Je tiens à souligner l&#39;aide technique de Brian Zenowich, Daniel Evestedt et Winsean Lin.

Présentation Il ya un besoin croissant dans l&#39;ensemble de l&#39;interaction homme-machine (IHM) intuitives et efficaces pour les environnements interactifs. De nombreuses industries continuent à dépendre plus fortement des IHM, tels que: la robotique de réhabilitation, l&#39;industrie automobile, la fabrication des métaux, des machines d&#39;emballage, les produits pharmaceutiques, alimentaires, de boissons, et les utilitaires. Technologies employées dans ces industries incluent: terminaux d&#39;affichage, des ordinateurs personnels et logiciels IHM. Ces technologies peuvent être combinés ensemble pour exécuter des fonctions illimitées. Les robots peuvent être utilisés pour faciliter l&#39;interaction directe avec les utilisateurs, tels que de servir comme un professeur de musique. Par exemple, des chercheurs à l&#39;Université Waseda ont créé un robot qui joue du saxophone pour enseigner aux gens comment jouer et à comprendre l&#39;interaction entre l&#39;élève et l&#39;enseignant 1. Autres chercheurs en robotique ont fait un robot basé sur la vision voler afin de déterminer comment l&#39;intelligence artificielle peut évoluer vers des interactions intelligentes avec l&#39;environnement 2. La concentration particulière de cet article réside dans la robotique de réhabilitation. Dans le domaine de la recherche et l&#39;industrie, le rythme rapide de changement pour les nouveaux produits et les exigences des utilisateurs continue de croître. Ces exigences imposent plus de difficultés à l&#39;évolutivité. Ainsi la conception de code est devenu essentiel dans la satisfaction des besoins de ces entités dans les meilleurs délais. Ainsi, la qualité d&#39;un candidat solide architecture comprendrait facilement interchangeables graphiques-robot des systèmes qui incluent le soutien du conducteur. L&#39;architecture H3DAPI répond à ces besoins et donc une classe wrapper a été créé. Par ailleurs, H3D est conçu pour les environnements de réalité virtuelle, tels que ceux qui sont nécessaires dans la robotique de réhabilitation. Neural rééducation robotique cherche à utiliser des robots dans le but d&#39;aider les professionnels de la réadaptation. L&#39;aide que fournissent ces robots se présente sous la forme d&#39;un champ de force. Passé chercheurs commande moteur tels que Shadmehr et Mussa-Ivaldi, utilisé des champs de force pour favoriser l&#39;adaptation du moteur, et avons trouvé 1) l&#39;adaptation à un champ de force externe appliquée se produit avec différentes classes de mouvements, y compris mais non limité à des mouvements atteignant, et 2) l&#39;adaptation généralise à travers les différents mouvements qui visitent les mêmes régions des 3 champ externe. Recherche d&#39;ingénieurs en biomécanique de la performance basée sur Progressive thérapie assistée par robot montre que répétitives, les tâches spécifiques, orientés vers un but, robot-assistée thérapie est efficace dans la réduction des déficiences moteur dans le bras affecté après un AVC 4, mais les effets exacts thérapeutiques et des paramètres continuera d&#39;être un domaine de recherche. Rétroaction sensorielle affecte l&#39;apprentissage et d&#39;adaptation. Donc la question logique suivante serait de demander si oui ou non augmenter artificiellement l&#39;ampleur de ces réactions seraient promotion plus rapide ou plus complet d&#39;apprentissage / adaptation. Certains chercheurs ont constaté que l&#39;application de forces plus grandes réactions sensorielles ou des indices visuels pour améliorer erreurs peuvent fournir un stimulus neurologique adéquat pour promouvoir des niveaux plus élevés d&#39;adaptation / apprentissage 5,6. Ceci est connu comme &quot;l&#39;augmentation d&#39;erreur&quot;. Ce phénomène peut être dû au fait que les résultats une fois d&#39;une action de contrôle moteur s&#39;écarter de l&#39;idéal, notre modèle interne d&#39;auto-ajuste en fonction de l&#39;ampleur de l&#39;erreur. En conséquence, comme notre modèle interne des approches de l&#39;environnement externe, erreur dans l&#39;exécution d&#39;une tâche diminue. La recherche continue de soutenir la pratique prolongée de fonctionnellement les activités pertinentes pour la restauration de la fonction, bien que de nombreux courants politiques de soins de santé limiter la quantité de temps que les patients peuvent passer du temps avec les thérapeutes. La question est de savoir si convaincant ces nouvelles applications de la technologie peut aller plus loin que de simplement donner une dose plus élevée de l&#39;état actuel des soins. Des études d&#39;interaction homme-machine ont révélé de nouvelles perspectives dans les domaines de l&#39;apprentissage moteur, et peut dans certains cas, offrir une valeur ajoutée au processus thérapeutique. Spécialisé dispositifs robotiques combiné avec l&#39;ordinateur affiche peut augmenter rétroaction d&#39;erreur dans le but d&#39;accélérer, améliorer, ou de déclencher le réapprentissage moteur. Ce document présente une méthodologie d&#39;utilisation d&#39;un système développé pour une intervention clinique comme un exemple de telles de l&#39;application de cette technologie. 