Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Robotyczny system terapii lustrzanej do funkcjonalnej regeneracji ramion połowiczych

15.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54521

⸱

15 sierpnia 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

Opracowaliśmy system robota lustrzanego w czasie rzeczywistym do funkcjonalnego odzyskiwania ramion z porażeniem połowiczym za pomocą technologii automatycznego sterowania, przeprowadziliśmy badanie kliniczne na zdrowych osobach i określiliśmy zadania na podstawie informacji zwrotnych od lekarzy rehabilitacji. Ten prosty robot lustrzany może być skutecznie stosowany w terapii zajęciowej u pacjentów po udarze mózgu z połowiczą ręką.

Streszczenie

Terapia lustrzana została przeprowadzona jako skuteczna terapia zajęciowa w warunkach klinicznych w celu funkcjonalnego odzyskania ramienia z porażeniem połowiczym po udarze. Odbywa się to poprzez wywoływanie iluzji za pomocą lustra, tak jakby ramię z porażeniem połowiczym poruszało się w czasie rzeczywistym, poruszając zdrowym ramieniem. Może ułatwiać neuroplastyczność mózgu poprzez aktywację kory sensomotorycznej. Jednak konwencjonalna terapia lustrzana ma krytyczne ograniczenie polegające na tym, że ramię połowicze w rzeczywistości się nie porusza. W związku z tym opracowaliśmy 2-osiowy system robota lustrzanego w czasie rzeczywistym jako prosty moduł dodatkowy do konwencjonalnej terapii lustrzanej wykorzystujący zamknięty mechanizm sprzężenia zwrotnego, który umożliwia ruch ramienia połowiczego w czasie rzeczywistym. Zastosowaliśmy 3 czujniki Attitude and Heading Reference System, 2 bezszczotkowe silniki prądu stałego do stawów łokciowych i nadgarstkowych oraz ram egzoszkieletowych. W studium wykonalności przeprowadzonym na 6 zdrowych osobach zrobotyzowana terapia lustrem była bezpieczna i wykonalna. Następnie wybraliśmy zadania przydatne w czynnościach treningu życia codziennego dzięki informacjom zwrotnym od lekarzy rehabilitantów. Pacjent z przewlekłym udarem mózgu wykazał poprawę w skali oceny Fugla-Meyera i spastyczności zginaczy łokcia po 2-tygodniowym zastosowaniu systemu robota z lustrem. Terapia zwierciadła robotycznego może zwiększyć proprioceptywne wejście do kory czuciowej, co jest uważane za ważne w neuroplastyczności i funkcjonalnym odzyskiwaniu ramion połowiczych. Przedstawiony w niniejszym dokumencie system robota lustrzanego może być łatwo opracowany i skutecznie wykorzystany do rozwoju terapii zajęciowej.

Wprowadzenie

Dla pacjentów po udarze, dysfunkcja ramienia z porażeniem połowiczym ma wyniszczający wpływ. Zdolność do wykonywania czynności oburęcznych jest niezbędna w codziennym życiu, ale deficyt funkcjonalny ramienia z porażeniem połowiczym często utrzymuje się nawet kilka lat po wystąpieniu udaru. Wśród różnych programów treningowych w szpitalu, ćwiczenia zwiększające zakres ruchu lub bierne powtarzanie prostych zadań mają niewielki wpływ na funkcjonalną regenerację ramienia połowiczego. Z tego powodu szkolenie w zakresie znaczących zadań związanych z czynnościami życia codziennego (ADL) zostało zastosowane w terapii zajęciowej w szpitalach.

Efekty terapii lustrzanej zostały udowodnione przez poprzednie badania w neurorehabilitacji1-4. Terapia lustrzana polega na wywoływaniu iluzji za pomocą lustra, tak jakby ramię z porażeniem połowiczym poruszało się w czasie rzeczywistym, poruszając zdrowym ramieniem. Może ułatwiać neuroplastyczność mózgu poprzez aktywację kory sensomotorycznej1. W ten sposób można poprawić moc motoryczną i funkcję ramienia połowiczego. Jednak konwencjonalna terapia lustrzana ma krytyczne ograniczenie polegające na tym, że ramię połowicze w rzeczywistości się nie porusza.

