Lezione 2

Revisione della letteratura clinica
ƒUna ricerca condotto su 11 studi clinici
con terapia assistita di robot, mostra che
in tutti i casi gli strumenti di riabilitazione
robotica comportano un incremento dei
parametri di valutazione dell’abilità
motoria del paziente, scala di Fugl-Meyer
o La scala Fugl-Meyer fu sviluppata come un
o
primo metodo quantitativo per la valutazione
del recupero funzionale senso-motorio
Gli incrementi riscontrati sebbene
statisticamente significativi, non
rappresentano ancora una differenza
significativa dal punto di vista clinico, visto
che si parla di incrementi dell’ordine di 6 punti
percentuale
ƒLa compensazione di gravità induce una
migliore prestazione motoria a livello
dell’arto superiore
Prange, G.B., et al., Systematic review of the effect of robotaided therapy on recovery of the hemiparetic arm after stroke.
J Rehabil Res Dev, 2006. 43(2): p. 171-84.
13 Novembre 2007
Confidence Interval = 95%
ƒNon si riscontrano differenze invece nel
miglioramento delle abilità funzionali tra il
gruppo sottoposta a terapia assistita da
robot ed il gruppo di controllo, mentre si
nota un miglioramento nello short-term
motor impairment, qulali attivazione
muscolare e selettività di movimento.
Schema di utilizzo di robots
ƒ Il reaching è spesso selezionato come task di riferimento: è
infatti un task fondamentale per molte attività quotidiane
o Tipicamente si svolge lungo traiettorie rettilinee
o Sono noti i profili di velocità nell’esecuzione del movimento (minimum
jerk trajectory)
ƒ Schema di terapia attivamente assistita da robot
o Il paziente riceve un feedback del movimento del braccio mediante una
sua rappresentazione nell’ambiente virtuale
o Il paziente inizia il movimento quando gli viene comunicato da un
segnale sonoro
o Il compito è di inseguire con il movimento attivo del braccio una sfera
gialla che si muove con velocità preassegnata verso una sfera target
fissa di colore verde
o Qualora il paziente non è in grado di mantenere l’inseguimento
dell’oggetto target, subentra il robot che applica attivamente delle forze
nella direzione della traiettoria
13 Novembre 2007
Soppressione attiva del tremore: TREMOR
ƒObiettivi:
o Analisi del tremore causato dalla
sclerosi multipla.
o Sviluppo di nuovi dispositivi
hardware per l’ausilio dei
pazienti.
o Valutazione delle terapie.
ƒ Sviluppo di interfacce ed
algoritmi per il riconoscimento e
la soppressione del tremore in
pazienti colpiti da sclerosi
multipla
Progetto finanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del quarto programma quadro:
4th Framework Programme (FP4: 1994-1998) /
Telematic Application Programme (TAP)
Area C: Improving Employment and Quality of Life
Sector 8 : Telematics for Disabled & Elderly People (D&E)
13 Novembre 2007
Risultati
ƒ Nell’ambito del progetto
coordinato dal PERCRO sono
stati sviluppati nuovi dispositivi e
nuovi software:
o Un sistema di controllo del
tremore che permette all’utente di
utilizzare dispositivi di puntamento
(es. mouse) filtrando i disturbi
causati dal tremore. Il sistema è
compatibile con qualunque tipo di
dispositivo d’interfaccia.
o Un dispositivo leggero per il
tracking del braccio che consente
la registrazione continuativa del
tremore del paziente.
o Un insieme completo di strumenti
software per l’esecuzione di
esercizi e la valutazione delle
performances del paziente.
o Un’interfaccia aptica a 2 gradi di
libertà che può essere impiegata
per sopprimere attivamente il
tremore durante la scrittura.
