Summary
Abbiamo sviluppato un sistema robotizzato specchio in tempo reale per il recupero funzionale delle armi emiplegici che utilizzano la tecnologia di controllo automatico, è stato condotto uno studio clinico in soggetti sani, e le attività di determinati attraverso il feedback da parte di medici di riabilitazione. Questo semplice robot specchio può essere applicato efficacemente alla terapia occupazionale in pazienti colpiti da ictus con un braccio emiplegica.
Abstract
La terapia Specchio è stato eseguito come terapia occupazionale efficace in un ambiente clinico per il recupero funzionale di un braccio di emiplegica dopo l'ictus. Si è condotto da suscitare un'illusione attraverso l'uso di uno specchio come se il braccio plegico si muove in tempo reale mentre si muove il braccio sano. Si può facilitare neuroplasticità del cervello attraverso l'attivazione della corteccia sensomotoria. Tuttavia, la terapia specchio convenzionale ha un limite critico che il braccio plegico non è effettivamente in movimento. Così, abbiamo sviluppato un tempo reale 2 assi sistema robotizzato specchio come un semplice modulo aggiuntivo per la terapia specchio convenzionale impiegando un meccanismo di feedback chiuso, che consente il movimento in tempo reale del braccio plegico. Abbiamo usato 3 Atteggiamento e sensori di direzione sistema di riferimento, motori DC brushless 2 per gomito e articolazioni del polso, e le cornici Esoscheletriche. In uno studio di fattibilità su 6 soggetti sani, la terapia specchio robot era sicuro e fattibile. Abbiamo inoltre scelto compiti utili per le attività di Daily formazione attraverso feedback da parte dei medici di riabilitazione vivere. Un paziente con ictus cronico ha mostrato un miglioramento nella Fugl-Meyer scala di valutazione e del gomito flessore spasticità dopo un'applicazione di 2 settimane del sistema robotico specchio. Terapia specchio Robotic può migliorare input propriocettivi alla corteccia sensoriale, che è considerato importante in neuroplasticità e recupero funzionale delle armi emiplegici. Il sistema robotizzato specchio presentato qui può essere facilmente sviluppato e utilizzato in modo efficace per far progredire la terapia occupazionale.
Introduction
Per i pazienti con ictus, disfunzione di un braccio emiplegica è debilitante effetto. La possibilità di eseguire attività bimanuali è essenziale per la vita quotidiana, ma deficit funzionale di un braccio plegico rimane spesso fino a pochi anni dopo l'insorgenza dell'ictus. Tra i vari programmi di formazione in ospedale, un esercizio per aumentare la gamma di movimento o la ripetizione passiva di compiti semplici hanno scarso effetto sul recupero funzionale di un braccio emiplegico. Per questo motivo, la formazione di compiti significativi relativi alle attività della vita quotidiana (ADL) è stato applicato a terapia occupazionale negli ospedali.
Gli effetti della terapia specchio sono stati dimostrati da studi precedenti in neuroriabilitazione 1-4. Terapia Specchio è condotto da suscitare un'illusione attraverso l'uso di uno specchio come se il braccio plegico si muove in tempo reale mentre si muove il braccio sano. Si può facilitare neuroplasticity cervello attivazione della corteccia sensomotoria 1. Così, motor potere e funzione del braccio plegico possono essere migliorate. Tuttavia, la terapia specchio convenzionale ha un limite critico che il braccio plegico non è effettivamente in movimento.
Pertanto, abbiamo sviluppato in tempo reale 2 assi sistema robotizzato specchio come un semplice modulo aggiuntivo alla terapia convenzionale specchio, con meccanismo di feedback chiuso. Questo può trasmettere input propriocettivi alla corteccia sensoriale, che è considerato importante neuroplasticità e recupero funzionale di un braccio plegico (figure 1 e 2) 5-7.
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Protocol
Tutte le procedure sono stati rivisti e approvati dal Institutional Review Board di Seoul National University Hospital.
1. Attività Specchio Terapia
- Esempi di attività 2-dimensionale terapia specchio (figura 3)
- Liberamente muovere il braccio sano guardando allo specchio circa 5 minuti per l'esercizio di warm-up.
