Summary
Nós desenvolvemos um sistema de espelho robô em tempo real para a recuperação funcional dos braços hemiplégicos utilizando tecnologia de controle automático, realizaram um estudo clínico em indivíduos saudáveis, e as tarefas determinadas por meio de feedback de médicos de reabilitação. Esta simples robô espelho pode ser aplicada de forma eficaz para a terapia ocupacional em pacientes com AVC com um braço hemiplégico.
Abstract
A terapia do espelho foi realizada como terapia ocupacional eficaz em um ambiente clínico para a recuperação funcional de um braço hemiplégico após acidente vascular cerebral. É realizado por indução de uma ilusão através da utilização de um espelho como se o braço hemiplegia está em movimento em tempo real enquanto se move o braço saudável. Pode facilitar neuroplasticidade cérebro através da activação do córtex sensorimotor. No entanto, a terapia convencional espelho tem uma limitação crítica na medida em que o braço de hemiplegia não está realmente em movimento. Assim, desenvolveu-se um sistema de dois eixos espelho robô em tempo real como um módulo simples complemento para terapia espelho convencional, utilizando um mecanismo de realimentação fechada, que permite o movimento em tempo real do braço hemiplegia. Usamos 3 atitude e de rumo sensores sistema de referência, motores DC sem escovas 2 para o cotovelo e articulações do punho e quadros exoesqueléticas. Em um estudo de viabilidade em 6 indivíduos saudáveis, a terapia do espelho robótico era seguro e viável. Nós ainda seleccionadas tarefas úteis para atividades de daily formação através de feedback dos médicos de reabilitação vivo. Um paciente de derrame crônica apresentaram melhora na escala de avaliação de Fugl-Meyer eo cotovelo espasticidade flexor após uma aplicação de 2 semanas do sistema de espelho robô. terapia espelho robótico pode aumentar a entrada proprioceptiva para o córtex sensorial, que é considerada como sendo importante na neuroplasticidade e a recuperação funcional de braços hemiplégicas. O sistema de espelho robô aqui apresentadas podem ser facilmente desenvolvidos e utilizados de forma eficaz para avançar terapia ocupacional.
Introduction
Para os pacientes com acidente vascular cerebral, disfunção de um braço hemiplégico tem debilitante efeito. A capacidade de realizar atividades bimanuais é essencial para a vida diária, mas déficit funcional de um braço hemiplégico muitas vezes permanece até poucos anos após o início do acidente vascular cerebral. Entre os vários programas de formação no hospital, um exercício para aumentar a amplitude de movimento ou repetição passiva de tarefas simples têm pouco efeito sobre a recuperação funcional de um braço hemiplégico. Por esta razão, a formação de tarefas significativas relacionadas com as actividades da vida diária (AVD) tem sido aplicada à terapia ocupacional em hospitais.
Os efeitos da terapia de espelho foram comprovadas por estudos anteriores em neurorehabilitation 1-4. Espelho terapia é realizada por indução de uma ilusão através da utilização de um espelho como se o braço hemiplegia está em movimento em tempo real enquanto se move o braço saudável. Pode facilitar neuroplasticidade cérebro por activação do córtex sensorimotor 1. Assim, motopotência e a função do braço de hemiplegia R pode ser melhorada. No entanto, a terapia convencional espelho tem uma limitação crítica na medida em que o braço de hemiplegia não está realmente em movimento.
Por isso, desenvolvemos um 2 eixos sistema de espelho robô em tempo real como um simples módulo add-on para a terapia do espelho convencional, usando mecanismo de feedback fechado. Isto pode transmitir entrada proprioceptiva para o córtex sensorial, que é considerada importante na neuroplasticidade e a recuperação funcional de um braço hemiplegia (Figuras 1 e 2) 5-7.
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Protocol
Todos os procedimentos foram revistos e aprovados pelo Institutional Review Board do Hospital da Universidade Nacional de Seul.
1. Tarefas Terapia Espelho
- Exemplos de funções de 2 dimensões da terapia espelho (Figura 3)
- Livremente mover o braço saudável ao olhar no espelho cerca de 5 min para o exercício de aquecimento.