13 Novembre 2007
Risultati sperimentali
ƒ
ƒ
ƒ
Oltre 50 test
13 soggetti coinvolti
3000 secondi di
registrazione
-23
-25.5
-24
-26
-27
-26
-27.5
-27
-28
-28
-28.5
-29
-30
-8
Standard mouse (stage 1),
Optimal interface support (stage 2)
Optimal interface support AND Tremor Control System (stage 3)
13 Novembre 2007
-26.5
-25
-29
-6
-4
-2
0
2
4
6
-29.5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Alcuni prodotti commerciali
Haptic Master – FCS robotics
KineAssist Walking & Balance Exercise
System – CHICAGO PT
13 Novembre 2007
Lokomat – Hocoma AG
MIT-MANUS
Sviluppato presso Newman Laboratory for
Biomechanics and Human Rehabilitation
■ 2 DOF robotic device that allows planar
movements of shoulder, elbow and hand
■ The device is based on a closed kinematic
SCARA robot that compensates the weight of the
patient arm on the plane of the motion
■ Low Inertia almost Isotropic (1±0.3Kg)
■ Low Friction almost isotropic (0.84±0.28N)
13 Novembre 2007
In the Mit-Manus therapy the
patients “play” several simple
games in which they are asked
to perform elementary
movements along the device
plane (e.g. exiting a maze,
drawing circles or squares etc.)
13 Novembre 2007
The Mit-Manus is now marketed by Interactive Motion Technologies
InMotion2 Shoulder-Elbow Robot
InMotion3 Wrist Robot
13 Novembre 2007
Mit-Manus Limits:
ƒ Planar movements: this excludes from the therapy a large
number of arm movements. The device is then unsuitable
for functional rehabilitation
ƒ Angular rotation between what I see and what I do.
13 Novembre 2007
MIT MANUS (Acute Phase)
Variation of indexes in the acute phase
Motor Status Score
Motor Status
Shoulder and
Score Wrist and
Elbow
fingers
Group
Fugl-Meyer
Robotic therapy
(40 pts)
9,25±1,36
8,15±0,79
4,16±1,16
Control (36 pts)
7,1±1,20
3,42±0,62
2,74±0,78
Krebs, H.I., et al., Increasing productivity and quality of care: Robot-aided neurorehabilitation. Journal of Rehabilitation Research and Development, 2000. 37(6): p. 639–
652.
13 Novembre 2007
MIT MANUS (Chronic Phase)
Evaluation
Start
End
Variation
Ashworth Modified
12,76±5,23
12,08±5,70
-0,68±2,59
Fugl-Meyer
27,52±10,36
30,88±11,88
3,36±3,97
Motor Status Score
Shoulder/Elbow
22,67±6,50
24,05±6,83
1,38±2,01
Motor Status Score
Wrist/Hand
13,89±10,10
14,14±10,42
0,25±2,34
S.E. Fasoli,H.I.Krebs, J.Stein, W.R. Frontera,R.Hughes, N.Hogan. Robotic Therapy for Chronic Motor
Impairments After Stroke: Follow-Up Results. Arch Phys Med Rehabil Vol 85, July 2004
13 Novembre 2007
Planar manipulandum
ƒImplicit learning
ƒ2-D curl field
ƒChronic stroke
13 Novembre 2007
What have we learned from
MIT-MANUS?
ƒ More robot is better than more sham (F-M, FIM, motor power, MSS):
“Robotics may provide new strategies for neurologic
rehabilitation”
•
•
Aisen ML, Krebs HI, Hogan N, McDowell F, Volpe BT (1997). Arch Neurol. 54: 443-6.
Krebs HI, Hogan N, Aisen ML, Volpe BT (1998). IEEE Trans Rehab Eng. 6(1): 75-86.
ƒ Motor recovery maintained and enhanced at 3 year follow up
(robot and sham)
•
Volpe BT, Krebs HI, Hogan N, Edelsteinn L, Diels CM, Aisen ML (1999). Neurology. 53(8): 1874-6.