NOTA: Si può utilizzare un metronomo modo che il paziente può esercitare il movimento del braccio sano in modo ritmico. - Sul lato sano, dribblare e mettere una piccola palla in buca scelta simile al biliardo per circa 5 minuti ( "Ball in buchi" compito). Dribble e mettere una pallina in un obiettivo simile al calcio per circa 5 minuti ( "Gioco di calcio" compito).
- Utilizzando adesivi numerati posti su un tavolo, spostare la maniglia sul lato sano in ordine numerico e tornare in direzione inversa ( "Punti tracing" compito). Ripetere l'operazione per circa 5 min.
- L'utilizzo di qualsiasi oggetto nella vita quotidiana, come acup, utilizzando la maniglia sul lato sano, spingerlo a un luogo scelto ( "Spostamento di una tazza" compito). Ripetere l'operazione per circa 5 min.
- Liberamente muovere il braccio sano guardando allo specchio circa 5 minuti per l'esercizio di warm-up.
2. I componenti del Sistema Robot specchio
- impostazioni del sensore AHRS
- Ottenere 3 sensori AHRS disponibili in commercio.
NOTA: I sensori AHRS sono costituiti da un sensore magneto, accelerometro e sensori giroscopici (totale 9 assi). - Collegare il sensore AHRS ad un PC con un connettore USB.
- Utilizzare il software di comunicazione HyperTerminal o altro per configurare le impostazioni generali del sensore.
- Per ogni AHRS sensore, impostare la comunicazione RS232 e selezionare la porta COM. Quindi, impostare la velocità di trasmissione a 115.200 bit al secondo, bit di dati a 8, la parità a nessuno, bit di stop a 1, e il controllo di flusso a nessuno.
- Per controllare la porta COM, fare clic sul pulsante a casa in basso a sinistra. Fare clic destro sul computer. Quindi fare clic su Proprietà. Fare clic su Gestione periferiche. Espandere scheda Porta (COM e LPT), facendo clic.
- Una volta che il communicazione è stato stabilito, impostare il canale a 100 e assegnare un ID per ogni sensore.
NOTA: Alcuni sensori possono avere bisogno di calibrazione del accelerometro, giroscopio, magnetometro e prima dell'uso. - Impostare il formato di output come quaternioni e sensori impostato per visualizzare di riserva della batteria.
NOTA: quaternioni sono utilizzati per accelerare calcolo nonché di eliminare singolarità gimbal lock.
- Ottenere 3 sensori AHRS disponibili in commercio.
- impostazioni del motore brushless DC
- Preparare 2 motori e controller DC brushless ad alte prestazioni.
- Per ogni controller, collegare il cavo di alimentazione ad una presa di corrente. Inoltre, collegare il cavo motore, cavo del sensore Hall e cavo encoder al motore.
- Collegare il cavo CAN-CAN a un altro controller.
NOTA: CANopen viene utilizzato per la comunicazione tra i dispositivi. - Set ID nodo per ciascun controller di distinguere tra i dispositivi.
- Collegare il cavo USB al PC per la configurazione generale.
- Accendere l'alimentazione per accendere il Controllers e motori.
- Utilizzare il software di configurazione del sistema fornito dal produttore del motore per configurare e ottimizzare il motore, sensore Hall, ed encoder.
NOTA: Angolo limiti e posizione di partenza devono essere configurati per un funzionamento sicuro.
- Assemblaggio del telaio e motori
NOTA: Ogni parte su misura è chiamato in virgolette. Si prega di fare riferimento alla tabella dei materiali e attrezzature e dalla figura 4 alla figura 13.- Per il motore gomito, mettere uno dei corpi di accoppiamento con chiavetta sull'albero motore e fissarlo con una presa esagonale vite M5 (Figura 4).
- Fissare "copertura del giunto cilindro cavo Elbow" al motore gomito mediante viti a brugola M5 4x (10 mm) e posizionare la parte del buffer dei giunti (parte centrale cursore) sulla parte superiore del corpo di accoppiamento che è stato attaccato nel passaggio 2.3.1 (Figura 4).
- Inserire il cuscinetto a sfera in "frame tetto gomito"e fissarla con le viti a brugola M4 4x (8 mm) (Figura 5).
- Collegare "forza motore ad albero dispersione gomito" in "supporto del gomito inferiore" e fissarla con le viti a brugola 4x M3 (6 mm). Poi, luogo "supporto del gomito alto" sulla parte superiore del "supporto del gomito inferiore" e fissarla con le viti 8x M3 esagono (12 mm) (Figura 6).
