢并未实际运动。

因此，我们开发了一种实时双轴镜像机器人系统，作为传统镜像疗法的简易附加模块，采用闭环反馈机制。该系统可向感觉皮层传递本体感觉输入，这在偏瘫上肢的神经可塑性和功能恢复中被认为具有重要意义（图1和图2）5-7。

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方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

所有操作程序均经首尔国立大学医院机构审查委员会审核并批准。

1. 镜像疗法任务

  1. 二维镜像疗法任务示例（图3）
    1. 在镜前自由活动健康侧手臂，持续约5分钟，作为热身练习。
      注意：可使用节拍器，以便患者以有节奏的方式活动健康侧手臂。
    2. 在健康侧，运球并将小球放入选定的孔洞中，类似于台球，持续约5分钟（“球入孔”任务）；或运球并将小球推入目标区域，类似于足球，持续约5分钟（“足球游戏”任务）。
    3. 利用贴在桌面上的编号贴纸，用健康侧手柄按数字顺序移动，并沿相反方向返回（“点迹追踪”任务）。重复约5分钟。
    4. 使用日常生活中的任意物体（如水杯），用健康侧手柄将其推至指定位置（“移动水杯”任务）。重复约5分钟。

2. 镜像机器人系统的组成部分

  1. AHRS 传感器设置
    1. 获取 3 个市售的 AHRS 传感器。
      注：AHRS 传感器由磁力传感器、加速度计和陀螺仪传感器组成（共 9 轴）。
    2. 使用 USB 连接线将 AHRS 传感器连接至计算机。
    3. 使用超级终端或其他通信软件配置通用传感器设置。
    4. 对每个 AHRS 传感器，设置为 RS232 通信模式并选择 COM 端口。然后将波特率设为 115,200 位/秒，数据位设为 8，无奇偶校验，停止位设为 1，无流控制。
      1. 要查看 COM 端口，请单击左下角的“开始”按钮，右键单击“计算机”，然后单击“属性”。单击“设备管理器”，点击展开“端口（COM & LPT）”选项卡。
    5. 建立通信后，将通道设为 100，并为每个传感器分配 ID。
      注：某些传感器在使用前可能需要对加速度计、陀螺仪和磁力计进行校准。
    6. 将输出格式设为四元数，并设置传感器以显示电池余量。
      注：使用四元数可加快计算速度，并消除万向节死锁奇异性问题。
  2. 无刷直流电机设置
    1. 准备 2 个高性能无刷直流电机及其控制器。
    2. 对每个控制器，将电源线连接至电源，同时将电机线、霍尔传感器线和编码器线连接至电机。
    3. 使用 CAN-CAN 线将一个控制器与另一个控制器连接。
      注：CANopen 用于设备之间的通信。
    4. 为每个控制器设置节点 ID，以区分不同设备。
    5. 将 USB 线连接至计算机，用于通用配置。
    6. 开启电源，为控制器和电机供电。
    7. 使用电机制造商提供的系统配置软件对电机、霍尔传感器和编码器进行配置和调校。
      注：为确保安全运行，必须配置角度限制和原点位置。
