Robotyczny system terapii lustrzanej do funkcjonalnej regeneracji ramion połowiczych
15 sierpnia 2016
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.
Ogólnym celem tej procedury jest wprowadzenie systemu robotycznej terapii lustrzanej w czasie rzeczywistym w celu funkcjonalnej regeneracji ramion połowiczych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w badaniach inżynierii biomedycznej neurorehabilitacji translacyjnej, pokazując, że funkcjonalne odzyskanie ramion połowiczych za pomocą zaawansowanej terapii zajęciowej jest osiągalne. Główną zaletą tej robotycznej terapii lustrzanej jest to, że może ona zwiększyć proprioceptywne dane wejściowe do kory czuciowej, co jest bardzo ważne w neuroplastyczności mózgu u pacjentów po udarze.
Osoby, które są nowicjuszami w tej metodzie, mogą mieć trudności, ponieważ opracowanie protokołu oprogramowania oraz złożenie ram i silników było skomplikowane. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy obserwowaliśmy konwencjonalną neuroterapię, która była ograniczona tym, że ramię połowicze w rzeczywistości się nie poruszało. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ ustawienia, montaż i konfiguracja czujnika do zrobotyzowanej terapii lustra są trudne do nauczenia.
Zacznij od uzyskania trzech czujników położenia i kursu (AHRS) i podłącz je pojedynczo do komputera za pomocą złącza USB. Użyj oprogramowania komunikacyjnego, aby skonfigurować ogólne ustawienia czujnika w komputerze. Ustaw każdy czujnik na RS 232.
I wybierz port COM. Następnie ustaw szybkość transmisji na 115 200 bitów na sekundę. Liczba bitów danych do ośmiu.
Parzystość do braku. Zatrzymaj bity do jednego. A kontrola przepływu do żadnego.
Aby sprawdzić port COM, kliknij przycisk home w lewym dolnym rogu. Kliknij komputer prawym przyciskiem myszy, wybierz właściwości, menedżera urządzeń i kliknij kartę portu, aby ją rozwinąć. Po nawiązaniu komunikacji hiperterminal wyświetli odczyty czujnika.
Następnie ustaw kanały i przypisz różne identyfikatory dla każdego czujnika. Powtórz konfigurację, sprawdzanie portu COM oraz przypisanie kanału i identyfikatora dla każdego czujnika. Na koniec ustaw format wyjściowy jako kwaterniony.
I ustaw czujniki tak, aby wyświetlały rezerwę baterii. Montaż silnika przegubu łokciowego należy rozpocząć od umieszczenia jednego z korpusów sprzęgła z rowkiem wpustowym na wale silnika. I zabezpieczenie go za pomocą z gniazdem sześciokątnym M5.
Przymocuj wydrążoną pokrywę cylindra sprzęgła kolankowego do silnika kolankowego za pomocą czterech z gniazdowym M5 o średnicy 10 milimetrów. I umieść drugi korpus sprzęgający bufora na pierwszym korpusie sprzęgającym. Następnie podłącz łożysko kulkowe do łokciowej ramy dachowej i zabezpiecz je czterema ośmiomilimetrowymi z gniazdowym M4.
Następnie podłącz wałek rozpraszający siłę silnika łokcia do dolnego wspornika łokcia i zabezpiecz go czterema sześciomilimetrowymi z gniazdowym M3. Następnie umieść górną podpórkę łokcia na dolnej podparciu łokcia i zabezpiecz ją za pomocą ośmiu 12-milimetrowych z gniazdowym M3. Umieść część C na górze, część B na środku, a drugi korpus sprzęgła na dole.
Połącz je ze sobą i zabezpiecz korpus sprzęgła jedną 10-milimetrową śrubą z sześciokątnym M5. Następnie przymocuj część A do dolnej części tego zespołu za pomocą czterech 15-milimetrowych z gniazdowym M5. Następnie zabezpiecz wydrążoną pokrywę cylindra sprzęgła dolnego nadgarstka za pomocą silnika nadgarstka za pomocą czterech 10-milimetrowych z gniazdowym M4.
Następnie umieść korpus sprzęgła na wale silnika. Zabezpiecz go jedną śrubą z gniazdem sześciokątnym M4, a następnie umieść korpus sprzęgła buforowego na górze. Przymocuj pierścień zmniejszający tarcie na górze ramy dachowej nadgarstka za pomocą taśmy dwustronnej.