- Posizionare il gruppo nel passaggio 2.3.4 sopra, il gruppo nel passaggio 2.3.3 nel mezzo, e l'ultima parte del corpo di accoppiamento in basso. Unitevi tutti insieme e fissare il corpo di accoppiamento con viti esagonale M5 (10 mm) (Figura 7).
- Montaggio sicuro al punto 2.3.5 e l'assemblaggio in fase 2.3.2 utilizzando le viti 4x M5 esagono (15 mm) (Figura 7). Ruotare il montaggio a passo 2.3.2 per garantire tutte le 4 punti.
- Secure "accoppiamento polso Coperchio inferiore cilindro cavo" con il motore da polso con viti a brugola M4 4x (10 mm). Poi, posizionare uno deigli organi di accoppiamento con chiavetta sull'albero motore e fissarlo con M4 viti esagonale; quindi, posizionare la parte di buffer degli accoppiamenti sulla parte superiore del corpo di accoppiamento (Figura 8).
- Attaccare "anello di riduzione attrito" sulla parte superiore del "frame tetto polso" con nastro biadesivo o qualsiasi tipo di adesivo (figura 9).
- Collegare "polso forza motrice albero dispersione" in "manico" e fissarlo con 4x M2.5 viti a brugola (4 mm) (Figura 10).
- Mettere assieme al passo 2.3.9 sopra, assemblaggio nel passaggio 2.3.8 nel mezzo, e l'ultima parte del corpo di accoppiamento in basso. Unitevi tutti insieme e fissare il corpo di accoppiamento con viti M4 esagonale set (10 mm) (Figura 10).
- Secure "polso motor2roof2" con il gruppo al punto 2.3.10 con le viti a brugola 4x M3 (Figura 11).
- montaggio sicuro al punto 2.3.11 e il montaggio in fase di noi 2.3.7viti di 4x M3 a brugola (15 mm) (Figura 11).
- Fissare 2 "Joint limitatore di movimento" e 2 collari per albero mediante viti 4x M4 esagono (15 mm) (Figura 12a).
- Utilizzare collari per albero per proteggere gli alberi e "frame tetto polso" con viti 8x M3 esagono (8 mm) (Figura 12b).
- Far scorrere collari per albero in assemblea 2.3.13 nei pozzi in assemblea 2.3.14 e fissare collari per albero supplementari con "Supporto inferiore a gomito" con le viti a brugola M4 4x (15 mm). Poi, unire le due parti e fissare con la leva (Figura 13).
- Fissare "muro di sostegno" per l'assemblaggio in fase 2.3.15 con viti 6x M4 esagono (15 mm) (Figura 13b). Fissare il supporto da tavolo e di assemblaggio in fase 2.3.16 con viti a brugola 6x M6 (15 mm) (Figura 13C).
3. Progettazione di Mirror Robsistema ot
- Modello matematico per il controllo automatico
- Impostare modello dinamico per il controllo automatico del movimento dell'arto superiore (Figura 14).
NOTA: un modello dinamico di movimento degli arti superiori umana può essere espressa con cinematica delle articolazioni e collegamenti. Pertanto, utilizzando un'equazione per il robot manipolatore, la modellazione può essere ottenuto come illustrato di seguito:
NOTA: (
: La posizione comune vettore, 
: Velocità Joint vettore, 
: Accelerazione Joint vettore, H: matrice di inerzia, F: Coriolis e la matrice forza centrifuga, G: vettore di forze gravitazionali, E: matrice di coppia a causa di interazione con l'ambiente, 
: Vettore di forc generalizzata es applicati alle articolazioni) L'emiplegico e sani braccio mostrano diversi aspetti del movimento. Cioè, il braccio plegico non può muoversi in tempo a causa di muscoli paralizzati o non possa fornire sufficiente coppia necessaria per il movimento. Pertanto, il sistema è progettato in modo che la formazione di riabilitazione può essere fatta tramite normale movimento attraverso il braccio plegico; in altre parole, il robot riabilitazione è attaccato al braccio plegico del paziente al fine di fornire proposte dal braccio sano e può essere formulato semplicemente come segue:
Movimento di riabilitazione robot) = (movimento del braccio sano) - (emiplegica movimento del braccio). - Con un robot riabilitazione, collegare braccio paralizzato del paziente al manipolatore, e osservare coppia supplementare e ritardo dovuto al braccio paralizzato causando errori nel sistema complessivo. Rilevare questo tramite un manipolatore sul lato plegico.
