Роботизированная система Зеркало терапии для восстановления функций Hemiplegic Arms

Резюме

Мы разработали систему зеркала робота в режиме реального времени для восстановления функций параличом половины оружия с использованием технологии автоматического управления, провели клиническое исследование по вопросу здоровых испытуемых и определили задачи через обратную связь от реабилитации врачей. Это простое зеркало робот может эффективно применяться для профессиональной терапии у пациентов, перенесших инсульт с гемиплегический руку.

Аннотация

Зеркальное терапия была проведена в качестве эффективной профессиональной терапии в клинических условиях для функционального восстановления в гемиплегический руку после инсульта. Она проводится выявляя иллюзию за счет использования зеркала, так как если гемиплегический рука движется в режиме реального времени во время движения здоровой руки. Это может облегчить нейропластичность мозга путем активации сенсомоторной коры. Тем не менее, обычное зеркало терапия имеет критическое ограничение в том, что гемиплегический рука на самом деле не движется. Таким образом, мы разработали в режиме реального времени 2-осевой системы зеркало робота как простой дополнительный модуль для обычной зеркальной терапии с использованием замкнутого механизма обратной связи, который позволяет в режиме реального времени движение гемиплегический руку. Мы использовали 3 Отношение и датчиков курса системе отсчета 2 бесщеточные двигатели постоянного тока для локтя и запястья суставов и экзоскелетонных кадров. В технико-экономическом обосновании на 6 здоровых субъектов, роботизированное зеркало терапия была безопасной и осуществимой. Кроме того, мы выбрали задачи, полезные для деятельности даиLY живой обучение через обратную связь от реабилитации врачей. Хронический больной инсульт показали улучшение в шкале оценки Fugl-Мейера и локтевого сгибателей спастичности после 2-недельного применения системы зеркала робота в. Роботизированная зеркало терапия может усилить проприоцептивной вклад в сенсорной коре головного мозга, который считается важным в нейропластики и функционального восстановления параличом половины оружия. Зеркальная система робота, представленные здесь могут быть легко разработаны и эффективно использованы для продвижения трудотерапию.

Введение

Для пациентов, перенесших инсульт, дисфункция гемиплегический руку имеет пагубные последствия. Способность выполнять бимануальную деятельность имеет важное значение для повседневной жизни, но функциональный дефицит в гемиплегический руки часто остается даже через несколько лет после начала инсульта. Среди различных учебных программ в больнице, упражнение, чтобы увеличить диапазон движения или пассивного повторения простых задач оказывают незначительное влияние на функциональное восстановление в гемиплегический руку. По этой причине, подготовка значимых задач, связанных с деятельностью повседневной жизни (ADLS) была применена к профессиональной терапии в больницах.

Эффекты зеркальной терапии были доказаны предыдущими исследованиями в нейрореабилитации ^1-4. Зеркало терапия проводится выявляя иллюзии за счет использования зеркала, так как если гемиплегический рука движется в режиме реального времени во время движения здоровой руки. Это может облегчить нейропластичность мозга путем активации сенсомоторной коры ^1. Таким образом, MotoR мощности и функцией гемиплегический рычага может быть улучшена. Тем не менее, обычное зеркало терапия имеет критическое ограничение в том, что гемиплегический рука на самом деле не движется.

Поэтому мы разработали в режиме реального времени 2-осевой системы зеркало робота в качестве простого дополнительного модуля к обычной зеркальной терапии, используя замкнутый механизм обратной связи. Это может передать проприоцептивной вклад в сенсорной коре, что считается важным в нейропластики и функционального восстановления в гемиплегический плеча (фиг.1 и 2) ^5-7.

протокол

Все процедуры были рассмотрены и одобрены Советом по институциональному обзору Сеульского национального университетского госпиталя.

