Robotic Mirror Therapy System voor functioneel herstel van Hemiplegische Arms
15 augustus 2016
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.
Het algemene doel van deze procedure is om een realtime robotisch spiegeltherapiesysteem te introduceren voor functionele herstel van hemiplegische armen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in translationeel neurorehab biomedisch onderzoek door te laten zien dat functioneel herstel van hemiplegische armen met geavanceerde ergotherapie haalbaar is. Het belangrijkste voordeel van deze robotische spiegeltherapie is dat het proprioceptieve input naar de sensorische cortex kan verbeteren, wat erg belangrijk is voor neuroplasticiteit in de hersenen voor patiënten met een beroerte.
Personen die nieuw zijn met deze methode, kunnen worstelen, omdat het complex was om het softwareprotocol te ontwikkelen en frames en motoren te monteren. We hadden eerst het idee voor deze methode toen we conventionele neurotherapie observeerden, die beperkt was doordat de hemiplegische arm niet daadwerkelijk bewoog. Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal, omdat de sensorinstellingen, montage en opstelling voor robotische spiegeltherapie moeilijk te leren zijn.
Begin met het verkrijgen van een drie-attitude en heading referentiesysteem, of AHRS-sensoren, en sluit ze een voor een aan op een computer met een USB-connector. Gebruik communicatiesoftware om de algemene sensorinstellingen op de computer te configureren. Stel elke sensor in op RS 232.
En selecteer de COM-poort. Stel vervolgens de baudrate in op 115.200 bits per seconde. Gegevensbits tot acht.
Pariteit naar none. Stopbits naar een. En de stroomregeling naar none.
Om de COM-poort te controleren, klikt u op de home-knop in de linkerbenedenhoek. Klik met de rechtermuisknop op de computer, selecteer eigenschappen, apparaatbeheer en klik op het poorttabblad om het uit te vouwen. Zodra de communicatie tot stand is gebracht, zal de hyperterminal sensoraflezingen weergeven.
Stel vervolgens de kanalen in en wijs verschillende ID's toe aan elke sensor. Herhaal de configuratie, COM-poortcontrole en kanaal- en ID-toewijzing voor elke sensor. Stel ten slotte het uitvoerformaat in als quaternionen.
En stel de sensoren in om de batterijreserve weer te geven. Begin met het monteren van de motor van de elleboogverbinding door een van de koppelingslichamen met een sleutelweg op de motoras te plaatsen. En bevestig het met een M5 zeskantbout.
Bevestig de holle cilinderkap van de elleboogbevestiging aan de elleboogmotor door vier 10 millimeter M5 inbusschroeven te gebruiken. En plaats een tweede bufferkoppelingslichaam bovenop de eerste koppelingslichaam. Steek vervolgens het kogellager in het elleboogdakframe en bevestig het met vier acht millimeter M4 inbusschroeven.
Plug vervolgens de krachtdispersie-as van de elleboogmotor in de onderste elleboogondersteuning en bevestig het met vier zes millimeter M3 inbusschroeven. Plaats vervolgens de bovenste elleboogondersteuning bovenop de onderste elleboogondersteuning en bevestig het met acht 12 millimeter M3 inbusschroeven. Plaats onderdeel C bovenop, onderdeel B in het midden en een ander koppelingslichaam aan de onderkant.
Verbind ze met elkaar en bevestig het koppelingslichaam met één 10 millimeter M5 zeskantbout. Bevestig vervolgens onderdeel A aan de onderkant van deze constructie met vier 15 millimeter M5 inbusschroeven. Bevestig vervolgens een holle cilinderkap van de onderste polsverbinding met de polsmotor, met behulp van vier 10 millimeter M4 inbusschroeven.
Plaats vervolgens een koppelingslichaam op de motoras. Bevestig het met één M4 zeskantbout en volg dat met een bufferkoppelingslichaam bovenop. Bevestig een wrijvingsverminderende ring op de bovenkant van het polsdakframe met dubbelzijdig plakband.
Plug vervolgens de krachtdispersie-as van de polsmotor in de handgreep en bevestig het met behulp van vier M2.5 inbusschroeven. Bevestig onderdeel F bovenop, onderdeel E in het midden en een koppelingslichaam aan de onderkant. Bevestig het koppelingslichaam met een 10 millimeter M4 zeskantbout.