Nota: Pode-se utilizar um metrônomo de modo que o paciente pode exercer o movimento do braço saudável de um modo rítmico. - No lado saudável, driblar e colocar uma pequena bola no buraco escolhido semelhante ao bilhar por cerca de 5 min ( "Bola em buracos" de tarefas). Driblar e colocar uma pequena bola em um objetivo semelhante ao futebol para cerca de 5 min ( "Jogo de futebol" tarefa).
- Usando adesivos numerados colocados sobre uma mesa, mova a alavanca do lado saudável em ordem numérica e retornar em sentido inverso ( "Pontos de rastreamento" de tarefas). Repita o procedimento para cerca de 5 min.
- O uso de qualquer objeto na vida diária tais como ac-se, usando punho no lado saudável, empurre-o para um local escolhido ( "Movendo um copo" tarefa). Repita o procedimento para cerca de 5 min.
- Livremente mover o braço saudável ao olhar no espelho cerca de 5 min para o exercício de aquecimento.
2. Componentes do robô sistema do espelho
- configurações do sensor AHRS
- Obter 3 sensores AHRS disponíveis comercialmente.
NOTA: Os sensores de AHRS consiste de um sensor magneto, acelerômetro e sensores de giroscópios (total 9 eixos). - Ligue o sensor AHRS a um PC com um conector USB.
- Use um software de comunicação HyperTerminal ou outro para configurar as definições gerais do sensor.
- Para cada AHRS sensor, definido para a comunicação RS232 e selecione a porta COM. Em seguida, defina a taxa de transmissão de 115.200 bits por segundo, bits de dados a 8, paridade a nenhum, bits de paragem a 1, e controle de fluxo para nenhum.
- Para verificar a porta COM, clique no botão casa no canto inferior esquerdo. Botão direito do mouse no computador. Em seguida, clique em Propriedades. Clique em Gerenciador de Dispositivos. Expandir guia Porta (COM & LPT), clicando nela.
- Uma vez que o communicação tenha sido estabelecido, definido canal 100 e para atribuir IDs para cada sensor.
NOTA: Alguns sensores podem precisar de calibração do acelerômetro, giroscópio e magnetômetro antes do uso. - Definir o formato de saída como quaternions e sensores definido para exibir reserva da bateria.
NOTA: Quaternions são usados para acelerar a computação, bem como para eliminar singularidades de bloqueio do cardan.
- Obter 3 sensores AHRS disponíveis comercialmente.
- ajustes do motor DC sem escovas
- Prepare 2 motores e controladores brushless DC de alta performance.
- Para cada controlador, conecte o cabo de alimentação a uma fonte de alimentação. Além disso, conecte o cabo do motor, cabo do sensor Hall, e cabo do encoder ao motor.
- Conecte o cabo CAN-CAN para outro controlador.
NOTA: CANopen é usada para a comunicação entre os dispositivos. - Set ID do nó para cada controlador de distinguir entre os dispositivos.
- Ligue o cabo USB ao PC para a configuração geral.
- Ligue a fonte de alimentação para ligar o controllers e motores.
- Use o software de configuração do sistema fornecido pelo fabricante do motor para configurar e afinar o motor, sensor Hall e encoder.
NOTA: Ângulo limites e posição inicial deve ser configurado para uma operação segura.
- Montagem de armação e motores
NOTA: Cada parte feita sob medida é nomeado em aspa. Por favor, consulte a Tabela de Materiais e Equipamentos e da Figura 4 a Figura 13.- Para o motor articulação do cotovelo, coloque um dos corpos de acoplamento com a chaveta no eixo do motor e fixe-a usando um parafuso de ajuste sextavado M5 (Figura 4).
- Seguro "Elbow tampa de acoplamento cilindro oco" para o motor cotovelo usando parafusos de cabeça de soquete 4x M5 (10 mm) e coloque a peça tampão dos acoplamentos (meia parte deslizante) na parte superior do corpo de acoplamento que foi anexado no passo 2.3.1 (Figura 4).
- Ligue o rolamento de esferas em "frame na cobertura do cotovelo"e fixe-o com parafusos sextavados 4x M4 (8 mm) (Figura 5).