  3. 框架与电机的组装
    注：所有自制零件均以引号标注名称。请参考 材料与设备表 以及 图 4 至图 13。
    1. 对于肘关节电机，将带键槽的一个联轴器本体安装到电机轴上，并使用 M5 内六角紧定螺钉固定（图 4）。
    2. 使用 4 颗 M5 圆柱头螺钉（10 mm）将“肘部联轴器空心圆筒盖”固定在肘部电机上，并将联轴器的缓冲部件（中间滑块部分）放置在步骤 2.3.1 中已安装的联轴器本体顶部（图 4）。
    3. 将球轴承插入“肘部屋顶框架”中，并使用 4 颗 M4 圆柱头螺钉（8 mm）固定（图 5）。
    4. 将“肘部电机力分散轴”插入“下肘支撑”中，并使用 4 颗 M3 圆柱头螺钉（6 mm）固定。然后将“上肘支撑”放置在“下肘支撑”上方，并使用 8 颗 M3 圆柱头螺钉（12 mm）固定（图 6）。
    5. 将步骤 2.3.4 的组件置于顶部，步骤 2.3.3 的组件置于中间，联轴器本体的最后一部分置于底部。将三者组合在一起，并使用 M5 内六角紧定螺钉（10 mm）固定联轴器本体（图 7）。
    6. 使用 4 颗 M5 圆柱头螺钉（15 mm）将步骤 2.3.5 的组件与步骤 2.3.2 的组件固定（图 7）。旋转步骤 2.3.2 的组件，以确保所有 4 个点均被紧固。
    7. 使用 4 颗 M4 圆柱头螺钉（10 mm）将“腕部下联轴器空心圆筒盖”与腕部电机固定。然后将带键槽的一个联轴器本体安装到电机轴上，并使用 M4 内六角紧定螺钉固定；随后将联轴器的缓冲部件放置在联轴器本体顶部（图 8）。
    8. 使用双面胶或任何类型的粘合剂将“摩擦减小环”粘贴在“腕部屋顶框架”顶部（图 9）。
    9. 将“腕部电机力分散轴”插入“手柄”中，并使用 4 颗 M2.5 圆柱头螺钉（4 mm）固定（图 10）。
    10. 将步骤 2.3.9 的组件置于顶部，步骤 2.3.8 的组件置于中间，联轴器本体的最后一部分置于底部。将三者组合在一起，并使用 M4 内六角紧定螺钉（10 mm）固定联轴器本体（图 10）。
    11. 使用 4 颗 M3 圆柱头螺钉将“腕部电机2屋顶2”与步骤 2.3.10 的组件固定（图 11）。
    12. 使用 4 颗 M3 圆柱头螺钉（15 mm）将步骤 2.3.11 的组件与步骤 2.3.7 的组件固定（图 11）。
    13. 使用 4 颗 M4 圆柱头螺钉（15 mm）固定 2 个“关节运动限位器”和 2 个轴套（图 12A）。
    14. 使用轴套固定轴和“腕部屋顶框架”，并使用 8 颗 M3 圆柱头螺钉（8 mm）固定（图 12B）。
    15. 将组件 2.3.13 中的轴套滑入组件 2.3.14 的轴上，并使用 4 颗 M4 圆柱头螺钉（15 mm）将额外的轴套与“下肘支撑”固定。然后将两部分连接，并用杠杆锁紧（图 13A）。
    16. 使用 6 颗 M4 圆柱头螺钉（15 mm）将“支撑墙”固定在步骤 2.3.15 的组件上（图 13B）。使用 6 颗 M6 圆柱头螺钉（15 mm）将桌架与步骤 2.3.16 的组件固定（图 13C）。

