Summary
Nous avons développé un système de robot de miroir en temps réel pour la récupération fonctionnelle des armes hémiplégiques en utilisant la technologie de contrôle automatique, mené une étude clinique sur des sujets sains et des tâches déterminées grâce à la rétroaction des médecins de réadaptation. Ce robot simple miroir peut être appliquée efficacement à l'ergothérapie chez les patients victimes d'AVC avec un bras hémiplégique.
Abstract
thérapie par le miroir a été réalisée en ergothérapie efficace dans un contexte clinique pour la récupération fonctionnelle d'un bras hémiplégique après un AVC. Elle est réalisée en provoquant une illusion grâce à l'utilisation d'un miroir comme si le bras hémiplégique se déplace en temps réel tout en déplaçant le bras sain. Elle peut faciliter le cerveau neuroplasticité par l'activation du cortex sensori. Cependant, la thérapie de miroir classique a une limitation critique en ce que le bras hémiplégique ne sont pas réellement en mouvement. Ainsi, nous avons développé un système de robot de miroir 2 axes en temps réel comme un module simple add-on pour la thérapie du miroir classique en utilisant un mécanisme de rétroaction fermée, ce qui permet le mouvement en temps réel du bras hémiplégique. Nous avons utilisé 3 Attitude et capteurs de cap du système de référence, 2 moteurs DC sans balais pour le coude et les articulations du poignet, et des cadres exosquelette. Dans une étude de faisabilité sur 6 sujets sains, la thérapie du miroir robotique était sûr et faisable. Nous avons choisi d'autres tâches utiles pour les activités de daily vivre la formation grâce à la rétroaction des médecins de réadaptation. Un patient d'AVC chronique a montré une amélioration dans l'échelle d'évaluation de Fugl-Meyer et le coude fléchisseur spasticité après une application de 2 semaines du système de robot de miroir. thérapie par le miroir robotisé peut améliorer la proprioception du cortex sensoriel, qui est considéré comme étant important dans la neuroplasticité et la récupération fonctionnelle des bras hémiplégiques. Le système de robot de miroir présenté ici peut être facilement développé et utilisé de façon efficace pour faire avancer l'ergothérapie.
Introduction
Pour les patients atteints d'accident vasculaire cérébral, le dysfonctionnement d'un bras hémiplégique a effet débilitant. La capacité d'effectuer des activités bimanuelles est essentielle à la vie quotidienne, mais déficit fonctionnel d'un bras hémiplégique reste souvent même quelques années après apparition de l'AVC. Parmi les différents programmes de formation à l'hôpital, un exercice pour augmenter l'amplitude de mouvement ou la répétition passive des tâches simples ont peu d'effet sur la récupération fonctionnelle d'un bras hémiplégique. Pour cette raison, la formation des tâches significatives liées aux activités de la vie quotidienne (AVQ) a été appliquée à l'ergothérapie dans les hôpitaux.
Les effets de la thérapie du miroir ont été prouvés par des études antérieures dans neuroréadaptation 1-4. thérapie par le miroir est réalisée en provoquant une illusion grâce à l'utilisation d'un miroir comme si le bras hémiplégique se déplace en temps réel tout en déplaçant le bras sain. Elle peut faciliter le cerveau synaptique par l' activation du cortex sensori - 1. Ainsi, motola puissance et la fonction du bras hémiplégique r peuvent être améliorées. Cependant, la thérapie de miroir classique a une limitation critique en ce que le bras hémiplégique ne sont pas réellement en mouvement.
Par conséquent, nous avons développé un système de robot de miroir 2 axes en temps réel comme un module simple add-on à la thérapie du miroir classique, en utilisant un mécanisme de rétroaction fermée. Cela peut donner l' entrée proprioceptive au cortex sensoriel, qui est considéré comme important dans la neuroplasticité et la récupération fonctionnelle d'un bras hémiplégique (figures 1 et 2) 5-7.
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Protocol
Toutes les procédures ont été examinées et approuvées par le conseil de l'Hôpital de l'Université nationale de Séoul Institutional Review.
1. Tâches Therapy Mirror
- Des exemples de tâches 2 dimensions thérapie par le miroir (Figure 3)
- déplacer librement le bras sain tout en regardant dans le miroir environ 5 min pour l'exercice d'échauffement.
NOTE: On peut utiliser un métronome pour que le patient peut exercer le mouvement du bras sain d'une manière rythmique. - Sur le côté sain, dribbler et placer une petite balle dans le trou choisi semblable à billard pendant environ 5 min ( "Ball dans des trous" tâche). Dribble et placer une petite balle dans un but similaire au football pendant environ 5 min ( "jeu de football" tâche).
- Utilisation des autocollants numérotés placés sur une table, placez la poignée sur le côté sain dans l'ordre numérique et revenir dans le sens inverse ( "Dots traçage" tâche). Répétez pendant environ 5 min.