13 Novembre 2007
Mirror Image Movement Enabler
(MIME)
ƒPuma 560
ƒChronic stroke
ƒ4 modes: active-assistance, passive,
active-constrained, bimanual
13 Novembre 2007
Mirror Image Movement Enabler (MIME)
Gruppo
Robotic
therapy
Control
FM prox
1
month
2,2±0
,8
0,5±0
,2
FM - prox
2 months
FM - prox
6m Followup
FM dist – 1
month
FM dist
2 months
FM dist
6m Followup
3,3±0,7
3,6±1,0
1,2±0,4
1,4±0,5
1,3±0,4
1,6±0,3
2,8±0,8
1,1±0,4
1,5±0,5
2±0,6
Robot-Assisted Movement Training Compared With Conventional Therapy Techniques for the Rehabilitation of
Upper-Limb Motor Function After Stroke. P.S. Lum, C.G. Burgar et al. Arch Phys Med Rehabil Vol 83, July 2002
13 Novembre 2007
ARM Guide
ƒ4 DOF, 1 actuated
ƒChronic stroke
ƒActive-assistance
F
A
M
13 Novembre 2007
Guided Force Training
13 Novembre 2007
ARMGUIDE
Gruppo
Tempo dall'evento
Chedoke-McMaster
all'ammissione
Variazione
Terapia robotica (10
pazienti)
75,8±45,5 mesi
3,5±0,9
0,2±0,4
103,1±48,8
3,2±1,0
03±0,5
Controllo
pazienti)
(9
L.E.Kahn, M.L.Zygman1, W.Z.Rymer, D.J.Reinkensmeyer. Robot-assisted reaching exercise promotes arm
movement recovery in chronic hemiparetic stroke: a randomized controlled pilot study.
Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 2006, 3:12
13 Novembre 2007
What have we learned from MIME and ARM
Guide?
ƒ MIME:
four modes of robotic therapy > NDT
•
Lum PS, Burgar CG, Shor PC, Majmundar M, Van der Loos M (2002). Arch Phys Med Rehab. 83(7):
952-9.
?
ƒ ARM Guide:
robot-guided active-assist > repetitive effort alone
•
Kahn LE, Averbuch M, Rymer WZ, Reinkensmeyer DJ (2001). International Conf on Rehab
Robotics. 9: 39-44.
13 Novembre 2007
Combined Free Reaching Results
14
* significant difference
between groups (p<0.05)
*
increases in reach extent [cm]
12
10
8
MIME
Conventional therapy
ARM Guide
Free reaching exercise
*
6
4
2
0
-2
-4
-6
13 Novembre 2007
forward medial
forward lateral
shoulder level
forward
tabletop level
GENTLE/S
ƒHapticMaster
(force control)
ƒChronic stroke
ƒActive-assist
ƒ3-D
13 Novembre 2007
PARIS
ƒCombines augmented
reality with robotics
ƒPHANToM
(WAM?)
ƒUnlimited training tasks,
environments
13 Novembre 2007
WREX
ƒPassive (elastic elements)
ƒAnti-gravity
ƒ4 DOF
13 Novembre 2007
T-WREX
Subject
Time from
stroke
Fugl-Meyer
At start
Change
1
3 yr.
11
+5
2
6 yr.
19
+5
3
9 yr.
27
+3
4
4 yr.
20
+8
5
11 yr.
32
+4
R. J. Sanchez, D. J. Reinkensmeyer et al. Automating Arm Movement Training Following Severe Stroke:
Functional Exercises With Quantitative Feedback in a Gravity-Reduced Environment. IEEE
TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING, VOL. 14, NO. 3,
SEPTEMBER 2006
13 Novembre 2007
What have we learned from WREX?
ƒ Gravity cancellation allows functional UE movement in
children with MD
•
Rahman T, Sample W, Seliktar R, Alexander M, Scavina M (2001). Internationl Conf on
Rehab Robotics. 9: 31-36.
