바이매뉴얼 외골격 로봇 핸드를 이용한 새로운 과제 지향 재활 프로그램 개발

요약

이 연구는 손 재활을위한 새로운 로봇 보조 작업 지향 프로그램의 개발을보고합니다. 발달 과정은 뇌졸중을 앓고 후속 운동 제어 기능 장애로 고통받는 건강한 과목과 피험자 모두를 사용하는 실험으로 구성됩니다.

초록

로봇 보조 손은 특히 모터 제어의 손실을 가진 뇌졸중 환자에 대한 손상 된 상두 기능 환자의 재활에 사용됩니다. 그러나, 기존의 직업 훈련 전략이 재활 로봇의 사용에 어떻게 적용 될 수 있는지 불분명하다. 새로운 로봇 기술과 직업 치료 개념은 장애가있는 팔다리 기능을 가진 환자가 다양한 꼬집기 및 잡기 기능을 통해 영향을받는 손을 사용하여 물체를 파악할 수있는 프로토콜을 개발하는 데 사용됩니다. 이를 적절히 수행하기 위해 페그, 직사각형 큐브, 큐브, 공 및 원통형 막대의 다섯 가지 유형의 개체를 사용했습니다. 또한 피험자의 영향을 받는 손에 장착된 외골격 손인 로봇 핸드인 미러 핸드(Mirror Hand)를장착하고 영향을 받지 않는 손에 장착된 센서 장갑의 움직임을 따릅니다(양수동 운동 훈련(BMT). 이 연구는 두 단계가 있었다. 3명의 건강한 과목이 먼저 모집되어 교육 프로그램의 타당성과 수용성을 테스트했습니다. 뇌졸중으로 인한 손 기능 장애를 가진 3명의 환자를 모집하여 3일 연속으로 실시된 훈련 프로그램의 타당성과 수용성을 확인했습니다. 매일 환자는 수동적인 동작 범위에서 5분 동안, 5분 동안 로봇 보조 바이매뉴얼 운동, 5개의 물체를 이용한 작업 지향 훈련 을 모니터링했다. 그 결과 로봇 손과 함께 뇌졸중을 겪은 건강한 피험자와 피험자 모두 물체를 성공적으로 파악할 수 있는 것으로 나타났습니다. 건강한 과목과 뇌졸중을 겪은 사람들은 모두 타당성과 수용성 측면에서 로봇 보조 작업 지향 교육 프로그램과 잘 수행되었습니다.

서문

대부분 (80%) 뇌졸중 환자는 손에 적자를 경험하고 일상 생활^1에관련된 독립적으로 수동 작업을 수행하는 데 어려움이 있다. 그러나 수동 작업의 복잡한 특성은 손 재활 을위한 작업 지향 교육 프로그램을 설계하는 것이 중요하다는 것을^의미2. 최근 몇 년 동안 손 재활^3,4를4위해 많은 로봇 장치가 개발되었지만 로봇 장치에서 지원하는 교육 프로토콜은 거의 없기 때문에 환자가 실제 물체와 상호 작용할 수 있습니다. 뇌졸중으로 인한 손 기능 장애를 경험하는 환자를 위해 로봇 장치를 사용하여 손 기능 재활을위한 작업 지향 교육 프로그램을 어떻게 적용 할 수 있는지 정확히 불분명합니다.

작업 지향 훈련은 손 기능을 향상시키기 위해^사용5,,6 뇌졸중으로 인한 상지 기능 장애에 대한 재활에 일반적으로 적용됩니다. 그것은 신경 가소성을 증가 하는 데 사용 하 고 매우 개별 신경 적자 및 기능 요구에 의존^7. 그러나, 작업 지향 훈련 도중, 환자는 손 기능이 손상되는 경우에 객체를 조작하기에서 어려움을 경험합니다. 이 예로는 이해 가 불량또는 핀치 기능이 제한된 예제입니다. 치료사는 또한 환자의 손가락 움직임을 개별적으로 안내하는 데 어려움을 나타내므로 파악 작업의 변이를 제한합니다. 따라서 로봇 장치는 반복훈련^2,,8에서손 움직임을 명시적으로 안내하여 작업 중심 의 교육의 효과를 높일 필요가 있다.