- Misurare gli errori (s (t): tracking error) come un'equazione matematica:
es / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
NOTA: (s: Tracking error,
: Progettazione definitiva matrice parametro positivo, 
: Errore tra la posizione voluta e reale, 
: Errore fra desiderato e velocità effettiva) L'errore di inseguimento sopra può essere combinato con un modello dinamico di movimento dell'arto superiore umano e può essere espresso come: 
NOTA: (K D: valore di guadagno derivativo con compensazione di feedback che cambia nel tempo,
: Matrice degli errori inerzia, 
: Coriolis e matrice degli errori forza centrifuga) - Per controllare ogni giunto del robot riabilitazione, usare Lagrdinamiche angian 8. Un'equazione dinamica di movimento per ogni giunto è:
NOTA: (D: matrice dei coefficienti,
: Matrix attuatore di inerzia) Coefficiente D nell'equazione influenza sopra la coppia tra i giunti con effetto di accoppiamento inerziale tra i giunti 8. Il modello di controllo automatico di utilizzo di questo modello matematico può essere illustrato dallo schema a blocchi di Figura 14.
- Impostare modello dinamico per il controllo automatico del movimento dell'arto superiore (Figura 14).
- Protocollo software (Figura 15)
- All'avvio del programma, stabilire una comunicazione con i motori e sensori, e inizializzare i valori. Una volta che i motori e sensori sono nella posizione iniziale (vedi 4.1.3), passare al ciclo principale.
NOTA: Per la frequenza di campionamento del loop principale, si consiglia di 50 - 200 campioni / sec. Per il ritardo massimo, si consiglia di 2 secondi al massimo. Inoltre, per limiti di coppia, abbiamoconsiglia di regolare il valore di corrente del motore mediante software in modo che il motore gomito può esercitare 25 - 40 Nm e motore polso può esercitare 10 - 20 Nm. - Dato che non è interrotto da un pulsante di arresto, leggere continuamente l'atteggiamento e valori di posizione attuale direzione del sistema di riferimento (AHRS) sensori 'per trasmettere i valori ai motori.
NOTA: L'uscita dati è in quaternioni, e dovrebbe essere adeguatamente trasformato l'angolo desiderato per il movimento del robot. Scegliere una delle sensore coordinate fotogrammi come riferimento, e ripristinare la coordinata altro sensore frames. Con telai calcolati come riferimento, utilizzare la cinematica inversa per ottenere gli angoli finali uscita imbardata. - Poiché non è interrotto da un pulsante di arresto, controlla continuamente le posizioni dei motori 'e aggiorna i valori per compiere movimento alla posizione desiderata fornite dai sensori AHRS.
NOTA: La posizione del motore è fornito dal codificatore del motore che può essere controllato all'interno del software con la società del motore & #39; s fornito comando libreria software. - Nel frattempo, registrare tutte le angolazioni e velocità angolari dai sensori AHRS.
- Una volta che le operazioni sono completate e l'utente preme il pulsante di arresto, uscire dal loop e finalizzare il robot spostandola nella posizione iniziale.
- All'avvio del programma, stabilire una comunicazione con i motori e sensori, e inizializzare i valori. Una volta che i motori e sensori sono nella posizione iniziale (vedi 4.1.3), passare al ciclo principale.
- Interfaccia utente grafica (GUI) (Figura 16)
- Aggiungere "errore" e "errore fuori" le funzioni per rilevare e gli errori di debug durante l'esecuzione.
- Aggiungere il pulsante lato paziente di scegliere il lato funzionamento del robot (lato paretico del paziente).
- Costruire una scatola di informazioni del paziente per identificare i pazienti.
- Aggiungere indicatori di stato del motore.
- Aggiungere i controlli di limitazione dell'angolo per la sicurezza.
- Configurare la massima velocità, accelerazione e decelerazione per ogni motore per prevenire lesioni muscolari e tendinee causa di un arto superiore rigido.
