Üst Ekstremite Rehabilitasyon Robotları

Transkript

1 DERLEME Üst Ekstremite Rehabilitasyon Robotları Şule BADILLI DEMİRBAŞ, a Duygun EROL BARKANA, b Serap İNAL a a Fizyoterapi ve Rehabilitasyon Bölümü, Sağlık Bilimleri Fakültesi, b Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, İstanbul Yazışma Adresi/Correspondence: Şule BADILLI DEMİRBAŞ Sağlık Bilimleri Fakültesi, Fizyoterapi ve Rehabilitasyon Bölümü, İstanbul, TÜRKİYE b_sule@hotmail.com ÖZET Hareket bozuklukları bireylerin yaşam kalitesini belirgin düzeyde azaltmakta ya da kısıtlamaktadır. Özellikle üst ekstremitenin etkilendiği durumlarda kişilerin bağımsızlığı önemli ölçüde etkilenmektedir. Üst ekstremitenin fonksiyonelliğini geri kazanabilmek için ortezler, elektroterapi modeliteleri, egzersiz tedavileri, manuel terapiler gibi pekçok fizyoterapi yöntemi kullanılmaktadır. Rehabilitasyon sürecinin uzaması fiziksel, psikolojik ve ekonomik yönden negatif etkiler yaratmaktadır. Rehabilitasyon sürecinde egzersizin ve özellikle tekrarlayan hareketlerin motor iyileşme üzerine olumlu etkileri bilinmektedir. Teknolojideki gelişmelerle birlikte fizyoterapi ve rehabilitasyon alanın da meydana gelen gelişmeler robotik cihazların rehabilitasyonda kullanım alanlarını arttırmıştır. Rehabilitasyon robotları hem tekrarlayan hareketlere izin vermeleri açısından rehabilitasyon uygulamalarında hem de nitel ölçümler sağladığı için klinik değerlendirmelerde kullanılmaktadırlar. Robot ve medikal teknolojilerinin bir arada kullanıldıgı uygulamalar günümüzde tüm dünyada ilgi çekmekte ve bu konu üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Ayrıca, rehabilitasyon amaçlı robotların tasarımı ve kontrolü alanındaki çalısmalar devam etmekte ve gün geçtikçe geliştirilmektedir. Özellikle yapay zeka tekniklerinin (insan zekâsını model alarak oluşturulan sistemler veya bilgisayar yazılımları) gelişimi bu araştırmalara hız kazandırmıştır. Anahtar Kelimeler: Robotik rehabilitasyon; üst ekstremite; haraket bozuklukları ABSTRACT Movement disorders effects or limits individuals quality of life significantly. Esspecially the upper extremity problems effect independencies of individual. There are many physiotherapy methods for regaining the functionallity of upper extremities, such as othosis, electrotherapy modulaties, exercise treatments, manual therapies. The prolongation in the rehabilitation process can have negative effects on physical, psycological and economic burden. The positive effects of repeatable movements and exercise during the rehabilitation process on motor learning are well known. The advances in the technology and also in the physiotherapy and rehabilitation field has increased the usage of robotics in rehabilitation. Rehabilitation robotics allows repetable movements and also provides qualitative measurements for those reasons they are used in both rehabilitation prctices and clinical evaluations. Nowadays the applications which uses both the robotic and medical technologies are taking,interest in whole world and there are many ongoing studies. Also the design and control studies of robotics are proceeding and improving. Esspecially development of artificial intelligence techniques (systems which models human intelligence or computer softwares) has accelerated those studies. Key Words: Robotic rehabilitation; upper extremities; movement disorders Copyright 2015 by Türkiye Klinikleri :1-5 1