13 Novembre 2007
Lokomat by Hocoma AG
ƒ The Lokomat System is used for robotic
treadmill training of neurological patients
with movement disorders caused by stroke,
spinal cord injury and traumatic brain
injury, multiple sclerosis or Parkinson’s
disease
ƒ It is based on two 2dof serial robots that
help the patient to perform the gait
movement
ƒ To fit correctly to different patients
Lokomat allows to adjust 8 different kinetic
parameters
ƒ It provides also an adjustable dynamic
weight compensation
13 Novembre 2007
ARM Guide
ETHZ ARMin
■ 4DOF Exoskeleton
■ Used for game-based
therapy and for ADL training
13 Novembre 2007
■ 3 DOF device
■The machine will stop patients from
moving forward if the direction in which
they’re heading is incorrect. As they correct
their direction, they’re rewarded with a little
assistance [from the machine]. The idea is
for participants to stop and think
Active video motion capture
Charnwood Dynamics coda
13 Novembre 2007
Video Motion Capture System:
• 2-3 Point Grey Cameras (Self synchronised)
13 Novembre 2007
CODA marker placement for gait analysis
ASIS [3]
PSIS [2]
Sac.Wand [1]
(Hip [23])
Ant.Fem. [6]
Post.Fem. [5]
Knee [9]
Post.Tib. [7]
Ant.Tib. [8]
Ankle [10]
Toe [12]
13 Novembre 2007
Heel [11]
Reference data - functional upper limb activity
following stroke
• Pilot investigation of older adult participants
• 1 trial of cyclic drinking activities
• Self-paced repetition
•
•
•
•
3D motion
Linear and angular measures
Time derivatives of linear and angular measures
Joint and segmental measures
Hammerton & Gittoes 2005
Upper limb drinking motion
13 Novembre 2007
Marker
Marker name
1
C3
2
C7
3
T12
4
Acromian
5
UArm wandP
6
UArm wandD
7
Lateral epicondyle
8
LArm wandP
9
LArm wandD
10
Radial styloid
11
Ulna styloid
12
3mcp
13
5mcp
Mean range = 91.8 º
Mean range = 59.5 º
20
20
0
0
1
2
3
4
-20
-40
-60
-80
0
Angular displacement (º)
Angular displacement (º)
Elbow Flexion
/ Extension
0
1
2
3
4
-20
-40
-60
-80
-100
-100
Time (s)
Time (s)
Stroke
Non-stroke
100
60
40
20
0
-20 0
1
2
3
-40
x
y
z
80
4
Displacement (mm)
60
40
20
0
-20 0
1
2
-40
-60
-60
-80
-80
-100
-100
Time (s)
13 Novembre 2007
100
x
y
z
80
Displacement (mm)
Trunk (T12)
Deviation
Non-stroke
Time (s)
Stroke
3
4
CODA – angle angle plot
Cup to mouth
130
Upward
phase
Shoulder angle (º)
Shoulder angle (º)
135
130
Downward
phase
125
Upward
phase
125
Downward
phase
120
120
20
40
60
80
100
120
Elbow angle (º)
Non-Stroke
13 Novembre 2007
140
160
20
40
60
80
Elbow angle (º)
Stroke
100
120
Rehab - Grab
13 Novembre 2007
Rehab-Grab
13 Novembre 2007
The HD3 system for bimanual therapy
13 Novembre 2007
Name
Unit of
measurement
Value
Motor Torque
N*m
0.64
Minimum EE
force
N
10.24
Maximum EE
force
N
12
The HD3 system for bimanual therapy
13 Novembre 2007
Prestazioni
13 Novembre 2007
Schemi di Assistenza vs Task Applicativi
I. Schemi di assistenza
al moto
1. Modalità
guidata
C
O
O
R
D
I
N
A
M
E
N
T
O
C
I
N
E
M
A
T
I
C
O
2. Modalità
bilaterale
3. Modalità di
assistenza
a. Movimento a
Simmetria assiale
a. Movimento a
Simmetria assiale
b. Movimento a
Simmetria centrale
b. Movimento a
Simmetria centrale
c. Movimento
isometrico
c. Movimento
isometrico
d. Movimento
vincolato
d. Movimento
vincolato
II. Task Applicativi
4. Modalità di
penalizzazione
Applicazioni
In ambiente
virtuale
Applicativi di
Windows
Il Framework Applicativo
Componenti
13 Novembre 2007
PERCRO – VETIR Virtual Environments Technologies In Rehabilitation: a New
Approach to Motor Dexterity Disabilities
ƒ Impiego di tecnologie di realtà
virtuale per la valutazione ed il
recupero dell’abilità motoria in
soggetti con disabilità.