3. 镜像机器人系统的设计

  1. 自动控制的数学模型
    1. 设置上肢运动自动控制的动态模型图14).
      注意：人体上肢运动的动态模型可通过关节和连杆的运动学来表达。因此，利用机器人操作臂的方程，可得到如下所示的建模结果：
      Dynamic equations ΣH(q)ẏ+F(q,ẏ)+G(q)+E(q,ẏ)=τ, mathematical formula, physics analysis.
      注意：(Variable q in mathematical formula, symbol for charge, physics equation context.关节位置向量， Equation for heat transfer rate per unit time, q̇, described in thermodynamics and fluid mechanics.关节速度矢量， Thermodynamic heat transfer symbol \( \dot{q} \) with double dot notation, for energy transfer analysis.：关节加速度向量，H：惯性矩阵，F：科里奥利力和离心力矩阵，G：重力向量，E：与环境相互作用产生的力矩矩阵 Static equilibrium, ΣFx=0, MA=0, diagram, force balance, mechanical system analysis.：施加于关节的广义力矢量）偏瘫臂与健康臂在运动特性上存在差异。具体而言，偏瘫臂由于肌肉瘫痪而无法及时产生运动，或无法提供运动所需的足够力矩。因此，系统设计旨在通过偏瘫臂实现基于正常运动模式的康复训练；换言之，康复机器人被连接至患者的偏瘫臂，以传递来自健康臂的运动，其基本原理可简要表述如下：
      康复机器人运动 = 健侧上肢运动 - 偏瘫上肢运动
    2. 使用康复机器人将患者瘫痪的手臂连接至机械臂，并观察由于瘫痪手臂引起的附加转矩和时间延迟，从而导致整个系统的误差。通过偏瘫侧的机械臂检测该误差。
    3. 测量误差（s(t)：将跟踪误差表示为数学方程：
      Mathematical dynamic system equation; formula with time derivatives; educational concept.
      注意：（s：跟踪误差， Hooke's Law formula正定设计参数矩阵， Equation, symbol q tilde in mathematical context.期望位置与实际位置之间的误差， heat transfer rate symbol \( \dot{q} \), representing energy per unit time in thermodynamics equation：期望速度与实际速度之间的误差）上述跟踪误差可结合人体上肢运动的动力学模型，并表示为：
      Dynamic model equation, τ(q, q̇, t)=H(q)q̈+C(q, q̇)q̇+E(q,q̇)−K_Dq̂(t)−K_DΛq̂̇(t), physics formula.
      注意：(KD 随时间变化的带反馈补偿的微分增益值， Hamiltonian operator symbol, mathematical notation and quantum mechanics concept.：惯性误差矩阵， Static equilibrium equation ΣFx=0, MA=0; diagram for force analysis, educational use.：科里奥利力和离心力误差矩阵
    4. 为了控制康复机器人的每个关节，使用拉格朗日动力学8每个关节的运动动力学方程为：
      Robotics dynamics equation; torque, inertia; mathematical formula; educational reference.
      注意：（D：系数矩阵， Italic mathematical symbol "I_i(act)" for activation intensity formula.：执行器惯性矩阵）上述方程中的系数 D 影响具有惯性耦合效应的关节之间的扭矩8使用该数学模型的自动控制模型可通过下图所示的框图表示 图14.
  2. 软件协议（图15)
    1. 程序启动后，建立与电机和传感器的通信，并初始化各参数值。待电机和传感器到达初始位置（见4.1.3）后，进入主循环。
      注意：主回路的采样频率建议为 50 - 200 次/秒。最大延迟建议不超过 2 秒。此外，关于力矩限制，建议通过软件调节电机电流值，使肘部电机输出力矩为 25 - 40 Nm，腕部电机输出力矩为 10 - 20 Nm。
    2. 由于未被停止按钮中断，持续读取姿态与航向参考系统（AHRS）传感器的当前位置值，并将这些值传输至电机。
      注意：数据输出为四元数形式，应正确转换为机器人运动所需的角量。选择其中一个传感器坐标系作为参考系，并重置其他传感器坐标系。以计算得到的坐标系作为参考，利用逆运动学求解最终输出的偏航角。
    3. 由于未被停止按钮中断，需持续检查电机的位置，并更新数值，以实现根据AHRS传感器提供的目标位置完成移动。
      注意：电机位置由电机的编码器提供，可通过电机公司提供的软件库命令在软件中查看。
    4. 同时，记录AHRS传感器的所有角度和角速度。
    5. 任务完成后，当用户按下停止按钮时，退出循环并通过将机器人移回初始位置来完成最终操作。
  3. 图形用户界面（GUI）图16)
    1. 添加“错误输入”和“错误输出”函数，以在执行过程中检测和调试错误。
    2. 添加患者侧按钮以选择机器人操作侧（患者偏瘫侧）。
    3. 构建患者信息框以识别患者。
    4. 添加电机状态指示器。
    5. 添加角度限制控制以确保安全。
    6. 为防止因上肢僵硬导致肌肉和肌腱损伤，需为每个电机设置最大速度、加速度和减速度。
      注意：该系统反映了偏瘫上肢的加速与减速运动。
    7. 添加指示器以获取电机的位置、速度和输入电流信息。
    8. 构建VISA资源名称控件，以建立AHRS传感器与系统之间的通信。
    9. 添加校准功能以消除累积的传感器漂移误差。
    10. 按顺序排列传感器的指示器，以获取传感器信息。
      注意：传感器信息包括关节角度（两个连续传感器之间的角度）和电池余量。
  4. 克服镜像机器人操作过程中的上肢痉挛
    1. 选择能够提供足够扭矩以克服每个关节痉挛的电机。
      注意：腕关节电机的扭矩输出应高于 10 Nm，肘关节电机应高于 25 Nm。
    2. 为了将机器人运动牢固地传递至患者手臂，使用由半弹性材料制成的绑带将前臂固定在机器人外骨骼中。
      注意：建议使用半弹性绑带，例如弹力织物绑带或聚酯/尼龙弹性编织绑带。若绑带弹性过大，将无法固定手臂位置；若绑带完全无弹性，在肘部痉挛程度较高时可能导致肌肉或肌腱损伤。
    3. 为了分离肘部和腕部运动，使用两个刚性框架并配合一个轴套，通过框架夹紧手腕将其固定。
      注意：如果腕部僵硬程度过高，可使用轴套来防止肌肉和肌腱损伤。
    4. 使用绑带将手固定在机器人的手柄上。