이전 연구는 상반신 도달 작업에 작업 지향 교육을위한 재활 로봇을 사용^3. 로봇 보조 재활이 손 기능에서 작업 중심의 훈련을 위해 어떻게 사용될 수 있는지는 불분명합니다. 외골격 손, HWARD, 잡고^개체8을해제하는 손가락을 안내하는 데 사용되었습니다. 그러나 이 장치는 필요한 자유도가 부족하기 때문에 다양한 파악 패턴을 허용하지 않습니다. 최근에는 환자의 손가락을 개별적으로 움직이는 것을 목표로 하는 다른 장치가^9개개발되었다. 그러나, 이러한 장치는 이전에 신경 재활에 사용 되지 않았습니다. 위에서 언급 한 로봇 장치는 모두 일방적 인 로봇입니다. 대조적으로, 여기에 제시된 로봇 손 시스템은 영향을 받지 않고 영향을 받지 않는 손의 협력이 필요합니다. 로봇 손 시스템은 대칭 양수동 손 움직임을 달성하기 위해 마스터 슬레이브 메커니즘을 사용하여 재활 목적으로 특별히 설계되었습니다. 이 시스템은 외골격 손(영향을 받는 손에 착용), 컨트롤 박스, 감각 장갑(영향을 받지 않는 손에 착용)으로 구성됩니다. 외골격 손의 각 손가락 모듈은 1 정도의 자유를 가진 모터에 의해 구동되며 관절은 기계적 연결 시스템을 사용하여 연결됩니다. 두 가지 크기인 S와 M은 다양한 피사체에 맞게 설계되었습니다. 제어 박스는 환자의 영향을받는 손을 외골격 손으로 조작 할 수있는 두 가지 치료 모드, 수동 운동 범위 (PROM) 및 미러 가이드 모션 모드를 제공합니다. PROM 모드에서 컨트롤 박스는 입력 명령을 외골격으로 전송하고 피사체의 손을 움직이면서 전체 손가락 굴곡/확장을 수행합니다. 그것은 두 가지 모드가 포함되어 있습니다 : 단일 손가락 모드 (엄지 손가락에서 새끼 손가락으로 순서대로 작동)와 다섯 손가락 모드 (다섯 손가락이 함께 이동). 미러 가이드 모션 모드에서는 마스터(센서 장갑)-슬레이브(외골격 손) 메커니즘이 구현되며, 각 손가락의 움직임이 센서 장갑에 의해 감지되고 조인트 앵글의 신호가 제어 박스로 전달되어 외골격 의 손을 조작한다.

로봇 핸드 시스템을 장착했을 때, 피험자는 바이매뉴얼 운동 훈련(BMT)^10인영향을 받지 않는 손에 의해 제어되는 외골격 손의 지도하에 영향을 받는 손을 움직이도록 지시받았다. 이전 연구에 따르면, BMT는 뇌의 두 반구에서 유사한 신경 경로를 활성화하고 병변 반구에서 신경 기능의 회복을 방해하는 트랜스 반구 억제를 방지 할 수^{있습니다 10.} 브루너^외.11은 BMT를 서브 급성 뇌졸중 환자에서 제약 유도 운동 요법(CIMT)에 비교하였다. 그(것)들은 BMT가 CIMT 보다는 두 반구에 있는 더 많은 신경망을 활성화하는 경향이 있다는 것을 건의하고, BMT와 CIMT 접근 사이 손 기능의 개선에 있는 중요한 다름이 없었다는 것을 건의했습니다. Sleimen-Malkoun^{외. 12} 또한 BMT를 통해, 뇌졸중 환자는 창면 사지 제어 및 양수동 제어를 모두 다시 설정할 수 있음을 제안했다. 즉, 교육은 영향을받는 팔을 사용하는 데 초점을 맞춘 수동 작업을 포함해야합니다. 또한, 일상 생활 (ADL)^11,,12의활동에 양손의 조정이 필요합니다. 따라서, 로봇 손 시스템을 착용한 환자가 파악하거나 꼬집을 수 있는 뇌졸중 후 환자와 물체를 위한 양방향 로봇 보조 태스크 지향 교육 프로그램을 개발하는 것이 중요하다.

이 연구에서는, 다양한 파악 물체는 직업 치료의 요구와 재활 로봇의 기계적 특성에 따라 설계되었습니다. 뇌졸중으로 인한 말탈 상반신 기능 장애 환자를 위한 로봇 재활 장치를 사용하여 작업 지향 교육 프로토콜을 개발했습니다. 이 연구의 목적은 외골격 로봇과 새로 설계된 파악 물체를 사용하여 작업 지향 교육 프로그램의 타당성 과 수용성을 조사하는 것이었습니다.

프로토콜

교육 프로토콜 및 통보 된 동의 문서는 장궁 의료 재단의 기관 검토 위원회에 의해 검토되고 승인되었습니다. 연구 결과 및 절차의 세부 사항은 명확하게 각 주제에 설명되었다.