Następnie podłącz wałek rozpraszania siły silnika nadgarstka do uchwytu i zabezpiecz go czterema z gniazdowym M2.5. Połącz część F na górze, część E pośrodku i korpus sprzęgający na dole. Zamocuj korpus sprzęgła za pomocą 10-milimetrowej z sześciokątnym M4.
Dodaj wydrążoną pokrywę cylindra sprzęgła górnego nadgarstka na spodzie tego zespołu, używając czterech z gniazdowym M3 o średnicy 10 milimetrów. Następnie przymocuj część D do dolnej części pustej pokrywy cylindra sprzęgła górnego nadgarstka za pomocą czterech z gniazdowym 15 milimetrów. Następnie zabezpiecz dwa ograniczniki ruchu łączenia, owinięte gąbkami ze względów bezpieczeństwa, oraz dwa kołnierze wału z dźwigniami, za pomocą czterech 15-milimetrowych z gniazdowym M4.
Następnie wsuń kołnierze wału w części G do wałów i użyj dwóch normalnych kołnierzy wału, aby zabezpieczyć wały i ramę dachową nadgarstka razem, używając ośmiu z gniazdowym M3 o średnicy ośmiu milimetrów. Zabezpiecz dodatkowe kołnierze wału za pomocą dolnego wspornika łokcia za pomocą czterech z gniazdowym M4 o średnicy 15 milimetrów. Następnie połącz dwie części i zabezpiecz dźwignią.
Na koniec przymocuj ścianę nośną do zespołu za pomocą sześciu 15-milimetrowych z gniazdowym M4 i zabezpiecz stojak stołowy za pomocą sześciu 15-milimetrowych z gniazdowym M6. Zacznij od umieszczenia czujników AHRS na uchwycie, ramie nadgarstka i krawędzi platformy po zdrowej stronie uczestnika, upewniając się, że są one ustawione równolegle do orientacji robota. Następnie uruchom oprogramowanie terapeutyczne na komputerze.
Wybierz stronę połowiczą, klikając przycisk przełącznika po stronie pacjenta. Ustaw następujące limity kąta stawu:Zgięcie łokcia pod kątem mniejszym niż 50 stopni, wyprost łokcia pod kątem większym niż minus 70 stopni, zgięcie nadgarstka pod kątem mniejszym niż 80 stopni i wyprost nadgarstka pod kątem większym niż minus 60 stopni. Następnie ustaw wartość prędkości od zera do 22.5 obr./min dla silnika łokciowego.
Użyj wartości prędkości od zera do 33 obr./min dla silnika nadgarstkowego, a także ustaw maksymalne wartości przyspieszenia i opóźnienia. Następnie włącz wszystkie czujniki AHRS. Następnie uruchom program, klikając przycisk strzałki w lewym górnym rogu programu.
Gdy pojawi się monit Zapisz jako, wpisz nazwę pliku dla danych wyników i naciśnij OK. Na koniec, gdy robot i zdrowe ramię znajdują się w pozycji początkowej, w której obie ręce są oddalone od ciała i równoległe do siebie, naciśnij przycisk kalibracji, aby zainicjować wartości czujnika do zera. Zacznij od poinformowania uczestnika, że użyje swojej zdrowej ręki do wykonania zestawu zadań terapii lustrzanej. Piłka w dołkach, gra w piłkę nożną, śledzenie kropek i przenoszenie kubka.
W przypadku zadania z piłką w dołku umieść małą piłkę w wybranym dołku, podobnie jak w grze w bilard. Podobnie w przypadku gry w piłkę nożną drybluj i umieść małą piłkę w bramce, podobnie jak w prawdziwej grze w piłkę nożną. Następnie, w zadaniu śledzenia kropek, użyj ponumerowanych naklejek umieszczonych na stole jako przewodnika, aby wielokrotnie przesuwać uchwyt w kolejności numerycznej.
A następnie zwróć go w odwrotnym kierunku. Na koniec, aby przenieść kubek, weź kubek z uchwytem i popchnij go w wybrane miejsce. Powtarzaj do momentu upływu pięciu minut.