2 st ekstremite fonksiyonlarının parsiyel veya total kaybına neden olan fiziksel problemler yaşlılarda sıklıkla görülmekle beraber, toplumun çeşitli yaş aralıklarında spor yaralanmaları, iş kazaları, kazalarda nörolojik problemlere sekonder olarak da görülmektedir. 1 Hareket bozuklukları olan bireyler sıklıkla diğer bireylerden veya assistif teknolojilerden destek alarak yürümek, yemek yemek gibi rutin fonksiyonlarını yerine getirmektedirler. Bu kullanılan asistif teknolojilerin temel amacı kişinin bağımsızlığının ve kendine güveninin en üst seviyeye getirilmesini sağlamaktır. 2 Robotların rehabilitasyon alanında kullanımı postür destek sağlayan mekanizmalar, rehabilitasyon mekanizmaları ve vücut fonksiyonlarına yardım eden veya onların yerini alan robot sistemleri olmak üzere genel olarak üç kategoride sınıflandırılabilir. Bu robotlar alt veya üst ekstremite fonksiyonlarını yerine getirebildiği gibi egzersize yardımcı olacak şekilde de dizayn edilebilmektedir. Günümüzde tüm dünyada robotik rehabilitasyon sistemleri ile ilgili çalışmalar yoğun bir şekilde devam etmektedir. Tablo 1 de günümüzde kullanılan bazı üst ekstremite robotik sistemlere örnek verilmektedir. Hastaların manuel yapılan egzersiz tedavileri ile kıyaslandığında robot destekli rehabilitasyon programlarını daha uzun süre sürdürülebildiği gözlenmiştir. Ayrıca hastanın durumunu seans sırasında kantitatif olarak gözlemleyebilmek robot destekli rehabilitasyon sistemleri ile mümkündür. 3 ROBOT DESTEKLİ REHABİLİTASYON ROBOTLARINA GENEL BAKIŞ Robot destekli rehabilitasyon sistemlerinde mekanik tasarım, mekanik sisteme hareket veren eyleyiciler ve kullanılan kontrol stratejiler hakkında birçok çalışma yapılmıştır. Robot destekli rehabilitasyon sistemleri için günümüze kadar end-effector tabanlı robotlar, eksoskeleton robotlar ve düzlemsel robotlar tasarlanmıştır. Ayrıca mekanik tasarım sırasında robotların back-drivable, modular ve tekrar konfigüre edilebilen olmalarına dikkat edilmiştir. Tasarlanan mekanik sistemlere hareket vermek içinde elektrik, hidrolik, pnömatik ve seri elastik eyleyiciler, ve yapay kaslar, fonksiyonel elektrik stimülasyon sistemleri kullanılmıştır. Yüksek seviyeli kontrol, yardımcı kontrol, haptik simülasyon, admittance kontrol ve impedance kontrol ise günümüze kadar robot destekli rehabilitasyon sistemlerin kontrolleri için kullanılan kontrol yöntemleridir. ROBOT DESTEKLİ REHABİLİTASYON ROBOTLARININ SINIFLANMASI Nöromuskuloskeletal problemi olan kişilerde amaca yönelik ve tekrarlı yapılan hareketler kas gücünü ve hareket koordinasyonunu arttırmaktadır. 4 Temel olarak rehabilitasyon robotları iki sınıfa ayrılabilir. Birincisi genellikle kliniklerde kullanılan terapötik sistemlerdir. İkinci sınıf ise evde hastanın günlük yaşam aktivitelerinde bağımsızlığına izin veren ve yardım eden elektrikli sistemler, tekerlekli sandalyelerden sandalyeye monte edilebilen pekçok sisteme kadar değişiklik göstermektedir. Rehabilitasyon robotları pasif, aktif ve interaktif sistemler olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Pasif sistemlerde hareket tamamen robot tarafından gerçekleştirilir. Aktif sistemler, hastanın ekstremitelerini aktif olarak kullanabilmesi için hidrolik, pnömotik veya elektromekanik parçalar içermektedir. İnteraktif sistemlerde (Haptik cihazlar) ise kullanıcı-cihaz etkileşimini algılayabilen pozisyon ve kuvvet sensörleri bulunmaktadır. Haptik cihazlar eyleyicilerin tipine TABLO 1: Günümüzde kullanılan diğer üst ekstremite robotları. Sistemin adı/referans DOF Desteklenen hareketler Ana kontrol inputları Eyleyiciler Tip/ uygulama şekli Cozens 21 1 Dirsek Eklem açısı Elektrik servomotor İstasyonlu sistem Öğce 22 1 Dirsek semg DC motor Giyilebilen omuz dirsek ortezi Rosati/NeReBot 23 3 Omuz, dirsek, önkol Motor pozisyonlar DC motor İstasyonlu sistem Burgar/MIME 24 6 Omuz, dirsek Önkol pozisyonu, oryantasyon, tork DC brushed servomotor İstasyonlu sistem Amirabdollahian/Gentle/s Omuz, dirsek, önkol Son nokta torku, hız ve pozisyon DC brushed servomotor İstasyonlu sistem Maheu/Jaco 25 7 Omuz, dirsek, el bileği, Tekerlekli sandalyeye parmaklar oturtulabilen mobil sistem 2

