Bra.Di.P.O。和P.I.G.R.O.:创新设备运动学习项目

文摘

两个机电一体化的原型,用于机器人neurotreatments和新的临床培训,在这里。P.I.G.R.O.(气动互动步态康复矫正法)是一种有效的外骨骼和一个电动气动控制。它对下肢运动,以产生在病人的大脑适当的运动皮质激活。Bra.Di.P.O。(大脑发现气动矫正法)是一种MR-compatible设备,旨在提高fMRI(功能性磁共振成像)分析。并给出了两个设备在一起因为他们都参与这项研究的新机器人受到强音或脑卒中的治疗或在某些运动学习健康受试者进行实验调查。

1。介绍

根据神经可塑性理论,神经学家已经接受了只有几十年,大脑能够“学习”甚至在成年的年龄和伤病后,如果适当的刺激1,2]。近年来,许多设备已经开发(3,4],可以刺激某些功能或模拟生理运动运动和脑损伤病人的认知功能可以使用功能磁共振成像研究,或功能性磁共振成像(5,6]。

功能性磁共振成像已经成为可能的人类大脑“体内”第一次,字面意思是“看在起作用。“此外,功能磁共振成像是用在健康受试者了解我们大脑的复杂的运动学习能力的研究。

提出了两种优化电动气动原型,其先前的设计可以在[读取7- - - - - -12]。

第一个,叫做Bra.Di.P.O。(大脑发现气动矫正法),用于移动主体的脚在功能磁共振成像分析为了实施控制运动和刺激运动皮层在测试期间。

另一个名为P.I.G.R.O.(气动互动步态康复矫正法),是一个活跃的电动气动外骨骼下肢运动练习。

设计Politecnico di都灵,机械和航空航天工程,这两个设备在使用汽车图像与健康受试者的研究,评估大脑可塑性的变化在电机电路和电机的想象力。

他们共同的主要优势是理疗师的工作改进;与可重复性运动实施;电子数据采集;连续测量的测试参数;不同的临床协议的可能性。

与以前相比设计(7),这些优化原型显示在以下段落下划线的改进上。

此外,这里的临床过程,使用Bra.Di.P.O进行。和P.I.G.R.O.健康受试者,是一个有趣的研究对人类运动皮层功能。

2。机器人原型

2.1。Bra.Di.P.O

Bra.Di.P.O。(7,9- - - - - -11]是一种MR-compatible装置1自由度(自由度)矢状面,使患者的踝关节周围旋转的轴。它有两个踏板,病人的脚了,气压传动装置(人物所感动1(一)和1 (b)),它是在“主动模式”(病人遵循踏板运动被动)或“被动模式”(病人自主移动的脚和一个光学角电位计,放在踏板上,记录旅行的角度)。

一些类似的例子所示文献,讨论(13- - - - - -23]。

这些设备都兼容的先生,因为他们在磁共振室工作没有产生干扰(13- - - - - -15),一般使用气动或液压控制。

Bra.Di.P.O。可以适应病人的脚和一个人体10% ile女人和95% ile男人之间,与协议标准强调[24,25]。所有电气部件和个人电脑远程位置。还提供了一个用户友好的图形界面。

Bra.Di.P.O的流程图。管理软件如图1 (c)。它是由作者为了优化这个调查。每个测试始于一个通用的系统检查,之后,操作员可以选择测试参数(气缸速度、踏板的角度范围和操作频率)。每个框架都有一个虚拟应急开关期间停止软件分析。

与第一Bra.Di.P.O遇到的主要问题。原型(图1 (b))是指:气动执行机构位置改进;设备位置调整扫描表;动态信号传输outside-inside磁共振室。

因此,第二个原型设计,还讨论了在10]。在第二个解决方案中,气动执行机构(1)坐落在设备(图2(一个)),它是连接到一个酒吧(2),这周围旋转铰链O(3)将踏板(4)。

当它被发现在最初的功能磁共振成像与Bra.Di.P.O分析。,the patient’s foot movement could interfere with the test by producing involuntary head movements.