Dlatego opracowaliśmy 2-osiowy system robota lustrzanego w czasie rzeczywistym jako prosty moduł dodatkowy do konwencjonalnej terapii lustrzanej, wykorzystujący mechanizm zamkniętego sprzężenia zwrotnego. Może to przekazywać proprioceptywne dane wejściowe do kory czuciowej, która jest uważana za ważną w neuroplastyczności i funkcjonalnym powrocie do zdrowia ramienia połowiczego (ryc. 1 i 2) 5-7.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Wszystkie procedury zostały przeanalizowane i zatwierdzone przez Instytucjonalną Komisję Przeglądową (Institutional Review Board) Szpitala Uniwersyteckiego w Seulu.

1. Zadania w ramach terapii lustrzanej

  1. Przykłady zadań w ramach dwuwymiarowej terapii lustrzanej (Rysunek 3)
    1. Swobodnie poruszać zdrową ręką, patrząc w lustro, przez około 5 min w ramach ćwiczeń rozgrzewkowych.
      UWAGA: Można zastosować metronom, aby pacjent mógł wykonywać ruchy zdrowej ręki w sposób rytmiczny.
    2. Po stronie zdrowej toczyć i umieszczać małą piłeczkę w wybranym otworze, podobnie jak w bilardzie, przez około 5 min (zadanie „Piłeczka w otworach”). Toczyć i umieszczać małą piłeczkę w bramce, podobnie jak w piłce nożnej, przez około 5 min (zadanie „Gra w piłkę nożną”).
    3. Korzystając z ponumerowanych naklejek umieszczonych na stole, przesuwać uchwyt po stronie zdrowej w kolejności numerycznej, a następnie wracać w kierunku odwrotnym (zadanie „Śledzenie punktów”). Powtarzać przez około 5 min.
    4. Używając dowolnego przedmiotu codziennego użytku, np. kubka, przesuwać go za pomocą uchwytu po stronie zdrowej w wybrane miejsce (zadanie „Przesuwanie kubka”). Powtarzać przez około 5 min.