- L'utilisation d'un objet dans la vie quotidienne tels que acup, en utilisant la poignée sur le côté sain, le pousser à un endroit choisi ( «Déplacement d'une tasse de" tâche). Répétez pendant environ 5 min.
- déplacer librement le bras sain tout en regardant dans le miroir environ 5 min pour l'exercice d'échauffement.
2. Les composants du système Robot Mirror
- paramètres du capteur AHRS
- Obtenir 3 disponibles dans le commerce des capteurs AHRS.
REMARQUE: Les capteurs AHRS sont constitués d'un capteur magnétorésistif, un accéléromètre et capteur gyroscopique (9-axe total). - Connecter le capteur AHRS à un PC équipé d'un connecteur USB.
- Utilisez un logiciel de communication hyperterminal ou autre pour configurer les paramètres généraux du capteur.
- Pour chaque AHRS capteur, fixé à la communication RS232 et sélectionnez le port COM. Ensuite, définissez la vitesse de transmission à 115.200 bits par seconde, les bits de données à 8, parité à zéro, les bits d'arrêt à 1, et le contrôle de flux à aucun.
- Pour vérifier le port COM, cliquez sur le bouton d'accueil sur le coin inférieur gauche. Faites un clic droit sur l'ordinateur. Ensuite, cliquez sur Propriétés. Cliquez sur Gestionnaire de périphériques. Développez onglet Port (COM et LPT) en cliquant dessus.
- Une fois que le communication a été établie, régler le canal à 100 et affecter des ID pour chaque capteur.
NOTE: Certains capteurs peuvent avoir besoin de calibration de l'accéléromètre, gyroscope, magnétomètre et avant utilisation. - Définir le format de sortie que quaternions et ensemble des capteurs pour afficher la réserve de la batterie.
NOTE: Quaternions sont utilisés pour accélérer l'informatique ainsi que pour éliminer les singularités de verrouillage cardans.
- Obtenir 3 disponibles dans le commerce des capteurs AHRS.
- paramètres de moteur Brushless DC
- Préparer 2 haute performance des moteurs et des contrôleurs brushless DC.
- Pour chaque contrôleur, connectez le câble d'alimentation à une alimentation électrique. Aussi, connectez le câble du moteur, câble de capteur à effet Hall, et le câble du codeur au moteur.
- Branchez le câble CAN-CAN à un autre contrôleur.
NOTE: CANopen est utilisé pour la communication entre les appareils. - Set ID de nœud pour chaque contrôleur de distinguer entre les appareils.
- Branchez le câble USB au PC pour la configuration générale.
- Allumez l'alimentation électrique pour alimenter le controllers et moteurs.
- Utilisez le logiciel du moteur fourni par le fabricant configuration du système pour configurer et régler le moteur, capteur à effet Hall et codeur.
NOTE: Angle des limites et de la position de la maison doivent être configurés pour un fonctionnement sûr.
- Assemblée des châssis et des moteurs
NOTE: Chaque partie sur mesure est nommé en guillemets. S'il vous plaît se référer à la table des matières et l' équipement et de la figure 4 à la figure 13.- Pour le moteur articulation du coude, mettez un des corps de couplage avec clavetage sur l'arbre du moteur et le fixer avec une M5 douille hexagonale vis (Figure 4).
- Fixer "Elbow couvercle couplage cylindre creux" au moteur de coude à l'aide 4x vis M5 à tête creuse (10 mm) et placez la partie de la mémoire tampon des couplages (partie médiane du curseur) sur la partie supérieure du corps de couplage qui a été attaché à l'étape 2.3.1 (figure 4).
- Branchez le roulement à billes dans "cadre sur le toit Elbow"et le fixer avec 4x vis M4 à tête creuse (8 mm) (figure 5).
- Branchez "Elbow force motrice arbre de dispersion» en «soutien du coude inférieur" et le fixer avec 4x M3 vis à tête creuse (6 mm). Ensuite, placez «soutien du coude supérieur" au - dessus du "support inférieur du coude" et le fixer avec 8x vis M3 à tête creuse (12 mm) (figure 6).
- Placer l'ensemble dans l'étape 2.3.4 sur le dessus, l'assemblage à l'étape 2.3.3 dans le milieu, et la dernière partie du corps de couplage au fond. Joignez - vous tous ensemble et fixer le corps de couplage avec M5 à six pans creux vis de réglage (10 mm) (figure 7).
- Fixer l' ensemble à l' étape 2.3.5 et l' assemblage à l' étape 2.3.2 en utilisant 4x vis M5 à tête creuse (15 mm) (figure 7). Faites pivoter l'assemblage à l'étape 2.3.2 pour sécuriser toutes les 4 points.