- Plug "eixo dispersão força motora Elbow" em "Lower suporte de cotovelo" e fixe-o com parafusos Allen 4x M3 (6 mm). Em seguida, coloque "suporte de cotovelo superior" no topo do "apoio Lower cotovelo" e fixe-o com parafusos 8x M3 soquete de cabeça (12 mm) (Figura 6).
- Coloque o conjunto no passo 2.3.4 em cima, a montagem no passo 2.3.3 no meio, ea última parte do corpo de acoplamento na parte inferior. Junte-se todos juntos e proteger o corpo de acoplamento com parafusos sextavados M5 (10 mm) (Figura 7).
- Seguro de montagem no passo 2.3.5 e montagem no passo 2.3.2 usando parafusos 4x M5 soquete de cabeça (15 mm) (Figura 7). Gire a montagem no passo 2.3.2 para garantir todos os 4 pontos.
- Seguro "Lower acoplamento pulso tampa do cilindro oco" com o motor de pulso usando parafusos de cabeça de soquete 4x M4 (10 mm). Em seguida, coloque um dosos corpos de acoplamento com chaveta no eixo do motor e fixe-o com parafusos de fixação sextavados M4; em seguida, colocar a parte de tampão de os engates no topo do corpo de acoplamento (Figura 8).
- Anexar "anel de redução de atrito" no topo do "frame na cobertura de pulso" com fita dupla face ou qualquer tipo de adesivo (Figura 9).
- Plug "eixo dispersão força motora de pulso" em "punho" e fixe-o com 4x M2.5 parafusos Allen (4 mm) (Figura 10).
- Coloque a montagem no passo 2.3.9 em cima, montagem no passo 2.3.8 no meio, ea última parte do corpo de acoplamento na parte inferior. Junte-se todos juntos e proteger o corpo de acoplamento com parafusos sextavados M4 conjunto (10 mm) (Figura 10).
- Seguro "motor2roof2 Pulso" com a montagem no passo 2.3.10 usando parafusos Allen 4x M3 (Figura 11).
- Seguro de montagem no passo 2.3.11 e montagem no passo nos 2.3.7parafusos de 4x M3 de cabeça de soquete (15 mm) (Figura 11).
- Fixe 2 "limitador de movimento comum" e 2 coleiras eixo usando parafusos 4x M4 soquete de cabeça (15 mm) (Figura 12a).
- Use coleiras eixo para fixar eixos e "frame na cobertura de pulso" com parafusos 8x M3 soquete de cabeça (8 mm) (Figura 12b).
- Deslize os colares do eixo em conjunto 2.3.13 nos eixos na montagem 2.3.14 e seguro coleiras eixo adicionais "Lower suporte de cotovelo", usando parafusos de cabeça de soquete 4x M4 (15 mm). Em seguida, junte as duas partes e prenda com alavanca (Figura 13A).
- Seguro "muro de suporte" para a montagem no passo 2.3.15 usando parafusos 6x M4 soquete de cabeça (15 mm) (Figura 13b). Fixe o suporte de mesa e montagem na etapa 2.3.16 usando parafusos de cabeça de soquete 6x M6 (15 mm) (Figura 13C).
3. Projeto de Espelho RobSistema ot
- modelo matemático para controle automático
- Definir modelo dinâmico para o controlo automático de movimento do membro superior (Figura 14).
NOTA: Um modelo dinâmico de movimento do membro superior humano pode ser expresso utilizando a cinemática das articulações e links. Portanto, utilizando uma equação para o robô manipulador, a modelação pode ser obtido como mostrado a seguir:
NOTA: (
: Joint vetor posição, 
: Joint vetor de velocidade, 
: Joint vector de aceleração, H: matriz de inércia, F: Coriolis e matriz força centrífuga, G: vetor de forças gravitacionais, E: matriz Torque devido à interação com o meio ambiente, 
: Vetor de forc generalizada es aplicadas às articulações) O hemiplégico e braço mostram diferentes aspectos saudáveis do movimento. Isto é, o braço de hemiplegia não pode mover-se no tempo, devido aos músculos paralisados ou não pode proporcionar suficiente binário necessário para o movimento. Portanto, o sistema é concebido de tal forma que a formação de reabilitação pode ser feito por meio de movimento normal através do braço de hemiplegia; Em outras palavras, o robô de reabilitação é ligado ao braço hemiplegia do paciente, a fim de proporcionar movimentos do braço e saudável pode ser simplesmente formulados como se segue:
Moção de robô reabilitação) = (movimento do braço Saudável) - (hemiplégica braço de movimento). - Com um robô reabilitação, anexar braço paralisado do paciente para o manipulador, e observar torque adicional e tempo de atraso devido ao braço paralisado causar erros no sistema global. Detectar essa via um manipulador no lado hemiplégico.