1. L&#39;établissement classe wrapper HAPI pour un robot <ol><li> Créer un wrapper pour HAPI la bibliothèque haptique en créant votre propre. Cpp et fichier d&#39;entête. Par exemple nous allons utiliser le nom et HAPIWAM.cpp HAPIWAM.h. </li><li> HAPIWAM.cpp placer dans le répertoire source: HAPI / src </li><li> HAPIWAM.h placer dans le répertoire du fichier en-tête: HAPI / include / HAPI </li><li> Au sommet de HAPIWAM.h, inclure le fichier d&#39;entête principale (s) de votre robot, dans le cas de la MAO Barrett, qui serait: </li></ol> &lt;em&gt; extern &quot;C&quot; { # Include &lt;include/btwam.h&gt; } # Include &lt;HAPI/HAPIHapticsDevice.h&gt; Remarque: extern &quot;C&quot; est nécessaire pour résoudre mangling compilateur, parce que la bibliothèque incluse est écrit dans &#39;C&#39; et l&#39;H3DAPI est écrit en C + +. <ol start="5"><li> En HAPIWAM.h, créez votre classe et comprennent les 4 fonctions suivantes </li></ol> bool initHapticsDevice (int); bool releaseHapticsDevice (); updateDeviceValues ​​void (DeviceValues ​​&amp; DV, HAPITime dt); nulle sendOutput (HAPIHapticsDevice:: DeviceOutput &amp; D, HAPITime t); <ol start="6"><li> Assurez-vous que votre classe hérite publiquement de la classe HAPIhapticsdevice. </li><li> Créer un garde-tête pour votre classe. </li><li> Créer DeviceOutput statique et attributs HapticsDeviceRegistration statique sous la classe HAPIWAM. </li><li> Créez vos fonctions de membre statique pour les rappels. </li><li> Définissez votre constructeur et destructeur de HAPIWAM.cpp. </li><li> Enregistrez votre appareil dans HAPIWAM.cpp. </li><li> Définissez vos 4 fonctions héritées et les rappels dans HAPIWAM.cpp. </li></ol> 2. HAPI bibliothèque de la création <ol><li> Maintenant que nous avons créé la classe wrapper HAPI, nous avons besoin pour construire votre enveloppe dans la bibliothèque HAPI. Le WAM dépend de certaines bibliothèques qui H3DAPI ne dépend pas dans sa forme brute, par conséquent, ces bibliothèques devront être ajoutés à HAPI. Aller à la HAPI / HAPI / construire et modifier CMakeLists.txt. Ajoutez les bibliothèques dépendantes, après la ligne qui indique &quot;SET (OptionalLibs). </li><li> Ouvrez une console de commande et accédez à: HAPI / HAPI / construire et tapez les 3 commandes suivantes dans cet ordre: </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 3. Classe wrapper H3D <ol><li> Pour créer la classe wrapper pour la bibliothèque H3D avec votre HAPIWAM, créez d&#39;abord WAMDevice.cpp dans le répertoire source: H3DAPI/src </li><li> WAMDevice.h placer dans le répertoire du fichier en-tête: H3DAPI/include/H3D </li><li> WAMDevice.h doit contenir le fichier d&#39;entête standard pour tous les appareils H3DAPI, avec le nom remplacé à ce que vous voulez. </li><li> WAMDevice.cpp devrait mentionner la source standard pour tous les appareils H3DAPI, avec le nom remplacé à ce que vous voulez. </li><li> Maintenant que la classe wrapper a été créé, de reconstruire la bibliothèque H3DAPI. Faites cela en éditant CMakeLists.txt de la même manière qui a été effectuée à l&#39;étape 2.1, que sous le répertoire: H3DAPI/build. </li><li> Reconstruire la bibliothèque H3DAPI sous le répertoire H3DAPI/build </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 4. Machine à états finis <ol><li> Chaque programme ciblé d&#39;atteindre nécessite la création d&#39;une machine à états finis pour contrôler le protocole expérimental ou d&#39;un régime pratique. Machines d&#39;état typiques incluent: Début du procès, Lancement, contacter la cible, et fin du procès. Un exemple de la fonction de chaque Etat, et les critères de transfert entre les Etats est ci-dessous. </li><li> Le début du procès nécessite l&#39;attribution d&#39;une cible. Endroits objectifs peuvent être fixés de façon aléatoire pour chaque essai ou peut être réglée à partir d&#39;un fichier. Le début du procès se termine une fois que l&#39;utilisateur a lancé vers la cible au dessus du seuil de vitesse, généralement 0,06 mètres par seconde. </li><li> L&#39;Etat de lancement a lieu après le début du procès. Cet état se termine soit lorsque l&#39;utilisateur touche la cible ou le reste à l&#39;intérieur de la cible pour une période de temps. Une fois que la cible est touchée, cela permet à l&#39;Etat de contact cible. </li><li> Contactez-cible se produit pendant l&#39;état de lancement. Il peut prendre fin dès que la cible est touchée ou après que le sujet réside dans la cible pour une période de temps spécifique. Une fois ce temps écoulé, la fin de l&#39;état de première instance est activé. </li><li> La fin de l&#39;état du signal d&#39;essai doit le logiciel de collecte de données pour marquer le fichier de données, quelle qu&#39;en soit l&#39;analyse du développeur de logiciels a utilisé, pour délimiter la fin de l&#39;essai chacun. Moins que l&#39;essai final a été terminé, la fin de la fin de l&#39;état d&#39;essai permet à l&#39;Etat Début du procès. </li></ol> 5. Application: la réhabilitation du patient course <ol><li> L&#39;interface robotique a été conçu pour faire participer l&#39;expertise thérapeute tout en utilisant le robot pour permettre à quelque chose qui ne pourraient autrement être fait. L&#39;application de la technologie a permis (décrits plus en détail ci-dessous) de l&#39;augmentation d&#39;erreur, ce qui a amplifié les erreurs perçues par le patient, qui pour plusieurs raisons bien connues améliore le processus de réapprentissage (fig 1). </li><li> Un haptique en trois dimensions / système graphique appelé la Réalité Virtuelle robotique et optique machine Opérations (VRROOM). Ce système, présenté précédemment 6, une chaîne stéréo combinée projetée, chef-rendu suivi sur un écran semi-argenté miroir de superposition avec un système robotique qui a enregistré la position du poignet et a généré un vecteur de force (figure 2). </li><li> A di qualité cinématographiquegital projecteur (Christie Mirage 3000 DLP) s&#39;affichent les images qui s&#39;étend sur un écran de cinq pieds de large pixels 1280x1024, résultant en un angle de vision 110 ° de large. Émetteurs infrarouges synchronisées images distinctes œil gauche et à droite par Liquid Crystal Display (LCD) lunettes à obturation (stéréographique, Inc). Ascension Flock of Birds éléments magnétiques ont suivi le mouvement de la tête de sorte que l&#39;affichage visuel a été