3 göre aktif veya pasif olarak sınıflandırılır. Haptik cihazlar kullanıcıya taktil duyu girdisi sağlar ve kullanım amaçları kullanıcının haraketine yardım etmek veya direcnç uygulmak değildir. Bir de kişilere kılavuzluk eden cihazlar vardır, virtüel gerçeklik cihazları bu grup içinde sayılabilir. 5 Ekzoskeleton robot-destekli rehabilitasyon sistemleri ise eklemin distalini değil tüm kolu çevreleyebilir, yardımcı cihazdan dirençli çalışma cihazına dönüştürülebilir, spesifik olarak istenilen eklem ve kas grubunda çalışılabilme olanağı verir. Bu avantajları gözönüne alındığında ilerleyen teknolojiyle birlikte robot-destekli rehabilitasyon sistemleri fizyoterapistlere tedaviler sırasında kolaylıklar sağlayacak ve yenilikler sunacaktır. Ayrıca robotik sistemler rehabilitasyon programının bireysel olarak doğru hız, miktar ve tekrarla uygulanmasına da olanak verirler ve tedavi sırasındaki değişimlerin kantitatif olarak monitörize edilmesini sağlarlar. 6,7 Krebs, Hogan, Aisen ve Volpe MIT-Manus (1998) adını verdikleri robot sistemleri üst eklem egzersizleri için geliştirildi MIT-Manus 1994 ten beri Burke Rehabilitasyon hastanesinde inme ünitesinde hastaların tedavisinde kullanılmaktadır. REHAROB (2000) isimli projede üst ekstremite rehabilitasyonu amaçlanmıştır. 11 Bu çalışmada hastaya takılan aparatlar vasıtası ile fizyoterapist tarafından egzersiz hareketleri yaptırılmakta ve EMG (electromyogram)-uygulanan kuvvet ve konum bilgileri ile fizyoterapistin yapmış olduğu egzersizin hız ve büyüklüğünü hafızaya alarak bu hareketleri, tekrar etmektedir. The Maryland-Georgetown-Army (MGA) Ekzoskeleton omuz patolojilerini değerlendirme ve rehabilitasyon yapmak amacıyla geliştirilmiş bir robottur. Robot kas gücü, hız ve eklem hareket açıklığını ölçmenin yanısıra dirençli çalışmaya ve sanal gerçeklik çalışmalarına olanak vermektedir. 12 Robotik sistemlerde egzersiz amacıyla gerek dirençli mekanizmalar gerekse sanal gerçeklik yöntemleri kullanılarak hem hareket ve güç kazanımı hem de propriosepsiyon gibi duyuların geliştirilmesi amaçlanmaktadır. RehabRoby robot sistemi de nöro-muskuloskeletal problemi olan kişilerin motor fonksiyon ve güç kazanımını sağlamak amacıyla geliştirilmesinin yanı sıra hastanın proprioseptif duyunun da geliştirilmesine yardımcı olacak programı bulunmaktadır (Resim 1) Üç serbestlik derecesinde harekete izin veren sistem kişinin omuz, dirsek, elbileği ve önkol hareketlerinin aktif, aktif assistif ve pasif çalıştırılmasına izin verirken kişinin propriosepsiyon duyusunu ve kas gücünü değerlendirmek için de kullanılabilmektedir. RESİM 1: RehabRoby Robotik sistemi. (Renkli hâli için Bkz. ozel-dergisi-e-dergi/481/tr-index.html) 3

4 Yapılan çalışmaların büyük bir kısmı hemiparatik kişilerde robotik rehabilitasyonların sonuçlarını araştırmaktadır. Prange ve ark. yaptıkları sistematik derlemede 1975 ve 2005 arasında yapılan robotik rehabilitasyon çalışmalarını değerlendirmiş ve sekiz tanesini derlemelerine dahil etmişlerdir. 16 Derlemelerinde robot destekli tedavilerin hemiparetik omuz ve dirseklerde uzun ve kısa dönem motor kontrolü geliştirdiği sonucuna varmışlardır. Morales ve ark.nın geliştirdiği RUPERT dört aktif üç pasif serbestlik derecesine izin veren bir ekzoskeleton robotik sistem olmasına rağmen cihaz sadece oturur pozisyonda kullanılabilmekte, birtüel realite bağlantısıyla tekli veya çoklu hedeflere uzanma, ulaşma gibi aktiviteler yapılabilmektedir. 17,18 Stefano ve ark.nın geliştirdiği NeReBot inme sonrası rehabilitasyonda kullanılmak amacıyla dizayn edilmiştir. 19 Fleksiyon, ekstansiyon, supinasyon, pronasyon, abduksiyon, adduksiyon ve sirkumdiksiyon hareketlerine izin verecek şekilde üç serbestlik derecesinde hareket olanağı sunmaktadır. Lum ve ark.nın geliştirdiği MIME ise unilateral ve bilateral kullanıma izin veren ilk robotlardandır. 