2. Komponenty systemu robota lustrzanego

  1. Ustawienia czujnika AHRS
    1. Należy pozyskać 3 dostępne komercyjnie czujniki AHRS.
      UWAGA: Czujniki AHRS składają się z czujnika magnetometru, akcelerometru i żyroskopów (łącznie 9 osi).
    2. Podłącz czujnik AHRS do komputera za pomocą złącza USB.
    3. Użyj programu HyperTerminal lub innego oprogramowania komunikacyjnego do konfiguracji ogólnych ustawień czujnika.
    4. Dla każdego czujnika AHRS ustaw komunikację RS232 i wybierz port COM. Następnie ustaw prędkość transmisji na 15 20 bits per sec, liczbę bitów danych na 8, parzystość na none (brak), liczbę bitów stopu na 1 oraz sterowanie przepływem na none (brak).
      1. Aby sprawdzić port COM, kliknij przycisk Start w lewym dolnym rogu. Kliknij prawym przyciskiem myszy na komputer. Następnie kliknij Właściwości. Kliknij Menedżer urządzeń. Rozwiń kartę Porty (COM i LPT), klikając ją.
    5. Po ustanowieniu komunikacji ustaw kanał na 10 i przypisz identyfikatory (ID) dla każdego czujnika.
      UWAGA: Niektóre czujniki mogą wymagać kalibracji akcelerometru, żyroskopu i magnetometru przed użyciem.
    6. Ustaw format wyjściowy na kwaterniony i skonfiguruj czujniki tak, aby wyświetlały rezerwę baterii.
      UWAGA: Kwaterniony są stosowane w celu przyspieszenia obliczeń oraz wyeliminowania osobliwości blokady przegubu (gimbal lock).
  2. Ustawienia bezszczotkowego silnika DC
    1. Przygotuj 2 wysokowydajne silniki bezszczotkowe DC oraz sterowniki.
    2. W przypadku każdego sterownika podłącz kabel zasilający do zasilacza. Podłącz również kabel silnika, kabel czujnika Halla i kabel enkodera do silnika.
    3. Podłącz kabel CAN-CAN do innego sterownika.
      UWAGA: Do komunikacji między urządzeniami wykorzystywany jest protokół CANopen.
    4. Ustaw ID węzła dla każdego sterownika, aby rozróżnić urządzenia.
    5. Podłącz kabel USB do komputera w celu ogólnej konfiguracji.
    6. Włącz zasilacz, aby zasilić sterowniki i silniki.
    7. Użyj oprogramowania do konfiguracji systemu dostarczonego przez producenta silnika, aby skonfigurować i dostroić silnik, czujnik Halla oraz enkoder.
      UWAGA: W celu bezpiecznej eksploatacji należy skonfigurować limity kątowe oraz pozycję domyślną (home).
  3. Montaż ramy i silników
    UWAGA: Każda część wykonana na zamówienie jest nazwana w cudzysłowie. Należy odnieść się do Tabeli materiałów i sprzętu oraz do Rysunku 4 do Rysunku 13.
    1. W przypadku silnika stawu łokciowego należy nałożyć jeden z korpusów sprzęgła z wpustem na wał silnika i zabezpieczyć go za pomocą wkręta imbusowego M5 (Rysunek 4).
    2. Przymocuj „Elbow coupling hollow cylinder cover” do silnika łokciowego za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M5 (10 mm) i umieść element buforowy sprzęgieł (środkową część suwakową) na górze korpusu sprzęgła zamocowanego w kroku 2.3.1 (Rysunek 4).
    3. Włóż łożysko kulkowe do „Elbow rooftop frame” i zabezpiecz je za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M4 (8 mm) (Rysunek 5).
    4. Włóż „Elbow motor force dispersion shaft” do „Lower elbow support” i zabezpiecz go za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M3 (6 mm). Następnie umieść „Upper elbow support” na górze „Lower elbow support” i zabezpiecz go za pomocą 8 śrub z łbem imbusowym M3 (12 mm) (Rysunek 6).
    5. Umieść zespół z kroku 2.3.4 na górze, zespół z kroku 2.3.3 w środku, a ostatnią część korpusu sprzęgła na dole. Połącz wszystko razem i zabezpiecz korpus sprzęgła za pomocą wkrętów imbusowych M5 (10 mm) (Rysunek 7).
    6. Przymocuj zespół z kroku 2.3.5 oraz zespół z kroku 2.3.2 za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M5 (15 mm) (Rysunek 7). Obróć zespół z kroku 2.3.2, aby zabezpieczyć wszystkie 4 punkty.
    7. Przymocuj „Lower wrist coupling hollow cylinder cover” do silnika nadgarstka za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M4 (10 mm). Następnie nałóż jeden z korpusów sprzęgła z wpustem na wał silnika i zabezpiecz go za pomocą wkrętów imbusowych M4; następnie umieść element buforowy sprzęgieł na górze korpusu sprzęgła (Rysunek 8).
    8. Przymocuj „Friction reduction ring” na górze „Wrist rooftop frame” za pomocą taśmy dwustronnej lub dowolnego rodzaju kleju (Rysunek 9).
    9. Włóż „Wrist motor force dispersion shaft” do „Handle” i zabezpiecz go za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M2.5 (4 mm) (Rysunek 10).
    10. Umieść zespół z kroku 2.3.9 na górze, zespół z kroku 2.3.8 w środku, a ostatnią część korpusu sprzęgła na dole. Połącz wszystko razem i zabezpiecz korpus sprzęgła za pomocą wkrętów imbusowych M4 (10 mm) (Rysunek 10).
    11. Przymocuj „Wrist motor2roof2” do zespołu z kroku 2.3.10 za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M3 (Rysunek 1).
    12. Przymocuj zespół z kroku 2.3.1 oraz zespół z kroku 2.3.7 za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M3 (15 mm) (Rysunek 1).
    13. Zabeziecz 2 „Joint movement limiter” i 2 pierścienie zaciskowe wału za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M4 (15 mm) (Rysunek 12A).
    14. Użyj pierścieni zaciskowych do zabezpieczenia wałów i „Wrist rooftop frame” za pomocą 8 śrub z łbem imbusowym M3 (8 mm) (Rysunek 12B).
    15. Wsuń pierścienie zaciskowe z zespołu 2.3.13 na wały w zespole 2.3.14 i zabezpiecz dodatkowe pierścienie zaciskowe przy „Lower elbow support” za pomocą 4 śrub z łbem imbusowym M4 (15 mm). Następnie połącz obie części i zabezpiecz za pomocą dźwigni (Rysunek 13A).
    16. Przymocuj „Support wall” do zespołu z kroku 2.3.15 za pomocą 6 śrub z łbem imbusowym M4 (15 mm) (Rysunek 13B). Przymocuj statyw stołowy i zespół z kroku 2.3.16 za pomocą 6 śrub z łbem imbusowym M6 (15 mm) (Rysunek 13C).

