Роботизированная система Зеркало терапии для восстановления функций Hemiplegic Arms
15 августа 2016 г.
Мы разработали систему зеркала робота в режиме реального времени для восстановления функций параличом половины оружия с использованием технологии автоматического управления, провели клиническое исследование по вопросу здоровых испытуемых и определили задачи через обратную связь от реабилитации врачей. Это простое зеркало робот может эффективно применяться для профессиональной терапии у пациентов, перенесших инсульт с гемиплегический руку.
Общая цель этой процедуры заключается во внедрении роботизированной зеркальной терапии в режиме реального времени для функционального восстановления гемиплегических рук. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в трансляционных исследованиях биомедицинской инженерии нейрореабилитации, показав, что функциональное восстановление гемиплегических рук с помощью передовой трудотерапии достижимо. Основное преимущество этой роботизированной зеркальной терапии заключается в том, что она может усилить проприоцептивный вход в сенсорную кору, что очень важно для нейропластичности мозга у пациентов с инсультом.
Люди, плохо знакомые с этим методом, могут испытывать трудности, так как разработка программного протокола, а также сборка рам и двигателей была сложной. Впервые идея этого метода пришла нам в голову, когда мы наблюдали за традиционной нейротерапией, которая была ограничена тем, что гемиплегическая рука фактически не двигалась. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, так как настройки, сборка и настройка датчика для роботизированной зеркальной терапии сложны для изучения.
Начните с получения трех датчиков ориентации и курса (AHRS) и подключите их к компьютеру по одному с помощью USB-разъема. Используйте коммуникационное программное обеспечение для настройки общих параметров датчика на компьютере. Установите каждый датчик в положение RS 232.
И выберите COM-порт. Затем установите скорость передачи данных на 115, 200 бит в секунду. Бит данных до восьми.
Паритет равен нулю. Остановите биты до одного. И контроль потока сведен к нулю.
Чтобы проверить COM-порт, нажмите кнопку «Домой» в левом нижнем углу. Щелкните правой кнопкой мыши компьютер, выберите свойства, диспетчер устройств и нажмите на вкладку порта, чтобы развернуть его. Как только связь будет установлена, гипертерминал будет отображать показания датчиков.
Затем настройте каналы и назначьте разные идентификаторы для каждого датчика. Повторите настройку, проверку COM-порта, а также назначение канала и идентификатора для каждого датчика. Наконец, задайте формат вывода в виде кватернионов.
И настройте датчики на отображение запаса заряда батареи. Начните сборку электродвигателя с локтевым шарниром с установки одного из соединительных корпусов со шпоночным пазом на вал двигателя. И закрепив его с помощью винта с шестигранной головкой M5.
Закрепите полую крышку цилиндра с локтевой муфтой на коленчатом двигателе с помощью четырех 10-миллиметровых винтов M5 с торцевой головкой. И поместите второй буферный соединительный корпус поверх первого соединительного корпуса. Затем вставьте шарикоподшипник в раму локтевой крыши и закрепите его четырьмя восьмимиллиметровыми винтами M4 с торцевой головкой.
Затем вставьте вал рассеивания силы коленчатого двигателя в нижнюю опору колена и закрепите его четырьмя шестимиллиметровыми винтами M3 с торцевой головкой. Затем поместите верхнюю локтевую опору поверх нижней локтевой опоры и закрепите ее с помощью восьми 12-миллиметровых винтов M3 с торцевой головкой. Поместите часть C сверху, часть B — посередине, а еще одно соединительное тело — внизу.
Соедините их вместе и закрепите соединительный корпус одним 10-миллиметровым винтом M5 с шестигранной головкой. Затем прикрепите деталь A к нижней части этой сборки с помощью четырех 15-миллиметровых винтов M5 с торцевой головкой. Затем закрепите полую крышку цилиндра с нижним запястьем с помощью двигателя запястья с помощью четырех 10-миллиметровых винтов M4 с торцевой головкой.
Затем поместите корпус муфты на вал двигателя. Закрепите его одним винтом M4 с натечной головкой, а затем наденьте сверху корпус буферной муфты. Прикрепите кольцо для уменьшения трения в верхней части каркаса крыши на запястье с помощью двустороннего скотча.
Затем вставьте вал дисперсии силы запястного двигателя в рукоятку и закрепите его с помощью четырех винтов с торцевой головкой M2.5. Соедините деталь F сверху, часть E посередине и соединительный корпус снизу. Зафиксируйте корпус муфты 10-миллиметровым винтом M4 с шестигранной головкой.
Добавьте полую крышку цилиндра с муфтой на верхнем запястье в нижнюю часть этой сборки с помощью четырех 10-миллиметровых винтов M3 с торцевой головкой. Затем закрепите деталь D в нижней части полой крышки цилиндра муфты на верхнем запястье с помощью четырех 15-миллиметровых винтов с торцевой головкой. Затем закрепите два ограничителя движения соединения, обернутые губками в целях безопасности, и два кольца вала с рычагами с помощью четырех 15-миллиметровых винтов M4 с торцевой головкой.