1. Зеркальная терапия Задачи

1. Примеры задач 2-мерная зеркальная терапия (рисунок 3)
   1. Свободно двигаться здоровый руку, глядя в зеркало около 5 минут для разминки упражнения.
      Примечание: Можно использовать метроном таким образом, что пациент может осуществлять движение здоровой руки в ритмичной манере.
   2. На здоровой стороне, капать и поместить маленький шарик в отверстие выбранной аналогично бильярда в течение приблизительно 5 мин ( "Бал в отверстия" задачи). Капля и поместить небольшой мяч в цель подобной футбол в течение приблизительно 5 минут ( "Футбол игры" задачи).
   3. С помощью пронумерованных наклеек, размещенных на столе, переместите ручку на здоровой стороне в порядке возрастания и возврата в обратном направлении ( "Точки трассировки" задачи). Повторите в течение приблизительно 5 мин.
   4. Использование любого объекта в повседневной жизни, например, переменныйвверх, используя ручку на здоровой стороне, толкать его в выбранном месте ( "Перемещение чашки" задачи). Повторите в течение приблизительно 5 мин.

2. Компоненты системы Robot Mirror

1. Настройки датчика AHRS
   1. Получите 3 коммерчески доступные датчики AHRS.
      Примечание: Датчики AHRS состоят из датчика магнето, акселерометр и гироскопических датчиков (всего 9-оси).
   2. Подключите датчик AHRS к ПК с разъемом USB.
   3. Используйте программу HyperTerminal или другое программное обеспечение связи для настройки общих параметров датчика.
   4. Для каждого AHRS датчика, установите связи RS232 и выберите COM-порт. Затем установите скорость передачи данных до 115200 бит в секунду, биты данных 8, четности нет, стоп-биты 1, и управление потоком нет.
      1. Для проверки COM-порт, нажмите кнопку домой на левом нижнем углу. Щелкните правой кнопкой мыши на компьютере. Затем нажмите кнопку Свойства. Нажмите кнопку Диспетчер устройств. Разверните вкладку Port (COM и LPT), нажав на него.
   5. После коммunication было установлено, установить канал 100 и назначить идентификаторы для каждого датчика.
      Примечание: Некоторые датчики, возможно, потребуется калибровка акселерометр, гироскоп, магнитометр и перед использованием.
   6. Установить выходной формат как кватернионов и набор датчиков для отображения резервной батареи.
      Примечание: Кватернионы используются для ускорения вычислений, а также для устранения шарнирного замка особенностей.
2. Параметры двигателя Бесщеточный
   1. Подготовьте 2 высокопроизводительные бесщеточный двигатели постоянного тока и контроллеров.
   2. Для каждого контроллера, подключите кабель питания к источнику питания. Кроме того, подключите кабель двигателя, кабель датчика Холла и кабель датчика к двигателю.
   3. Подключение CAN-CAN кабель к другому контроллеру.
      Примечание: CANopen используется для обмена данными между устройствами.
   4. Установить идентификатор узла для каждого контроллера различать между устройствами.
   5. Подключите кабель USB к компьютеру для общей конфигурации.
   6. Включите источник питания для включения питания CONTROLlers и двигатели.
   7. Используйте установленный изготовителем при условии, программное обеспечение для конфигурирования системы двигателя для конфигурирования и настройки двигателя, датчик Холла и энкодером.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Угол пределы и исходного положения должны быть настроены для безопасной работы.
3. Монтаж рамы и моторов
   Примечание: Каждый заказ часть названа в кавычки. Пожалуйста , обратитесь к таблице материалов и оборудования и на рисунке 4 на рисунке 13.
   1. Для совместного двигателя локтя, положить один из соединительных тел с пазом на валу двигателя и закрепите его с помощью M5 шестигранной установочный винт (Рисунок 4).
   2. Безопасный "Elbow муфта полого цилиндра крышки" на локтевом двигателя при помощи 4x M5 винтов с головкой под головкой (10 мм) и поместите буферную часть муфты (средний слайдер часть) на верхней части корпуса муфты, которая была прикреплена на этапе 2.3.1 (Рисунок 4).
   3. Вставьте шариковый подшипник в "Elbow раме на крыше"и закрепите его с 4x M4 шестигранной головкой винтами (8 мм) (рисунок 5).
   4. Заткните "Elbow двигателя силы дисперсионной вал" в "нижней опоры локтя" и закрепите его с 4-кратным M3 винтами с головкой под торцевой (6 мм). Затем поместите "Верхняя опора локтя" на вершине "нижней опоры локтя" и закрепить его с помощью 8х M3 винтов с головкой под головкой (12 мм) (рисунок 6).
   5. Поместите сборку на этапе 2.3.4 на вершине, сборки на этапе 2.3.3 в середине, и последней части корпуса муфты в нижней части. Соединить все вместе и закрепите корпус муфты с внутренним шестигранником M5 установочными винтами (10 мм) (рисунок 7).
   6. Безопасная сборка на этапе 2.3.5 и сборки на этапе 2.3.2 с помощью 4x M5 винтов с головкой под головкой (15 мм) (рисунок 7). Поверните узел на этапе 2.3.2, чтобы обеспечить все 4 очка.
   7. Безопасный "Низший запястье полого цилиндра сцепления крышки" с запястья двигателя при помощи 4x M4 винтов с головкой под головкой (10 мм). Затем поместите один изсоединительные тела с пазом на валу двигателя и закрепите его с помощью M4 Штифты установочные винты; Затем поместите буферную часть муфты на верхней части корпуса муфты (рисунок 8).
   8. Приложить "кольцо уменьшения трения" на вершине "Эпический рамы на крыше" с двусторонней клейкой ленты или любого типа клея (рисунок 9).
   9. Заткните "Запястье двигатель силы дисперсионной вал" в "ручки" и закрепить его с помощью 4x M2.5 с головкой под винты (4 мм) (рисунок 10).
   10. Поместите сборку на этапе 2.3.9 на вершине, на этапе сборки 2.3.8 в середине, и последней части корпуса муфты в нижней части. Соединить все вместе и закрепите корпус муфты с внутренним шестигранником M4 установочными винтами (10 мм) (рисунок 10).
   11. Безопасный "Запястье motor2roof2" с узлом на этапе 2.3.10 с помощью 4x M3 шестигранной головкой винтов (рисунок 11).
   12. Безопасная сборка на этапе 2.3.11 и сборки на этапе 2.3.7 насИНГ 4x M3 винты с цилиндрической головкой (15 мм) (рисунок 11).
   13. Безопасный 2 "Совместный ограничитель движения» и 2 воротники вала с помощью 4x M4 винтов с головкой под головкой (15 мм) (рис 12а).
   14. Используйте воротники вал для защиты валов и "Запястье рама на крыше" с помощью 8х M3 винтов с головкой под головкой (8 мм) (рис 12б).
   15. Вставьте воротники вал в сборе 2.3.13 в валы в сборе 2.3.14 и обеспечить дополнительные ошейники вал с "нижней опоры локтя", используя 4x M4 винтов с головкой под головкой (15 мм). Затем соединить две части и закрепите с помощью рычага (рис 13А).
   16. Безопасный "Поддержка стены" на сборку на этапе 2.3.15 с использованием 6х M4 винтов с головкой под головкой (15 мм) (рис 13б). Закрепите стойку стола и сборку на этапе 2.3.16 с использованием 6х M6 винтов с головкой под головкой (15 мм) (рис 13C).