1. 건강한 성인 3명 모집

1. 다음과 같은 포함 기준을 사용하여 심사 과정을 수행: (1) 나이 20-60 세, (2) 이미 서명 된 동의, (3) 상반신에서 정상적인 기능, (4) 미니 정신 상태 검사 (MMSE) 점수 (MMSE) 점수 24.
2. 시험 1: 로봇 손 시스템을 착용하지 않고 물체를 조작합니다.
   1. 피사체에게 단단한 등과 팔걸이가 없는 의자에 똑바로 앉도록 지시한다. 테이블 앞에 피사체를 앉습니다. 피사체의 지배적이지 않은 면을 나란히 서라.
   2. 5 분 동안 설계 된 개체를 조작하는 방법을 주제를 가르친다. 페그를 데리러 팔마 예언, 직사각형 큐브를 데리러 측면 예언, 큐브를 데리러 세 가지 척, 공을 데리러 구형 손아귀, 원통형 막대를 데리러 원통형 손아귀를 포함한다.
      참고: 개체는 그림 1A에표시됩니다. 실험 용 설정은 도 1B에표시됩니다. 피험자는 각 개체에 대한 특정 이해 패턴을 배웠습니다. 파악 패턴은 도 2에표시됩니다.
   3. 피사체의 손 앞에 두 개의 기지를 두개 놓는다. 조작을 돕기 위해 재활에 사용되는 각 물체를 이러한 기지 위에 놓습니다. 모든 오브젝트의 경우 다음 시퀀스를 20회 반복합니다. 피사체에게 베이스의 시작 영역에서 물체를 파악하고 들어 올려 서 미드라인으로 이동하여 지배적이지 않은 손으로 풀어 보라고 한다.
   4. 동시에 이러한 20번의 시도의 성공률을 측정합니다. 이 절차를 3일 연속으로 수행합니다. 성공률은 20회 시도당 성공적인 조작 횟수 x 100%입니다. 성공적인 조작은 피사체가 객체에 따라 특정 손아귀 패턴으로 시퀀스를 완료하고 떨어뜨리지 않고 시퀀스를 완료할 수 있는 때로 정의됩니다.
3. 시험 2: 로봇 손 시스템을 사용하여 물체를조작(그림 3).
   참고: 로봇 손 시스템의 메커니즘은 다음과 같습니다. 외골격 핸드에서 각 손가락 모듈의 조인트는 기계적 연결로 설계되었으며 10mm/s의 일정한 속도를 가진 개별 선형 액추에이터에 의해 구동됩니다. 외골격은 각 손가락 모듈 (엄지 손가락 : MCP = 0 ° ~ 55 °, DIP = 0 ° ~ 70 °; 인덱스 및 중간 손가락 : MCP = -10 ° ~ 55 °, PIP = 05 ° 35 ° , DIP = 0 ° ~ 35 ° 링 및 작은 손가락 : MCP = - 5 ~ 55 ° 05 ° 05 ° 05 ° 05 ° . 센서 장갑에서 각 손가락 모듈은 조인트 각도를 측정하는 플렉스 센서로 설치되어 케이블을 통해 제어 상자에 입력 신호를 보냅니다.
   1. 센서 장갑 설정(그림 1B,b)
      1. 피사체의 지배적인 손에 센서 장갑을 놓습니다. 벨크로를 사용하여 손목을 고정합니다.
   2. 외골격 설정(그림 1B,b)
      1. 깨끗한 패드를 사용하여 지배적이지 않은 손을 감쌉습니다. 벨크로를 꼭 고정하십시오.