- Medir os erros (s (t): tracking error) como uma equação matemática:
es / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
NOTA: (s: Seguimento do erro,
: Matriz positiva parâmetro de projeto definido, 
: Erro entre a posição desejada e real, 
: Erro entre o desejado e a velocidade real) O erro de seguimento acima pode ser combinado com um modelo dinâmico de movimento do membro superior humano e pode ser expresso como: 
NOTA: (K D: valor ganho derivativo com compensação de feedback que muda ao longo do tempo,
: Matriz de erro inércia, 
: Coriolis e matriz de erro força centrífuga) - Para controlar cada junta do robô de reabilitação, use Lagrdinâmica angian 8. A equação dinâmica de movimento para cada conjunto é:
NOTA: (D: matriz dos coeficientes,
: Matriz Actuador inércia) Coeficiente D na equação acima afecta o binário entre as articulações com efeito de acoplamento inercial entre as articulações 8. O modelo de controlo automático utilizando este modelo matemático pode ser ilustrado pelo esquema de blocos da figura 14.
- Definir modelo dinâmico para o controlo automático de movimento do membro superior (Figura 14).
- Protocolo de software (Figura 15)
- Quando o programa começa, estabelecer comunicação com motores e sensores, e inicializar os valores. Uma vez que os motores e sensores estão na posição inicial (ver 4.1.3), passar para o loop principal.
NOTA: Para frequência de amostragem do circuito principal, recomendamos 50 - 200 amostras / seg. Para o atraso máximo, recomendamos 2 segundos, no máximo. Além disso, para obter os limites de torque, nósrecomendado para regular o valor corrente do motor com o software de modo a que o motor possa exercer cotovelo 25 - 40 Nm e o motor pode exercer pulso de 10 - 20 Nm. - Como não é interrompido por um botão de parada, leia continuamente a atitude e atuais valores de posição Heading Reference System (AHRS) Sensores de 'transmitir os valores para os motores.
NOTA: A saída de dados é em quatérnions, e devem ser adequadamente transformado no ângulo desejado para o movimento do robô. Escolha uma das sensor de coordenar quadros como uma referência, e redefinir o outro sensor de coordenadas frames. Com quadros calculado como uma referência, usar cinemática inversa para se obter os ângulos de guinada finais de saída. - Uma vez que não é interrompido por um botão de paragem, verificar continuamente as posições dos motores e actualizar os valores para realizar o movimento para a posição desejada proporcionada pelos sensores SADH.
NOTA: A posição do motor é fornecido pelo codificador do motor que pode ser verificado dentro do software com a empresa do motor & #39; s fornecida comando biblioteca de software. - Enquanto isso, gravar todos os ângulos e velocidades angulares dos sensores AHRS.
- Uma vez que as tarefas são concluídas e o usuário pressiona o botão de parar, sair do loop e finalizar o robô movendo-a para a posição inicial.
- Quando o programa começa, estabelecer comunicação com motores e sensores, e inicializar os valores. Uma vez que os motores e sensores estão na posição inicial (ver 4.1.3), passar para o loop principal.
- Interface gráfica do usuário (GUI) (Figura 16)
- Adicionar "error in" e "erro fora" funções para detectar e depurar erros durante a execução.
- Adicionar botão do lado do paciente a escolher o lado operação do robô (lado parético do paciente).
- Construir uma caixa de informações do paciente para identificar os pacientes.
- Adicionar indicadores de status do motor.
- Adicionar controles de limitação de ângulo para a segurança.
- Configurar a velocidade máxima, aceleração, desaceleração e para cada motor para evitar lesões musculares e do tendão devido a um membro superior rígida.