NOTA: Il sistema riflette l'accelerazione e la decelerazione del braccio plegico. - UNindicatori dd per recuperare posizione del motore e la velocità, e l'ingresso informazioni aggiornate.
- Costruire un controllo del nome della risorsa VISA per stabilire la comunicazione tra i sensori AHRS ed il sistema.
- Aggiungere una funzione di calibrazione per eliminare gli errori di deriva sensore accumulati.
- Disporre l'indicatore per i sensori al fine di recuperare le informazioni del sensore.
Nota: le informazioni sensore include gli angoli articolari (angolo tra due sensori consecutivi) e la riserva della batteria.
- spasticità braccio superamento durante il funzionamento del robot specchio
- Selezionare i motori in grado di esercitare una coppia sufficiente per superare la spasticità per ogni giunto.
NOTA: motor polso dovrebbe avere uscita di coppia superiore a 10 Nm, e motore gomito superiore 25 Nm. - Per trasferire saldamente il movimento del robot al braccio del paziente, utilizzare cinghie che sono fatti di materiale semi-elastico per fissare l'avambraccio nella esoscheletro robot.
NOTA: Semi-elastico cinghie, come stretccinghie tessuti H o poliestere / nylon cinghie intrecciate elastiche, sono raccomandati. Se le cinghie sono troppo elastico, esso non mantenere il braccio in posizione. Se le cinghie non sono elastiche affatto, muscoli o tendini lesioni possono verificarsi nel caso di un elevato grado di gomito spasticità. - Per isolare gomito e polso di movimento, utilizzare 2 telai solidi combinati con un collare albero per fissare il polso stringendolo nel frame.
NOTA: I collari per albero sono utilizzati per prevenire lesioni muscolari e tendinee, se la rigidità del polso è eccessiva. - Utilizzare rinforzo intorno al manico per fissare la mano al robot.
- Selezionare i motori in grado di esercitare una coppia sufficiente per superare la spasticità per ogni giunto.
: La posizione comune vettore, 
: Velocità Joint vettore, 
: Accelerazione Joint vettore, H: matrice di inerzia, F: Coriolis e la matrice forza centrifuga, G: vettore di forze gravitazionali, E: matrice di coppia a causa di interazione con l'ambiente, 
: Vettore di forc generalizzata es applicati alle articolazioni) L'emiplegico e sani braccio mostrano diversi aspetti del movimento. Cioè, il braccio plegico non può muoversi in tempo a causa di muscoli paralizzati o non possa fornire sufficiente coppia necessaria per il movimento. Pertanto, il sistema è progettato in modo che la formazione di riabilitazione può essere fatta tramite normale movimento attraverso il braccio plegico; in altre parole, il robot riabilitazione è attaccato al braccio plegico del paziente al fine di fornire proposte dal braccio sano e può essere formulato semplicemente come segue: 
: Progettazione definitiva matrice parametro positivo, 
: Errore tra la posizione voluta e reale, 
: Errore fra desiderato e velocità effettiva) L'errore di inseguimento sopra può essere combinato con un modello dinamico di movimento dell'arto superiore umano e può essere espresso come: 
: Matrice degli errori inerzia, 
: Coriolis e matrice degli errori forza centrifuga) 
: Matrix attuatore di inerzia) Coefficiente D nell'equazione influenza sopra la coppia tra i giunti con effetto di accoppiamento inerziale tra i giunti 8. Il modello di controllo automatico di utilizzo di questo modello matematico può essere illustrato dallo schema a blocchi di Figura 14. 4. Applicazione clinica del sistema specchio Robot
- Condurre la terapia specchio robotica
- Regolare l'altezza e la larghezza della tavola compito secondo le condizioni del paziente.
- Impostare uno specchio sulla linea mediana tra i due bracci, e impostarlo su un tavolo o piattaforma.
- Posizionare i sensori AHRS sul manico, polsoframe e bordo della piattaforma su allineamento lato sano in parallelo con l'orientamento del robot.
NOTA: l'asse di imbardata interno del sensore deve essere rivolta verso l'alto. - Eseguire il software di terapia in un computer.
- Scegliere il lato emiplegico facendo clic sul pulsante interruttore Patient-Side.
- Impostare i limiti massimi angolari congiunta ai sensi della Condizione congiunta del paziente. Per un funzionamento sicuro, usare limite flessione del gomito meno di 50 °, limite di estensione del gomito più di -70º, limite di flessione del polso inferiore a 80 °, e il limite di estensione del polso più di -60º.
