Vorrei ringraziare l&#39;aiuto tecnico di Brian Zenowich, Daniel Evestedt e Winsean Lin.

Introduzione Vi è un crescente bisogno di tutta la interazione uomo-macchina (HMI) per ambienti interattivi intuitivo ed efficiente. Numerose industrie continuano a dipendere più pesantemente sulle HMI, quali: la riabilitazione robotica, l&#39;industria automobilistica, produzione di metalli, macchine per imballaggio, prodotti farmaceutici, prodotti alimentari, bevande e le utility. Tecnologie impiegate in questi settori sono: terminali di visualizzazione, personal computer e software HMI. Queste tecnologie possono essere combinate insieme per eseguire le funzioni illimitate. I robot possono essere utilizzati per facilitare l&#39;interazione diretta con gli utenti, come ad esempio servire come un maestro di musica. Per esempio, i ricercatori della Waseda University hanno creato un robot che suona il sassofono per insegnare alla gente come giocare e per capire l&#39;interazione tra studenti e insegnanti 1. Altri ricercatori robotica hanno reso una visione a base di robot volanti per determinare come l&#39;intelligenza artificiale può evolvere in interazione intelligente con l&#39;ambiente 2. La particolare concentrazione di questo lavoro risiede dentro di riabilitazione robotica. Nel regno della ricerca e dell&#39;industria, il ritmo rapido del cambiamento per i nuovi prodotti e le esigenze degli utenti continua a crescere. Queste esigenze impongono una maggiore difficoltà in termini di scalabilità. Per cui il progetto del codice è diventata parte integrante nel soddisfare le esigenze di queste entità in modo tempestivo. Quindi, la qualità di un candidato forte architettonico dovrebbe includere facilmente intercambiabili grafico-robot sistemi che includono il supporto driver. L&#39;architettura H3DAPI risponde a queste esigenze, e quindi una classe wrapper è stato creato. Inoltre, H3D è progettato per ambienti di realtà virtuale, come ad esempio quelli necessari nel campo della robotica di riabilitazione. Neurali della riabilitazione robotica cerca di utilizzare i robot per lo scopo di assistere i professionisti della riabilitazione. L&#39;assistenza che forniscono questi robot si presenta sotto forma di un campo di forza. Passata ricercatori motore comando come Shadmehr e Mussa-Ivaldi, usato la forza-campi per favorire l&#39;adattamento del motore, e hanno trovato 1) l&#39;adattamento ad un campo di forza applicato esternamente si presenta con diverse classi di movimenti compreso ma non limitato ai movimenti di raggiungere, e 2) adattamento generalizza attraverso diversi movimenti che visitano le stesse regioni dei 3 campo esterno. La ricerca da parte di ingegneri biomeccanici in Performance-Based Progressive Robot-assistito terapia dimostra che ripetitivi, su attività specifiche, goal-directed, robot-assistita terapia è efficace nel ridurre il deficit motori del braccio colpito dopo l&#39;ictus 4, ma gli effetti terapeutici e dei parametri esatti continuano ad essere un campo di ricerca. Feedback sensoriale colpisce di apprendimento e di adattamento. Quindi la prossima domanda logica sarebbe quella di chiedere se non aumentando artificialmente la portata di tale feedback favorirebbe più veloce o più completo apprendimento / adattamento. Alcuni ricercatori hanno scoperto che l&#39;applicazione di forze maggiore feedback sensoriale o segnali visivi per migliorare gli errori possono offrire un adeguato stimolo neurologico per promuovere più alti livelli di adattamento / apprendimento 5,6. Questo è noto come &quot;aumento errore&quot;. Questo fenomeno può essere dovuto al fatto che i risultati, una volta di un&#39;azione di controllo del motore si discostano da quelle ideali, il nostro modello interno di auto-regola in base alla grandezza di errore. Di conseguenza, come il nostro modello interno si avvicina l&#39;ambiente esterno, errore nell&#39;esecuzione di un compito diminuisce. La ricerca continua a sostenere la pratica prolungata di attività funzionalmente rilevanti per il ripristino della funzione, anche se molte correnti politiche sanitarie limitare la quantità di tempo i pazienti possono trascorrere