NOTA: O sistema reflete a aceleração e desaceleração do braço hemiplégico. - UMAindicadores dd para recuperar posição do motor e velocidade, e informações de corrente de entrada.
- Construir um VISA controle nome do recurso para estabelecer a comunicação entre sensores AHRS e o sistema.
- Adicione uma função de calibração para eliminar erros do sensor de deriva acumulada.
- Organizar o indicador para os sensores, a fim de recuperar as informações do sensor.
Nota: As informações do sensor inclui os ângulos articulares (ângulo entre dois sensores consecutivos) e reserva de bateria.
- espasticidade braço superação durante a operação espelho robô
- Escolha motores que podem exercer binário suficiente para superar a espasticidade para cada junta.
NOTA: O motor de pulso deve ter saída de torque superior a 10 Nm, e motor de cotovelo superior a 25 Nm. - A fim de transferir o movimento do robô firmemente ao braço do paciente, utilização de cintas que são feitas de material semi-elástico para fixar o antebraço no exoesqueleto robô.
NOTA: Semi-elástico tiras, como stretch tiras de tecidos ou de poliéster / nylon tiras trançadas elástica, são recomendados. Se as correias são demasiado elástica, que não vai manter o braço na sua posição. Se as tiras não são elásticos em tudo, do músculo ou do tendão lesões podem ocorrer no caso de um elevado grau de espasticidade cotovelo. - A fim de isolar o cotovelo e o pulso de movimento, utilizar 2 quadros sólidos combinados com uma gola para fixar o eixo de pulso, apertando-o nos quadros.
NOTA: os colares do eixo são usados para prevenir lesões musculares e tendinosas se a rigidez no pulso é excessivo. - Use cintas em torno do punho para fixar a mão para o robô.
- Escolha motores que podem exercer binário suficiente para superar a espasticidade para cada junta.
: Joint vetor posição, 
: Joint vetor de velocidade, 
: Joint vector de aceleração, H: matriz de inércia, F: Coriolis e matriz força centrífuga, G: vetor de forças gravitacionais, E: matriz Torque devido à interação com o meio ambiente, 
: Vetor de forc generalizada es aplicadas às articulações) O hemiplégico e braço mostram diferentes aspectos saudáveis do movimento. Isto é, o braço de hemiplegia não pode mover-se no tempo, devido aos músculos paralisados ou não pode proporcionar suficiente binário necessário para o movimento. Portanto, o sistema é concebido de tal forma que a formação de reabilitação pode ser feito por meio de movimento normal através do braço de hemiplegia; Em outras palavras, o robô de reabilitação é ligado ao braço hemiplegia do paciente, a fim de proporcionar movimentos do braço e saudável pode ser simplesmente formulados como se segue: 
: Matriz positiva parâmetro de projeto definido, 
: Erro entre a posição desejada e real, 
: Erro entre o desejado e a velocidade real) O erro de seguimento acima pode ser combinado com um modelo dinâmico de movimento do membro superior humano e pode ser expresso como: 
: Matriz de erro inércia, 
: Coriolis e matriz de erro força centrífuga) 
: Matriz Actuador inércia) Coeficiente D na equação acima afecta o binário entre as articulações com efeito de acoplamento inercial entre as articulações 8. O modelo de controlo automático utilizando este modelo matemático pode ser ilustrado pelo esquema de blocos da figura 14. 4. Aplicação Clínica do Sistema Espelho Robot
- Realização de terapia espelho robótico
- Ajustar a altura e a largura da mesa de trabalho, de acordo com a condição do paciente.
- Configurar um espelho na linha média entre os dois braços, e coloque-o sobre uma mesa ou plataforma.
- Coloque sensores AHRS em punho, punhoquadro, e borda da plataforma sobre alinhamento lado saudável em paralelo com a orientação do robô.
NOTA: eixo de rotação interna do sensor deve ser apontando para cima. - Executar o software terapia em um computador.
- Escolha o lado hemiplégico, clicando no botão interruptor Patient-Side.
- Definir os limites máximos ângulo conjunta em conformidade com a condição conjunta do paciente. Para uma operação segura, utilize o cotovelo limite de flexão inferior a 50º, o limite de extensão do cotovelo mais de -70º, limite de flexão do punho inferior a 80º, eo limite de extensão do punho mais de -60º.