3. Дизайн Зеркало Robсистема О.Т.

1. Математическая модель для автоматического управления
   1. Набор динамическая модель для автоматического управления движением верхней конечности (рисунок 14).
      Примечание: Динамическая модель движения верхней конечности человека может быть выражена с помощью кинематику суставов и связей. Таким образом, с помощью уравнения для робота-манипулятора, моделирование может быть получено, как показано ниже:
      
      ЗАМЕТКА: ( : Совместная позиция вектора, : Объединенный вектор скорости, : Объединенный вектор ускорения, H: Инерция матрица, F: Кориолиса и центробежная сила, матрица, G: Вектор гравитационных сил, E: Torque матрицы за счет взаимодействия с окружающей средой, : Вектор обобщенных Forc эс, применяемые к суставам) гемиплегическая и здоровые руки показывают различные аспекты движения. То есть, гемиплегический рука не может двигаться во времени из-за парализованных мышц или не может обеспечить достаточный крутящий момент, необходимый для движения. Таким образом, система разработана таким образом, что обучение реабилитации может быть сделано с помощью нормального движения через гемиплегический руку; другими словами, восстановление робот крепится к гемиплегический руке пациента для того, чтобы доставить движения от здорового плеча и может быть просто сформулировать следующим образом:
      Движение реабилитационного робота) = (здоровое движение руки) - (гемиплегический движение руки).
   2. С реабилитационного робота, прикрепите парализованную руку пациента к манипулятору, и наблюдать дополнительный крутящий момент и время задержки из-за парализованной руки может привести к ошибкам в общей системе. Обнаружить это с помощью манипулятора на стороне гемиплегический.
   3. Мера ошибки (s (T): ошибки слежения) как математическое уравнение:
      эс / ftp_upload / 54521 / 54521eq6.jpg "/>
      Примечание: (s: отслеживание ошибок, : Положительная матрица параметров определенная конструкция, : Ошибка между желаемым и реальным положением, Ошибка между желаемой и фактической скорости) выше ошибки слежения может быть объединена с динамической моделью движения верхней конечности человека и может быть выражено следующим образом:
      