NOTA: Plus e segni meno vengono corretti automaticamente e limiti sono stati anche corretti se fuori dai limiti a livello di software. - Impostare massima velocità, accelerazione e decelerazione. Per questi valori, utilizzare valore di velocità tra 0 e 22,5 rpm per il motore del gomito e l'uso valore di velocità tra 0 e 33 giri per il motore polso.
NOTA: Per la terapia convenzionale specchio, impostare tutti i valori a zeroper immobilizzare il robot. - Compila le informazioni del paziente.
- Accendere tutte le AHRS sensori prima di eseguire il programma.
- Eseguire il programma facendo clic sul pulsante freccia nell'angolo in alto a sinistra del programma.
- Una volta che il "salva come" pop up pronta, scrivere nomi di file adeguati per i dati di risultato sulla scatola corda e premere ok.
- Mentre il robot e il braccio sana sono nella posizione iniziale (entrambe le mani dal corpo e paralleli tra loro), premere il pulsante di calibrazione per inizializzare i valori dei sensori a zero per la posizione iniziale.
NOTA: Vedere i punti 1.1.1 - 1.1.4 per le mani utilizzate in questo compito. - Premere il tasto STOP quando sono stati completati tutti i compiti.
NOTA: per la terapia specchio robotico, un ingegnere biomedico dovrebbe agire come coordinatore principale, e il terapista occupazionale dovrebbe assistere il paziente.
- Clinical uno studio su soggetti sani
- Condurre uno studio clinico su soggetti sani per confermarela sicurezza e la fattibilità 8. Dare l'istruzione ( "Non spostare il braccio plegico da soli.") Per i soggetti per il movimento completamente passivo del braccio emiplegico.
- Posizionare entrambi gli avambracci sui telai, e le mani sulle maniglie. Quindi, fissare gli avambracci con le cinghie.
- La valutazione degli effetti terapeutici
- Prima della terapia, condurre valutazioni funzionali come Fugl-Meyer scala di valutazione 9, modificata scala Ashworth 10, modificato indice di Barthel 11, test di funzionamento mano Jebsen, misurazione della potenza mano, prova di negligenza spaziale unilaterale, e il motore potenziali evocati di prova per i pazienti.
- Condurre sperimentazione clinica per pazienti colpiti da ictus con robot specchio 2-dimensionale per il 30 - 60 min al giorno. Dare l'istruzione ( "Non spostare il braccio plegico da soli.") Per i pazienti.
- Dopo che i pazienti compiono ultima sessione, condotta follow-up valutazioni funzionali.
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Representative Results
Sei soggetti sani condotto un 'pennarello compito' (toccare i due tavolette alternativamente con una penna attaccata sulla mano sano come mostrato in Figura 17) 10 volte che hanno avuto in media 106 sec per soggetto. è stato osservato alcun evento avverso, e la terapia specchio robotico è stato dimostrato di essere fattibile.
Inoltre, è stato condotto uno studio clinico per i medici di riabilitazione. Abbiamo richiesto perizie per determinare i compiti appropriati per la terapia occupazionale specchio robotica efficace. Con feedback da 6 medici riabilitazione, il grado di illusione suscitata dal robot specchio era più alto per "palla in fori" e "spostamento di una tazza" compiti (7,2 su 10 su una scala di valutazione numerica [NRS] per ciascuna), seguita da "partita di calcio" (7,0 / 10) e "punti di tracciamento" compiti (6.5 / 10). Per quanto riguarda la sincronia di movimento tra i due bracci duranteLa terapia specchio robotica, "lo spostamento di una tazza" compito ha avuto un punteggio NRS di 7,0 / 10, seguito da "partita di calcio" e "punti tracing" (6,8 / 10 ciascuno), e "palla in fori" (6.2 / 10) (Figura 3). Tra questi 4 operazioni, i medici di riabilitazione consigliato "partita di calcio" come un compito utile per la formazione ADL nei pazienti con ictus.