Затем вставьте муфты вала в части G внутрь валов и используйте две обычные муфты вала, чтобы скрепить валы и раму крыши с запястьем вместе, используя восемь восьмимиллиметровых винтов M3 с торцевой головкой. Закрепите дополнительные муфты вала с опорой для нижнего колена с помощью четырех 15-миллиметровых винтов M4 с торцевой головкой. Затем соедините две части и закрепите с помощью рычага.
Наконец, прикрепите к сборке опорную стену с помощью шести 15-миллиметровых винтов M4 с торцевой головкой и закрепите подставку для стола с помощью шести 15-миллиметровых винтов M6 с торцевой головкой. Начните с размещения датчиков AHRS на рукоятке, раме запястья и краю платформы на здоровой стороне участника, убедившись, что они расположены параллельно ориентации робота. Затем запустите программу терапии на компьютере.
Выберите гемиплегическую сторону, нажав кнопку переключателя со стороны пациента. Установите следующие пределы угла сустава:Сгибание локтя менее чем на 50 градусов, разгибание локтя более чем на минус 70 градусов, сгибание запястья на расстоянии менее 80 градусов и разгибание запястья на расстоянии более минус 60 градусов. Затем установите значение скорости в диапазоне от нуля до 22,5 об/мин для локтевого двигателя.
Используйте значение скорости от нуля до 33 об/мин для запястного двигателя, а также установите максимальные значения ускорения и замедления. Далее включаем все датчики AHRS. Затем запустите программу, нажав кнопку со стрелкой в левом верхнем углу программы.
Когда появится всплывающее сообщение «Сохранить как», введите имя файла для данных результатов и нажмите OK. Наконец, пока робот и здоровая рука находятся в исходном положении, когда обе руки находятся вдали от тела и параллельны друг другу, нажмите кнопку калибровки, чтобы свести показания датчика к нулю. Начните с того, что сообщите участнику, что он будет использовать свою здоровую руку для выполнения комплекса заданий по зеркальной терапии. Мяч в лунках, футбольный матч, трассировка точек и перемещение чашки.
Для задания «Шарик в лунках» поместите небольшой шар в выбранную лунку, аналогично игре в бильярд. Точно так же во время футбольного матча ведите мяч и забрасывайте маленький мяч в ворота, как в реальной игре в футбол. Затем для задачи по отслеживанию точек используйте пронумерованные наклейки, размещенные на столе, в качестве руководства, чтобы многократно перемещать ручку в числовом порядке.
А затем вернуть его в обратном направлении. Наконец, для задачи по перемещению чашки возьмите чашку с ручкой и переместите ее в выбранное место. Повторяйте до тех пор, пока не истечет пять минут.
Здесь показаны результаты работы пациента, который перенес кровоизлияние в правый базальный ганглий 19 месяцев назад и получал роботизированную зеркальную терапию в течение двух недель. Оценка гемиплегической руки по шкале Фугля-Мейера улучшилась с 12 до 17 после десяти сеансов. Кроме того, модифицированная шкала Ашворта для сгибателей локтя, измеряющая спастичность, была снижена со второй степени до одного плюса.
А левосторонняя сила зажима была увеличена с нуля до трех фунтов. После освоения роботизированная зеркальная терапия может быть завершена за 40 минут, если она выполнена правильно. При выполнении этой процедуры важно знать, что иллюзия сихроничности между обеими руками имеет важное значение для зеркальной терапии.
После ее разработки эта процедура проложит путь для исследований в области нейрореабилитации для изучения эффектов передовой трудотерапии для усиления проприоцепции у пациентов с легионами мозга, такими как инсульт. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как сделать и провести роботизированную систему зеркальной терапии в реальном времени для функционального восстановления гемиплегических рук.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании представлена роботизированная система зеркальной терапии в реальном времени, предназначенная для облегчения функционального восстановления при гемиплегии верхних конечностей. Этот метод усиливает проприоцептивный приток информации в сенсорную кору, что имеет решающее значение для нейропластичности у пациентов, перенесших инсульт.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейрореабилитация
- Роботизированная терапия
- Восстановление после инсульта
Теоретические сведения
- Традиционная нейротерапия часто ограничивает подвижность гемиплегической руки.
- Роботизированная зеркальная терапия направлена на устранение этого ограничения.
- Проприоцептивная стимуляция имеет жизненно важное значение для нейропластичности мозга.
- Разработка программного обеспечения и сборка системы были сложными процессами.
Цель исследования
- Продемонстрировать возможность применения роботизированной зеркальной терапии для рук при гемиплегии.
- Улучшить результаты эрготерапии для пациентов, перенесших инсульт.
- Предоставить визуальную демонстрацию для лучшего понимания метода.
Используемые методы
- Разработка системы зеркального робота в режиме реального времени.
- Клиническое исследование с участием здоровых добровольцев.
- Получение отзывов от врачей-реабилитологов для определения задач.
- Сборка рам и двигателей для роботизированной системы.
Основные результаты
- Роботизированная зеркальная терапия может эффективно способствовать восстановлению функций гемиплегических рук.