4. 镜像机器人系统的临床应用

  1. 进行机器人镜像疗法
    1. 根据患者情况调整任务台的高度和宽度。
    2. 在双臂中线处设置一面镜子，并将其放置在桌面或平台上。
    3. 将AHRS传感器放置在健侧的手柄、腕部支架和平台边缘，使其与机器人的方向平行。
      注意：传感器的内部偏航轴应朝上。
    4. 在计算机上运行治疗软件。
    5. 通过点击“患者侧”切换按钮选择偏瘫侧。
    6. 根据患者的关节状况设置最大关节角度限制。为确保安全操作，肘关节屈曲限制应小于50º，伸展限制应大于-70º；腕关节屈曲限制应小于80º，伸展限制应大于-60º。
      注意：正负号将在软件层面自动校正，超出范围的限制也会被自动调整。
    7. 设置最大速度、加速度和减速度。肘部电机的速度值应介于0至22.5 rpm之间，腕部电机的速度值应介于0至33 rpm之间。
      注意：对于传统镜像疗法，将所有数值设为零以使机器人保持固定。
    8. 填写患者信息。
    9. 在运行程序前打开所有AHRS传感器。
    10. 点击程序左上角的箭头按钮运行程序。
    11. 当弹出“另存为”提示时，在字符串框中输入合适的结果数据文件名，然后点击“确定”。
    12. 当机器人和健侧手臂处于初始位置（双手远离身体且相互平行）时，按下校准按钮，将传感器初始值初始化为零。
      注意：有关本任务所用手部姿势，请参见步骤1.1.1–1.1.4。
    13. 完成所有任务后，按下“停止”按钮。
      注意：在进行机器人镜像疗法时，应由生物医学工程师担任主要协调人，作业治疗师协助患者。
  2. 在健康受试者中开展临床研究
    1. 在健康受试者中开展临床研究以验证安全性和可行性8。向受试者说明指令（“请勿自主移动偏瘫侧手臂”），以确保偏瘫侧手臂完全被动运动。
    2. 将双侧前臂置于支架上，双手握住手柄，并用绑带固定前臂。
  3. 治疗效果评估
    1. 治疗前，对患者进行功能评估，包括Fugl-Meyer评估量表9、改良Ashworth量表10、改良Barthel指数11、Jebsen手功能测试、手部力量测量、半侧空间忽略测试以及运动诱发电位测试。
    2. 对脑卒中患者使用二维镜像机器人进行每日30–60分钟的临床试验，并向患者说明指令（“请勿自主移动偏瘫侧手臂”）。
    3. 患者完成最后一次治疗后，进行随访功能评估。

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结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

六名健康受试者各进行了10次“笔标记任务”（用健康手握住笔，交替触碰两块小板，如图17所示），平均每名受试者耗时106秒。未观察到任何不良事件，证明机器人镜像疗法具有可行性。

此外，我们开展了一项针对康复医生的临床研究，通过征询专家意见来确定适合有效实施机器人镜像作业疗法的任务。根据6名康复医生的反馈，在“小球入孔”和“移动水杯”任务中，镜像机器人诱发的错觉程度最高（在数字评分量表[NRS]上均为7.2分，满分10分），其次是“足球游戏”任务（7.0/10）和“描点追踪”任务（6.5/10）。关于机器人镜像治疗过程中双侧上肢运动的同步性，“移动水杯”任务的NRS评分为7.0/10，其次是“足球游戏”和“描点追踪”任务（均为6.8/10），“小球入孔”任务为6.2/10（图3）。在这4项任务中，康复医生推荐将“足球游戏”作为脑卒中患者日常生活活动能力（ADL）训练的有用任务。