del tempo con i terapisti. La domanda interessante è se queste nuove applicazioni della tecnologia può andare oltre la semplice dare un più alto dosaggio dello stato attuale delle cure. Uomo-macchina studi di interazione hanno rivelato nuove prospettive nei settori del motore di apprendimento, e in alcuni casi può offrire un valore aggiunto al processo terapeutico. Specializzata dispositivi robotici in combinazione con computer-display possono aumentare il feedback di errori al fine di accelerare, migliorare, o trigger riapprendimento motore. Questo documento presenta una metodologia di utilizzo di un sistema sviluppato per un intervento clinico come un esempio di applicazione di questa tecnologia. 1. Stabilire classe wrapper HAPI per un robot <ol><li> Creare un wrapper per HAPI il tatto biblioteca creando il proprio. Cpp e file di intestazione. Per esempio useremo il HAPIWAM.cpp nome e HAPIWAM.h. </li><li> HAPIWAM.cpp posto nella directory dei sorgenti: HAPI / src </li><li> HAPIWAM.h posto nella directory di file di intestazione: HAPI / include / HAPI </li><li> In cima alla HAPIWAM.h, includere il file principale di intestazione (s) del tuo robot, nel caso della WAM di Barrett, che sarebbe: </li></ol> &lt;em&gt; extern &quot;C&quot; { # Include &lt;include/btwam.h&gt; } # Include &lt;HAPI/HAPIHapticsDevice.h&gt; Nota: extern &quot;C&quot; è necessario per risolvere mangling del compilatore, perché la libreria inclusa è scritto in &#39;C&#39; e la H3DAPI è scritto in C + +. <ol start="5"><li> In HAPIWAM.h, creare la tua classe e sono i seguenti 4 funzioni </li></ol> bool initHapticsDevice (int); bool releaseHapticsDevice (); updateDeviceValues ​​void (DeviceValues ​​&amp; dv, HAPITime dt); vuoto sendOutput (HAPIHapticsDevice:: DeviceOutput &amp; d, HAPITime t); <ol start="6"><li> Assicurarsi che la classe eredita dalla classe pubblicamente HAPIhapticsdevice. </li><li> Creare una guardia di intestazione per la classe. </li><li> Creare DeviceOutput statica e gli attributi statici HapticsDeviceRegistration sotto la classe HAPIWAM. </li><li> Crea il tuo funzioni membro statiche per le richiamate. </li><li> Definire un costruttore e distruttore in HAPIWAM.cpp. </li><li> Registra il tuo dispositivo in HAPIWAM.cpp. </li><li> Definire i 4 funzioni ereditate e richiamate in HAPIWAM.cpp. </li></ol> 2. HAPI biblioteca creazione <ol><li> Ora che abbiamo creato la classe wrapper HAPI, abbiamo bisogno di costruire la vostra wrapper nella libreria HAPI. La WAM dipende da alcune librerie che H3DAPI non dipende nella sua forma grezza, quindi queste librerie dovranno essere aggiunti al HAPI. Vai a HAPI / HAPI / costruire e modificare CMakeLists.txt. Aggiungere le librerie dipendenti dopo la riga che dice &#39;SET (OptionalLibs)&#39;. </li><li> Aprire una console di comando e passare a: HAPI / HAPI / build e digitare i seguenti 3 comandi in questo ordine: </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 3. Classe wrapper H3D <ol><li> Per creare la classe wrapper per la libreria H3D con il HAPIWAM, creare innanzitutto WAMDevice.cpp nella directory dei sorgenti: H3DAPI/src </li><li> WAMDevice.h posto nella directory di file di intestazione: H3DAPI/include/H3D </li><li> WAMDevice.h dovrebbe contenere il file di intestazione standard per tutti i dispositivi H3DAPI, con il nome sostituito a quello che vuoi. </li><li> WAMDevice.cpp dovrebbe contenere la fonte standard per tutti i dispositivi H3DAPI, con il nome sostituito a quello che vuoi. </li><li> Ora che la classe wrapper è stato creato, ricostruire la biblioteca H3DAPI. Farlo modificando CMakeLists.txt nella stesso modo in cui è stata effettuata in fase 2.1, solo sotto la directory: H3DAPI/build. </li><li> Ricostruire la biblioteca H3DAPI sotto la directory H3DAPI/build </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 4. Macchina a stati finiti <ol><li> Ogni programma mirato di raggiungere richiede la creazione di una macchina a stati finiti per controllare il protocollo sperimentale o regime pratica. Macchine a stati tipici includono: inizio della prova, lancio, Contatto Target e Fine della prova. Un esempio della funzione di ogni Stato, e