      Примечание: (K _D: Производное значение коэффициента компенсации обратной связи , который изменяется с течением времени, : Матрица Инерция ошибки, : Кориолиса и центробежная сила, матрица ошибок)
   4. Для того, чтобы контролировать каждый сустав реабилитационного робота, используйте Lagrangian динамика ^8. Динамическое уравнение движения для каждого сустава:
      
      Примечание: (D: матрица коэффициентов, : Привод матрица инерции) Коэффициент D в уравнении выше влияет на крутящий момент между суставами с инерционной связью эффекта между соединениями ^8. Автоматическая модель управления с помощью этой математической модели можно проиллюстрировать на схеме блока на рисунке 14.
2. Протокол программного обеспечения (Рисунок 15)
   1. При запуске программы, установить связь с моторами и датчиками, и инициализировать значения. После того, как двигатели и датчики находятся в исходном положении (4.1.3), перейдем к главному циклу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для частоты дискретизации основного цикла, мы рекомендуем 50 - 200 выборок / сек. Для получения максимальной задержки, мы рекомендуем 2 сек максимум. Кроме того, для ограничения крутящего момента, мыРекомендуется регулировать текущее значение двигателя с программным обеспечением так, чтобы локоть двигатель может оказать 25 - 40 Нм и запястья двигатель может оказать 10 - 20 Нм.
   2. Как не прерывается с помощью кнопки остановки, непрерывно считывается отношение и текущие значения положения Heading Reference System (AHRS) сенсоров для передачи значений к двигателям.
      Примечание: Выходные данные в кватернионов, и должен быть надлежащим образом преобразованы в нужный угол для движения робота. Выберите один из датчика координат кадров в качестве эталона, и сброс другого датчика систем координат. С расчетными кадров в качестве эталона, используйте обратную кинематику для получения конечных углов выход рыскания.
   3. Как не прерывается с помощью кнопки остановки, постоянно проверять позиции двигателей "и обновить значения для выполнения перемещения в нужное положение, предоставленной датчиками AHRS.
      Примечание: Положение двигателя обеспечивается датчиком двигателя, которые могут быть проверены внутри программного обеспечения с мотором компании & #39; s при условии, команды библиотеки программного обеспечения.
   4. В то же время, записывать все углы и угловые скорости от датчиков AHRS.
   5. После завершения задач, и пользователь нажимает на кнопку остановки, выйти из цикла и завершить работу над роботом, перемещая его в исходное положение.
3. Графический пользовательский интерфейс (GUI) (Рисунок 16)
   1. Добавить "ошибка в" и "без ошибок" функции для обнаружения и ошибки отладки во время выполнения.
   2. Добавить кнопку пациента на стороне, чтобы выбрать сторону операции робота (паретическая стороне пациента).
   3. Построить пациента информационный блок для выявления пациентов.
   4. Добавить индикаторы состояния двигателя.
   5. Добавление элементов управления ограничение угла для безопасности.
   6. Настройка максимальной скорости, ускорения и замедления для каждого двигателя, чтобы предотвратить мышцы и сухожилия травм из-за жесткой верхней конечности.
      Примечание: Система отражает ускорение и замедление гемиплегический рычага.
   7. дд показатели извлечения положения двигателя и скорости, а также входной текущей информации.
   8. Построить VISA контроль имя ресурса для установления связи между датчиками AHRS и системой.
   9. Добавить функцию калибровки для устранения ошибок набранные дрейфа датчика.
   10. Устройте индикатор для датчиков с целью извлечения информации датчика.
       Примечание: Информация, датчик включает в себя совместные углы (угол между двумя последовательными датчиками) и резервной батареи.
4. Преодолевая рычаг спастичности во время работы зеркала робота
   1. Выберите двигатели, которые могут оказать достаточное усилие, чтобы преодолеть спастичность для каждого сустава.
      Примечание: Wrist двигатель должен иметь выходной крутящий момент выше, чем 10 нм, а локоть двигателя выше, чем 25 Нм.
   2. Для того, чтобы надежно перевести движение робота к руке пациента, используйте ремни, которые сделаны из полу-эластичного материала, чтобы зафиксировать предплечье в робота-экзоскелета.
      ПРИМЕЧАНИЕ: полуэластичными ремни, такие как стретчч ткани ремни или полиэстер / нейлон эластичной оплеткой ремни, рекомендуется. Если ремни слишком эластичным, он не будет удерживать руку в нужном положении. Если ремни не эластичны вообще, мышц или сухожилий травмы могут возникнуть в случае высокой степени локтя спастичности.
   3. Для того, чтобы изолировать локоть и запястье движение, использовать 2 твердых кадров в сочетании с воротником вала, чтобы зафиксировать запястье, сжимая его в кадрах.
      Примечание: Вал ошейники используются для предотвращения мышцы и сухожилия травм, если жесткость в запястье является чрезмерным.
   4. Используйте ремни вокруг ручки, чтобы зафиксировать руку робота.