rendu à la tête appropriée perspective centrée. </li><li> Lors de qualification pour l&#39;étude, la capacité fonctionnelle de chaque participant a été évaluée par un évaluateur aveugle au départ et l&#39;arrivée de chaque paradigme de traitement avec une semaine de suivi après chaque et un ensemble de 45 jours de suivi évaluation. Chaque évaluation se composait d&#39;une amplitude de mouvement (ROM) l&#39;évaluation réalisée dans le VRROOM ainsi que des mesures cliniques, notamment: l&#39;évaluation Box et de blocs, Wolf Motor Function Test (WMFT), la section du moteur du bras de l&#39;Fugl-Meyer (AMFM), et Évaluation de la portée fonctionnelle simple (TFA). </li><li> Un gant de exotendon avec une attelle au poignet a été utilisé pour aider à neutre du poignet et de l&#39;alignement à la main. Le centre de la poignée de robot a été attaché à l&#39;avant-bras a été placé postérieure de l&#39;articulation radiocarpienne sorte que ses forces ont agi au niveau du poignet, mais a accueilli la requête à la main. </li><li> Poids du bras du patient a été amoindri par un ressort-alimenté Wilmington robotique exosquelette (WREX) gravité équilibré orthèse. Objectif chargé le patient était de chasser un curseur présenté devant eux en transitant par un dispositif de surveillance dans la main du thérapeute (téléopération thérapeute). </li><li> Les patients la pratique de trois jours par semaine pendant environ 40-60 minutes, avec le patient, le thérapeute, et le robot de travailler ensemble dans un trio. Objet et thérapeute assis côte à côte, et le sujet a été connecté au robot au niveau du poignet. </li><li> Chaque session a commencé avec cinq minutes de la plage de passif d&#39;exercices de mouvement (PROM) avec le thérapeute, suivie par environ dix minutes pour situer le patient dans la machine. Le sujet a ensuite complété six blocs de formation le mouvement a duré cinq minutes chacune avec des périodes de repos de deux minutes entre chaque bloc. </li><li> Pendant la formation, les participants ont vu deux curseurs sur l&#39;écran stéréo. Le thérapeute traitant manipulé un curseur tout en participant contrôlée de l&#39;autre. Les patients ont été invités à suivre le chemin exact du curseur du thérapeute pendant qu&#39;il se déplaçait à travers l&#39;espace de travail. </li><li> Augmentation erreur a été fournie à la fois visuellement et par les forces générées par le robot. Lorsque les participants dévié à partir du curseur thérapeute, une erreur e instantanée vecteur a été établi comme la différence de position entre le curseur du thérapeute et de la main du participant. Erreur était visuellement magnifié par un facteur de 1,5 E (M) dans le cadre de l&#39;augmentation d&#39;erreur. De plus, une force d&#39;erreur augmentant de 100 e (N / m) a également été appliquée, ce qui a été programmé pour saturer à un maximum de 4 N pour des raisons de sécurité. </li><li> Chaque bloc de traitement était constitué de particuliers, des mouvements normalisés qui ont été les mêmes pour chaque session. Les autres blocs a permis au thérapeute de personnaliser la formation à des domaines spécifiques de la faiblesse repose sur l&#39;expertise thérapeute et leurs observations. Le protocole de traitement inclus la pratique de mouvements spécifiques pour tous les participants, y compris avant et latéraux atteignant, à l&#39;épaule-coude d&#39;accouplement, et en diagonale pour atteindre à travers le corps. </li><li> Tout en pratiquant, au jour le jour erreur médiane a été mesurée comme un résultat de la pratique. Une attention particulière a été donnée à des blocs de mouvements normalisés qui ont été les mêmes pour chaque session. Ils ont été comparés aux jours précédents pour déterminer si des améliorations supplémentaires pourraient être observées sur une base de jour en jour, qui peuvent être communiqués au patient, le thérapeute et les soignants (figure 3). </li><li> Les mesures primaires de résultats ont été mesurés par semaine, 1 semaine après la fin du traitement, et 45 jours après pour déterminer la conservation des avantages. Les principaux résultats ont été le score de Fugl-Meyer capacité de moteur et de notre test personnalisé portée de main qui a mesuré l&#39;amplitude de mouvement. </li></ol> 6. Les résultats représentatifs: Lorsque le protocole est fait correctement, puis une fois le nœud &lt;AnyDevice&gt; est chargé dans le H3DViewer ou H3DLoad, le dispositif de WAM devrait être reconnu et lancé. Si le WAM ont été remplacés par un autre robot, le code lui-même n&#39;aurait pas besoin d&#39;être changé. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig1.jpg" alt="Figure 1"/> Figure 1. Sujet assis à l&#39;haptique / appareil graphique. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig2.jpg" alt="Figure 2"/> Figure 2. Sujet assis à l&#39;haptique / appareil graphique avec un physiothérapeute. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig3.jpg" alt="Figure 3"/> Figure 3. Configuration pour la réhabilitation of le patient d&#39;AVC. A) sous réserve et thérapeute travaillent ensemble, assis et en utilisant l&#39;haptique grande espace de travail / affichage graphique pour la pratique du mouvement. Le thérapeute fournit un repère pour le sujet, et peut conditionné l&#39;adapter aux besoins du patient. Le robot donne des forces qui poussent les membres de la cible et le système de feedback visuel améliore l&#39;erreur du curseur. B) typiques d&#39;amélioration des patients chroniques course au jour le jour. Chaque point représente l&#39;erreur médiane mesurée pour un bloc de 2 minutes de mouvement fonctionnelle stéréotypées. Alors que le patient montre des progrès à travers la période de 2 semaines et de bénéficier d&#39;ensemble, cette personne n&#39;a pas toujours d&#39;améliorer chaque jour.