Abbiamo condotto uno studio clinico per i pazienti colpiti da ictus con robot specchio per 30 minuti al giorno per 2 settimane (10 sessioni). I soggetti devono soddisfare i seguenti criteri di inclusione: 1) oltre 18 anni di età; 2) Corsa sopratentoriale diagnosticata tra i 4 mesi ei 6 anni fa; e 3) emiplegia degli arti superiori con Medical Research Council (MRC) di grado 2 o meno. Le principali criteri di esclusione sono i seguenti: 1) modificato Ashworth scala di grado 3 o superiore (spasticità grave); 2) Esame Mini-Mental State punteggio inferiore a 12; e 3) afasia globale o sensoriale.
° visita, ha diretto il follow-up valutazioni funzionali. La scala di valutazione Fugl-Meyer del braccio plegico migliorato dal 12 al 17 su 66, e modificato Ashworth scala flessori del gomito (per la spasticità) è stato ridotto dal grado 2 al 1+. Sinistra potenza pinch laterale è stata aumentata da 0 a 3 lb. Altri parametri rivelato alcuna differenza prima e dopo la terapia specchio robotico (Figura 18 e Tabella 1).
Figura 1. flusso concettuale per la robotica Mirror Therapy per agevolare l'inserimento di propriocettiva. L'esperimento è stato progettato in conformità con il flusso concettuale per la terapia specchio robotico.
Figura 2. Un diagramma del Sistema Robot specchio. I movimenti del braccio sano si prevede che l'esoscheletro attaccato al braccio plegico da un algoritmo software tramite ingresso da 3 sensori AHRS. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
. Figura 3. vari compiti che utilizzano il sistema Robot specchio Gli utenti possono essere addestrati per compiti 2-dimensionali; palla in fori, partita di calcio, punti rintracciamento, e in movimentouna tazza. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. gomito Motor Assembly. Assemblea i passaggi per il gomito del motore giunto, giunti, e il coperchio cilindro cavo di accoppiamento gomito.
Figura 5. tenendo & Elbow Assemblea Rooftop telaio. Montaggio tra il cuscinetto e il gruppo del gomito cornice sul tetto.
Figura 6. gomito Gruppo di supporto. Fasi di montaggio per albero dispersione gomito forza motore, superiore e supporto lbow, e il supporto del gomito inferiore.
Figura 7. Supporto Gomito & gomito Motor Assembly. Assemblea passi per il supporto del gomito e il motore del gomito.
Figura 8. polso Motor Assembly. Assemblea i passaggi per il polso del motore giunto, giunti, e il coperchio del cilindro cavo inferiore accoppiamento polso.
Figura 9. attrito Riduzione Anello Allegato. Allegato dell'anello di riduzione dell'attrito al telaio del polso sul tetto.
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Figura 10. Maniglia di montaggio. Montaggio passi per la maniglia 3D stampata, l'accoppiamento, e l'albero forza di dispersione del motore polso.
Figura 11. Maniglia & polso Motor Assembly. Assemblea passi per il motore polso e la maniglia.
Figura 12. passaggi giunto di dilatazione limitatore di montaggio. Di montaggio per la (A) limitatore di movimento articolare, (B) dell'albero di regolazione della lunghezza, e la maniglia montata.
Figura 13. assemblaggio finale.Fasi di montaggio per la (A) montato parte del motore a gomito con la parte assemblata motore polso utilizzando collari per albero e albero, (B) assemblati robot con le pareti di supporto, e (C) assemblati robot con il tavolo compito. Cliccate qui per visualizzare un grande versione di questa figura.
Figura 14. Schema a blocchi del matematico Modello di Controllo automatico. Il robot esoscheletro utilizza meccanismo di feedback chiuso per il controllo in tempo reale.
Figura 15. Programma generale Software. Il software utilizza una strettad meccanismo di feedback per guidare il sistema robotico. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 16. GUI del Programma. L'utente può controllare e configurare il programma per la terapia tramite interfaccia grafica. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 17. Un pennarello Task in 6 soggetti sani utilizzando prototipo di Mirror Sistema robotico. Condurre una marcatura compito 10 volte consecutive hanno in media 106 sec per soggetto penna.