4. Клиническое применение зеркальной системы Robot

1. Проведение роботизированную зеркальной терапии
   1. Отрегулируйте высоту и ширину таблицы задач в соответствии с состоянием пациента.
   2. Установите зеркало в средней линии между обеими руками, и установить его на столе или платформе.
   3. Установите датчики AHRS на ручке, запястьерама, и край платформы на здоровой стороне выравниванию параллельно с ориентацией робота.
      Примечание: внутренняя ось поворота вокруг вертикальной оси Датчик должен быть направлен вверх.
   4. Выполнить программу терапии в компьютере.
   5. Выберите гемиплегической сторону, нажав на кнопку Patient стороне переключателя.
   6. Установить максимальные пределы угла сустава в соответствии с совместным состоянием пациента. Для обеспечения безопасной работы, используйте локоть предел сгибание менее 50º, локоть предел расширения более чем -70º, антистатический предел сгибание менее 80º, а также ограничить расширение запястья руки больше, чем -60 °.
      Примечание: знаки плюс и минус автоматически корректируются и лимиты также корректируется, если за пределы уровня программного обеспечения.
   7. Установить максимальную скорость, ускорение и торможение. Для этих значений, используйте значение скорости от 0 до 22,5 мин в течение локтя двигателя и использования значения скорости в диапазоне от 0 до 33 оборотов в минуту для наручных двигателя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для обычной зеркальной терапии, установить все значения к нулюиммобилизовать робота.
   8. Заполните информацию о пациенте.
   9. Включите все AHRS датчиков перед запуском программы.
   10. Запустите программу, нажав кнопку со стрелкой в ​​верхнем левом углу программы.
   11. После того, как "сохранить как" быстрых выскакивает, писать собственные имена файлов для данных результата на поле строки и нажмите ОК.
   12. В то время как робот и здоровая рука находятся в исходном положении (обе руки от тела и параллельно друг другу), нажмите кнопку калибровки для инициализации значений датчика к нулю для начального положения.
       ПРИМЕЧАНИЕ: См шаги 1.1.1 - 1.1.4 для рук, используемых в решении этой задачи.
   13. Нажмите кнопку STOP, когда будут завершены все задачи.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Для роботизированной зеркальной терапии, биомедицинский инженер должен выступать в качестве основного координатора и специалиста по трудотерапии должен помочь пациенту.
2. Клинические исследования на здоровых испытуемых
   1. Провести клиническое исследование по вопросу здоровых испытуемых, чтобы подтвердитьбезопасности и технико - экономическое ^8. Дайте команду ( "Не перемещайте руку гемиплегической по своему усмотрению.") К предметам для полностью пассивного движения гемиплегический руку.
   2. Поместите оба предплечья на рамах, и руки на ручки. Затем фиксируют предплечий с ремешками.
3. Оценка терапевтических эффектов
   1. До терапии, проведение функциональных оценок , таких как масштаб Fugl-Майера оценки ^9, модифицированной шкале Ashworth ^10, модифицированный индекс Бартель ^11, функциональный тест руки Jebsen, измерение мощности рук, hemispatial испытания невнимания, и двигатель вызванных потенциалов тест для пациентов.
   2. Проведение клинических испытаний для пациентов, перенесших инсульт с 2-мерным зеркалом робота в течение 30 - 60 мин в день. Дайте команду ( "Не перемещайте руку гемиплегической по своему усмотрению.") Для пациентов.
   3. После того, как пациенты выполнения последней сессии, проведение последующих функциональных оценок.