- Fixer "couplage du poignet couvercle du cylindre creux inférieur" avec le moteur du poignet à l'aide 4x vis M4 à tête creuse (10 mm). Ensuite, placez l'un desles organes de couplage avec rainure de clavette sur l'arbre du moteur et le fixer avec M4 à six pans creux vis de réglage; puis, placer la partie de la mémoire tampon des raccords sur le dessus du corps de couplage (figure 8).
- Fixer "bague de réduction de la friction" au - dessus du "cadre sur le toit du poignet" avec du ruban adhésif double face ou de tout type d'adhésif (figure 9).
- Branchez "Poignets force motrice arbre de dispersion" en "Handle" et le fixer avec 4x M2.5 socket vis à tête (4 mm) (figure 10).
- Placez l'assemblage à l'étape 2.3.9 sur le dessus, l'assemblage à l'étape 2.3.8 dans le milieu, et la dernière partie du corps de couplage au fond. Joignez - vous tous ensemble et fixer le corps de couplage avec M4 à six pans creux vis de réglage (10 mm) (figure 10).
- Secure »motor2roof2 du poignet" avec l'ensemble à l' étape 2.3.10 utilisant 4x M3 vis à tête creuse (figure 11).
- Fixer l'ensemble à l'étape 2.3.11 et de l'assemblage à l'étape nous 2.3.7ing 4x M3 vis à tête creuse (15 mm) (figure 11).
- Fixer 2 "limiteur de mouvement mixte» et 2 colliers d'arbre à l' aide de 4x M4 vis à tête creuse de tête (15 mm) (Figure 12A).
- Utilisez des colliers d'arbre pour fixer les arbres et les "cadre sur le toit du poignet" en utilisant 8x M3 vis à tête creuse de tête (8 mm) (Figure 12B).
- Faites glisser les colliers d'arbre dans l'assemblage 2.3.13 dans les arbres dans l'assemblage 2.3.14 et fixer des colliers d'arbre supplémentaires avec "Support inférieur du coude" en utilisant 4x M4 socket vis à tête (15 mm). Ensuite, rejoindre les deux parties et le fixer avec le levier (Figure 13A).
- Fixer "mur de soutien» à l'assemblée à l' étape 2.3.15 utilisant 6x M4 vis à tête creuse de tête (15 mm) (Figure 13B). Fixer le support de table et de l' assemblage à l' étape 2.3.16 utilisant 6x M6 socket vis à tête (15 mm) (Figure 13C).
3. Conception de Mirror Robsystème ot
- Modèle mathématique pour le contrôle automatique
- Modèle Set dynamique pour le contrôle automatique du mouvement du membre supérieur (Figure 14).
NOTE: Un modèle dynamique de mouvement supérieure humaine des membres peut être exprimé en utilisant la cinématique des articulations et des liens. Par conséquent, en utilisant une équation pour le manipulateur de robot, la modélisation peut être obtenue comme indiqué ci-dessous:
REMARQUE: (
: Vecteur de position commune, 
: Vecteur commun de vitesse, 
: Vecteur d'accélération mixte, H: matrice d'inertie, F: Coriolis et la matrice de la force centrifuge, G: vecteur des forces de gravitation, E: matrice de couple due à une interaction avec l'environnement, 
: Vecteur de forc généralisée es appliqués aux articulations) Le hémiplégique et sains bras montrent différents aspects du mouvement. Autrement dit, le bras hémiplégique ne peut pas se déplacer dans le temps en raison de muscles paralysés ou ne peut pas fournir suffisamment de couple nécessaire pour le mouvement. Par conséquent, le système est conçu de telle sorte que la formation de réadaptation peut se faire via le mouvement normal à travers le bras hémiplégique; Autrement dit, le robot de rééducation est attaché au bras hémiplégique du patient afin de délivrer des mouvements du bras sain et peut simplement être formulé comme suit:
Mouvement du robot de rééducation) = (mouvement du bras sain) - (hémiplégique bras mouvement). - Avec un robot de rééducation, attachez bras paralysé du patient pour le manipulateur, et d'observer un couple supplémentaire et le retard de temps en raison du bras paralysé provoquant des erreurs dans le système global. Détecter ceci par l'intermédiaire d'un manipulateur sur le côté hémiplégique.
- Mesurer les erreurs (s (t): erreur de suivi) comme une équation mathématique:
es / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
NOTE: (s: Tracking error,
: Positive conception définitive matrice de paramètres, 
: Erreur entre la position souhaitée et réelle, 
: Erreur entre désiré et vitesse réelle) L'erreur de suivi ci-dessus peut être combiné avec un modèle dynamique de mouvement supérieure humaine des membres et peut être exprimée comme suit: 
NOTE: (K D: valeur de gain dérivée avec compensation de rétroaction qui change au fil du temps,
: Matrice d'erreur Inertie, 
: Coriolis et de la matrice d'erreur de force centrifuge) - Pour contrôler chaque articulation du robot de rééducation, utilisez LAGRdynamique angian 8. Une équation dynamique du mouvement pour chaque articulation est:
REMARQUE: (D: matrice de coefficients,
: Matrice d'inertie de l' actionneur) Coefficient D dans l'équation ci - dessus affecte le couple entre les joints avec inertielle effet de couplage entre les joints 8. Le modèle de contrôle automatique à l' aide de ce modèle mathématique peut être illustré par le schéma synoptique de la figure 14.