o Il protocollo riabilitativo VETIR
include 11 differenti tipi di
esperimenti.
o Tutti gli esperimenti sono stati
realizzati in ambienti virtuali
familiari per gli utilizzatori (es.
bagno, cucina etc.)
o Ogni esperimento richiede
l’esecuzione di compiti semplici:
mettere una caffettiera sul fornello
(forrza e coordinazione), afferrare
un toast al volo (esecuzione di
movimenti rapidi) prendere e
posare oggetti sopra una scrivania
(evitare le collisioni)…
Progetto finanziato dalla Comunità Europea:
TIDE - Technology Initiative for Disabled and Elderly People
13 Novembre 2007
Il sistema L-Exos
ƒ Applicazione di forze controllate
a livello di ciascuna delle
articolazioni o dei segmenti
dell’arto superiore fino a 10 Kg.
ƒConduzione di esercizi riabilitativi
in condizioni di sospensione attiva
di carico, con riduzione completa
o parziale del peso dell’arto
superiore del paziente.
ƒPossibilità di lasciare al paziente
la completa mobilità dell’arto
superiore
13 Novembre 2007
Esempio 1: esoscheletro per braccio
attuato a 4 gdl
Link 2
Link 3
Link 1
Link 4
4 actuated +
sensorized
primary axis
Link 0
13 Novembre 2007
Link 5
Il sistema Light-Exos
ƒ Sviluppo di un nuovo tipo di interfaccia aptica indossabile sul braccio
ƒ
ƒ
ƒ
dell’utente:
Struttura interamente in fibra di carbonio
I motori sono posti tutti sul supporto dell’esoscheletro, si ha quindi
una notevole riduzione del peso sul braccio robotico
Rapporto carico utile/peso vicino a 1
13 Novembre 2007
L-EXOS: SYSTEM LAYOUT
13 Novembre 2007
L-EXOS: SYSTEM ARCHITECTURE
13 Novembre 2007
Terapista
Un esempio applicativo
13 Novembre 2007
Riabilitazione assistita da robot per l’arto superior
ƒAttualmente il dipositivo L-Exos è in fase di sperimentazione
presso l’Unità di Neuroriabilitazione dell’azienda ospedaliera
dell’Università di Pisa diretta dal prof. Bruno Rossi per la
riabilitazione funzionale dell’arto superiore.
13 Novembre 2007
Obiettivo
ƒ Sviluppo e validazione dell’efficacia clinica di
nuove
tecnologie
robotiche
per
la
riabilitazione funzionale dell’arto superiore per
soggetti che presentino disabilità neurologiche
13 Novembre 2007
51
Il sistema PERCRO L-Exos
ƒ Struttura aperta ad
elevata vestibilità
ƒ Workspace robot: ~70%
ƒ
ƒ
ƒ
workspace umano
medio
Forza di picco all’endeffector: 100N
Rapporto tra peso e
carico massimo: 1:1
Facilità di creazione di
esercizi 3D in Ambienti
Virtuali
13 Novembre 2007
52
Il sistema PERCRO L-Exos
Catena cinematica a 5 giunti rotoidali.
I giunti 1, 2, 3 sono mutuamente
ortogonali ed incidenti in un unico
punto. Viene creato un giunto sferico
avente lo stesso centro di rotazione
del giunto di spalla umano.
ƒ I giunti 1, 2, 3 e 4 sono sia
ƒ
attuati sia sensorizzati in
posizione
Il giunto 5 è sensorizzato in
posizione
13 Novembre 2007
Le tre coordinate cartesiane dell’endeffector sono controllate da quattro
attuatori. Il sistema risulta pertanto
ridondante e particolarmente adatto
per soggetti che presentino sinergie
scorrette di movimento.
