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。
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本文内容
摘要
摘要
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
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
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
- 二维镜像疗法任务示例（图3）
- 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。 - 在健康侧，将一个小球运球并放入选定的孔中，类似于台球，持续约5分钟（“球入孔”任务）；或将小球运球并射入球门，类似于足球，持续约5分钟（“足球游戏”任务）。
- 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。
- 使用日常生活中的任意物体（如杯子），用健康侧手柄将其推至指定位置（“移动杯子”任务）。重复约5分钟。
- 在镜前自由活动健康侧手臂，持续约5分钟，作为热身练习。
2. 镜像机器人系统的组成部分
- AHRS 传感器设置
- 获取 3 个市售的 AHRS 传感器。
注意：AHRS 传感器由磁力计、加速度计和陀螺仪传感器组成（共 9 轴）。 - 使用 USB 连接线将 AHRS 传感器连接至计算机。
- 使用超级终端或其他通信软件配置通用传感器设置。
- 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....
- 获取 3 个市售的 AHRS 传感器。
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结果
六名健康受试者进行了10次“笔标记任务”（用健康手握住笔，交替触碰两块小木板，如图17所示），每位受试者平均耗时106秒。未观察到任何不良事件，证实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师的临床研究。通过征询专家意见，以确定适用于有效开展机器人镜像作业治疗的适当任务。根据6名康复医师的反馈，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“描点连线”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“描点连线”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，康复医师推荐将“足球游戏”任务作为脑卒中患者日常生活活动能力训练的有用任务。
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讨论
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
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| LabVIEW | National Instruments | 系统设计软件 | |
| 24 V 电源 | XP Power | MHP1000PS24 24V | 任何 24 V 电源均可使用 |
| AHRS 传感器接收器 | E2box | EBRF24GRCV | |
| AHRS 传感器 | E2box | EBIMU-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 | Maxon | 323772 + 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 | Maxon | 397172 | 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 | Maxon | 375711 | 可用 EPOS 24/5 控制器替代 |
| EPOS2 24/5 控制器 | Maxon | 367676 | |
| 连接器和电缆套装 | Maxon | 381405 + 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 | Misumi | MCORK30-10-12 | 型号可不同 |
| 联轴器 - 高刚性，十字滑块型， 顶丝固定式 | Misumi | MCOGRK34-12-12 | 型号可不同 |
| 轴套 | Misumi | SCWDM10-B | 需要 4 套 |
| 轴套 | Misumi | SDBJ10-8 | 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 | Misumi | BGRAB6801ZZ | |
| 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 | Misumi | BCHA18 | |
| 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
- 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.
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重印与许可