- Modèle Set dynamique pour le contrôle automatique du mouvement du membre supérieur (Figure 14).
- Protocole logiciel (Figure 15)
- Lorsque le programme démarre, établir la communication avec les moteurs et les capteurs, et initialiser les valeurs. Une fois les moteurs et les capteurs sont à la position initiale (voir 4.1.3), passer à la boucle principale.
NOTE: Pour une fréquence d'échantillonnage de la boucle principale, nous recommandons 50 - 200 échantillons / sec. Pour le délai maximum, nous recommandons 2 sec au plus. En outre, pour des limites de couple, nousrecommander pour réguler la valeur du courant de moteur avec un logiciel de sorte que le moteur puisse exercer coude 25 - 40 Nm et le moteur du poignet peut exercer 10 - 20 Nm. - Comme il n'a pas été interrompue par un bouton d'arrêt, lecture continue de la Attitude et les valeurs de la position actuelle de la rubrique système de référence (AHRS) capteurs pour transmettre les valeurs aux moteurs.
NOTE: La sortie de données est en quaternions, et doit être correctement transformé en l'angle désiré pour le mouvement du robot. Choisissez l'un des capteurs de coordonnées cadres comme une référence, et réinitialiser l'autre capteur de coordonnées cadres. Avec des cadres calculés comme une référence, utiliser la cinématique inverse pour obtenir les derniers angles de sortie de lacet. - Comme il n'a pas été interrompue par un bouton d'arrêt, vérifier en permanence les positions des moteurs et mettre à jour les valeurs pour accomplir le mouvement à la position désirée fournie par les capteurs AHRS.
NOTE: La position du moteur est assurée par le codeur de moteur qui peut être vérifié à l'intérieur du logiciel avec la société automobile & #39; s fourni commande de la bibliothèque de logiciels. - Pendant ce temps, enregistrer tous les angles et vitesses angulaires des capteurs AHRS.
- Une fois que les tâches sont terminées et que l'utilisateur appuie sur le bouton d'arrêt, sortir de la boucle et de finaliser le robot en le déplaçant à la position initiale.
- Lorsque le programme démarre, établir la communication avec les moteurs et les capteurs, et initialiser les valeurs. Une fois les moteurs et les capteurs sont à la position initiale (voir 4.1.3), passer à la boucle principale.
- Interface utilisateur graphique (GUI) (figure 16)
- Ajouter "erreur" et "erreur sur" les fonctions de détection et des erreurs de débogage lors de l'exécution.
- Ajouter le bouton côté patient de choisir le côté de fonctionnement du robot (côté parétique du patient).
- Construire une boîte d'information des patients pour identifier les patients.
- Ajouter des indicateurs de l'état du moteur.
- Ajouter des contrôles de limitation de l'angle de la sécurité.
- Configurer la vitesse maximale, l'accélération et la décélération pour chaque moteur pour éviter lésions musculaires et tendineuses en raison d'un membre supérieur raide.
NOTE: Le système reflète l'accélération et la décélération du bras hémiplégique. - UNEindicateurs dd pour récupérer la position et la vitesse du moteur, et l'entrée des informations actuelles.
- Construire un nom de ressource VISA contrôle pour établir la communication entre les capteurs et le système AHRS.
- Ajout d'une fonction d'étalonnage pour éliminer les erreurs de dérive du capteur accumulés.
- Arrangez l'indicateur pour les capteurs afin de récupérer des informations du capteur.
REMARQUE: Les informations de capteur comprend les angles d'articulation (angle entre deux capteurs consécutifs) et de la réserve de la batterie.
- Surmonter la spasticité du bras pendant le fonctionnement du robot de miroir
- Sélectionnez les moteurs qui peuvent exercer un couple suffisant pour surmonter la spasticité pour chaque articulation.
REMARQUE: le moteur doit avoir du poignet sortie de couple supérieur à 10 Nm et le moteur du coude supérieur à 25 Nm. - Afin de transférer fermement le mouvement du robot au bras du patient, utiliser des sangles qui sont faits d'un matériau semi-élastique pour fixer l'avant-bras dans le exosquelette robot.
NOTE: Semi-élastique sangles, comme la stretchh sangles de tissus ou de polyester / nylon sangles tressées élastique, sont recommandés. Si les sangles sont trop élastique, il ne sera pas tenir le bras en position. Si les sangles ne sont pas élastiques du tout, muscle ou de tendon blessures peuvent se produire dans le cas d'un haut degré de coude spasticité. - Afin d'isoler le coude et le poignet mouvement, utiliser 2 cadres solides combinés avec un collier d'arbre pour fixer le poignet en le serrant dans les cadres.