<ol>
	<li>Solis, J., Takeshi, N., Petersen, K., Takeuchi, M., Takanishi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+the+anthropomorphic+saxophonist+robot+WAS-1:+Mechanical+design+of+the+simulated+organs+and+implementation+of+air+pressure.">Development of the anthropomorphic saxophonist robot WAS-1: Mechanical design of the simulated organs and implementation of air pressure.</a> Advanced Robotics Journal. 24, 629-650 (2010).</li><li>Zufferey, J. C., Floreano, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolving+Won-Based+Flying+Robots.">Evolving Won-Based Flying Robots.</a> , 592-600 (2002).</li><li>Conditt, M. A., Gandolfo, F., Mussa-Ivaldi, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+motor+system+does+not+learn+the+dynamics+of+the+arm+by+rote+memorization+of+past+experience.">The motor system does not learn the dynamics of the arm by rote memorization of past experience.</a> Journal of Neurophysiology. 78, 554-554 (1997).</li><li>Krebs, H. I., Palazzolo, J. J., Dipietro, L., Ferraro, M., Krol, J., Rannekleiv, K., Volpe, B. T., Hogan, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rehabilitation+robotics:+Performance-based+progressive+robot-assisted+therapy.">Rehabilitation robotics: Performance-based progressive robot-assisted therapy.</a> Autonomous Robots. 15, 7-20 (2003).</li><li>Wei, K., Kording, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relevance+of+error:+what+drives+motor+adaptation.">Relevance of error: what drives motor adaptation.</a> Journal of neurophysiology. 101, 655-65 (2009).</li><li>Wei, Y., Bajaj, P., Scheidt, R., Patton, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+error+augmentation+for+enhancing+motor+learning+and+rehabilitative+relearning.">Visual error augmentation for enhancing motor learning and rehabilitative relearning.</a> IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. , 505-510 (2005).</li></ol>