3. Projekt systemu robota lustrzanego

  1. Model matematyczny dla automatycznego sterowania
    1. Ustanowienie modelu dynamicznego dla automatycznego sterowania ruchem kończyny górnej (Rycina 14).
      UWAGA: Dynamiczny model ruchu górnej kończyny człowieka można wyrazić za pomocą kinematyki stawów i członów. Zatem, stosując równanie dla manipulatora robotycznego, modelowanie można przeprowadzić w następujący sposób:
      Równanie równowagi dynamicznej, H(q)ẋ+F(q,ẋ)+G(q)+E(q,ẋ)=τ, do analizy mechanicznej.
      UWAGA: (Równowaga statyczna; ΣFx=0, ΣFy=0, równowaga momentów sił; schemat z wektorami sił, koncepcje ramienia siły.wektor pozycji stawu, Równowaga dynamiczna; równanie q̇; analiza układu termicznego; reprezentacja symboliczna.wektor prędkości stawowej, Symbol systemów dynamicznych q̈ w równaniach; druga pochodna położenia; pojęcie fizyczne.: wektor przyspieszenia stawowego, H: macierz inercji, F: macierz sił Coriolisa i sił odśrodkowych, G: wektor sił grawitacyjnych, E: macierz momentów obrotowych wynikających z oddziaływania z otoczeniem, Równowaga statyczna; wzór ΣFx=0; schemat analizy sił i równowagi w układach mechanicznych.: Wektor zgeneralizowanych sił przyłożonych do stawów) Ręka hemiplegiczna i zdrowa wykazują różne aspekty ruchu. Oznacza to, że ręka hemiplegiczna nie może poruszać się w czasie ze względu na sparaliżowane mięśnie lub nie może wytworzyć momentu obrotowego niezbędnego do ruchu. W związku z tym system został zaprojektowany w taki sposób, aby trening rehabilitacyjny mógł być przeprowadzany poprzez przekazywanie normalnego ruchu na rękę hemiplegiczną; innymi słowy, robot rehabilitacyjny jest przymocowany do hemiplegicznej ręki pacjenta w celu przekazywania ruchów z ręki zdrowej, co można sformułować w następujący sposób:
      Ruch robota rehabilitacyjnego = (Ruch zdrowej ręki) - (Ruch ręki z hemiplegią).
    2. Za pomocą robota rehabilitacyjnego przymocuj sparaliżowane ramię pacjenta do manipulatora, a następnie zaobserwuj dodatkowy moment obrotowy oraz opóźnienie czasowe wynikające z paraliżu ramienia, które powodują błędy w całym systemie. Wykryj to za pomocą manipulatora po stronie hemiplegicznej.
    3. błędy pomiarowe (s(t): błąd śledzenia) w postaci równania matematycznego:
      Równowaga statyczna; równanie: s(t)=(d/dt+Λ)q̃; opisuje systemy dynamiczne.
      UWAGA: (s: Błąd śledzenia, Równowaga statyczna, ΣFx=0, schemat wektorowy, edukacyjny koncept z fizyki.Dodatnio określona macierz parametrów projektu, Wzór symbolu kwantowania, tilda nad q, stosowana w równaniach mechaniki kwantowej.Błąd między pozycją zadaną a rzeczywistą, Symbol natężenia przepływu ciepła w kontekście termodynamiki dla analizy przepływu energii.: Błąd między prędkością pożądaną a rzeczywistą) Powyższy błąd śledzenia można połączyć z dynamicznym modelem ruchu górnej kończyny człowieka, co można zapisać w następujący sposób:
      Równanie równowagi dynamicznej; analiza systemów sterowania; wzór matematyczny.
      UWAGA: (KD wartość wzmocnienia różniczkującego z kompensacją sprzężenia zwrotnego zmieniającą się w czasie, symbol operatora hamiltoniana (Ĥ) w mechanice kwantowej; zapis równania.macierz błędów bezwładności, Równowaga statyczna; ΣFx=0; zapis wektorowy; koncepcja fizyczna; schemat bilansu sił.: macierz błędów siły Coriolisa i siły odśrodkowej)
    4. W celu sterowania każdym przegubem robota rehabilitacyjnego należy zastosować dynamikę Lagrange'a.8Dynamiczne równanie ruchu dla każdego przegubu ma postać:
      Równania dynamiczne; formuła bilansu momentów obrotowych; sumowanie; symbole; edukacyjny koncept matematyczny.
      UWAGA: (D: macierz współczynników, Koncepcja równowagi statycznej, fragment równania \(I_{i(act)}\), zapisz ocządziny naukowe.Macierz bezwładności siłowników) Współczynnik D w powyższym równaniu wpływa na moment obrotowy pomiędzy przegubami z efektem sprzężenia bezwładnościowego między przegubami8Model automatycznego sterowania wykorzystujący ten model matematyczny został przedstawiony na schemacie blokowym w Rycina 14.
  2. Protokół programistyczny (Rysunek 15)
    1. Po uruchomieniu programu należy nawiązać łączność z silnikami i czujnikami oraz zainicjować wartości. Gdy silniki i czujniki znajdą się w pozycji początkowej (patrz 4.1.3), należy przejść do pętli głównej.