criteri per il trasferimento tra gli Stati è elencato di seguito. </li><li> L&#39;inizio della prova richiede l&#39;assegnazione di un obiettivo. Posizioni obiettivi possono essere impostati in modo casuale per ogni prova o può essere impostato da un file. L&#39;inizio del processo termina quando l&#39;utente ha lanciato verso il bersaglio oltre la soglia di velocità, di solito 0,06 metri al secondo. </li><li> Lo stato di lancio si verifica dopo l&#39;inizio del processo. Questo stato si conclude o una volta che l&#39;utente tocca il bersaglio o rimane all&#39;interno del bersaglio per un periodo di tempo. Una volta che il bersaglio è toccato, questo consente allo Stato Contatto Target. </li><li> Contatta bersaglio avviene durante lo stato di lancio. Si può finire non appena il bersaglio viene toccato o dopo il soggetto risiede all&#39;interno del bersaglio per un determinato periodo di tempo. Una volta che questo tempo è trascorso, la fine della prova è stato abilitato. </li><li> La fine dello stato di prova dovrebbe segnalare il software di raccolta dati per contrassegnare il file di dati, in qualsiasi analisi lo sviluppatore del software ha utilizzato, per delimitare la fine di ogni prova. A meno che la prova finale è stata completata, la fine della fine dello stato di prova permette di inizio dello stato di prova. </li></ol> 5. Applicazione: riabilitazione del paziente con ictus <ol><li> L&#39;interfaccia robotica è stata progettata per coinvolgere competenza terapista durante l&#39;utilizzo del robot per abilitare qualcosa che non potrebbero altrimenti essere fatto. L&#39;applicazione della tecnologia abilitato (descritta in dettaglio più avanti) di aumento degli errori, che ingrandita gli errori percepita dal paziente, che per molti ben noti motivi migliora il processo di riapprendimento (fig. 1). </li><li> Un tridimensionale tatto / sistema grafico chiamato Virtual Reality robotica e Optical macchina Operations (VRROOM). Questo sistema, presentato in precedenza 6, combinato uno stereo proiettato, testa-di rendering su un tracciato semi-argentato visualizzazione overlay specchio con un sistema robotizzato che la posizione del polso registrati e ha generato un vettore di forza (fig. 2). </li><li> Un cinema di qualità digital proiettore (Christie Mirage 3000 DLP) visualizzate le immagini che ha misurato un metro e mezzo a livello di 1280x1024 pixel, risultando in un 110 ° ampio angolo di visualizzazione. Emettitori a infrarossi sincronizzati separato immagini per l&#39;occhio destro e sinistro con display a cristalli liquidi (LCD), occhiali (Stereographics, Inc). Ascensione stormo di uccelli elementi magnetici monitorato il movimento della testa in modo che la visualizzazione è stato reso con l&#39;apposito testa prospettiva centrata. </li><li> Al momento qualificante per lo studio, la capacità funzionale di ogni partecipante è stato valutato da un rater cieca alla partenza e all&#39;arrivo di ogni paradigma di trattamento con una settimana di follow-up dopo ogni e un complessivo di 45 giorni di follow-up di valutazione. Ogni valutazione consisteva in un arco di movimento (ROM) valutazione eseguita nel VRROOM nonché misure cliniche tra cui: la valutazione Box e blocchi, Lupo Test delle funzioni del motore (WMFT), sezione motori del braccio del Fugl-Meyer (AMFM), e valutazione dei Simple Reach funzionale (ASFR). </li><li> Un guanto exotendon polso con stecca è stato utilizzato per aiutare in posizione neutra del polso e allineamento portata di mano. Il centro della maniglia robot è stato attaccato al braccio è stato posto posteriore al comune radiocarpale in modo che le sue forze hanno agito a livello del polso, ma ha permesso al movimento della mano. </li><li> Peso del braccio del paziente era diminuito utilizzando una sorgente alimentata Wilmington Robotic Exoskeleton (Wrex) gravità equilibrato ortesi. Scopo ha incaricato il paziente è stato quello di inseguire un cursore presentato di fronte a loro trasferiti tramite un dispositivo di tracciamento nella mano del terapeuta (teleoperazione terapeuta). </li><li> I pazienti pratica tre giorni alla settimana per circa 40-60 minuti, con