반신 불수 팔의 기능 복구를위한 로봇 미러 치료 시스템
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
Summary
우리는, 자동 제어 기술을 사용하여 편마비 팔의 기능 회복을위한 실시간 미러 로봇 시스템을 개발 재활 의사의 피드백을 통해 건강한 주제에 대한 임상 연구 및 결정 작업을 실시했다. 이 간단한 미러 로봇 팔 편마비 뇌졸중 환자에서 작업 치료에 효과적으로 적용될 수있다.
Abstract
미러 치료는 뇌졸중 후 편마비 팔의 기능 회복을위한 임상에서 효과적인 작업 요법으로 수행되었습니다. 이것은 건강 아암을 이동시키면서 편마비 아암 실시간으로 움직이는 것처럼 거울을 이용하여 허상을 유도함으로써 수행된다. 그것은 감각 피질의 활성화를 통해 뇌의 신경 가소성을 촉진 할 수 있습니다. 그러나, 종래의 미러 요법은 암 편마비 실제로 움직이지 않는 것이 중요한 제한에 갖는다. 따라서, 우리는 편마비 아암의 실시간 움직임을 가능하게하는 밀폐 된 피드백 메커니즘을 이용하여 종래의 미러 치료 간단한 부가 모듈로 실시간 2 축 미러 로봇 시스템을 개발 하였다. 우리는 3 태도를 사용하고 팔꿈치 및 손목 관절, 및 외골격 프레임에 대한 참조 시스템 센서, 2 브러시리스 DC 모터 제목. 6 건강한 주제에 타당성 조사에서, 로봇 거울 요법은 안전하고 가능했다. 우리는 더 다이의 활동에 유용한 작업을 선택LY는 재활 의사의 피드백을 통해 훈련을 살고. 만성 뇌졸중 환자들은 거울 로봇 시스템의 2 주 후에 애플리케이션 Fugl 메이어 평가 스케일과 팔꿈치 굴곡 경련의 개선을 보였다. 로봇 거울 치료는 신경 가소성과 편마비 팔의 기능 회복에 중요한 것으로 간주되는 감각 피질에 고유 감각 입력을 향상시킬 수있다. 본 명세서 미러 로봇 시스템은 쉽게 개발 작업 요법을 향상시키는 데 효과적으로 사용될 수있다.
Introduction
뇌졸중 환자를 들어, 편마비 팔의 장애는 효과를 쇠약하게하고있다. 양손 활동을 수행 할 수있는 능력은 일상 생활에 필수적이지만, 편마비 아암의 기능적 결손들은 뇌졸중 시작 후 심지어 몇 년 남아있다. 간단한 작업은 편마비 팔의 기능 회복에 거의 영향을 미치지의 병원에서 다양한 교육 프로그램 중, 운동은 운동 또는 수동 반복의 범위를 증가시킵니다. 이러한 이유로, 일상 생활 (ADLS)의 활동과 관련된 의미있는 작업의 훈련은 병원에서 작업 치료에 적용되고있다.
거울 요법의 효과는 neurorehabilitation 1-4에서 이전의 연구에 의해 입증되었다. 미러 치료는 건강한 아암을 이동시키면서 편마비 아암 실시간으로 움직이는 것처럼 거울을 이용하여 허상을 유도함으로써 수행된다. 그것은 감각 피질 (1)의 활성화에 의해 뇌의 신경 가소성을 촉진 할 수 있습니다. 따라서, 모토R 전력과 편마비 암의 기능을 향상시킬 수있다. 그러나, 종래의 미러 요법은 암 편마비 실제로 움직이지 않는 것이 중요한 제한에 갖는다.
따라서 폐쇄 피드백 메커니즘을 사용하여, 종래의 미러 치료 간단한 부가 모듈로 실시간 2 축 미러 로봇 시스템을 개발 하였다. 이것은 신경 가소성 및 편마비 아암의 기능 회복 (도 1 및 2) 5-7에서 중요하게 고려되는 감각 피질에 고유 감각 입력을 전달할 수있다.
Protocol
모든 절차를 검토하고 서울 대학교 병원의 임상 시험 심사위원회의 승인을했다. 1. 거울 치료 작업 2 차원 미러 치료 작업의 예 (도 3) 거울에 워밍업 운동에 대한 5 분을 보면서 자유롭게 건강한 팔을 이동합니다. 주 : 환자가 리드미컬하게 건강한 팔의 움직임을 행사할 수 있도록 하나 메트로놈을 이용할 수있다. 건강 측면에서 드리블 약 5 분 ( "공…
Representative Results
여섯 정상인을 대상 당 평균 106 초 취했다 10 배 (도 17에 도시 한 바와 같이, 건강한 손에 부착되는 펜 교대 개의 작은 판을 터치)에 '펜 마킹 작업'을 실시했다. 어떤 부작용도 관찰되지하고, 로봇 미러 치료가 가능한 것으로 입증되었다. 또한, 재활 의사의 임상 연구가 수행되었다. 우리는 효과적인 로봇 미?…
Discussion
본 연구의 주된 목적은 자동 제어 알고리즘을 이용한 편마비 아암의 기능 회복에 대한 실시간 미러 로봇 시스템을 개발 하였다. 뇌졸중 후 상부 사지 손상 장기적 회복 로봇 보조 요법의 효과는 이전 연구 12 유익한 입증하고, 아암 로봇의 각종 13-20 도입되었다. 그러나, 양측 팔의 움직임을 실현 상지 로봇의 이전 연구 미러 치료 14-15 개념 상이한 미러를 사용하지 않고, 기?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 엔지니어링 및 의과 대학, 서울 대학교 (800-20150090) 대학에서 뇌 융합 프로그램 서울 대학교 (800-20120444) 및 학제 간 연구 이니셔티브 프로그램에 의해 지원되었다.
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).
Tags
Keywords:
Robotic Mirror TherapyHemiplegic ArmFunctional RecoveryOccupational TherapyProprioceptive InputSensory CortexNeuroplasticityStrokeAHRS SensorsCommunications SoftwareCOM PortBaud RateElbow-joint MotorCoupling BodiesMotor ShaftHex-socket ScrewCoupling Hollow Cylinder CoverSocket-head ScrewsBall BearingForce Dispersion Shaft
Citazione di questo articolo
Beom, J., Koh, S., Nam, H. S., Kim, W., Kim, Y., Seo, H. G., Oh, B., Chung, S. G., Kim, S. Robotic Mirror Therapy System for Functional Recovery of Hemiplegic Arms. J. Vis. Exp. (114), e54521, doi:10.3791/54521 (2016).