      UWAGA: W przypadku częstotliwości próbkowania głównej pętli zaleca się wartość od 50 do 20 próbek/s. W przypadku maksymalnego opóźnienia zaleca się wartość maksymalnie 2 s. Ponadto, w odniesieniu do limitów momentu obrotowego, zaleca się regulację wartości prądu silnika za pomocą oprogramowania w taki sposób, aby silnik łokcia mógł wytworzyć moment od 25 do 40 Nm, a silnik nadgarstka od 10 do 20 Nm.
    2. Ponieważ proces nie jest przerywany przez przycisk stop, należy w sposób ciągły odczytywać aktualne wartości pozycji z czujników systemu odniesienia postawy i kursu (AHRS), aby przesłać te wartości do silników.
      UWAGA: Dane wyjściowe są przedstawione w postaci kwaternionów i powinny zostać odpowiednio przekształcone na pożądany kąt ruchu robota. Należy wybrać jeden z układów współrzędnych czujnika jako układ odniesienia i zresetować pozostałe układy współrzędnych czujników. Wykorzystując obliczone układy jako odniesienie, należy zastosować kinematykę odwrotną w celu uzyskania końcowych wyjściowych kątów odrywania (yaw).
    3. Ponieważ proces nie jest przerywany przez przycisk stop, należy stale sprawdzać położenie silników i aktualizować wartości w celu zrealizowania ruchu do pożądanej pozycji wyznaczonej przez czujniki AHRS.
      UWAGA: Pozycja silnika jest dostarczana przez enkoder silnika, którą można sprawdzić w oprogramowaniu za pomocą polecenia z biblioteki programistycznej dostarczonej przez producenta silnika.
    4. W tym czasie należy rejestrować wszystkie kąty oraz prędkości kątowe z czujników AHRS.
    5. Po wykonaniu zadań i naciśnięciu przez użytkownika przycisku stop, należy wyjść z pętli i zakończyć pracę robota, przesuwając go do pozycji początkowej.
  3. Graficzny interfejs użytkownika (GUI) (Rysunek 16)
    1. Dodaj funkcje „error in” (błąd wejściowy) oraz „error out” (błąd wyjściowy), aby wykrywać i debugować błędy podczas wykonywania.
    2. Dodaj przycisk po stronie pacjenta służący do wyboru strony pracy robota (strony niedowładnej pacjenta).
    3. Przygotuj formularz informacji o pacjencie w celu ich identyfikacji.
    4. Dodaj wskaźniki stanu silnika.
    5. Wprowadź ograniczniki kąta w celu zapewnienia bezpieczeństwa.
    6. Skonfiguruj maksymalną prędkość, przyspieszenie oraz opóźnienie dla każdego silnika, aby zapobiec urazom mięśni i ścięgien wynikającym ze sztywności kończyny górnej.
      UWAGA: System odzwierciedla przyspieszenie i zwolnienie ramienia z hemiplegią.
    7. Dodaj wskaźniki w celu odczytu pozycji i prędkości silnika oraz informacji o prądzie wejściowym.
    8. Utwórz kontrolkę nazwy zasobu VISA, aby nawiązać komunikację między czujnikami AHRS a systemem.
    9. Należy dodać funkcję kalibracji w celu wyeliminowania skumulowanych błędów dryftu czujnika.
    10. Ustaw wskaźnik czujników, aby pobrać informacje o czujnikach.
      UWAGA: Informacje z czujników obejmują kąty w stawach (kąt między dwoma kolejnymi czujnikami) oraz poziom naładowania baterii.
  4. Przezwyciężanie spastyczności kończyny górnej podczas obsługi robota lustrzanego
    1. Wybierz silniki zdolne do wygenerowania momentu obrotowego wystarczającego do przełamania spastyczności w każdym stawie.
      UWAGA: Silnik nadgarstka powinien mieć moment obrotowy wyższy niż 10 Nm, a silnik łokcia wyższy niż 25 Nm.
    2. Aby zapewnić stabilne przeniesienie ruchu robota na ramię pacjenta, należy użyć pasów wykonanych z materiału półelastycznego do unieruchomienia przedramienia w egzoszkielecie robota.
      UWAGA: Zaleca się stosowanie pasów półelastycznych, takich jak pasy z tkanin rozciągliwych lub plecione pasy elastyczne z poliestru/nylonu. Jeśli pasy będą zbyt elastyczne, nie utrzymają ramienia w odpowiedniej pozycji. Jeśli pasy nie będą w ogóle elastyczne, w przypadku wysokiego stopnia spastyczności łokcia mogą wystąpić urazy mięśni lub ścięgien.
    3. Aby odizolować ruchy łokcia i nadgarstka, należy użyć dwóch sztywnych ram połączonych z pierścieniem mocującym, aby unieruchomić nadgarstek poprzez jego ściskanie w ramach.
      UWAGA: Kołnierze wału stosuje się w celu zapobiegania urazom mięśni i ścięgien w przypadku zbyt dużego oporu w nadgarstku.
    4. Użyj pasów wokół uchwytu, aby przymocować dłoń do robota.