il paziente, il terapista, e il robot che lavorano insieme in un trio. Soggetto e terapeuta seduti fianco a fianco, e il soggetto era collegato al robot al polso. </li><li> Ogni sessione è iniziata con cinque minuti di gamma passivi di esercizi di movimento (PROM) con il terapeuta, seguiti da circa dieci minuti per collocare il paziente nella macchina. Il soggetto poi completato sei blocchi di movimento formazione della durata di cinque minuti ciascuno con due minuti di riposo tra ogni blocco. </li><li> Durante l&#39;addestramento, i partecipanti hanno visto due cursori sul display stereo. Il terapeuta trattamento manipolato un cursore mentre il partecipante controllato l&#39;altro. I pazienti sono stati istruiti a seguire il percorso esatto del cursore del terapeuta mentre si muoveva per tutto il lavoro. </li><li> Aumento errore è stato fornito sia visivamente dalle forze generate dal robot. Quando i partecipanti deviato dal cursore terapeuta, un istantaneo e vettore di errore è stato stabilito come la differenza di posizione tra il cursore del terapeuta e la mano del partecipante. Errore è stato visivamente ingrandita di un fattore pari a 1,5 e (m) come parte del aumento di errore. Inoltre, una forza di errore e aumentando di 100 (N / m) è stata anche applicata, che è stato programmato per saturare ad un massimo di 4 N per motivi di sicurezza. </li><li> Ogni blocco altro trattamento consisteva di specifici movimenti standardizzati che erano gli stessi per ogni sessione. Gli altri blocchi ha permesso al terapeuta di personalizzare la formazione a specifiche aree di debolezza sulla base di competenza terapista e le loro osservazioni. Il protocollo di trattamento includevano la pratica dei movimenti specifici per tutti i partecipanti, tra cui in avanti e laterale raggiungendo, spalla-gomito accoppiamento, e in diagonale raggiungendo in tutto il corpo. </li><li> Durante la pratica, giorno per giorno errore mediana è stata misurata come un risultato della pratica. Particolare attenzione è stata data ai blocchi di movimenti standardizzati che erano gli stessi per ogni sessione. Questi sono stati confrontati con giorni precedenti per determinare se un miglioramento incrementale potrebbe essere osservata in un giorno per giorno, che possono essere segnalati al paziente, il terapeuta e il caregiver (fig. 3). </li><li> Misure primarie di esito sono stati misurati ogni settimana, 1 settimana dopo la fine del trattamento, e 45 giorni dopo per determinare la conservazione dei benefici. Risultati chiave sono stati i Fugl-Meyer punteggio capacità motorie e la nostra prova su misura portata di mano che misurava la gamma di movimento. </li></ol> 6. Rappresentante dei risultati: Quando il protocollo è fatto correttamente, poi una volta che il nodo &lt;AnyDevice&gt; viene caricato nella H3DViewer o H3DLoad, WAM il dispositivo dovrebbe essere riconosciuto e avviato. Se il WAM sono stati sostituiti con un altro robot, il codice stesso non avrebbe bisogno di essere cambiato. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig1.jpg" alt="Figura 1"/> Figura 1. Oggetto seduti al tattile / apparato grafico. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig2.jpg" alt="Figura 2"/> Figura 2. Oggetto seduti al tattile / apparato grafico con fisioterapista. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig3.jpg" alt="Figura 3"/> Figura 3. Configurazione per la riabilitazione of il paziente con ictus. A) soggetto e terapeuta lavorano insieme, seduti e con il grande spazio di lavoro tattile / display grafico a praticare movimento. Il terapeuta offre uno spunto per il soggetto, e può condizionata adeguamento alle necessità del paziente. Il robot fornisce le forze che spingono l&#39;arto di distanza dal bersaglio e il sistema di feedback visivo aumenta l&#39;errore del cursore. B) Tipico miglioramento cronica paziente con ictus da un giorno all&#39;altro. Ogni punto rappresenta l&#39;errore medio misurato per 2 minuti a blocco di stereotipo movimento funzionale. Mentre il paziente mostra il progresso in tutto il periodo di 2 settimane e beneficio complessivo, questa persona non sempre migliorare ogni giorno.