- Усиление проприоцептивного воздействия способствует нейропластичности.
- Визуальные демонстрации необходимы для понимания процесса настройки оборудования.
- Отзывы клиницистов помогли усовершенствовать терапевтические задания.
Выводы
- Роботизированная система зеркальной терапии является перспективным методом реабилитации после инсульта.
- Для оптимизации данного метода необходимы дальнейшие исследования.
- Визуальное и практическое обучение имеют решающее значение для эффективного внедрения системы.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Роботизированная зеркальная терапия восполняет критический пробел в нейрореабилитации, обеспечивая фактическое движение гемиплегической руки, тем самым усиливая проприоцептивную стимуляцию сенсорной коры. Это достижение способствует нейропластичности и функциональному восстановлению пациентов после инсульта, предлагая трансляционный путь от доклинических моделей к клинической эрготерапии. Оценка применимости данной системы на здоровых добровольцах и пациентах с хроническим инсультом демонстрирует потенциал для снижения рисков при проверке терапевтических гипотез в протоколах двигательной реабилитации.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать вовлеченность моторной коры посредством проприоцептивной обратной связи в режиме реального времени при движении гемиплегической руки.
- Практическая ценность: предоставляет количественную платформу для оценки сенсомоторной интеграции в качестве биомаркера нейропластичности.
- Прогностическая ценность: способствует валидации мишеней путем установления связи между движениями с помощью робота и улучшением показателей по шкалам Fugl-Meyer и Ashworth.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Стандартизация проведения терапии с помощью обратной связи в замкнутом контуре с использованием датчиков AHRS и бесколлекторных двигателей постоянного тока для воспроизводимого контроля угла сгибания суставов.
- Практическая ценность: Обеспечение высокоточного отслеживания движений в режиме реального времени, что необходимо для моделирования зависимости «доза-эффект» при скрининге в реабилитологии.
- Готовность анализа: Облегчение подготовки валидированных показателей двигательной активности для последующей оценки нейротерапевтических соединений или устройств.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная преемственность: связывает механизмы, выявленные на этапе фундаментальных исследований (нейропластичность под воздействием проприоцепции), с доклинической валидацией на моделях хронического инсульта.
- Система, релевантная заболеванию: имитирует тренировку навыков повседневной жизнедеятельности (ADL) с помощью задач, отобранных клиницистами, таких как перемещение мяча в отверстия и перемещение стаканов.
- Прогресс с учетом рисков: демонстрирует безопасность и осуществимость метода на здоровых добровольцах перед применением у пациентов, что служит основанием для принятия решения о целесообразности дальнейшего внедрения.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Система роботизированной зеркальной терапии вписывается в континуум исследований в области нейрореабилитации, обеспечивая проверку гипотез на этапе первичного поиска, разработку методов скрининга двигательных функций и трансляционную валидацию на доклинических моделях.
- Фундаментальная биология: Проверка гипотезы о том, что усиление проприоцептивного сигнала стимулирует активацию сенсомоторной коры и моторное восстановление.
- Скрининг: Обеспечение стандартизированных, количественно определяемых показателей моторного выхода (угол в суставе, скорость, выполнение задачи) для оценки терапевтических вмешательств.
- Аналитика: Формирование лонгитюдных клинических конечных точек (шкалы Fugl-Meyer, Ashworth, сила щипкового захвата) для сравнения состояний до и после терапии.
- Трансляционные исследования: Связь нейрофизиологических механизмов с функциональными результатами повседневной жизнедеятельности (ADL), что способствует согласованию биомаркеров.
- Корпоративное использование: Разработано как модульное дополнение к традиционной зеркальной терапии, что позволяет масштабировать внедрение в различных реабилитационных центрах.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Снижает механистическую неопределенность путем изоляции проприоцептивного вклада в нейропластичность через фактическое движение конечности.
- Операционная ценность: Обеспечивает воспроизводимость за счет калибровки датчиков, ограничения амплитуды движений в суставах и контроля скорости, встроенных в протокол терапии.
- Стратегическая ценность: Повышает уверенность при принятии решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go), демонстрируя функциональные улучшения у пациентов с хроническим инсультом в течение двухнедельного окна.
- Влияние на портфель: Позволяет проводить приоритезацию технологий нейрореабилитации с учетом рисков на основе измеримого моторного восстановления и снижения спастичности.
Рекомендации по внедрению
- Требуются экспертные знания в области интеграции датчиков (AHRS), управления двигателями и роботизированной сборки локтевого и лучезапястного суставов.
- Зависит от имеющегося оборудования, включая датчики с USB-подключением, бесколлекторные двигатели постоянного тока и программное обеспечение для обратной связи в реальном времени.
- Необходима межкомандная стандартизация между инженерами и клиницистами при выборе задач и протоколов безопасности.
- Предусматривает адаптацию под различную антропометрию пациентов и уровни спастичности за счет регулируемых ограничений подвижности суставов.
- Ограничено технической сложностью разработки программных протоколов и сборки оборудования, что отмечено в трудностях при подготовке пользователей к работе.