Tutaj przedstawiono wyniki od pacjenta, który doznał krwotoku z prawej podstawy zwoju 19 miesięcy temu i przez dwa tygodnie otrzymywał zrobotyzowaną terapię lustrzaną. Ocena Fugla-Meyera ramienia połowiczego poprawiła się z 12 do 17 po dziesięciu sesjach. Co więcej, zmodyfikowana skala zginaczy łokciowych Ashwortha, mierząca spastyczność, została zredukowana ze stopnia drugiego do jednego plusa.
A siła szczypania po lewej stronie została zwiększona z zera do trzech funtów. Po opanowaniu zrobotyzowanej terapii lustrzanej można ją ukończyć w 40 minut, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby wiedzieć, że iluzja sychroniczności między oboma ramionami jest niezbędna dla terapii lustrzanej.
Po opracowaniu, procedura ta utoruje drogę do badań w dziedzinie neurorehabilitacji w celu zbadania efektów zaawansowanej terapii zajęciowej w celu poprawy propriocepcji u pacjentów z legionami mózgowymi, takimi jak udar. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak stworzyć i przeprowadzić system robotycznej terapii lustrzanej w czasie rzeczywistym w celu funkcjonalnego odzyskania ramion połowiczych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia system robotycznej terapii lustrzanej w czasie rzeczywistym, mający na celu ułatwienie powrotu do sprawności funkcjonalnej kończyn górnych dotkniętych hemiplegią. Metoda ta zwiększa dopływ bodźców proprioceptywnych do kory sensorycznej, co jest kluczowe dla neuroplastyczności u pacjentów po udarach.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurorehabilitacja
- Terapia robotyczna
- Rehabilitacja po udarze
Wstęp
- Konwencjonalna neuroterapia często ogranicza ruchomość kończyny dotkniętej hemiplegią.
- Robotyczna terapia lustrzana ma na celu rozwiązanie tego problemu.
- Bodźce proprioceptywne są kluczowe dla neuroplastyczności mózgu.
- Opracowanie oprogramowania oraz montaż systemu były procesami złożonymi.
Cel badania
- Wykazanie wykonalności robotycznej terapii lustrzanej dla kończyn górnych w hemiplegii.
- Poprawa wyników terapii zajęciowej u pacjentów po udarach.
- Przedstawienie demonstracji wizualnej w celu lepszego zrozumienia metody.
Zastosowane metody
- Opracowanie systemu robota lustrzanego w czasie rzeczywistym.
- Badanie kliniczne przeprowadzone z udziałem zdrowych ochotników.
- Informacje zwrotne od lekarzy rehabilitacyjnych w celu określenia zadań.
- Montaż ram i silników dla systemu robotycznego.
Główne wyniki
- Robotyczna terapia lustrzana może skutecznie wspomagać rekonwalescencję kończyn górnych objętych hemiplegią.
- Zwiększone dopływy informacji proprioceptywnych przyczyniają się do neuroplastyczności.
- Demonstracje wizualne są niezbędne do zrozumienia konfiguracji układu.
- Informacje zwrotne od klinicystów pomogły udoskonalić zadania terapeutyczne.
Wnioski
- Robotyczny system terapii lustrzanej wykazuje potencjał w rehabilitacji po udarach.
- Konieczne są dalsze badania w celu optymalizacji tej metody.
- Szkolenie wizualne i praktyczne jest kluczowe dla efektywnego wdrożenia.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Robotyczna terapia lustrzana wypełnia krytyczną lukę w neurorehabilitacji, umożliwiając rzeczywisty ruch kończyny hemiplegicznej, co zwiększa dopływ informacji proprioceptywnych do kory sensorycznej. To rozwiązanie wspiera neuroplastyczność i powrót do sprawności funkcjonalnej u pacjentów po udarach, oferując ścieżkę translacyjną od modeli przedklinicznych do klinicznej terapii zajęciowej. Wykazanie wykonalności systemu u zdrowych ochotników oraz u pacjentów w chronicznej fazie udaru dowodzi potencjału w zakresie ograniczania ryzyka związanego z hipotezami terapeutycznymi w procesach rehabilitacji ruchowej.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie zaangażowania kory ruchowej poprzez sprzężenie zwrotne proprioceptywne w czasie rzeczywistym podczas ruchu kończyny górnej w hemiplegii.