      2. 엄지 손가락 개방 각도의 조정을 허용하기 위해 외골격 손의 엄지 손가락 메커니즘을 느슨하게. 외골격 손에 지배적인 손이 아닌 손을 놓습니다. 벨크로를 고정 링으로 손바닥에 고정합니다. 손가락을 하나씩 고정하고, 집게 손가락으로 시작하여 엄지 손가락으로 마무리합니다.
      3. 그런 다음, 고정 링을 통해 손목에 평행벨크로를 고정합니다. 엄지 손가락을 편안한 각도로 조정한 다음 엄지 손가락 메커니즘을 조입니다.
   3. 컨트롤 박스 설정(그림 1A,c)
      1. 외골격 손용 케이블과 센서 장갑을 각각 외골격 손과 센서 장갑의 소켓에 삽입합니다. 그 후, 외골격 손과 센서 장갑을 제어 상자의 소켓에 케이블을 삽입합니다. 마지막으로 전원 케이블을 제어 상자에 삽입하고 올바른 전압을 가진 콘센트에 연결합니다.
   4. 워밍업 세션 실시(PROM 모드)
      1. 컨트롤 박스를 켜고 모드를 다섯 손가락으로 조정합니다. 이 모드를 사용하면 외골격 손이 피사체의 손가락을 수동적으로 움직일 수 있습니다. 2.5 분 동안 외골격 손에 의해 안내 손과 릴리스 작업을 수행하도록 피사체에게 요청합니다.
      2. 모드를 단일 손가락으로 전환하고 외골격 손이 피사체의 손가락을 개별적으로 수동적으로 움직이게 합니다. 외골격 손에 의해 유도, 2.5 분 동안 개별 손가락을 확장하고 철회하는 피사체를 요청합니다.
   5. 로봇 지원 양수동 이동 세션을 수행합니다.
      1. 모드를 미러로전환합니다. 이 모드에서는 센서 장갑을 착용한 지배적인 손의 움직임이 외골격 손의 움직임을 제어합니다. 센서 장갑에 의해 만들어진 모든 움직임은 외골격 손에 의해 모방되고 미러링됩니다. 예를 들어 센서 장갑의 검지 손가락의 굴곡은 외골격의 검지 손가락의 굴곡에 해당합니다.
   6. 피사체에게 2.5분 동안 손아귀 및 릴리스 작업을 수행하고 센서 장갑을 착용하는 동안 2.5분 동안 개별 손가락 움직임을 추가로 수행하도록 지시합니다. 이 작업은 외계 골격 의 손에 의해 미러로 되어 있으며, 이는 피사체가 필요한 작업을 수행하는 데 지배적이지 않은 손을 안내합니다.
4. 작업 지향 세션을 수행합니다.
   1. 5 분 동안 로봇 손 시스템을 사용하여 설계 된 개체를 조작하는 방법을 피사체를 가르칩니다.
   2. 피사체의 손 앞에 두 개의 기지를 두개 놓는다. 조작을 돕기 위해 재활에 사용되는 각 물체를 이러한 기지 위에 놓습니다. 모든 오브젝트의 경우 다음 시퀀스를 20회 반복합니다. 피사체에게 베이스의 시작 영역에서 물체를 파악하고 들어 올려 서 미드라인으로 이동하여 로봇 핸드 시스템을 사용하여 놓도록 요청합니다.
   3. 동시에 이러한 20번의 시도의 성공률을 측정합니다. 이 절차를 3일 연속으로 수행합니다. 성공률은 20회 시도당 성공적인 조작 횟수 x 100%입니다. 성공적인 조작은 피사체가 로봇 손 시스템을 사용하여 이를 떨어뜨리지 않고 특정 손패턴으로 시퀀스를 완료할 수 있는 때로 정의됩니다.
      참고: 성공률은 건강한 과목에서 양수동 로봇 손 시스템의 타당성을 평가하는 데 사용됩니다.