所以设备如图长大2 (b),因为这个配置降低了传播运动从病人的脚头和解决问题。

的提高病人的腿还需要水平调整病人的表扫描(图上的立场2 (c)),另一个下添加了气压传动装置盒和用作汽车的水平定位系统。

最后第二个Bra.Di.P.O。原型如图3。

此外,适当的动态信号传输的问题通过这里的长管使用(约10米),广泛在文献[16- - - - - -23)为其他类似的设备和作者(11),进行了研究,在第一个Bra.Di.P.O已经解决了。原型。

这里的问题是解决通过选择非磁性商业阀门和把他们靠近汽缸(PF和PD在图4(一))。

特别是使用商业软件进行了这项研究,电路的布局如图4 (b)设计。

这样,作者调查了Bra.Di.P.O的动力学性能。控制电路,为了获得病人的脚运动所需的工作频率(约1赫兹)。它是由人类运动皮质激活模式连接到。

在这个数值模型,参数改变,为了分析系统的动态行为不同的踏板负载(米),工作频率(f),供应压力和占空比(d)。后者参数非常重要,因为它直接影响供应/放电时间。

在模拟、参数变化在以下范围:质量米= 1 - 2公斤,工作频率f= 0.2 - -0.7赫兹,工作周期d= 0.15;0.25;0.40;0.50,相对供应压力= 3.0 * 10⁵;3.5 * 10⁵;4.0 * 10⁵Pa。

为了验证数值模型的阐述,构造了一个实验性的试验台和一些测试进行了比较实验和理论结果(11]。

从这个研究结果的一个例子是图所示52公斤的负载,3.5 * 10⁵Pa供应压力,0.5赫兹的频率,和0.25工作周期(11]。

这些图表说明良好的理论和实验结果之间的通信进行相同的测试条件。事实上,不同的各种参数、形状和信号的振幅总是好的,显示正常运行的数值模型阐述了作者,可以广泛的检查(11]。

特别是,分析人物5,Pc(参见图4(一))达到相同的最大振幅值的理论和实验测试;Puf(图4(一))显示理论振幅值低于实验;布丁(图4(一)在这两种情况下)显示了相同的行为。

这个事实当然是由于之间,有时出现小错误数值模型和实验测试。这里的主要原因是气缸和阀摩擦建模和物理建模的气动线。总体结果是好的,给构建一个可能性最终原型和电路工作总是正确的。

2.2。P.I.G.R.O

涉及的其他原型叫做P.I.G.R.O.,是一个活跃的外骨骼下肢电动气动控制。

的文学活动下肢外骨骼用于步态康复,讨论(26- - - - - -31日),主要是处理机器拴在一个固定的站。他们通常相当严格,重型设备,主要用于跑步机训练。这些系统几乎从未提供脚踝驱动。

相比之下,P.I.G.R.O.系统是一个创新的设备为患者的康复临床问题,如偏瘫,tetraparesis,轻偏瘫,以及那些遭受中风、缺血或脑出血。它还可以扩展到某些情况下的肌肉萎缩和退行性运动系统疾病。

图6显示系统的一些细节。

特别是,系统(图6(一))由一个electropneumatically积极矫正法控制,电脑获取和处理数据,使操作员管理会话,运营商的监控,监测患者生物反馈。

在图6 (b)的一个例子截图在测试期间从运营商的监控。可以注意到六个关节范围。

在数据6 (c),6 (d),6 (e)从生物反馈的例子截图监控病人的hip-knee-ankle的显示。尤其是厚曲线参考病人的机器,而薄曲线是病人在测试期间的表现。在生物反馈监测临床医生需要厚参考曲线范围内病人的性能可以在检查治疗。

矫正法是一个模块化的6自由度的外骨骼可以适应人体测量患者10% ile女人和95% ile男人之间24,25),如表所示1。所有自由度在矢状面,每个下肢关节。

使用弹簧钢矫正法结构的一部分,这样系统可以更容易舒适,耐磨,以及允许一定的骨盆运动在步态周期中矢状面。

根据治疗需求,P.I.G.R.O.可以使用与患者暂停或部分使用体重支持地面接触。在这两种情况下,体重支持用于卸载矫正法的质量以及病人的身体。

在两种类型的培训踝关节驱动对病人的运动皮质激活至关重要;这是一个原始和P.I.G.R.O.的重要特征32]。

特别是,踝关节驱动也可以移除,让病人自由移动脚独立治疗期间,如果需要的话。

特别是,地上行走在跑步机上行走的首选,因为它允许病人的推进房间,空间提供重要的感觉和认知康复的基础。

气动执行机构的运作原则是受体激动剂/拮抗剂肌肉,从而减少重量和体积。当前汽缸也可以换成气动肌肉如果需要。

每条腿矫正法是配有气缸燃烧室压力传感器和位置传感器、跟踪关节运动用作反馈系统控制。

供应压力水平既可以调节不同的力对病人的腿并帮助病人的自主行走的医生的分析进展。

驱动电动气动,但也可以用电动或液压执行机构实现。

管理软件是一个实时控制,输入曲线可以是关节的生理行为标准的步态周期(33)或其他曲线选择临床医生的培训。

获得的数据被发送到电脑通过一个10米长的编码信号传输电缆、多极电缆或无线连接。该软件是由作者专门为这个应用程序。它还包括一个优良的图形界面方便操作员的工作。

这个图形界面允许插入病人的所有参数,特别是腿部的人体测量长度和病人的体重。特别是病人的质量会影响P.I.G.R.O.运动,随着惯性效应和与外骨骼人机交互。所以这个值是基本的控制系统。