NOTE: Colliers d'arbre sont utilisés pour prévenir lésions musculaires et tendineuses si la rigidité du poignet est excessive. - Utilisez des sangles autour de la poignée pour fixer la main au robot.
- Sélectionnez les moteurs qui peuvent exercer un couple suffisant pour surmonter la spasticité pour chaque articulation.
: Vecteur de position commune, 
: Vecteur commun de vitesse, 
: Vecteur d'accélération mixte, H: matrice d'inertie, F: Coriolis et la matrice de la force centrifuge, G: vecteur des forces de gravitation, E: matrice de couple due à une interaction avec l'environnement, 
: Vecteur de forc généralisée es appliqués aux articulations) Le hémiplégique et sains bras montrent différents aspects du mouvement. Autrement dit, le bras hémiplégique ne peut pas se déplacer dans le temps en raison de muscles paralysés ou ne peut pas fournir suffisamment de couple nécessaire pour le mouvement. Par conséquent, le système est conçu de telle sorte que la formation de réadaptation peut se faire via le mouvement normal à travers le bras hémiplégique; Autrement dit, le robot de rééducation est attaché au bras hémiplégique du patient afin de délivrer des mouvements du bras sain et peut simplement être formulé comme suit: 
: Positive conception définitive matrice de paramètres, 
: Erreur entre la position souhaitée et réelle, 
: Erreur entre désiré et vitesse réelle) L'erreur de suivi ci-dessus peut être combiné avec un modèle dynamique de mouvement supérieure humaine des membres et peut être exprimée comme suit: 
: Matrice d'erreur Inertie, 
: Coriolis et de la matrice d'erreur de force centrifuge) 
: Matrice d'inertie de l' actionneur) Coefficient D dans l'équation ci - dessus affecte le couple entre les joints avec inertielle effet de couplage entre les joints 8. Le modèle de contrôle automatique à l' aide de ce modèle mathématique peut être illustré par le schéma synoptique de la figure 14. 4. Application clinique du Mirror System Robot
- Réalisation d'un traitement miroir robotique
- Ajuster la hauteur et la largeur de la table de tâches, conformément à l'état du patient.
- Mettre en place un miroir dans la ligne médiane entre les deux bras, et le mettre sur une table ou plate-forme.
- Placez les capteurs AHRS sur la poignée, le poignetcadre, et le bord de la plate-forme d'alignement latéral sain en parallèle avec l'orientation du robot.
REMARQUE: axe de lacet interne du capteur doit être orienté vers le haut. - Exécuter le logiciel de traitement dans un ordinateur.
- Choisir le côté hémiplégique en cliquant sur le bouton de l'interrupteur côté patient.
- Définissez les limites d'angle commun maximales en conformité avec la condition commune du patient. Pour un fonctionnement sûr, utiliser le coude limite de flexion inférieure à 50º, le coude limite d'extension plus de -70º, du poignet limite de flexion inférieure à 80º, et la limite de l'extension du poignet plus de -60.
NOTE: Plus et des signes moins sont automatiquement corrigées et les limites sont également corrigées si en dehors des limites au niveau du logiciel. - Définir un maximum de vitesse, d'accélération et de décélération. Pour ces valeurs, utilisez la valeur de vitesse entre 0 et 22,5 rpm pour le moteur du coude et l'utilisation valeur de vitesse entre 0 et 33 tours pour le moteur du poignet.
NOTE: Pour le traitement de miroir classique, réglez toutes les valeurs à zéropour immobiliser le robot. - Remplissez l'information du patient.
- Allumez tous les capteurs AHRS avant d'exécuter le programme.
- Exécutez le programme en cliquant sur le bouton fléché dans le coin supérieur gauche du programme.
- Une fois le "save as" pops up invite, écrire les noms de fichiers appropriés pour des données de résultat sur la boîte de chaîne, puis appuyez sur ok.
- Alors que le robot et le bras en bonne santé sont en position initiale (les deux mains loin du corps et parallèle les uns aux autres), appuyez sur le bouton d'étalonnage pour initialiser les valeurs des capteurs à zéro pour la position initiale.
REMARQUE: Voir les étapes 1.1.1 - 1.1.4 pour les mains utilisés dans cette tâche. - Appuyez sur le bouton STOP lorsque toutes les tâches sont terminées.
NOTE: Pour la thérapie par le miroir robotique, un ingénieur biomédical devrait agir en tant que coordinateur principal, et l'ergothérapeute devrait aider le patient.
- une étude clinique sur des sujets sains
- Procéder à une étude clinique sur des sujets sains pour confirmerla sécurité et la faisabilité 8. Donner l'instruction ( "Ne déplacez pas votre bras hémiplégique sur votre propre.") Pour les sujets pour un mouvement complètement passif du bras hémiplégique.