Les classes wrapper dans ce tutoriel sont sous copyright par Ian Sharp.

Cette méthode de mise en œuvre classe wrapper permet de robots différents à être utilisé, sans modifier le code source, lorsque vous utilisez le H3DAPI. Plus précisément, les chercheurs qui ont écrit leur haptique / environnement graphique de H3D et testé leur expérience avec un robot fantôme serait en mesure de réaliser la même expérience ou similaire utilisant le WAM Barrett, et vice versa. Ce type de dispositif croisés indépendants de la communication a des implications pour la recherche en robotique de réhabilitation internationale. Ces implications de faciliter haptique rapide / développement graphique, la collaboration de recherche internationaux, et la communication inter-laboratoire de recherche. Réhabilitation de la robotique n&#39;a pas encore de découvrir les nombreux paramètres impliqués dans l&#39;apprentissage moteur. Une des étapes de temps au cours haptique / développement graphique inclut le temps de compilation. Avec la réhabilitation de nombreux paramètres, aggravée par le temps de compilation pour chaque programme, le cycle de vie de développement pour tester toutes les permutations possibles du groupe augmente rapidement. H3D, avec son absence d&#39;exigences de la compilation, permet un développement rapide de nombreuses scènes de réalité virtuelle. Cela vient comme un avantage pour les chercheurs qui aspirent à sonder les effets des scénarios de formation différents. Limitations de cette «codées en dur &#39;approche d&#39;intégration wrapper de classe, notamment le fait que cette procédure doit être répétée chaque fois qu&#39;il ya une nouvelle répartition de la H3DAPI. Modifications possibles à l&#39;intégration de la classe wrapper dans votre dernière distribution de l&#39;H3DAPI serait de créer la classe wrapper séparément de la H3DAPI. Vous pouvez ensuite mettre votre classe wrapper dans un fichier *. bibliothèque ainsi. Ce serait d&#39;isoler votre classe de la distribution originale H3DAPI.

<ol><li> L&#39;affichage appelé Paris (personnels système augmenté immersion en réalité), peut être trouvée au <a href="http://www.evl.uic.edu">www.evl.uic.edu</a> </li><li> Le robot est la grande taille grise Barrett WAM: <a href="http://www.barrett.com">www.barrett.com</a> </li><li> Le plus petit, maigre robots noir est le Fantôme: <a href="http://www.sensable.com">www.sensable.com</a> </li><li> Le montage du bras est le T-WREX, développé à l&#39;RIC: <a href="http://www.ric.org/research/centers/mars2/Projects/development/d3.aspx">http://www.ric.org/research/centers/mars2/Projects/development/d3.aspx</a> </li><li> Les lunettes 3D Vision pour: <a href="http://www.vrlogic.com">www.vrlogic.com</a> </li><li> Chef du logiciel de suivi. <a href="http://www.mechdyne.com">www.mechdyne.com</a> </li><li> Le H3DAPI lui-même: <a href="http://www.h3dapi.org">www.h3dapi.org</a> </li></ol>

haptic/graphic rehabilitation: integrating a robot into a virtual environment library and applying it to stroke therapy

Des recherches récentes que les tests de dispositifs interactifs pour pratiquer la thérapie prolongée a révélé de nouvelles perspectives pour la robotique combinée avec des formes graphiques et d&#39;autres du biofeedback. Précédente homme-robot systèmes interactifs ont exigé des commandes de différents logiciels à mettre en œuvre pour chaque robot conduit à une surcharge inutile de temps de développement à chaque fois qu&#39;un nouveau système sera disponible. Par exemple, quand une haptique / graphique environnement de réalité virtuelle a été codé pour un robot spécifique pour fournir une rétroaction haptique, ce robot spécifique ne serait pas en mesure d&#39;être échangé pour un autre robot sans recodage du programme. Toutefois, les récents efforts de la communauté open source ont proposé une approche classe wrapper qui peut susciter des réponses presque identiques quel que soit le robot utilisé. Le résultat peut conduire les chercheurs à travers le monde pour réaliser des expériences similaires en utilisant le code partagé. Par conséquent modulaire &quot;commutation out&quot; d&#39;un robot pour une autre n&#39;affecterait pas le temps de développement. Dans cet article, nous décrivons la création réussie et la mise en œuvre d&#39;une classe wrapper pour un robot dans le H3DAPI open-source, qui intègre le logiciel de commandes les plus couramment utilisés par tous les robots.

Watch this Scientific Journal Video about Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy at JoVE.com

Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Récemment, une grande quantité de perspectives se sont disponibles pour les systèmes homme-robot interactif. Dans ce papier, nous présentons l&#39;intégration d&#39;un nouvel appareil robotisé avec le logiciel open source qui peut rapidement rendre possible une bibliothèque de fonctionnalités interactives. Nous avons alors aperçu une application clinique pour une application neuroréadaptation.

Haptique / Réhabilitation graphique: Intégration d&#39;un robot dans un environnement virtuel Bibliothèque et en l&#39;appliquant à la thérapie des maladies

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

hapticgraphic-rehabilitation-integrating-robot-into-virtual

Research

JoVE Journal

Bioengineering

13.7K vues.  University of Illinois at Chicago and Rehabilitation Institute of Chicago. Récemment, une grande quantité de perspectives se sont disponibles pour les systèmes homme-robot interactif. Dans ce papier, nous présentons l'intégration d'un nouvel appareil robotisé avec le logiciel open source qui peut rapidement rendre possible une bibliothèque de fonctionnalités interactives. Nous avons alors aperçu une application clinique pour une application neuroréadaptation.