4. Zastosowanie kliniczne systemu robota lustrzanego

  1. Przeprowadzenie robotycznej terapii lustrzanej
    1. Dostosować wysokość i szerokość stołu roboczego do stanu pacjenta.
    2. Ustawić lustro w linii środkowej między obiema rękami, umieszczając je na stole lub platformie.
    3. Umieścić czujniki AHRS na uchwycie, ramie nadgarstka oraz na krawędzi platformy po stronie zdrowej, wyrównując je równolegle do orientacji robota.
      UWAGA: Wewnętrzna oś odchylenia (yaw) czujnika powinna być skierowana w górę.
    4. Uruchomić oprogramowanie terapeutyczne na komputerze.
    5. Wybrać stronę z hemiplegią, klikając przycisk przełącznika Patient-Side.
    6. Ustawić maksymalne limity kątów w stawach zgodnie ze stanem stawów pacjenta. W celu bezpiecznego działania należy ustawić limit zgięcia łokcia poniżej 50º, limit wyprostu łokcia powyżej -70º, limit zgięcia nadgarstka poniżej 80º oraz limit wyprostu nadgarstka powyżej -60º.
      UWAGA: Znaki plus i minus są korygowane automatycznie, a limity są również korygowane na poziomie oprogramowania, jeśli wykraczają poza dopuszczalne zakresy.
    7. Ustawić maksymalną prędkość, przyspieszenie i opóźnienie. Dla tych parametrów należy zastosować wartość prędkości od 0 do 2,5 rpm dla silnika łokcia oraz od 0 do 3 rpm dla silnika nadgarstka.
      UWAGA: W przypadku konwencjonalnej terapii lustrzanej należy ustawić wszystkie wartości na zero, aby unieruchomić robota.
    8. Wypełnić dane pacjenta.
    9. Włączyć wszystkie czujniki AHRS przed uruchomieniem programu.
    10. Uruchomić program, klikając przycisk ze strzałką w lewym górnym rogu programu.
    11. Po pojawieniu się okna „Zapisz jako”, wpisać odpowiednie nazwy plików dla danych wynikowych w polu tekstowym i nacisnąć OK.
    12. Gdy robot i zdrowa ręka znajdują się w pozycji wyjściowej (obie dłonie oddalone od ciała i równoległe względem siebie), nacisnąć przycisk kalibracji, aby zainicjować wartości czujników do zera dla pozycji wyjściowej.
      UWAGA: Pozycje rąk stosowane w tym zadaniu opisano w krokach 1.1.1 - 1.1.4.
    13. Nacisnąć przycisk STOP po zakończeniu wszystkich zadań.
      UWAGA: W przypadku robotycznej terapii lustrzanej inżynier biomedyczny powinien pełnić rolę głównego koordynatora, a terapeuta zajęciowy powinien pomagać pacjentowi.
  2. Badanie kliniczne na zdrowych ochotnikach
    1. Przeprowadzić badanie kliniczne na zdrowych ochotnikach w celu potwierdzenia bezpieczeństwa i wykonalności8. Przekazać badanym instrukcję („Proszę nie poruszać samodzielnie ręką z hemiplegią”), aby zapewnić całkowicie pasywny ruch kończyny z hemiplegią.
    2. Umieścić oba przedramiona w ramach, a dłonie na uchwytach. Następnie przymocować przedramiona za pomocą pasów.
  3. Ocena efektów terapeutycznych
    1. Przed terapią przeprowadzić u pacjentów oceny funkcjonalne, takie jak skala Fugl-Meyer9, zmodyfikowana skala Ashwortha10, zmodyfikowany indeks Barthel11, test funkcji ręki Jebsen, pomiar siły chwytu, test zaniedbania hemisferycznego oraz test potencjałów wywołanych ruchowo.
    2. Przeprowadzić badanie kliniczne dla pacjentów po udarze z wykorzystaniem dwuwymiarowego robota lustrzanego przez 30–60 min dziennie. Przekazać pacjentom instrukcję („Proszę nie poruszać samodzielnie ręką z hemiplegią”).
    3. Po zakończeniu ostatniej sesji przez pacjentów przeprowadzić kontrolne oceny funkcjonalne.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Sześciu zdrowych ochotników wykonało „zadanie znakowania długopisem” (naprzemienne dotykanie dwóch małych tabliczek długopisem trzymanym w zdrowej ręce, jak pokazano na Rysunku 17) 10 razy, co zajęło średnio 106 s na osobę. Nie zaobserwowano żadnych działań niepożądanych, a robotyczna terapia lustrzana okazała się wykonalna.

