Robotic Mirror Therapy för funktionell återhämtning av hemiplegisk Arms
Summary
Vi utvecklade en realtids-spegel robotsystem för funktionell återhämtning av hemiplegisk armar med hjälp av automatisk reglerteknik, genomfört en klinisk studie på friska försökspersoner, och beslutsamma uppgifter genom feedback från rehabiliteringsläkare. Denna enkla spegel robot kan tillämpas effektivt på arbetsterapi i strokepatienter med en hemiplegisk arm.
Abstract
Spegel behandling har utförts enligt effektiv arbetsterapi i en klinisk miljö för funktionell återhämtning av en hemiplegisk arm efter stroke. Det sker genom att framkalla en illusion genom användning av en spegel som om hemiplegisk arm rör sig i realtid när du flyttar den friska armen. Det kan underlätta hjärnan neuroplasticity genom aktivering av sensomotoriska cortex. Emellertid har konventionell spegel behandling en kritisk begränsning i att hemiplegisk arm faktiskt inte rör sig. Därför utvecklade vi en realtids-2-axlig spegel robotsystem som en enkel tilläggsmodul för konventionell spegelterapi med hjälp av en sluten återkopplingsmekanism, som möjliggör realtids förflyttning av hemiplegisk arm. Vi använde tre Attitude and Heading Reference System sensorer, två borstlösa likströmsmotorer för armbåge och handled lederna och exoskeletal ramar. I en förstudie på 6 friska försökspersoner, robot spegel terapi var säker och genomförbar. Vi valde ytterligare uppgifter som är användbara för verksamhet daily levande utbildning genom återkoppling från rehabiliteringsläkare. En kronisk stroke patient uppvisade förbättring i Fugl-Meyer bedömningsskala och armbåge flexor spasticitet efter en 2-veckors applicering av spegeln robotsystemet. Robotic spegel terapi kan öka proprioceptiva insignal till den sensoriska cortex, som anses vara viktiga vid neuroplasticitet och funktionell återhämtning av hemiplegiska armar. Spegeln robotsystem som presenteras häri kan lätt utvecklas och utnyttjas effektivt för att främja arbetsterapi.
Introduction
För patienter med stroke, har dysfunktion av en hemiplegisk arm försvagande effekt. Förmågan att utföra bimanuella aktiviteter är avgörande för det dagliga livet, men funktionell underskott av en hemiplegisk arm fortfarande ofta även några år efter stroke debut. Bland olika utbildningar på sjukhuset, till en övning öka utbudet av rörelse eller passiv upprepning av enkla uppgifter har liten effekt på funktionell återhämtning av en hemiplegisk arm. Av denna anledning har utbildning av meningsfulla uppgifter i samband med dagliga aktiviteter (ADLS) använts för arbetsterapi på sjukhus.
Effekterna av spegelterapi har bevisats av tidigare studier i Neurorehabilitation 1-4. Spegel terapi utförs genom att framkalla en illusion genom användning av en spegel som om hemiplegisk arm rör sig i realtid när du flyttar den friska armen. Det kan underlätta hjärnan neuroplasticitet genom aktivering av sensorimotorisk kortex 1. Således motor kraft och funktion hemiplegisk arm kan förbättras. Emellertid har konventionell spegel behandling en kritisk begränsning i att hemiplegisk arm faktiskt inte rör sig.
Därför har vi utvecklat en realtids-2-axlig spegel robotsystem som en enkel tilläggsmodul till konventionell spegel terapi, med hjälp av återkopplingsmekanism stängd. Detta kan förmedla proprioceptiva ingång till sensoriska hjärnbarken, vilket anses viktigt i neuroplasticity och funktionell återhämtning av en hemiplegisk arm (figur 1 och 2) 5-7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det primära syftet med denna studie var att utveckla en realtids-spegel robotsystem för funktionell återhämtning av en hemiplegisk arm med hjälp av en automatisk regleralgoritm. Effekten av robotassisterad terapi på långsiktig återhämtning av övre extremiteten försämring efter stroke visat sig vara nyttiga i tidigare studier 12, och olika typer av arm robotar har införts 13-20. Men tidigare studier av övre extremiteterna robotar som realiserade bilaterala armrörelse tillämpas mekani…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av hjärnan Fusion Program för Seoul National University (800-20120444) och tvärvetenskapligt programinsatser från College of Engineering och College of Medicine, Seoul National University (800 till 20.150.090).
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 |
References
- 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).