<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>

Le classi wrapper in questa esercitazione sono sotto copyright da Ian Sharp.

Questo metodo di implementazione classe wrapper consente di robot da utilizzare, senza modificare il codice sorgente, quando si utilizza il H3DAPI. In particolare, i ricercatori che hanno scritto il loro tattile / ambiente grafico in H3D e testato il loro esperimento con un robot fantasma sarebbe in grado di effettuare lo stesso esperimento o simili utilizzando la WAM di Barrett, e viceversa. Questo tipo di dispositivo indipendente cross-comunicazione comporta implicazioni per la ricerca internazionale di riabilitazione robotica. Tali implicazioni facilitare tattile rapido / sviluppo grafico, la collaborazione di ricerca internazionale, ed inter-laboratorio di ricerca sulla comunicazione. Riabilitazione robotica deve ancora scoprire i numerosi parametri coinvolti nell&#39;apprendimento del motore. Uno dei passi in termini di tempo durante tattile / sviluppo grafico include il tempo di compilazione. Con i parametri di riabilitazione numerosi composti con il tempo di compilazione per ogni programma, il ciclo di vita dello sviluppo di testare tutte le possibili permutazioni del gruppo aumenta rapidamente. H3D, con la sua assenza dei requisiti di compilazione, permette lo sviluppo rapido di numerose scene di realtà virtuale. Questo si presenta come un vantaggio per quei ricercatori che aspirano a sondare gli effetti di vari scenari di formazione. Limiti di questo approccio &#39;hardcoded&#39; integrazione classe wrapper includono il fatto che questa procedura deve essere ripetuta ogni volta che c&#39;è una nuova distribuzione del H3DAPI. Eventuali modifiche a integrare la classe wrapper nel tuo ultimo distribuzione del H3DAPI sarebbe quello di creare la classe wrapper separatamente dal H3DAPI. Si potrebbe poi mettere la classe wrapper in un modo file di libreria *.. Ciò isolare la classe dalla distribuzione originale H3DAPI.