Vidéo: Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing radiation, millimeter spatial accuracy of anatomical and functional data 2, and nearly real-time analyses 3. Haptic robots provide precise measurement and control of position and force of a cursor in a reasonably confined space. Here we combine these two technologies to allow precision experiments involving motor control with haptic/tactile environment interaction such as reaching or grasping. The basic idea is to attach an 8 foot end effecter supported in the center to the robot 4 allowing the subject to use the robot, but shielding it and keeping it out of the most extreme part of the magnetic field from the fMRI machine (Figure 1).
The Phantom Premium 3.0, 6DoF, high-force robot (SensAble Technologies, Inc.) is an excellent choice for providing force-feedback in virtual reality experiments 5, 6, but it is inherently non-MR safe, introduces significant noise to the sensitive fMRI equipment, and its electric motors may be affected by the fMRI's strongly varying magnetic field. We have constructed a table and shielding system that allows the robot to be safely introduced into the fMRI environment and limits both the degradation of the fMRI signal by the electrically noisy motors and the degradation of the electric motor performance by the strongly varying magnetic field of the fMRI. With the shield, the signal to noise ratio (SNR: mean signal/noise standard deviation) of the fMRI goes from a baseline of &tilde;380 to &tilde;330, and &tilde;250 without the shielding. The remaining noise appears to be uncorrelated and does not add artifacts to the fMRI of a test sphere (Figure 2). The long, stiff handle allows placement of the robot out of range of the most strongly varying parts of the magnetic field so there is no significant effect of the fMRI on the robot. The effect of the handle on the robot's kinematics is minimal since it is lightweight (&tilde;2.6 lbs) but extremely stiff 3/4" graphite and well balanced on the 3DoF joint in the middle. The end result is an fMRI compatible, haptic system with about 1 cubic foot of working space, and, when combined with virtual reality, it allows for a new set of experiments to be performed in the fMRI environment including naturalistic reaching, passive displacement of the limb and haptic perception, adaptation learning in varying force fields, or texture identification 5, 6.

The adaptation and use of a haptic robot in a 3T fMRI is described.

Adaptation d&#39;un robot haptique dans une IRMf 3T

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

Recherche

Bio-ingénierie

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in parallel computing2,3 , recognize and bind molecular or cellular targets4,5 , catalyze chemical reactions6,7 , and generate calculated responses in a biological system8,9. Importantly, nucleic acids can be programmed to self-assemble into 2D and 3D structures10-12, enabling the integration of all these remarkable features in a single robot linking the sensing of biological cues to a preset response in order to exert a desired effect.
Creating shapes from nucleic acids was first proposed by Seeman13, and several variations on this theme have since been realized using various techniques11,12,14,15 . However, the most significant is perhaps the one proposed by Rothemund, termed scaffolded DNA origami16. In this technique, the folding of a long (&gt;7,000 bases) single-stranded DNA 'scaffold' is directed to a desired shape by hundreds of short complementary strands termed 'staples'. Folding is carried out by temperature annealing ramp. This technique was successfully demonstrated in the creation of a diverse array of 2D shapes with remarkable precision and robustness. DNA origami was later extended to 3D as well17,18 .
 
The current paper will focus on the caDNAno 2.0 software19 developed by Douglas and colleagues. caDNAno is a robust, user-friendly CAD tool enabling the design of 2D and 3D DNA origami shapes with versatile features. The design process relies on a systematic and accurate abstraction scheme for DNA structures, making it relatively straightforward and efficient.
In this paper we demonstrate the design of a DNA origami nanorobot that has been recently described20. This robot is 'robotic' in the sense that it links sensing to actuation, in order to perform a task. We explain how various sensing schemes can be integrated into the structure, and how this can be relayed to a desired effect. Finally we use Cando21 to simulate the mechanical properties of the designed shape. The concept we discuss can be adapted to multiple tasks and settings.

DNA origami is a powerful method for fabricating precise nanoscale objects by programming the self-assembly of DNA molecules. Here, we describe how DNA origami can be utilized to design a robotic robot capable of sensing biological cues and responding by shape shifting, subsequently relayed to a desired effect.

Conception d&#39;un robot Bio-sensible de l&#39;ADN origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

This article describes a technique for applying vibrotactile stimuli to the thigh of a human participant, and measuring the accuracy and reaction time of the participant&#39;s volitional response for various combinations of stimulation location and frequency.

Une méthode d&#39;évaluation de rapidité et la précision des réponses Volitional moteur à vibrotactile Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum

For a biosensing platform to have clinical relevance in point-of-care (POC) settings, assay sensitivity, reproducibility, and ability to reliably monitor analytes against the background of human serum are crucial.
Nanoimprinting lithography (NIL) was used to fabricate, at a low cost, sensing areas as large as 1.5 mm x 1.5 mm. The sensing surface was made of high-fidelity arrays of nanoholes, each with an area of about 140 nm2. The great reproducibility of NIL made it possible to employ a one-chip, one-measurement strategy on 12 individually manufactured surfaces, with minimal chip-to-chip variation. These nanoimprinted localized surface plasmon resonance (LSPR) chips were extensively tested on their ability to reliably measure a bioanalyte at concentrations varying from 2.5 to 75 ng/mL amidst the background of a complex biofluid-in this case, human serum. The high fidelity of NIL enables the generation of large sensing areas, which in turn eliminates the need for a microscope, as this biosensor can be easily interfaced with a commonly available laboratory light source. These biosensors can detect cardiac troponin in serum with a high sensitivity, at a limit of detection (LOD) of 0.55 ng/mL, which is clinically relevant. They also show low chip-to-chip variance (due to the high quality of the fabrication process). The results are commensurable with widely used enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)-based assays, but the technique retains the advantages of an LSPR-based sensing platform (i.e., amenability to miniaturization and multiplexing, making it more feasible for POC applications).