- Placez les deux avant-bras sur les cadres, et les mains sur les poignées. Ensuite, fixer les avant-bras avec des sangles.
- L'évaluation des effets thérapeutiques
- Avant la thérapie, procéder à des évaluations fonctionnelles telles que Fugl-Meyer échelle d'évaluation 9, l' échelle Ashworth modifiée 10, indice de Barthel modifié 11, Jebsen test de fonction de la main, la mesure de la puissance de la main, test de négligence spatiale unilatérale, et le moteur évoqué test de potentiel pour les patients.
- Mener des essais cliniques pour les patients d'AVC avec le robot de miroir 2 dimensions pour 30 - 60 min par jour. Donner l'instruction ( "Ne déplacez pas votre bras hémiplégique sur votre propre.") Pour les patients.
- Après les patients d'accomplir la dernière session, effectuer un suivi des évaluations fonctionnelles.
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Representative Results
Six sujets sains ont mené une «marquage stylo tâche» (toucher les deux petites planches en alternance avec un stylo fixé sur la main saine comme le montre la figure 17) 10 fois qui a eu , en moyenne , 106 s par sujet. Aucun événement indésirable n'a été observé, et la thérapie du miroir robotique a été prouvé pour être réalisable.
En outre, une étude clinique sur les médecins de réadaptation a été menée. Nous avons demandé des avis d'experts pour déterminer les tâches appropriées pour miroir robotique ergothérapie efficace. Avec les commentaires de 6 médecins de rééducation, le degré d'illusion provoquée par le robot de miroir était la plus élevée pour "balle dans les trous" et "déplacer une tasse" tâches (7,2 sur 10 sur une échelle de notation numérique [NRS] pour chacun), suivis par "match de football" (7.0 / 10) et des "points de traçage" tâches (6.5 / 10). En ce qui concerne la synchronicité de mouvement entre les deux bras au coursthérapie par le miroir robotique, "déplacer une tasse" tâche avait un score NRS de 7,0 / 10, suivi de "match de football" et "points de traçage" (6.8 / 10 chacun), et "balle dans les trous" (6.2 / 10) (Figure 3). Parmi ces 4 tâches, les médecins de réadaptation recommandé "match de football" comme une tâche utile pour la formation ADL chez les patients ayant subi un AVC.
Nous avons effectué un essai clinique pour les patients d'AVC avec le robot de miroir pendant 30 minutes par jour pendant 2 semaines (10 séances). Les sujets doivent répondre aux critères d'inclusion suivants: vieux 1) plus de 18 ans; 2) AVC supratentorielle diagnostiqués entre 4 mois et il y a 6 ans; et 3) des membres supérieurs hémiplégie avec Medical Research Council (MRC) de grade 2 ou moins. critères d'exclusion principales sont les suivantes: 1) modifié l'échelle Ashworth de grade 3 ou plus (spasticité sévère); 2) Examen mini-état mental score de moins de 12; et 3) aphasie globale ou sensorielle.
e visite, il a dirigé le suivi des évaluations fonctionnelles. L'échelle d'évaluation Fugl-Meyer du bras hémiplégique améliorée 12-17 sur 66, et modifié l'échelle Ashworth de fléchisseurs du coude (spasticité) a été réduit de grade 2 à 1+. Puissance de pincement latéral gauche a augmenté de 0 à 3 lb D' autres paramètres ont révélé aucune différence avant et après le traitement de miroir robotique (figure 18 et tableau 1).
Figure 1. Flux conceptuel pour la robotique MiThérapie rror pour faciliter l' entrée proprioceptive. L'expérience est conçue en conformité avec le flux conceptuel pour la thérapie du miroir robotique.
Figure 2. Schéma du système Robot Mirror. Les mouvements du bras sain sont projetés à l'exosquelette fixé au bras hémiplégique par un algorithme logiciel via l' entrée de 3 AHRS capteurs. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
. Figure 3. Diverses tâches utilisant le système Robot Mirror Les utilisateurs peuvent être formés par des tâches 2 dimensions; balle dans les trous, jeu de football, des points de traçage, et le déplacementune tasse. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. Elbow Motor Assemblée. Assemblée étapes pour le coude moteur commun, raccords, et le couplage du coude couvercle du cylindre creux.
Figure 5. Gardant & Assemblée sur le toit Frame Elbow. Assemblée entre le palier et l'ensemble de châssis sur le toit du coude.
Figure 6. Assemblée Coudière. Les étapes de montage pour l' arbre de dispersion de la force motrice du coude, e supérieure soutien lbow, et le soutien du coude inférieur.
Figure 7. Elbow Support & Elbow Motor Assemblée. Assemblée des mesures pour le soutien du coude et le moteur du coude.