P.I.G.R.O.重量不超过30公斤,灵活,多才多艺,而且简单易用。

特别是它必须强调这个机器人不适合病人的援助在白天在医院外,其他辅助设备在市场上。

事实上P.I.G.R.O. neurorehabilitation培训是一个机器人的机器设计在医院进行结构和由临床医生(32]。

此外,气动驱动本质上是安全的,干净的,提供一个舒适和柔软运动,并允许改变部队在病人的腿操作供应压力水平。

数据7(一),7 (b),7 (c)显示P.I.G.R.O.行为比较,在实验测试中,输入和输出为每个关节角曲线。这个测试是在一个健康主题的体重约70公斤。特别是3 s的图形称为一个步态周期,分析了初始瞬态和左后病人的腿为简单起见。

这些结果强调系统的正常运行,随着振幅和P.I.G.R.O.输入曲线的形状(控制位置)和输出曲线(系统)的反馈总是全部协议。尤其是小输入和输出曲线之间的延迟是由于一些无论如何发生相互作用之间的被动意识主体和机器人运动。

最后,这个新原型的主要创新[32)与之前的相比7,8,12在这里强调。

人机界面设计的一个重要改进是由作者、创新学习和测试,人体工程学,舒适的纺织品结构。

新型电动解决方案,有自己的独立的紧急开关,实现了盆腔的调整,提高机器人的耐磨性和安全。

控制系统突发事件终于中定义的三个模式:从软件;一个气动按钮;与病人的按钮。

一个创新的实时控制系统的设计,为了替代上一个,基于两个电脑(主人和奴隶)。

P.I.G.R.O.管理软件完全检查和改善。

特别是,现在的软件能力:慢慢开始步态周期中,为了避免一个初始强和突然的运动对病人的腿;排放所有电动气动阀门,如果发生一些紧急情况下或在暂停所需的培训;停止在压力气动执行机构,当临床医生检查病人的认知状态。

此外,供应压力,一条腿或两个,可以改变的运营商在治疗期间,自动保存,在一个合适的病人的备忘录,这个动作的时候,新的压力水平。

图形用户友好的界面设计,完全赞同医生的需求。

2.3。比较这两个设备

两个设备的主要特征归纳在表格2。

Bra.Di.P.O。和P.I.G.R.O.有良好的耐磨性,适当的和原始的管理软件,一个有用的图形用户友好的界面。

他们允许重复每个治疗,保存数据,帮助并改善理疗师的工作。

他们多才多艺,允许检测和建立创新过程对neurorehabilitation有用和人类的大脑运动皮层的研究。

这两个设备的临床应用包括运动和认知训练与健康受试者初步开展,利用功能磁共振成像测量可塑性变化的水平运动皮层和运动图像的任务(34,35]。

3所示。材料和方法

3.1。主题

五个健康志愿者(图8)(3个女人和2个男人;年龄范围= 20,平均年龄= 22年)参加了实验。所有受试者进行测试,发现有足够能力形成视觉和运动图像。排除标准包括神经或发育病史、精神障碍、药物或酒精滥用,目前使用的药物来改变神经活动。所有科目给通知书面同意。执行的功能磁共振成像研究是在都灵Koelliker医院(意大利)。

3.2。培训

对象执行训练任务使用一个机器人设备(P.I.G.R.O.;见下文的描述)。训练包括两个运行。每次运行包括主动和被动阶段。在被动阶段,受试者保持闭眼和被要求适应运动的机械设备,专注于运动知觉。运动由一个序列的脚踝dorsi——plantarflexions;动作的节奏和速度不同的两英尺。在活跃的阶段,压力设备减少和受试者复制动作学习在聚焦阶段,以相同的幅度和速度。每个阶段持续了5分钟。运动图像的任务的结果将在下面讨论。

3.3。功能磁共振成像评估

功能磁共振成像评估利用电机和运动图像的任务:受试者被要求执行踝关节背屈和plantarflexion。在第二个会话中,受试者被要求想象同样的运动。完整的背屈/ plantarflexion周期应该发生的频率约为0.5赫兹。使用Bra.Di.P.O执行任务。范例进行使用一块设计12休息交替12年代活跃的状态。每个模式由共有25块(13休息条件,12积极条件);4卷是扫描在每个功能块;每个模式持续了5分钟。