Voeg een holle cilinderkap van de bovenste polsverbinding toe aan de onderkant van deze constructie, met behulp van vier 10 millimeter M3 inbusschroeven. Bevestig vervolgens onderdeel D aan de onderkant van de holle cilinderkap van de bovenste polsverbinding met behulp van vier 15 millimeter inbusschroeven. Bevestig vervolgens twee bewegingsbegrenzers, omwikkeld met sponzen om veiligheidsredenen, en twee asmanchetten met hendels, met behulp van vier 15 millimeter M4 inbusschroeven.
Schuif vervolgens de asmanchetten in onderdeel G in de assen en gebruik twee normale asmanchetten om de assen en het polsdakframe samen te bevestigen, met behulp van acht acht millimeter M3 inbusschroeven. Bevestig extra asmanchetten met de onderste elleboogondersteuning met behulp van vier 15 millimeter M4 inbusschroeven. Verbind vervolgens de twee delen en bevestig met een hendel.
Bevestig ten slotte een steunwand aan de constructie met behulp van zes 15 millimeter M4 inbusschroeven en bevestig een tafelstandaard met behulp van zes 15 millimeter M6 inbusschroeven. Begin met het plaatsen van de AHRS-sensoren op de handgreep, het polsframe en de rand van het platform aan de gezonde kant van de deelnemer, en zorg ervoor dat ze parallel aan de oriëntatie van de robot staan. Start vervolgens de therapiesoftware op de computer.
Kies de hemiplegische zijde door op de knop 'patiëntzijde' te klikken. Stel de volgende gewrichtshoeklimieten in: elleboogbuiging bij minder dan 50 graden, elleboogverlenging bij meer dan min 70 graden, polsbuiging bij minder dan 80 graden en polsuitbuiging bij meer dan min 60 graden. Stel vervolgens de snelheidswaarde in tussen nul en 22,5 RPM voor de elleboogmotor.
Gebruik een snelheidswaarde tussen nul en 33 RPM voor de polsmotor en stel ook de maximale versnellings- en vertragingswaarden in. Schakel vervolgens alle AHRS-sensoren in. Voer vervolgens het programma uit door op de pijlknop in de linkerbovenhoek van het programma te klikken.
Wanneer het 'Opslaan als'-prompt verschijnt, schrijf de bestandsnaam voor de resultatendata en druk op OK. Druk tenslotte, ter
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie introduceert een real-time robotisch spiegeltherapiesysteem dat gericht is op het faciliteren van het functionele herstel van hemiplegische armen. De methode verbetert de proprioceptieve input naar de sensorische cortex, wat essentieel is voor neuroplasticiteit bij patiënten na een beroerte.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurorevalidatie
- Robottherapie
- Herstel na beroerte
Achtergrond
- Conventionele neurotherapie beperkt vaak de beweging van de hemiplegische arm.
- Robotische spiegeltherapie is erop gericht deze beperking aan te pakken.
- Proprioceptieve input is essentieel voor de neuroplasticiteit van de hersenen.
- De ontwikkeling van de software en de assemblage van het systeem was complex.
Doel van de studie
- Om de haalbaarheid van robotische spiegeltherapie voor hemiplegische armen aan te tonen.
- Om de resultaten van ergotherapie voor beroertepatiënten te verbeteren.
- Om een visuele demonstratie te bieden voor een beter begrip van de methode.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van een real-time spiegelrobotsysteem.
- Klinische studie uitgevoerd met gezonde proefpersonen.
- Feedback van revalidatieartsen om taken te bepalen.
- Assemblage van frames en motoren voor het robotische systeem.
Belangrijkste resultaten
- Robotische spiegeltherapie kan effectief helpen bij het herstel van hemiplegische armen.
- Verhoogde proprioceptieve input draagt bij aan neuroplasticiteit.
- Visuele demonstraties zijn essentieel voor het begrijpen van de opstelling.
- Feedback van clinici hielp bij het verfijnen van de therapietaken.
Conclusies
- Het robotgestuurde spiegeltherapiessysteem is veelbelovend voor revalidatie na een beroerte.
- Verdere studies zijn nodig om de methode te optimaliseren.
- Visuele en praktische training is essentieel voor een effectieve implementatie.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Robotgestuurde spiegeltherapie vult een kritiek gat in de neurorevalidatie door daadwerkelijke beweging van de hemiplegische arm mogelijk te maken, waardoor de proprioceptieve input naar de sensorische cortex wordt versterkt. Deze vooruitgang ondersteunt de neuroplasticiteit en functionele recovery bij beroertepatiënten en biedt een translationeel pad van preklinische modellen naar klinische ergotherapie. De haalbaarheid van het systeem bij gezonde proefpersonen en chronische beroertepatiënten demonstreert het potentieel voor het verminderen van risico's bij therapeutische hypothesen in revalidatieprocessen voor motoriek.