This work describes a nanoimprinting lithography method to fabricate high-quality sensing arrays that work on the principle of extraordinary optical transmission. The biosensor is low-cost, robust, easy to use, and can detect cardiac troponin I in serum at clinically relevant concentrations (99th percentile cutoff &#8764;10-400 pg/mL, depending on the assay).

À l’aide de Transmission optique extraordinaire pour quantifier les biomarqueurs cardiaques dans le sérum humain

For a biosensing platform to have clinical relevance in point-of-care (POC) settings, assay sensitivity, reproducibility, and ability to reliably monitor ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of flexible polymers nor of rigid rods. Underlying filaments remain outstretched due to their non-vanishing backbone stiffness, which is quantified via the persistence length (lp), but they are also subject to strong thermal fluctuations. Their finite bending stiffness leads to unique, non-trivial collective mechanics of bulk networks, enabling the formation of stable scaffolds at low volume fractions while providing large mesh sizes. This underlying principle is prevalent in nature (e.g., in cells or tissues), minimizing the high molecular content and thereby facilitating diffusive or active transport. Due to their biological implications and potential technological applications in biocompatible hydrogels, semiflexible polymers have been subject to considerable study. However, comprehensible investigations remained challenging since they relied on natural polymers, such as actin filaments, which are not freely tunable. Despite these limitations and due to the lack of synthetic, mechanically tunable, and semiflexible polymers, actin filaments were established as the common model system. A major limitation is that the central quantity lp cannot be freely tuned to study its impact on macroscopic bulk structures. This limitation was resolved by employing structurally programmable DNA nanotubes, enabling controlled alteration of the filament stiffness. They are formed through tile-based designs, where a discrete set of partially complementary strands hybridize in a ring structure with a discrete circumference. These rings feature sticky ends, enabling the effective polymerization into filaments several microns in length, and display similar polymerization kinetics as natural biopolymers. Due to their programmable mechanics, these tubes are versatile, novel tools to study the impact of lp on the single-molecule as well as the bulk scale. In contrast to actin filaments, they remain stable over weeks, without notable degeneration, and their handling is comparably straightforward.

Semiflexible polymers display unique mechanical properties that are extensively applied by living systems. However, systematic studies on biopolymers are limited since properties such as polymer rigidity are inaccessible. This manuscript describes how this limitation is circumvented by programmable DNA nanotubes, enabling experimental studies on the impact of filament rigidity.

Nanotubes d’ADN comme un outil polyvalent pour l’étude des polymères semi-flexibles

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or lethality. However, the probability of a synthetic small molecule being bioactive is low; therefore, thousands of molecules must be tested in order to find those of interest. Liquid handling robotics systems are designed to handle large numbers of samples, increasing the speed with which a chemical library can be screened in addition to minimizing/standardizing error. To achieve a high-throughput forward chemical genetics screen of a library of 50,000 small molecules on Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), protocols using a bench-top multichannel liquid handling robot were developed that require minimal technician involvement. With these protocols, 3,271 small molecules were discovered that caused visible phenotypic alterations. 1,563 compounds induced short roots, 1,148 compounds altered coloration, 383 compounds caused root hair and other, non-categorized, alterations, and 177 compounds inhibited germination.

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

A high throughput screen of synthetic small molecules was conducted on the model plant species, Arabidopsis thaliana. This protocol, developed for a liquid handling robot, increases the speed of forward chemical genetics screens, accelerating the discovery of novel small molecules affecting plant physiology.

Optimisation de l’utilisation d’un Robot de manutention liquide pour mener un haut débit avant chimique génétique écran d’Arabidopsis thaliana

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or ...

A Converging Strategy for the Generation of a Virtually Sequenced cDNA Library from Unreferenced Pacific Oysters

The access to biological material of reference species, which were used previously in key experiments such as in the development of novel cell lines or genome sequencing projects, are often difficult to provide for further studies or third parties due to the consumptive nature of the samples. Although now widely distributed over the Pacific coasts of Asia, Australia and North America, individual Pacific oyster specimens are genetically quite diverse and are therefore not directly suitable as the starting material for gene libraries. In this article, we demonstrate the use of unreferenced Pacific oyster specimens obtained from regional seafood markets to generate cDNA libraries. These libraries were then compared to the publicly available oyster genome, and the closest related library was selected using the mitochondrial reference genes Cytochrome C Oxidase subunit I (COX1) and NADH Dehydrogenase (ND). The suitability of the generated cDNA library is also demonstrated by cloning and expression of two genes encoding the enzymes UDP-glucuronic acid dehydrogenase (UGD) and UDP-xylose synthase (UXS), which are responsible for the biosynthesis of UDP-xylose from UDP-glucose.