Dodatkowo przeprowadzono badanie kliniczne z udziałem lekarzy rehabilitacyjnych. Poprosz...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Głównym celem tego badania było opracowanie systemu robota lustrzanego w czasie rzeczywistym do funkcjonalnego odzyskiwania ramienia z porażeniem połowiczym przy użyciu algorytmu automatycznego sterowania. Wpływ terapii wspomaganej robotem na długotrwałą regenerację kończyn górnych po udarze okazał się korzystny we wcześniejszych badaniach12 i wprowadzono różne rodzaje robotów ramieniowych13-20. Jednak wcześniejsze badania robotów kończyn górnych, które realizowały obustronne ruchy ramion, wykorzyst...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez Program Fuzji Mózgu Uniwersytetu Narodowego w Seulu (800-20120444) oraz Program Interdyscyplinarnych Inicjatyw Badawczych z College of Engineering i College of Medicine, Seoul National University (800-20150090).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
LabVIEWNational Instruments Oprogramowaniedo projektowania systemów
Zasilacz 24 VXP PowerMHP1000PS24 24VKażdy zasilacz 24 V powinien wystarczyć
odbiornik czujnika AHRSE2boxEBRF24GRCV
czujniki AHRSE2boxEBIMU-9DOFV2Będziesz potrzebował łącznie 3 czujników. Wszelkie czujniki AHRS zrobią
silnika płaskiego EC90Maxon323772 + 223094 + 453231Każdy motoreduktor o momencie obrotowym wyższym niż 30 Nm powinien wystarczyć. (W przypadku naszych niestandardowych części obrabianych będziesz potrzebować tego konkretnego płaskiego silnika i modułu przekładni, ale przełożenie i enkoder mogą się różnić) 
Moduł silnika płaskiego EC45Maxon397172Każdy motoreduktor o momencie obrotowym wyższym niż 10 Nm powinien wystarczyć (w przypadku naszych niestandardowych części obrabianych należy użyć tego samego modułu przekładni, ale przełożenie, silnik i enkoder mogą się różnić)
Sterownik EPOS2 70/10Maxon375711Można go zastąpić sterownikiem EPOS 24/5
Sterownik EPOS2 24/5 Maxon367676
Złącze i zestawMaxon381405 + 384915 + 275934 + 354045Możesz również wykonać te. Złącza i odpowiednie informacje o przewodach można znaleźć w "300583-Hardware-Reference-En.pdf" i "300583-Cable-Starting-Set-En.pdf"
Sprzęgło - Oldham, śruba ustalająca TypMisumiMCORK30-10-12Typ może się różnić
Sprzęgło - Wysoka sztywność, Oldham,
Typ ustalającej		Typ MisumiMCOGRK34-12-12może się różnić
Kołnierze wałuMisumiSCWDM10-B  Będziesz potrzebował 4 zestawów
Kołnierze wałuMisumiSDBJ10-8Będziesz potrzebował 2 zestawów
precyzyjnych wałów liniowychMisumi  PSSFG10-200Każdy prosty wał o średnicy 10 mm i długości co najmniej 200 mm powinien 
Łożyska z oprawamiMisumiBGRAB6801ZZ
Kolano wału dyspersji siły napędowej obrabiany na zamówienie 
Dolne podparcie łokciazamówienie obrabianerysunki
Łokciowa rama dachowaniestandardowa obrabiana maszynowoRysunki
Ściana nośnaNiestandardowe rysunkiczęściobrabiane Będziesz potrzebował 2 ramek.
Sprzęgło kolankowe pusta pokrywa cylindra niestandardowe obrabianerysunki
Wałek dyspersyjny siły silnika nadgarstkaniestandardowo obrabianerysunki
Rama dachowa nadgarstkaobrabianerysunki
Sprzęgło górnego nadgarstka pusta osłona cylindraniestandardowe obrabianerysunki
Dolne sprzęgło nadgarstka pusta osłona cylindraobrabianerysunki części
Ogranicznik ruchu stawuniestandardowa obrabiana maszynaRysunki
UchwytRysunkidrukowane w 3D
Podparcie górnego łokciaRysunkidrukowane w 3D
Pierścień redukcyjny tarciaRysunkidrukowane w 3D
Lustro akryloweniestandardowe cięcie laseroweRysunki części
Zadanie stółobrabiany na zamówienieRysunki
Gąbka
Ogranicznik głębi ostrościRysunki części drukowane w 3DPokrywy
ogranicznika ostrościRysunkidrukowane w 3D
Uchwyt HealthyarmRysunkidrukowane w 3D
Rolki kulkowe - Pasowanie wciskaneMisumiBCHA18
Goalpostczęścidrukowane w 3D
Śledzenie okręguRysunkidrukowane w 3D
Kątowe wspomaganieRysunki częścidrukowane w 3DOpcjonalne
zakrzywione rysunkiczęścidrukowane w 3DOpcjonalne
drukowane w 3DOpcjonalnie
Tablica zadańniestandardowe cięcie laseroweRysunki
moduł CAD 3D na częściczęściczęściczęści niestandardowe częściczęści niestandardowe częściczęści części części częścisilikonowaczęści części Rysunki części rysunki części części