Strategische toepassingen in biopharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar de betrokkenheid van de motorische cortex mogelijk via real-time proprioceptieve feedback tijdens armbewegingen bij hemiplegie.
- Operationele waarde: Biedt een kwantificeerbaar platform om sensorimotorische integratie te beoordelen als een biomarker voor neuroplasticiteit.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt targetvalidatie door robotgestuurde beweging te koppelen aan verbeteringen op de Fugl-Meyer- en Ashworth-schalen.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Standaardiseert de toediening van therapie via closed-loop feedback met behulp van AHRS-sensoren en borstelloze DC-motoren voor reproduceerbare controle van de gewrichtshoek.
- Operationele waarde: Maakt real-time bewegingsregistratie met hoge getrouwheid mogelijk, wat essentieel is voor dosis-responsmodellering bij revalidatiescreening.
- Klaar voor analyse: Faciliteert de voorbereiding van gevalideerde motorische outputmetingen voor verdere evaluatie van neurotherapeutische verbindingen of apparaten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen mechanistische inzichten uit de ontdekkingsfase (proprioceptie-gestuurde neuroplasticiteit) en preklinische validatie in chronische stroke-modellen.
- Ziekterelevant systeem: Spiegelt training van activiteiten van het dagelijks leven (ADL) via door clinici geselecteerde taken, zoals ball-in-holes en het verplaatsen van bekers.
- Risico-gecorrigeerde vooruitgang: Demonstreert veiligheid en haalbaarheid bij gezonde proefpersonen voorafgaand aan toepassing bij patiënten, ter ondersteuning van go/no-go-beslissingen.
Integratie van pipeline en workflow
Het robotische spiegeltherapiesysteem past binnen het continuüm van neurorehabilitatieonderzoek en ondersteunt hypothesetoetsing in vroege ontdekkingsfasen, de ontwikkeling van assays voor het screenen van motorische functies en translationele validatie in preklinische modellen.
- Ontdekkingsbiologie: Test de hypothese dat versterkte proprioceptieve input de activering van de sensorimotorische cortex en het motorisch herstel stimuleert.
- Screening: Levert gestandaardiseerde, kwantificeerbare motorische output (gewrichtshoek, snelheid, taakvoltooiing) voor het evalueren van therapeutische interventies.
- Analytiek: Genereert longitudinale klinische eindpunten (Fugl-Meyer, Ashworth, knijpkracht) om pre- en post-therapietoestanden te vergelijken.
- Translationeel onderzoek: Verbindt neurofysiologische mechanismen met functionele resultaten van ADL, ter ondersteuning van de biomarker-afstemming.
- Bedrijfbrede herbruikbaarheid: Ontworpen als een modulaire add-on voor conventionele spiegeltherapie, waardoor schaalbare implementatie op verschillende revalidatielocaties mogelijk is.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit door de proprioceptieve bijdrage aan neuroplasticiteit te isoleren via feitelijke ledemaatbeweging.
- Operationele waarde: Waarborgt reproduceerbaarheid door sensorcalibratie, gewrichtslimieten en snelheidscontroles die zijn ingebed in het therapieprotocol.
- Strategische waarde: Verhoogt de zekerheid over go/no-go beslissingen door functionele verbeteringen aan te tonen bij patiënten met een chronische beroerte binnen een venster van twee weken.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van neurorehabilitatietechnologieën mogelijk op basis van meetbaar motorisch herstel en vermindering van spasticiteit.
Overwegingen bij implementatie
- Vereist expertise in sensorintegratie (AHRS), motoraansturing en robotische assemblage voor elleboog- en polsgewrichten.
- Is afhankelijk van instrumentatie, waaronder USB-geconnecteerde sensoren, borstelloze DC-motoren en software voor real-time feedback.
- Necessiteert cross-team standaardisatie tussen ingenieurs en clinici voor taakselectie en veiligheidsprotocollen.
- Omvat aanpassingen voor variërende patiëntanthropometrie en spasticiteitsniveaus via instelbare gewrichtslimieten.
- Wordt beperkt door de technische complexiteit van de ontwikkeling van softwareprotocollen en hardwareassemblage, zoals opgemerkt bij uitdagingen tijdens het onboardingsproces van gebruikers.