NOTA: Plus e sinais de menos são automaticamente corrigidos e limites também são corrigidos se fora dos limites do nível de software. - Defina a velocidade máxima, aceleração e desaceleração. Para estes valores, utilize valor de velocidade entre 0 e 22,5 rpm para o valor da velocidade do motor cotovelo e uso entre 0 e 33 rpm para o motor pulso.
NOTA: Para a terapia de espelho convencional, definir todos os valores a zeropara imobilizar o robô. - Preencha as informações do paciente.
- Ligue todos os sensores AHRS antes de executar o programa.
- Execute o programa clicando no botão de seta no canto superior esquerdo do programa.
- Uma vez que o "salvar como" pops rápidas-se, escrever nomes de arquivos apropriados para dados do resultado na caixa de cadeia e pressione ok.
- Enquanto o robô eo braço saudável são na posição inicial (ambas as mãos longe do corpo e paralelos uns aos outros), pressione o botão de calibração para inicializar os valores de sensor a zero para a posição inicial.
NOTA: Consulte as etapas 1.1.1 - 1.1.4 para as mãos usadas nesta tarefa. - Pressione o botão PARAR quando todas as tarefas sejam concluídas.
NOTA: Para a terapia do espelho robótico, um engenheiro biomédico deve agir como coordenador principal, e o terapeuta ocupacional deve ajudar o paciente.
- um estudo clínico sobre indivíduos saudáveis
- Realizar um estudo clínico em indivíduos saudáveis para confirmarsegurança ea viabilidade 8. Dar a instrução ( "Não mover o seu braço hemiplégico em seu próprio país.") Para os assuntos para o movimento completamente passivo do braço hemiplégico.
- Coloque ambos os antebraços sobre os quadros e as mãos sobre as alças. Em seguida, corrigir os antebraços com alças.
- Avaliação dos efeitos terapêuticos
- Antes da terapia, conduzir avaliações funcionais, tais como Fugl-Meyer escala de avaliação 9, a escala Ashworth modificada 10, índice de Barthel modificado 11, Jebsen teste de função manual, medição de potência lado, teste de negligência unilateral, e evocado motor de teste potencial para os pacientes.
- Realizar ensaio clínico para pacientes com AVC com 2-dimensional robô espelho por 30 - 60 min por dia. Dar a instrução ( "Não mover o seu braço hemiplégico em seu próprio país.") Para os pacientes.
- Depois que os pacientes realizar última sessão, a conduta de acompanhamento avaliações funcionais.
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Representative Results
Seis indivíduos saudáveis realizaram um 'pena de marcação tarefa "(tocando as duas pequenas placas alternadamente com uma caneta ligada na mão saudável como mostrado na Figura 17) 10 vezes que tiveram, em média, 106 segundos por assunto. Nenhum evento adverso foi observado, e terapia do espelho robótico foi provado ser viável.
Além disso, foi realizado um estudo clínico sobre os médicos de reabilitação. Nós solicitada opiniões de especialistas para determinar tarefas apropriadas para a terapia ocupacional eficaz espelho robótico. Com comentários de 6 médicos de reabilitação, o grau de ilusão provocada pelo robô espelho era mais alta para "Bola em buracos" e "mover um copo" tarefas (7.2 de 10 numa escala de classificação numérica [NRS] para cada), seguido por "jogo de futebol" (7.0 / 10) e "pontos de rastreamento" tarefas (6.5 / 10). Em relação à sincronia de movimento entre ambos os braços duranterobótico terapia espelho ", movendo-se de um copo" tarefa teve uma pontuação NRS de 7,0 / 10, seguido de "jogo de futebol" e "pontos de rastreamento" (6.8 / 10 cada), e "bola em buracos" (6.2 / 10) (Figura 3). Entre estes 4 tarefas, os médicos de reabilitação recomendado "jogo de futebol" como uma tarefa útil para a formação ADL em pacientes com acidente vascular cerebral.