2. 3명의 뇌졸중 환자를 모집하여 교육 프로그램의 적용 가능성을 결정합니다.

1. 다음과 같은 포함 기준을 사용하여 심사 과정을 수행하십시오: (1) 나이 20-60 년; (2) 동의서에 서명; (3) 일방적인 뇌졸중으로 진단 [ 1 개월 (4) 수정 애쉬 워스 스케일 (MAS) 점수 □2; (5) 브룬스트롬 스테이지 □2; (6) MMSE 점수 □24.
2. 시험 1: 로봇 손 시스템을 사용하지 않을 때 물체를 조작합니다(그림2).
   1. 피사체가 단단한 등과 팔걸이가 없는 의자에 똑바로 앉게 하십시오. 테이블 앞에 피사체를 앉습니다. 피사체의 영향을 받는 쪽에 서 라. 피사체의 팔꿈치 와 외골격 손 아래에 새총을 놓아 영향을받는 팔을 지지합니다.
   2. 5 분 동안 설계 된 개체를 조작하는 방법을 주제를 가르친다. 페그를 데리러 팔마 예언, 직사각형 큐브를 데리러 측면 예언, 큐브를 데리러 세 가지 척, 공을 데리러 구형 손아귀, 원통형 막대를 데리러 원통형 손아귀를 포함한다.
   3. 피사체의 손 앞에 두 개의 기지를 두개 놓는다. 조작을 돕기 위해 재활에 사용되는 각 물체를 이러한 기지 위에 놓습니다. 피사체에게 영향을 받는 손을 사용하여 5개의 다른 물체를 20번 조작하도록 요청합니다. 필요한 경우 상완을 이동하는 피사체를 지원합니다.
   4. 동시에 이러한 20번의 시도의 성공률을 측정합니다. 이 절차를 3일 연속으로 수행합니다.
3. 시험 2: 로봇 손 시스템을 사용하여 물체를조작(그림 3).
   1. 외골격 손을 피사체의 영향을 받는 손에 맞고 센서 장갑을 영향을 받지 않는 손에 맞춥니까. 1.3.1-1.3.3 단계를 반복합니다. 피사체의 팔꿈치 와 외골격 손 아래에 새총을 놓아 영향을받는 팔을 지지합니다.
   2. 워밍업 세션(PROM 모드)을 수행합니다.
      1. 컨트롤 박스를 켜고 모드를 다섯 손가락으로 조정합니다. 2.5 분 동안 외골격 손에 의해 안내 손과 릴리스 작업을 수행하도록 피사체에게 요청합니다.
      2. 모드를 단일 손가락으로 전환합니다. 외골격 손에 의해 유도, 2.5 분 동안 개별 손가락을 확장하고 철회하는 피사체를 요청합니다.
      3. 모드를 미러로전환합니다. 피사체에게 2.5분 동안 손아귀 및 릴리스 작업을 수행하고 센서 장갑을 착용하는 동안 2.5분 동안 개별 손가락 움직임을 추가로 수행하도록 지시합니다. 이 작업은 외계 골격 의 손으로 미러로 되어 있으며, 이는 피사체가 영향을 받는 작업을 수행하는 데 영향을 받는 손을 안내합니다.
   3. 작업 지향 세션을 수행합니다.
   4. 5 분 동안 로봇 손 시스템을 사용하여 설계 된 개체를 조작하는 방법을 피사체를 가르칩니다.
   5. 피사체의 손 앞에 두 개의 기지를 두개 놓는다. 조작을 돕기 위해 재활에 사용되는 각 물체를 이러한 기지 위에 놓습니다. 모든 오브젝트의 경우 다음 시퀀스를 20회 반복합니다. 피사체에게 베이스의 시작 영역에서 물체를 파악하고 들어 올려 서 미드라인으로 이동하고 로봇 핸드 시스템을 사용하여 놓도록 요청합니다.
   6. 동시에 이러한 20번의 시도의 성공률을 측정합니다. 이 절차를 3일 연속으로 수행합니다. 성공률은 20회 시도당 성공적인 조작 횟수 x 100%입니다. 성공적인 조작은 피사체가 로봇 손 시스템을 사용하여 이를 떨어뜨리지 않고 특정 손패턴으로 시퀀스를 완료할 수 있는 때로 정의됩니다.
      참고: 성공률은 뇌졸중 환자에서 로봇 손 시스템의 타당성을 평가하는 데 사용됩니다.

3. 환자 평가

1. 수용성을 평가하기 위해 각 세션이 끝날 때 질문 다음 주제에 문의하십시오: (1) 객체를 조작하는 데 도움이 되는 로봇 손 시스템입니까? (2) 교육 프로그램 도중 또는 후에 어떤 불리한 사건이 있었습니까?

결과

이 연구에는 3명의 건강한 과목과 3명의 뇌졸중 후 과목을 포함하여 총 6명의 과목이 등록되었습니다. 두 그룹의 인구 통계 학적 데이터는 보충 표 1에표시됩니다. 건강한 그룹의 평균 연령은 28세(범위: 24-30)인 반면 환자 그룹의 평균 연령은 49세(40-57세)였습니다. 환자 그룹의 평균 평가 점수는 다음과 같습니다: (1) MMSE=27 (26-29), (2) FMA=11.3 (6-15), (3) MAS=1, (4) 브런스트롬 스테이지=2.

토론

이 연구의 결과는 다음과 같은 것으로 나타났습니다: (1) 두 그룹은 로봇 손 시스템과 함께 제공된 물체를 성공적으로 파악할 수 있었다. 그들은 제안 된 로봇 지원 작업 지향 교육 프로그램의 타당성을 확인하는 거의 100 % 성공률로이 작업을 완료 할 수있었습니다. (2) 연구 기간 동안 부상이나 부작용에 대한 보고가 없었으며 모든 환자는 로봇 손 시스템이 물체를 조작하는 데 도움이 되었다고 보?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Control Box	Rehabotics Medical Technology Corporation	HB01	The control box includes a power supply, sensor glove signal receiver, motor signal transmitter, and exoskeletal hand motion mode selection unit.
Exoskeletal Hand	Rehabotics Medical Technology Corporation	HS01	It is a wearable device causing the patient's fingers to move and is driven by an external motor and mechanical assembly.
Sensor Glove	Rehabotics Medical Technology Corporation	HM01	Worn on the patient's unaffected side hand. The sensors in the sensor glove will detect flexing and extension of the hand, and this data will be used to control the exoskeletal hand when in bimanual mode.