Figure 8. Wrist Motor Assemblée. Assemblée étapes pour poignet moteur commun, raccords, et le couplage du poignet couvercle inférieur de cylindre creux.
Figure 9. Friction Réduction Anneau Attachment. Fixation de la bague de réduction de frottement sur le cadre du poignet sur le toit.
ad / 54521 / 54521fig10.jpg "/>
Figure 10. Poignée Assemblée. Assemblée étapes pour la poignée 3D imprimée, le couplage et le moteur du poignet arbre de dispersion de la force.
Figure 11. Poignée et poignet Motor Assemblée. Assemblée étapes pour le moteur du poignet et de la poignée.
Figure 12. Joint étapes Mouvement Limiteur Assemblée. Assemblée pour le (A) limiteur de mouvement des articulations, (B) arbre de réglage de la longueur, et la poignée assemblée.
Figure 13. Assemblage final.Étapes de montage pour le (A) monté une partie du moteur du coude avec la partie assemblé du moteur au poignet à l' aide de l' arbre colliers et de l' arbre, (B) assemblés robot avec les parois de support, et (C) assemblés robot avec la table des tâches. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une une plus grande version de ce chiffre.
Figure 14. Bloc Schéma du modèle mathématique de contrôle automatique. Le robot utilise exosquelette mécanisme de rétroaction fermée pour la commande en temps réel.
Figure 15. Programme global du logiciel. Le logiciel utilise un proched mécanisme de rétroaction pour conduire le système de robot. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 16. GUI du programme. L' utilisateur peut contrôler et configurer le programme pour la thérapie via GUI. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 17. A Pen Tâche Marquage en 6 sujets sains en utilisant Prototype du système Robot Mirror. La réalisation d' une tâche 10 fois de suite ont , en moyenne , 106 s par sujet marquage stylo.
Figure 18. Evaluation fonctionnelle d'un 60-year-old patient Homme avec chronique Droit Ganglions Hémorragie. Les sous - ensembles de données qui ont montré une amélioration après 10 séances de thérapie par le miroir robotique. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| Avant | Après 10 séances | |
| Examen de l' état Mini-mental | 29 | - |
| Échelle d'évaluation Fugl-Meyer (Membre supérieur) | 12 | 17 |
| Épaule/coude | 11 | 15 |
| Poignet | 0 | 1 |
| Main | 1 | 1 |
| Échelle Ashworth modifiée | ||
| Elbow fléchisseur | 2 | 1+ |
| poignet fléchisseur | 0 | 0 |
| Index Barthel modifié (Membre supérieur) | 25 | 25 |
| Test de la fonction main Jebsen | invérifiables | invérifiables |
| Puissance de la main gauche (lb) | ||
| Poignée | 8 | 8 |
| Lpincée ateral | 0 | 3 |
| Palmar pincée | 0 | 0 |
| Test héminégligence | ||
| Test de bissection de ligne | 6/6 chaque | 6/6 chaque |
| Test Albert | 12/12 chaque | 12/12 chaque |
| Moteur potentiel évoqué | Pas de réponse | Pas de réponse |
Tableau 1. Evaluation fonctionnelle d'un 60-year-old patient Homme avec chronique droit Ganglions Hémorragie.
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Discussion
Le but principal de cette étude était de développer un système de robot de miroir en temps réel pour la récupération fonctionnelle d'un bras hémiplégique en utilisant un algorithme de contrôle automatique. L'effet de la thérapie assistée par robot sur la récupération à long terme du membre supérieur après un AVC dépréciation a été prouvé bénéfique dans les études précédentes 12, et divers types de robots à bras ont été introduits 13-20. Toutefois, des études antérieures sur les robots des extrémités supérieures qui réalisent le mouvement du bras bilatéral appliqué liaisons mécaniques sans l' aide d' un miroir, qui est différent du concept de thérapie par le miroir 14 à 15. Ainsi, notre étude peut être une extension de leur travail en utilisant un miroir réel pour faciliter l'entrée proprioceptive.
Pour mettre à niveau le système précédent, nous avons permis le bras hémiplégique de se déplacer en temps réel en appliquant des capteurs AHRS sur le bras sain et fixer des moteurs à coude hémiplégique et du poignet. entrée proprioceptive du bras hémiplégique à lacortex sensoriel du cerveau peut être améliorée grâce au système de robot de miroir. Facilitation de la proprioception doit être confirmée par l'IRM fonctionnelle cérébrale dans une étude future.
Il est essentiel pour le système d'avoir délai minimum de synchronisation puisque l'effet miroir sera maximisée lorsque le délai est réduit au minimum. Pour ce faire, nous avons récupéré les données des capteurs avec le nombre minimum d'octets nécessaires en les lisant en parallèle dans une boucle à l'intérieur de l'architecture logicielle. Par conséquent, le retard de synchronisation entre le bras du robot en bonne santé et est seulement d'environ 0,04 à 0,40 seconde.