Foi realizado um ensaio clínico para pacientes com AVC com espelho robô durante 30 minutos por dia durante 2 semanas (10 sessões). Assuntos precisa atender aos seguintes critérios de inclusão: 1) mais de 18 anos de idade; 2) O curso supratentorial diagnosticados entre 4 meses e 6 anos; e 3) hemiplegia dos membros superiores com Medical Research Council (MRC) de grau 2 ou menos. critérios de exclusão principais são os seguintes: 1) a escala modificada de Ashworth de grau 3 ou mais (espasticidade grave); 2) mini exame do estado mental pontuação inferior a 12; e 3) a afasia global ou sensorial.
10ª visita, ele conduziu o acompanhamento avaliações funcionais. A escala de avaliação de Fugl-Meyer do braço hemiplégico melhorou de 12 para 17 fora de 66, e modificado escala Ashworth dos flexores do cotovelo (para espasticidade) foi reduzida de grau 2 a 1+. Esquerda poder pinça lateral foi aumentada de 0 a 3 lb Outros parâmetros não revelou nenhuma diferença antes e após a terapia espelho robótico (Figura 18 e Tabela 1).
Figura 1. Fluxo Conceitual para a Robotic Mirror Terapia para Facilitar a entrada proprioceptiva. O experimento foi concebido de acordo com o fluxo conceitual para a terapia do espelho robótico.
Figura 2. Um diagrama do robô sistema do espelho. Os movimentos do braço saudável são projetados para o exoesqueleto preso ao braço hemiplégico por um algoritmo de software através da entrada de 3 sensores AHRS. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
. Figura 3. Várias tarefas usando o sistema do robô Espelho Os usuários podem ser treinados por tarefas 2-dimensionais; bola em buracos, jogo de futebol, pontos de rastreamento, e que se deslocamum copo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. Cotovelo Motor Assembléia. Assembly passos de cotovelo do motor conjunta, acoplamentos, e acoplamento cotovelo tampa do cilindro oco.
Figura 5. Tendo & conjunto da estrutura do telhado Elbow. Assembléia entre o rolamento eo conjunto do cotovelo quadro no último piso.
Figura 6. Montagem Suporte Elbow. Etapas de montagem para eixo de dispersão força motora cotovelo, superior e apoio lbow, e menor suporte de cotovelo.
Figura 7. Suporte Elbow e Elbow Motor Assembléia. Assembly passos para a sustentação do cotovelo e o motor cotovelo.
Figura 8. pulso Motor Assembléia. Assembly passos para o pulso do motor conjunta, acoplamentos, e menor acoplamento pulso tampa do cilindro oco.
Figura 9. Friction Anel Redução de anexos. Anexo do anel de redução de atrito para o quadro de pulso no último piso.
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Figura 10. Handle Assembly. Assembly passos para a alça impressa em 3D, acoplamento e do eixo dispersão força motora pulso.
Figura 11. punho e punho Motor Assembléia. Assembly passos para o motor do pulso e do punho.
Figura 12. passos Joint Movement limitador Assembleia. De montagem para o (A) limitador de movimento articular, (B) do eixo de ajuste de comprimento, eo identificador montado.
Figura 13. Montagem Final.Etapas de montagem para o (A) montado peça do motor cotovelo com a parte motora pulso montado usando coleiras dos eixos e do eixo, (B) montada robô com os muros de suporte, e (C) montado robô com tabela de tarefas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 14. Esquema de blocos do Modelo Matemático Controle Automático. O exoesqueleto robótico utiliza mecanismo de feedback fechado para controle em tempo real.
Figura 15. Programa de Software geral. O programa de software utiliza uma estreitamecanismo de feedback d para acionar o sistema do robô. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 16. GUI do Programa. O usuário pode controlar e configurar o programa para a terapia via GUI. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 17. A pena de marcação de tarefas em 6 indivíduos saudáveis usando o protótipo de espelho do robô do sistema. Realizar uma caneta tarefa 10 vezes consecutivamente levou, em média, 106 segundos por assunto marcação.
