Robotic Mirror Therapy System voor functioneel herstel van Hemiplegische Arms
Summary
We ontwikkelden een real-time mirror robot systeem voor het functioneel herstel van de aangedane armen met behulp van automatische controle-technologie, voerden een klinische studie met gezonde proefpersonen, en vastbesloten taken via feedback van revalidatie artsen. Deze eenvoudige spiegel robot kan effectief te ergotherapie bij patiënten met een beroerte worden aangebracht met een aangedane arm.
Abstract
Mirror therapie is uitgevoerd volgens de effectieve ergotherapie in een klinische setting voor functioneel herstel van een aangedane arm na een beroerte. Het wordt uitgevoerd door het opwekken van een illusie door het gebruik van een spiegel alsof de aangedane arm beweegt in real-time tijdens het verplaatsen van de gezonde arm. Het kan de hersenen neuroplasticiteit te vergemakkelijken door middel van de activering van de sensomotorische cortex. Echter, conventionele spiegeltherapie een kritische beperking dat de hemiplegische arm eigenlijk beweegt. Aldus hebben we een real-time 2-assige robot mirror systeem als eenvoudige uitbreidingsmodule conventionele spiegeltherapie met een gesloten feedbackmechanisme met real-time beweging van de hemiplegische arm mogelijk maakt. We gebruikten 3 Attitude and Heading Reference System sensoren, 2 borstelloze DC-motoren voor de elleboog en pols gewrichten en exoskeletal frames. In een haalbaarheidsstudie op 6 gezonde proefpersonen, robotachtig spiegel therapie was veilig en haalbaar is. We verder geselecteerde taken die bruikbaar zijn voor activiteiten van daily levende training door middel van feedback van revalidatie artsen. Een CVA patiënt toonden verbetering in de Fugl-Meyer beoordelingsschaal en elleboog flexiespasticiteit na 2 weken toepassing van de spiegel robotsysteem. Robot spiegeltherapie kan proprioceptieve ingang vergroten om de sensorische cortex, die wordt belangrijk geacht neuroplasticiteit en functioneel herstel van hemiplegische behandelgroepen. De spiegel robotsysteem document kan gemakkelijk worden ontwikkeld en effectief gebruikt om ergotherapie te bevorderen.
Introduction
Voor patiënten met een beroerte, disfunctie van een aangedane arm heeft verzwakkende effect. De mogelijkheid om activiteiten uit te voeren met twee handen is van essentieel belang voor het dagelijks leven, maar functioneel tekort van een aangedane arm blijft vaak zelfs een paar jaar na het begin van de beroerte. Tussen de verschillende opleidingen in het ziekenhuis, een oefening om het bereik van de beweging of passieve herhaling te verhogen van eenvoudige taken hebben weinig effect op functioneel herstel van een aangedane arm. Om deze reden heeft de opleiding van zinvolle taken met betrekking tot de activiteiten van het dagelijks leven (ADL) is toegepast op ergotherapie in ziekenhuizen.
De effecten van de spiegel therapie werden aangetoond door eerdere studies in neurorevalidatie 1-4. Spiegeltherapie wordt uitgevoerd door het opwekken van een illusie door het gebruik van een spiegel alsof de aangedane arm beweegt in real-time tijdens het verplaatsen van de gezonde arm. Het kan hersenen neuroplasticiteit vergemakkelijken door activering van de sensorimotorische cortex 1. Dus, motor kracht en functie van de hemiplegische arm kan worden verbeterd. Echter, conventionele spiegeltherapie een kritische beperking dat de hemiplegische arm eigenlijk beweegt.
Daarom hebben we een real-time 2-assige robot mirror systeem als eenvoudige uitbreidingsmodule conventionele spiegeltherapie, met gesloten terugkoppelingsmechanisme. Dit kan proprioceptieve ingang brengen aan de sensorische cortex, die belangrijk neuroplasticiteit en functioneel herstel van een hemiplegische arm (figuren 1 en 2) 5-7 wordt beschouwd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het primaire doel van dit onderzoek was om een real-time mirror robotsysteem voor functioneel herstel van een hemiplegische arm een automatisch regelalgoritme ontwikkelen. Het effect van robot-ondersteunde therapie op de lange termijn herstel van de bovenste ledematen impairment na een beroerte werd gunstig bewezen in eerdere studies 12, en verschillende soorten arm robots zijn ingevoerd 13-20. Echter, eerdere studies van bovenste lidmaat robots die bilaterale armbeweging gerealiseerd t…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Brain Fusion Programma van Seoul National University (800-20120444) en het Interdisciplinary Research Initiatives Program van College of Engineering en College of Medicine, Seoul National University (800-20150090).
Materials
| LabVIEW | National Instruments | System design software | |
| 24V power supply | XP Power | MHP1000PS24 24V | Any 24V 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 30Nm 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 10Nm 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 10mm diameter shaft with at least 200mm 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 |
Riferimenti
- 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).
- 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).
- Dohle, C., et al. Mirror therapy promotes recovery from severe hemiparesis: a randomized controlled trial. Neurorehabil Neural Repair. 23 (3), 209-217 (2009).
- 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).
- De Santis, D., et al. Robot-assisted training of the kinesthetic sense: enhancing proprioception after stroke. Front Hum Neurosci. 8, 1037 (2015).
- 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).
- 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).
- Niku, S. Chapter 4, Dynamic Analysis and Forces. Introduction to Robotics: Analysis, Systems, Applications. , (2001).
- 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).
- Bohannon, R. W., Smith, M. B. Interrater reliability of a modified Ashworth scale of muscle spasticity. Phys Ther. 67 (2), 206-207 (1987).
- Shah, S., Vanclay, F., Cooper, B. Improving the sensitivity of the Barthel Index for stroke rehabilitation. J Clin Epidemiol. 42 (8), 703-709 (1989).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nef, T., Mihelj, M., Riener, R. ARMin: a robot for patient-cooperative arm therapy. Med Biol Eng Comput. 45 (9), 887-900 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