Результаты

Шесть здоровых испытуемых провели «перо маркировки задачу '(касание два маленьких доски попеременно с ручкой , прикрепленной здоровой руки , как показано на рисунке 17) в 10 раз , которые имели в среднем 106 сек по каждому предмету. Нет нежелательных явлений не н...

Обсуждение

Основная цель данного исследования заключалась в разработке реального времени системы зеркало робота для функционального восстановления в гемиплегический руки, используя алгоритм автоматического управления. Эффект роботизированной терапии на долгосрочное восстановление обесцен?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
LabVIEW	National Instruments		System design software
24 V power supply	XP Power	MHP1000PS24 24V	Any 24 V power supply should do
AHRS sensor receiver	E2box	EBRF24GRCV
AHRS sensors	E2box	EBIMU-9DOFV2	You will need total 3 sensors. Any AHRS sensors will do
EC90 flat motor module	Maxon	323772 + 223094 + 453231	Any geared motor with higher than 30 Nm should do. (For our custom machined parts, you will need these particular flat motor and gear module, but the gear ratio and encoder may vary)
EC45 flat motor module	Maxon	397172	Any geared motor with higher than 10 Nm should do (For our custom machined parts, you should use the same gear module but the gear ratio, motor, and encoder may vary)
EPOS2 70/10 controller	Maxon	375711	This can be replaced with EPOS 24/5 controller
EPOS2 24/5 controller	Maxon	367676
Connector and cable set	Maxon	381405 + 384915 + 275934 + 354045	You can also make these cables. Connectors and corresponding wire info can be found in "300583-Hardware-Reference-En.pdf" and "300583-Cable-Starting-Set-En.pdf"
Coupling- Oldham, Set Screw Type	Misumi	MCORK30-10-12	Type may vary
Coupling- High Rigidity, Oldham, Set Screw Type	Misumi	MCOGRK34-12-12	Type may vary
Shaft Collars	Misumi	SCWDM10-B	You will need 4 sets
Shaft Collars	Misumi	SDBJ10-8	You will need 2 sets
Precision Linear Shaft	Misumi	PSSFG10-200	Any straight 10 mm diameter shaft with at least 200 mm length should do
Bearings with housings	Misumi	BGRAB6801ZZ
Elbow motor force dispersion shaft	custom machined	3D CAD
Lower elbow support	custom machined	Part Drawings
Elbow rooftop frame	custom machined	Part Drawings
Support wall	custom machined	Part Drawings	You will need 2 frames.
Elbow coupling hollow cylinder cover	custom machined	Part Drawings
Wrist motor force dispersion shaft	custom machined	Part Drawings
Wrist rooftop frame	custom machined	Part Drawings
Upper wrist coupling hollow cylinder cover	custom machined	Part Drawings
Lower wrist coupling hollow cylinder cover	custom machined	Part Drawings
Joint movement limiter	custom machined	Part Drawings
Handle	3D printed	Part Drawings
Upper elbow support	3D printed	Part Drawings
Friction reduction ring	3D printed	Part Drawings
Acrylic mirror	custom laser cutting	Part Drawings
Task table	custom machined	Part Drawings
Silicone sponge
DOF limiter	3D printed	Part Drawings
DOF limiter lid	3D printed	Part Drawings
Healthyarm handle	3D printed	Part Drawings
Ball rollers - Press fit	Misumi	BCHA18
Goalpost	3D printed	Part Drawings
Circle trace	3D printed	Part Drawings
Angled assist	3D printed	Part Drawings	Optional
Curved assist	3D printed	Part Drawings	Optional
Plain assist	3D printed	Part Drawings	Optional
Task board	custom laser cutting	Part Drawings