- Wartość operacyjna: Zapewnia mierzalną platformę do oceny integracji sensorimotorycznej jako biomarkera neuroplastyczności.
- Wartość prognostyczna: Wspiera walidację celu poprzez powiązanie ruchu wspomaganego robotycznie z poprawą wyników w skalach Fugl-Meyer i Ashworth.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Standaryzuje podawanie terapii poprzez sprzężenie zwrotne w pętli zamkniętej z wykorzystaniem czujników AHRS i bezszczotkowych silników DC w celu zapewnienia powtarzalnej kontroli kąta w stawie.
- Wartość operacyjna: Umożliwia wysokowierną śledzenie ruchu w czasie rzeczywistym, co jest niezbędne do modelowania zależności dawka-odpowiedź w badaniach przesiewowych w rehabilitacji.
- Gotowość do analizy: Ułatwia przygotowanie zwalidowanych wskaźników wydajności motorycznej do późniejszej oceny związków lub urządzeń neuroterapeutycznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy mechanistyczne spostrzeżenia z fazy odkryć (neuroplastyczność napędzana propriocepcją) z walidacją przedkliniczną w modelach przewlekłego udaru.
- System istotny dla choroby: Odzwierciedla trening czynności życia codziennego (ADL) poprzez zadania wybrane przez klinicystów, takie jak wrzucanie piłeczki do otworów i przesuwanie kubków.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Wykazuje bezpieczeństwo i wykonalność u zdrowych ochotników przed zastosowaniem u pacjentów, co wspiera decyzje dotyczące kontynuacji lub przerwania badań (go/no-go).
Integracja potoku i przepływu pracy
Robotyczny system terapii lustrzanej wpisuje się w kontinuum odkryć w dziedzinie neurorehabilitacji, wspierając testowanie hipotez we wczesnej fazie badań, opracowywanie testów do przesiewowego badania funkcji motorycznych oraz walidację translacyjną w modelach przedklinicznych.
- Biologia odkrywcza: Testuje hipotezę, według której wzmocniony sygnał proprioceptywny napędza aktywację kory sensoromotorycznej i regenerację funkcji motorycznych.
- Przesiewowanie: Dostarcza zestandaryzowanych, mierzalnych parametrów wyjścia motorycznego (kąt w stawie, prędkość, wykonanie zadania) do oceny interwencji terapeutycznych.
- Analityka: Generuje podłużne punkty końcowe kliniczne (skale Fugl-Meyer, Ashworth, siła chwytu pęsetkowego) w celu porównania stanu przed i po terapii.
- Badania translacyjne: Łączy mechanizmy neurofizjologiczne z funkcjonalnymi wynikami ADL, wspierając dopasowanie biomarkerów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwach: Zaprojektowany jako modułowy dodatek do konwencjonalnej terapii lustrzanej, umożliwiający skalowalne wdrożenie w ośrodkach rehabilitacyjnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną poprzez wyizolowanie wkładu propriocepcji w neuroplastyczność za pomocą rzeczywistego ruchu kończyny.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki kalibracji czujników, limitom stawowym oraz kontroli prędkości wbudowanej w protokół terapeutyczny.
- Wartość strategiczna: Zwiększa pewność decyzji go/no-go poprzez wykazanie funkcjonalnych zysków u pacjentów po udarze przewlekłym w oknie dwutygodniowym.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację technologii neurerehabilitacyjnych z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o mierzalną regenerację motoryczną i redukcję spastyczności.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie integracji czujników (AHRS), sterowania silnikami oraz montażu robotyki dla stawów łokcia i nadgarstka.
- Zależne od instrumentarium, w tym czujników podłączonych przez USB, silników bezszczotkowych DC oraz oprogramowania do sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej inżynierów i klinicystów w zakresie wyboru zadań oraz protokołów bezpieczeństwa.
- Uwzględnia kwestie adaptacji do różnej antropometrii pacjentów i stopni spastyczności poprzez regulowane limity ruchów w stawach.
- Ograniczone przez złożoność techniczną opracowywania protokołów oprogramowania i montażu sprzętu, co odnotowano w trudnościach związanych z wdrożeniem użytkowników.