We describe a strategy for how to use RNA samples from unreferenced Pacific oyster specimens, and evaluate the genetic material by comparison with publicly available genome data to generate a virtually sequenced cDNA library.

Une stratégie convergente pour la génération d'une bibliothèque d'ADNc pratiquement séquencée à partir d'huîtres du Pacifique non référencées

The access to biological material of reference species, which were used previously in key experiments such as in the development of novel cell lines or ...

Three-dimensional Patterning of Engineered Biofilms with a Do-it-yourself Bioprinter

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced antibiotic resistance, which poses potential health dangers, but can also be beneficial for environmental applications such as purification of drinking water. The further development of anti-bacterial therapeutics and biofilm-inspired applications will require the development of reproducible, engineerable methods for biofilm creation. Recently, a novel method of biofilm preparation using a modified three-dimensional (3D) printer with a bacterial ink has been developed. This article describes the steps necessary to build this efficient, low-cost 3D bioprinter that offers multiple applications in bacterially-induced materials processing. The protocol begins with an adapted commercial 3D printer in which the extruder has been replaced with a bio-ink dispenser connected to a syringe pump system enabling a controllable, continuous flow of bio-ink. To develop a bio-ink suitable for biofilm printing, engineered Escherichia coli bacteria were suspended in a solution of alginate, so that they solidify in contact with a surface containing calcium. The inclusion of an inducer chemical within the printing substrate drives expression of biofilm proteins within the printed bio-ink. This method enables 3D printing of various spatial patterns composed of discrete layers of printed biofilms. Such spatially-controlled biofilms can serve as model systems and can find applications in multiple fields that have a wide-ranging impact on society, including antibiotic resistance prevention or drinking water purification, among others.

This article describes a method of transforming a low-cost commercial 3D printer into a bacterial 3D printer that can facilitate printing of patterned biofilms. All necessary aspects of preparing the bioprinter and bio-ink are described, as well as verification methods to assess the formation of biofilms.

Modelage tridimensionnel de biofilms d’ingénierie avec une Bioimprimeur de bricolage

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced ...

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has been shown to be limited in inter-rater reliability. One factor in this poor inter-rater reliability is the variability of passive motion while measuring the angle of catch (AoC) measurements. Therefore, an isokinetic device has been proposed to standardize the manual joint motion; however, the benefits of isokinetic motion for AoC measurements has not been tested in a standardized manner. This protocol investigates whether isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for AoC measurements. For this purpose, a robotic isokinetic device was developed that is combined with surface electromyography (EMG). Two conditions, manual and isokinetic motions, are compared with the standardized method to measure the angle and subjective feeling of catch. It is shown that in 17 stroke patients with mild elbow flexor spasticity, isokinetic motion improved the intraclass correlation coefficient (ICC) for inter-rater reliability of AoC measurements to 0.890 [95% confidence interval (CI): 0.685&#8211;0.961] by the EMG criteria, and 0.931 (95% CI: 0.791&#8211;0.978) by the torque criteria, from 0.788 (95% CI: 0.493&#8211;0.920) by manual motion. In conclusion, isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability of AoC measurements in stroke patients with mild spasticity. Given that this system may provide greater standardized angle measurements and catch of feeling, it may be a good option for the evaluation of spasticity in a clinical setting.

Using a robotic isokinetic device with electromyography (EMG) measurements, this protocol illustrates that isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for the angle of catch measurements in stroke patients with mild elbow flexor spasticity.

Dispositif robotique Isokinetic pour améliorer la fiabilité de test-retest et d'inter-rater pour des mesures de réflexe d'étirement dans les patients de course avec la spasticité

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...

Mise en place d’un dispositif microfluidique pour la production de bouchons combinatoires

Bilayer Microfluidic Device for Combinatorial Plug Production

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such systems have been used to encapsulate a variety of biochemical reactions - from incubation of single cells to implementation of PCR reactions, from genomics to chemical synthesis. Coupling the microfluidic channels with regulatory valves allows control over their opening and closing, thereby enabling the rapid production of large-scale combinatorial libraries consisting of a population of droplets with unique compositions. In this paper, protocols for the fabrication and operation of a pressure-driven, PDMS-based bilayer microfluidic device that can be utilized to generate combinatorial libraries of water-in-oil emulsions called plugs are presented. By incorporating software programs and microfluidic hardware, the flow of desired fluids in the device can be controlled and manipulated to generate combinatorial plug libraries and to control the composition and quantity of constituent plug populations. These protocols will expedite the process of generating combinatorial screens, particularly to study drug response in cells from cancer patient biopsies.

Pleins feux sur l’auteur : Intégration des approches computationnelles et expérimentales en oncologie de précision

The fabrication of a polydimethylsiloxane (PDMS)-based bilayer device for the production of combinatorial libraries in water-in-oil emulsions (plugs) is presented here. The necessary hardware and software required to automate plug production are detailed in the protocol, and the production of a quantitative library of fluorescent plugs is also demonstrated.

Dispositif microfluidique bicouche pour la production de bouchons combinatoires

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such ...