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究的主要目的是利用自动控制算法开发一种用于偏瘫上肢功能恢复的实时镜像机器人系统。既往研究已证实，机器人辅助治疗对卒中后上肢功能障碍的长期恢复具有积极作用12，并已引入多种上肢机器人系统13-20。然而，以往实现双侧上肢运动的上肢机器人研究采用的是机械连接方式，未使用镜像装置，这与镜像疗法的概念不同14-15。因此，本研究通过实际使用镜面来增强本体感觉输入，可视为对前述研究工作的延伸。

为了升级先前的系统，我们在健康手臂上应用了AHRS传感器，并在偏瘫侧的肘部和腕部安装电机，从而实现实时驱动偏瘫手臂运动。通过镜像机器人系统，可增强偏瘫手臂向大脑感觉皮层的本体感觉输入。未来的研究需通过功能性脑MRI进一步验证本体感觉增强的效果。

系统必须具有最小的同步延迟，因为延迟越小，镜像效果越显著。为实现这一点，我们在软件架构的循环中并行读取传感器数据，并尽量减少所需读取的字节数。因此，健康手臂与机器人之间的同步延迟仅为约 0.04 - 0.40 秒。

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本工作由首尔国立大学脑融合项目（800-20120444）以及首尔国立大学工学院和医学院跨学科研究倡议项目（800-20150090）资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
LabVIEWNational Instruments系统设计软件
24 V 电源XP PowerMHP1000PS24 24V任何 24 V 电源均可使用
AHRS 传感器接收器E2boxEBRF24GRCV
AHRS 传感器E2boxEBIMU-9DOFV2总共需要 3 个传感器。任何 AHRS 传感器均可使用
EC90 平板电机模块Maxon323772 + 223094 + 453231任何扭矩高于 30 Nm 的齿轮电机均可使用。（对于我们的定制加工零件，您需要使用该特定的平板电机和齿轮模块，但齿轮比和编码器可以不同） 
EC45 平板电机模块Maxon397172任何扭矩高于 10 Nm 的齿轮电机均可使用（对于我们的定制加工零件，应使用相同的齿轮模块，但齿轮比、电机和编码器可以不同）
EPOS2 70/10 控制器Maxon375711可用 EPOS 24/5 控制器替代
EPOS2 24/5 控制器Maxon367676
连接器和电缆套装Maxon381405 + 384915 + 275934 + 354045您也可以自行制作这些电缆。连接器及对应线缆信息可在 "300583-Hardware-Reference-En.pdf" 和 "300583-Cable-Starting-Set-En.pdf" 中找到
联轴器 - 十字滑块型，顶丝固定式MisumiMCORK30-10-12型号可不同
联轴器 - 高刚性，十字滑块型，
顶丝固定式		MisumiMCOGRK34-12-12型号可不同
轴套MisumiSCWDM10-B  需要 4 套
轴套MisumiSDBJ10-8需要 2 套
精密直线轴Misumi PSSFG10-200任何直径为 10 mm、长度至少 200 mm 的直轴均可使用 
带座轴承MisumiBGRAB6801ZZ
肘部电机力分散轴 定制加工3D CAD 
下臂支撑件定制加工零件图纸
肘部顶架框架定制加工零件图纸
支撑墙定制加工零件图纸需要 2 个框架。
肘部联轴器空心圆筒盖 定制加工零件图纸
腕部电机力分散轴定制加工零件图纸
腕部顶架框架定制加工零件图纸
上腕部联轴器空心圆筒盖定制加工零件图纸
下腕部联轴器空心圆筒盖定制加工零件图纸
关节运动限位器定制加工零件图纸
手柄3D 打印零件图纸
上臂支撑件3D 打印零件图纸
减摩环3D 打印零件图纸
亚克力镜面定制激光切割零件图纸
任务台定制加工零件图纸
硅胶海绵
自由度限位器3D 打印零件图纸
自由度限位器盖3D 打印零件图纸
Healthyarm 手柄3D 打印零件图纸
球形滚轮 - 过盈配合MisumiBCHA18
门形支架3D 打印零件图纸
圆形轨迹板3D 打印零件图纸
斜角辅助件3D 打印零件图纸可选
弧形辅助件3D 打印零件图纸可选
平面辅助件3D 打印零件图纸可选
任务板定制激光切割零件图纸

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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