53
Installazione clinica
ƒ Comfort del paziente
ƒ Regolabilità del sistema
ƒ Sicurezza del sistema:
o Abilitazione complessa
o Interruzione immediata
o Prevenzione da contatti
accidentali
ƒ Cinture di bloccaggio
ƒ Sistema di proiezione
13 Novembre 2007
54
Architettura di controllo
ƒ Ambiente Matlab/Simulink:
o
o
o
o
Controllo in forza del dispositivo
Gestione sicurezza
Gestione stati possibili per il sistema
Comunicazione tra PC di controllo e
PC applicativo
ƒ Ambiente XVR:
o Integrazione con motore della fisica
Ageia PhysX
13 Novembre 2007
55
Esercizio n. 1 – Task di reaching
ƒ Al paziente viene richiesto
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
13 Novembre 2007
di seguire attivamente il
movimento di un
indicatore che si muove
lungo una traiettoria retta
verso un bersaglio
Il terapista sceglie la
posizione dei bersagli e la
velocità dell’esercizio
Se il paziente non è in
grado di eseguire
correttamente l’esercizio,
il robot esercita un’azione
correttiva
Il movimento
dell’indicatore è generato
applicando un profilo di
velocità a campana
Obiettivi: aumento ROM,
aumento controllo motorio e
fluidità di movimento
56
Esercizio n. 1 – Controllo
ƒ Due controllori di impedenza ortogonali agiscono lungo la
ƒ
ƒ
direzione del movimento dell’indicatore e sul piano
normale alla traiettoria rispettivamente
La rigidezza in direzione ortogonale al movimento è
maggiore, al fine di creare un tunnel aptico entro cui
vincolare il paziente
Un termine di smorzamento è necessario al fine di
aumentare la stabilità del sistema
13 Novembre 2007
57
Esercizio n. 1 – Controllo
ƒ Comunicazione dei parametri che caratterizzano
ƒ
ƒ
l’esercizio al PC di controllo
Sincronizzazione tra controllo in forza (PC di
controllo) e visualizzazione 3D (PC applicativo)
Gestione coerente della sicurezza:
o Interruzione automatica esercizio in presenza di valori di forza
eccessivi o di condizioni inattese
o Possibilità di interruzione immediata su richiesta del paziente
13 Novembre 2007
58
Esercizio n. 2 – Traiettoria vincolata
ƒ Al paziente viene richiesto di
ƒ
ƒ
ƒ
13 Novembre 2007
muoversi liberamente lungo una
traiettoria circolare, su cui può
essere vincolato grazie ad un
controllore di impedenza
In assenza del vincolo, è possibile
regolare la compensazione del peso
del braccio del paziante
La posizione, l’orientamento e la scala
della traiettoria possono essere
modificati durante l’esercizio
Obiettivo: aumentare la fluidità del
movimento e, in seconda istanza,
rendere il paziente in grado di
disegnare una traiettoria circolare
autonomamente
59
Esercizio n. 3 – Manipolazione di oggetti
ƒ Al paziente viene richiesto di
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
13 Novembre 2007
riordinare alcuni cubi al fine di
ricomporre la figura che appare
sullo sfondo
Il paziente riceve un feedback
in forza coerente di inerzie ed
urti
Rimane possibile regolare la
compensazione del peso del
braccio del paziente
La scala tra mondo reale e
mondo virtuale è variabile
Obiettivo: aumento controllo
fine del movimento, aumento
livello di concentrazione
durante la terapia
60
Esercizio n. 2 e n. 3 – Controllo
ƒ Applicazione di controllo:
o Compensazione in gravità dell’interfaccia
o Compensazione variabile del peso del braccio del paziente
ƒ Motore della fisica:
o Realizzazione del vincolo cinematico (esercizio 2)
o Gestione collisioni (esercizio 3)
o Rendering aptico di attriti ed inerzie (esercizio 3)
13 Novembre 2007
61