Figura 18. La valutazione funzionale di un 60-year-old paziente di sesso maschile con cronica destro gangli basali emorragia. Principali sottoinsiemi di dati che ha mostrato un miglioramento dopo 10 sedute di terapia specchio robotico. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| Prima | Dopo 10 sedute | |
| Esame di stato Mini-Mental | 29 | - |
| Scala di valutazione Fugl-Meyer (Estremità superiore) | 12 | 17 |
| Spalla/gomito | 11 | 15 |
| Polso | 0 | 1 |
| Mano | 1 | 1 |
| Scala Ashworth modificata | ||
| gomito flessore | 2 | 1+ |
| polso flessore | 0 | 0 |
| Indice di Barthel modificato (Estremità superiore) | 25 | 25 |
| Test di funzionalità mano Jebsen | inarrestabile | inarrestabile |
| Potenza mano sinistra (lb) | ||
| presa | 8 | 8 |
| Lpinch ateral | 0 | 3 |
| Palmar pinch | 0 | 0 |
| Test eminegligenza | ||
| Test di bisezione Linea | 6/6 ciascuna | 6/6 ciascuna |
| Albert prova | 12/12 ogni | 12/12 ogni |
| Motore potenziali evocati | Nessuna risposta | Nessuna risposta |
Tabella 1. La valutazione funzionale di un 60-year-old paziente di sesso maschile con cronica destra gangli basali emorragia.
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Discussion
Lo scopo primario di questo studio era di sviluppare un sistema robotico specchio tempo reale per il recupero funzionale di un braccio plegico utilizzando un algoritmo di controllo automatico. L'effetto della terapia robot-assistita sul recupero a lungo termine di impairment arto superiore dopo ictus è stato dimostrato utile in studi precedenti 12, e sono stati introdotti vari tipi di robot a braccio 13-20. Tuttavia, studi precedenti di robot arti superiori che realizzano il movimento del braccio bilaterale applicate collegamenti meccanici senza usare uno specchio, che è diverso dal concetto di terapia specchio 14-15. Così, il nostro studio può essere un'estensione del loro lavoro utilizzando uno specchio reale per facilitare input propriocettivi.
Per aggiornare il sistema precedente, abbiamo attivato il braccio plegico di muoversi in tempo reale mediante l'applicazione di sensori AHRS sul braccio sano e allegando i motori al gomito emiplegica e del polso. ingresso propriocettiva dal braccio plegico alcorteccia sensoriale del cervello può essere migliorata attraverso il sistema del robot specchio. Facilitazione di propriocezione deve essere confermata dalla risonanza magnetica funzionale del cervello in uno studio futuro.
È fondamentale che il sistema ha il minimo ritardo di sincronizzazione poiché l'effetto specchio sarà massimizzata quando il ritardo è minimizzato. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo recuperato i dati dai sensori di conteggio minimo di byte necessario, mentre la loro lettura in parallelo all'interno di un ciclo all'interno dell'architettura software. Come risultato, il ritardo di sincronizzazione tra il braccio sano e il robot è soltanto circa 0,04 - 0.40 sec.
Ci sono diverse limitazioni in questo studio. In primo luogo, non siamo riusciti a comprendere i movimenti delle dita pregiati come afferrare o pizzico, e le attività in 3 dimensioni della terapia convenzionale specchio. In secondo luogo, noi non risolvere il gomito del braccio sano per preservare il movimento fisiologico, per quanto possibile. Tuttavia, limitazione del range di movimento del gomito sarebbe utile per migliorare syncronicità con il gomito opposta che viene mossa dal motore. Modifica del sistema installando struttura supplementare che protegge il gomito lato sano migliorerà la sincronicità e, di conseguenza, aumenta l'effetto della terapia. In terzo luogo, i pazienti che hanno avuto una grave spasticità o rigidità non potevano essere inclusi a causa della potenza insufficiente del motore, anche se l'articolazione si muoveva lentamente. Il sistema potrebbe essere modificato sostituendo il motore con uscita coppia superiore di superare rigidità moderata. Tuttavia, anche con forte motore, il trattamento per i pazienti con gravi livelli di spasticità o rigidità dovrebbe essere evitato per prevenire tendini o ossa lesioni a causa di applicazione forza eccessiva per le articolazioni.
Riteniamo, tuttavia, che il sistema robotico specchio qui presentata può essere facilmente sviluppata e utilizzata efficacemente per avanzare terapia occupazionale.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dal cervello Fusion Programma di Seoul National University (800-20.120.444) e la interdisciplinare Initiative di ricerca Programma dal College of Engineering e College of Medicine, Università Nazionale di Seoul (800-20.150.090).
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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