Il existe plusieurs limites à cette étude. Tout d'abord, nous ne pouvions pas comprendre les mouvements des doigts fins tels que l'adhérence ou pincement, et des tâches en 3 dimensions de la thérapie du miroir classique. Deuxièmement, nous ne réglons pas l'articulation du coude du bras sain pour préserver le mouvement physiologique autant que possible. Cependant, la restriction de l'amplitude du mouvement de coude serait utile pour améliorer synchronicité avec le coude opposé qui est déplacé par le moteur. Modification du système en installant une structure supplémentaire qui fixe le coude sain latéral va améliorer la synchronicité et, par conséquent, va augmenter l'effet de la thérapie. Troisièmement, les patients qui avaient spasticité sévère ou une raideur ne pouvaient pas être inclus en raison de la puissance du moteur insuffisante, bien que l'articulation se déplaçait lentement. Le système peut être modifié par le remplacement du moteur avec la sortie de couple élevée pour surmonter la rigidité modérée. Cependant, même avec un fort moteur, un traitement à des patients ayant des niveaux sévères de la spasticité ou la rigidité doit être évitée afin de prévenir ou de tendon d'os lésions dues à une application excessive de la force sur les articulations.
Nous croyons, cependant, que le système de robot de miroir présenté ici peut être facilement développé et utilisé de façon efficace pour faire avancer l'ergothérapie.
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Disclosures
Les auteurs n'ont rien à dévoiler.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le programme Fusion cerveau de Séoul National University (800-20120444) et le Programme d'initiatives de recherche interdisciplinaire du College of Engineering et du Collège de médecine, Université nationale de Séoul (800-20150090).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LabVIEW | National Instruments | System design software | |
| 24 V power supply | XP Power | MHP1000PS24 24V | Any 24 V power supply should do |
| AHRS sensor receiver | E2box | EBRF24GRCV | |
| AHRS sensors | E2box | EBIMU-9DOFV2 | You will need total 3 sensors. Any AHRS sensors will do |
| EC90 flat motor module | Maxon | 323772 + 223094 + 453231 | Any geared motor with higher than 30 Nm should do. (For our custom machined parts, you will need these particular flat motor and gear module, but the gear ratio and encoder may vary) |
| EC45 flat motor module | Maxon | 397172 | Any geared motor with higher than 10 Nm should do (For our custom machined parts, you should use the same gear module but the gear ratio, motor, and encoder may vary) |
| EPOS2 70/10 controller | Maxon | 375711 | This can be replaced with EPOS 24/5 controller |
| EPOS2 24/5 controller | Maxon | 367676 | |
| Connector and cable set | Maxon | 381405 + 384915 + 275934 + 354045 | You can also make these cables. Connectors and corresponding wire info can be found in "300583-Hardware-Reference-En.pdf" and "300583-Cable-Starting-Set-En.pdf" |
| Coupling- Oldham, Set Screw Type | Misumi | MCORK30-10-12 | Type may vary |
| Coupling- High Rigidity, Oldham, Set Screw Type |
Misumi | MCOGRK34-12-12 | Type may vary |
| Shaft Collars | Misumi | SCWDM10-B | You will need 4 sets |
| Shaft Collars | Misumi | SDBJ10-8 | You will need 2 sets |
| Precision Linear Shaft | Misumi | PSSFG10-200 | Any straight 10 mm diameter shaft with at least 200 mm length should do |
| Bearings with housings | Misumi | BGRAB6801ZZ | |
| Elbow motor force dispersion shaft | custom machined | 3D CAD | |
| Lower elbow support | custom machined | Part Drawings | |
| Elbow rooftop frame | custom machined | Part Drawings | |
| Support wall | custom machined | Part Drawings | You will need 2 frames. |
| Elbow coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Wrist motor force dispersion shaft | custom machined | Part Drawings | |
| Wrist rooftop frame | custom machined | Part Drawings | |
| Upper wrist coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Lower wrist coupling hollow cylinder cover | custom machined | Part Drawings | |
| Joint movement limiter | custom machined | Part Drawings | |
| Handle | 3D printed | Part Drawings | |
| Upper elbow support | 3D printed | Part Drawings | |
| Friction reduction ring | 3D printed | Part Drawings | |
| Acrylic mirror | custom laser cutting | Part Drawings | |
| Task table | custom machined | Part Drawings | |
| Silicone sponge | |||
| DOF limiter | 3D printed | Part Drawings | |
| DOF limiter lid | 3D printed | Part Drawings | |
| Healthyarm handle | 3D printed | Part Drawings | |
| Ball rollers - Press fit | Misumi | BCHA18 | |
| Goalpost | 3D printed | Part Drawings | |
| Circle trace | 3D printed | Part Drawings | |
| Angled assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Curved assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Plain assist | 3D printed | Part Drawings | Optional |
| Task board | custom laser cutting | Part Drawings |
References
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