<ol><li> Il display chiamato parigi (personale sistema di realtà aumentata immersione), è disponibile all&#39;indirizzo <a href="http://www.evl.uic.edu">www.evl.uic.edu</a> </li><li> Il robot grande grigio è il WAM di Barrett: <a href="http://www.barrett.com">www.barrett.com</a> </li><li> Il più piccolo, robot skinnier nero è il Fantasma: <a href="http://www.sensable.com">www.sensable.com</a> </li><li> Il montaggio del braccio è il T-Wrex, sviluppato presso il 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> La occhiali per la visione 3d: <a href="http://www.vrlogic.com">www.vrlogic.com</a> </li><li> Testa software di monitoraggio. <a href="http://www.mechdyne.com">www.mechdyne.com</a> </li><li> La stessa H3DAPI: <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

Una recente ricerca che mette alla prova dispositivi interattivi per la pratica terapia prolungata ha rivelato nuove prospettive per la robotica in combinazione con altre forme grafiche e di biofeedback. Precedenti sistemi interattivi uomo-robot hanno richiesto comandi software diversi da attuare per ogni robot creando inutili tempo di overhead di sviluppo ogni volta che un nuovo sistema diventa disponibile. Per esempio, quando un tattile / grafica ambiente di realtà virtuale è stato codificato per un robot specifico di fornire un feedback tattile, che robot specifica non sarebbe in grado di essere scambiato per un altro robot senza ricodifica il programma. Tuttavia, recenti sforzi della comunità open source hanno proposto un approccio di classe wrapper che può provocare risposte quasi identiche a prescindere dal robot utilizzato. Il risultato può portare i ricercatori in tutto il mondo per effettuare esperimenti simili utilizzando il codice condiviso. Pertanto la &quot;commutazione fuori&quot; modulare di un robot per un altro non inciderebbe tempi di sviluppo. In questo lavoro, delineiamo la creazione e implementazione di una classe wrapper per un robot in open-source H3DAPI, che integra il software di comandi più comunemente utilizzati da tutti i robot.

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

Recentemente, una grande quantità di prospettive si sono disponibile per sistemi interattivi uomo-robot. In questo lavoro delineare l&#39;integrazione di un nuovo dispositivo robotico con software open source che può rapidamente rendere possibile una libreria di funzionalità interattive. Abbiamo poi delineare una applicazione clinica per un&#39;applicazione neuroriabilitazione.

Haptic / grafica di riabilitazione: integrazione di un robot in un ambiente di biblioteca virtuale e sua applicazione alla terapia Corsa

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 Views.  University of Illinois at Chicago and Rehabilitation Institute of Chicago. Recentemente, una grande quantità di prospettive si sono disponibile per sistemi interattivi uomo-robot. In questo lavoro delineare l'integrazione di un nuovo dispositivo robotico con software open source che può rapidamente rendere possibile una libreria di funzionalità interattive. Abbiamo poi delineare una applicazione clinica per un'applicazione neuroriabilitazione.

Video: 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.

Adattamento di un robot tattile in un fMRI 3T

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

Ricerca

Bioingegneria

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.

Progettazione di un robot bio-sensibile da DNA 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.

Un metodo per la valutazione tempestività e l&#39;accuratezza delle risposte volitivo motore a vibrotattili stimoli

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).

Utilizzando la trasmissione ottica straordinaria per quantificare i biomarcatori cardiaci nel siero umano

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.

Nanotubi di DNA come un Versatile strumento per lo studio di polimeri semiflessibili

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.

Ottimizzare l'utilizzo di un Robot di manipolazione liquido per condurre un alto Throughput avanti chimica genetica schermo di 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.

Una strategia convergente per la generazione di una libreria cDNA virtualmente in sequenza da ostriche del Pacifico senza riferimenti

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.

Patterning tridimensionale di biofilm ingegnerizzati con Bioprinter fai da te

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.

Dispositivo robotico isokinetico per migliorare l'affidabilità di Test-Retest e Inter-Rater per misurazioni Stretch Reflex nei pazienti colpiti da corsa con spasticità

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

Configurazione di un dispositivo microfluidico per la produzione di tappi combinatoriali

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.

Autore in primo piano: Integrazione di approcci computazionali e sperimentali nell'oncologia di precisione

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.

Dispositivo microfluidico a doppio strato per la produzione di tappi combinatori

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