3.4。图像采集

数据采集进行1.5特斯拉的扫描仪,优化功能成像。利用回波平面功能图像获得序列,重复时间3000毫秒(TR), 60 ms的回波时间(TE),和90°角翻转。获取矩阵是64×64;的视野(FoV)是256毫米。对于每个模式,共100卷。每个卷由25轴向片,前后平行(AC-PC)连合线和覆盖整个大脑。

4所示。结果与讨论

使用上面描述的扫描仪成像数据进行了分析。

预处理之后,进行了一系列步骤,以允许精确的解剖位置的大脑活动,以促进主体分析。首先,每个主题的slice-based功能扫描coregistered 3 d高分辨率结构扫描。这个过程涉及到数学coregistration剥削片定位存储在原始数据的标题,以及精细的调整,通过比较数据集的基础上计算其强度值:如果需要,手动调整也执行。第二,每个主题的3 d结构数据集转化为Talairach空间,作为讨论(36]:大脑被翻译和旋转前后连合平面,然后大脑被确定的边界。第三,使用先验coregistration矩阵和确定Talairach参考点,每个主题的时间变成了一个Talairach空间功能和体积时间进程被创建。对于运动模式,以下程序进行。综合性multistudy设计矩阵是指定的,每个已定义的箱式车是与一个预定义的血流动力学响应函数卷积(HRF)占血液动力学延迟,如前所述在[37]。使用一般线性模型的统计分析与预测是进行独立研究集团产生功能激活地图分别在pre -和期末测验。所有体素活性进行预测和激活在测验后的组合创建一个面具排除其余的大脑和小脑。

这个面具是用来计算一般线性模型比较测验后的激活和预发激活的主题,因为相同的数据集是用于掩盖定义和后续的统计测试。

比较之前和之后获得的成像数据训练在运动图像显示激活的任务,也就是说,测验后的血流动力学反应增加,右额叶脑回,包括辅助运动区和右内侧额叶脑回(见图9和表3)。

图9说明了一些选定的功能磁共振成像的结果,显示差异之前和之后的训练与P.I.G.R.O.运动图像的任务。

他们认为运动区皮质重组,如补充运动区、楔前叶,小脑,训练后的重组可能显示康复的影响大脑地图。

被动的刺激(Bra.Di.P.O。在“主动模式”),正如所料,显示了一个健壮的感觉运动,辅助电机、和小脑活动加上颞叶和顶叶集群。同时表明,这一领域的活动是强烈与刺激范式。

积极刺激(Bra.Di.P.O。在“被动模式”)由头部运动噪声影响较小,显示了一个更健壮的感觉运动和辅助运动活动和小脑激活加上丘脑,额叶、扣带回集群。平均时间显示,这一领域的活动不与刺激范式和运动参数。

主要的发现是一个增量的激活在汽车领域。事实上,正确的额内侧回有关内存检索和执行功能。特别是,它应该已经调解之间的关注外部刺激和内部维护的目的,也就是说,stimulus-oriented之间并无刺激处理,讨论了(38]。

这种培训要求主题交替的注意力从脚知觉和位置P.I.G.R.O.提供的输入,反之亦然。运动区域而言,根据油炸et al。(1991),所述(39),补充和presupplementary运动区与动作的意图和期望,作为讨论(40]。

总的来说,功能磁共振成像图像清晰和原型的存在影响的共振腔。结果也允许理解这里的方法使用的适用性提出了设备。

5。结论

这个研究运动和认知训练使用两个机电一体化原型。特别是作者研究了电路参与运动图像和运动学习的大脑可塑性健康受试者和脑损伤病人在未来。

实验对健康受试者评估运动训练后大脑重组的可能性。感觉运动训练提供由于机器人原型开发的机械和航空航天工程,Politecnico di都灵。

认知培训由一组运动图像的任务。皮质组织的变化是评估使用功能性磁共振成像(fMRI),它允许在大脑活动进程的映射,从而揭示大脑区域参与了一项特殊的任务。

在未来,各种临床试验病人震惊发作和脑事件将使用P.I.G.R.O.进行

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

工作提出了资金在银行的di San Paolo项目的资助下,“积极的外骨骼功能局部麻痹的患者的步态康复,”和皮埃蒙特地区的资金管理项目题为“确认轻瘫的病人的步态康复方法使用一个积极矫正法”(2006 - 2008)。作者感谢Eng。斯特凡诺Cagliero和Eng。安娜莉莎Rigazzi帮助在这个研究。

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