Figura 18. Avaliação Funcional de um 60-year-old paciente do sexo masculino com Chronic direito Basal Ganglia Hemorragia. Principais subconjuntos de dados que mostraram melhora após 10 sessões de terapia espelho robótico. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Antes | Depois de 10 sessões | |
| Exame do estado mini-mental, | 29 | - |
| Escala de avaliação de Fugl-Meyer (Extremidade superior) | 12 | 17 |
| Ombro/cotovelo | 11 | 15 |
| Pulso | 0 | 1 |
| Mão | 1 | 1 |
| Escala Ashworth modificada | ||
| Elbow flexor | 2 | 1+ |
| flexor do pulso | 0 | 0 |
| Índice de Barthel modificado (Extremidade superior) | 25 | 25 |
| Teste de função manual de Jebsen | inatingível | inatingível |
| Poder mão esquerda (LB) | ||
| Aperto | 8 | 8 |
| eupitada ateral | 0 | 3 |
| Palmar pitada | 0 | 0 |
| teste heminegligência | ||
| Teste bisection linha | 6/6 cada | 6/6 cada |
| teste de Albert | 12/12 cada | 12/12 cada |
| Potencial evocado motor | Sem resposta | Sem resposta |
Tabela 1. Avaliação Funcional de um 60-year-old paciente do sexo masculino com Chronic direito Basal Ganglia hemorragia.
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Discussion
O objetivo principal deste estudo foi desenvolver um sistema de espelho robô em tempo real para a recuperação funcional de um braço hemiplégico usando um algoritmo de controle automático. O efeito da terapia assistida por robô em recuperação a longo prazo do comprometimento dos membros superiores após AVC foi revelado benéfica em estudos anteriores 12, e vários tipos de robôs de braço foram introduzidas 13-20. No entanto, estudos anteriores de robôs extremidade superior que realizados movimento bilateral braço aplicada ligações mecânicas sem o uso de um espelho, o qual é diferente do conceito de terapia espelho 14-15. Assim, nosso estudo pode ser uma extensão do seu trabalho usando um espelho real para facilitar a entrada proprioceptiva.
Para atualizar o sistema anterior, que permitiu o braço hemiplégico a se mover em tempo real através da aplicação de sensores AHRS no braço saudável e anexando motores até o cotovelo hemiplégico e punho. entrada proprioceptiva do braço hemiplégico aocórtex sensorial do cérebro pode ser melhorada através do sistema de espelho robô. Facilitação da propriocepção precisa ser confirmada por ressonância magnética funcional do cérebro em um estudo futuro.
É crítico para o sistema a ter um atraso mínimo de sincronização uma vez que o efeito de espelho será maximizado quando o atraso é minimizado. Para conseguir isso, nós recuperamos dados de sensores com contagem mínima necessária byte enquanto lê-los em paralelo dentro de um loop dentro da arquitetura de software. Como resultado, o atraso de sincronização entre o braço saudável e o robô é apenas cerca de 0,04-0,40 seg.
Existem várias limitações neste estudo. Em primeiro lugar, não foi possível incluir os movimentos dos dedos finos, como agarrar ou apertar, e tarefas em 3 dimensões da terapia espelho convencional. Em segundo lugar, nós não corrigir a articulação do cotovelo do braço saudável para preservar o movimento fisiológico, tanto quanto possível. No entanto, limitação da amplitude de movimento do cotovelo seria útil para melhorar syncronicidade com o cotovelo oposto que é movido pelo motor. Modificação do sistema através da instalação de uma estrutura adicional que protege o cotovelo lado saudável irá melhorar a sincronia e, por conseguinte, irá aumentar o efeito da terapia. Em terceiro lugar, os pacientes que tiveram grave espasticidade ou rigidez não puderam ser incluídos por causa da potência do motor insuficiente, embora o conjunto se movia lentamente. O sistema poderia ser modificado pela substituição do motor com uma maior produção de torque para ultrapassar a rigidez moderada. No entanto, mesmo com um forte do motor, o tratamento de pacientes com níveis graves de espasticidade ou rigidez deve ser evitada para evitar lesões do tendão ou do osso, devido à aplicação de força excessiva para as articulações.
Acreditamos, contudo, que o sistema de espelhos robô aqui apresentadas pode ser facilmente desenvolvidos e utilizados eficazmente para avançar terapia ocupacional.
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Disclosures
Os autores não têm nada para revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pelo cérebro Programa Fusão de Seoul National University (800-20120444) e do Programa de Iniciativas de Pesquisa Interdisciplinar da Faculdade de Engenharia e Faculdade de Medicina da Universidade Nacional de Seul (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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