Bibliografia

  1. 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).
  2. 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).
  3. Dohle, C., et al. Mirror therapy promotes recovery from severe hemiparesis: a randomized controlled trial. Neurorehabil Neural Repair. 23 (3), 209-217 (2009).
  4. 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).
  5. De Santis, D., et al. Robot-assisted training of the kinesthetic sense: enhancing proprioception after stroke. Front Hum Neurosci. 8, 1037(2015).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Niku, S. Chapter 4, Dynamic Analysis and Forces. Introduction to Robotics: Analysis, Systems, Applications. , Prentice Hall. (2001).
  9. 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).
  10. Bohannon, R. W., Smith, M. B. Interrater reliability of a modified Ashworth scale of muscle spasticity. Phys Ther. 67 (2), 206-207 (1987).
  11. Shah, S., Vanclay, F., Cooper, B. Improving the sensitivity of the Barthel Index for stroke rehabilitation. J Clin Epidemiol. 42 (8), 703-709 (1989).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Nef, T., Mihelj, M., Riener, R. ARMin: a robot for patient-cooperative arm therapy. Med Biol Eng Comput. 45 (9), 887-900 (2007).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Rehabilitacja kończyny górnej w hemiplegiiczujniki AHRSbezszczotkowe silniki prądu stałegoramy egzoszkieletoweskala Fugl-Meyerspastyczność zginaczy łokciabodźce proprioceptywnekora sensoromotorycznarehabilitacja po udarze
Robotyczny system terapii lustrzanej do funkcjonalnej regeneracji ramion połowiczych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.