20 Hasta nonparatik kolunu hareket ettirdiği zaman bilateral modda cihaz paratik kolu ayna görüntüsü şeklinde aynı hız ve derecede hareket ettirmektedir. Unilateral modda ise cihaz paratik kola pasif, aktif assistif, aktif-rezistif modlarda hareket sağlamaktadır. DEĞERLENDİRME Rehabilitasyon robotları insan-robot etkileşimi ile insan zekasını ve robotun gücünü birleştirebilmektedir. Geliştirilen bu sistemler ileride yaygın olarak rehabilitasyondaki yerlerini bulacaklardır. Günümüzde bile başta sanal gerçeklik sistemlerine izin veren oyun konsolları olmak üzere küçük büyük pekçok sistem hastaların hem ev hem de klinik rehabilitasyon programlarında kullanılmaya başlanmıştır. Böylece hastaların daha keyif alabildiği, interaktif olarak terapiye katılmasına izin veren, fizyoterapistlerin ise kantitatif olarak hareketi değerlendirip hareketin değerlerini ayarlayabildiği rehabilitasyon programlarının oluşturulmak mümkün olacaktır. İleride yapılacak çalışmalarla birlikte daha da yaygın olarak kullanılacağını düşündüğümüz sistemler bizlere klinik açıdan olumlu kazançlar sağlayacaktır. 1. Rahman MH, Saad M, Kenné JP, Archambault PS. Modeling and control of a 7DOF exoskeleton robot for arm movements IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO p Rahman T, Sample W, Jayakumar S, King MM, Wee JY, Seliktar R, et al. Passive exoskeletons for assisting limb movement. J Rehabil Res Dev 2006;43(5): Lo HS, Xie SQ. Exoskeleton robots for upperlimb rehabilitation: state of the art and future prospects. Med Eng Phys 2012;34(3): Riener R, Nef T, Colombo G. Robot-aided neurorehabilitation of the upper extremities. Med Biol Eng Comput 2005;43(1): Maciejasz P, Eschweiler J, Gerlach-Hahn K, Jansen-Troy A, Leonhardt S. A survey on robotic devices for upper limb rehabilitation. J Neuroeng Rehabil 2014;11:3. 6. Krebs HI, Volpe BT, Aisen ML, Hogan N. Increasing productivity and quality of care : Robot-aided neuro-rehabilitation. J Rehabil Res Dev 2000;37(6): Igo Krebs H, Hogan N, Aisen ML, Volpe BT. KAYNAKLAR Robot-aided neurorehabilitation. IEEE Trans Rehabil Eng 1998;6(1): Krebs HI, Celestino J, Williams D, Ferraro M, Volpe B, Hogan N. A Wrist Extension for MIT- MANUS. Adv Rehabil Robot 2004;306: Krebs HI, Hogan N, Volpe BT, Aisen ML, Edelstein L, Diels C. Overview of clinical trials with MIT-MANUS: a robot-aided neuro-rehabilitation facility. Technol Health Care 1999;7(6): Hogan N, Krebs HI, Charnnarong J, Srikrishna P, Sharon A. MIT-MANUS: a workstation for manual therapy and training. I. Proc IEEE Int Work Robot Hum Commun; p Toth A, Fazekas G, Arz G, Jurak M, Horvath M. Passive robotic movement therapy of the spastic hemiparetic arm with REHAROB: Report of the first clinical test and the follow-up system improvement. Proc 2005 IEEE 9th Int Conf Rehabil Robot 2005;2005: Cattin E, Roccella S, Vitiello N, Vecchi F, Carrozza MC. Neuroexos elbow module: a novel exoskeleton for elbow rehabilitation. Gerontechnology 2008;7(2): Ozkul F, Barkana DE. Upper-extremity rehabilitation robot RehabRoby: Methodology, design, usability and validation. Int J Adv Robot Syst 2013;10(401): Ozkul F, Erol Barkana D, Badıllı Demirbaş Ş, Inal S. Evaluation of elbow joint proprioception with RehabRoby: a pilot study. Acta Orthop Traumatol Turc 2012;46(5): Ozkul F, Erol Barkana D. Upper-Extremity Rehabilitation Robot RehabRoby: Methodology, Design, Usability and Validation. Int J Adv Robot Syst 2013;10: Prange GB, Jannink MJ, Groothuis-Oudshoorn CG, Hermens HJ, Ijzerman MJ. Systematic review of the effect of robot-aided therapy on recovery of the hemiparetic arm after stroke. J Rehabil Res Dev 2006;43(2): Sugar TG, He J, Koeneman EJ, Koeneman JB, Herman R, Huang H, et al. Design and control of RUPERT: a device for robotic upper extremity repetitive therapy. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 2007;15(3): Morales R, Badesa FJ, García-Aracil N, Sabater JM, Pérez-Vidal C. Pneumatic robotic systems for upper limb rehabilitation. Med Biol Eng Comput 2011;49(10):

5 19. Rosati G, Gallina P, Masiero S. Design, implementation and clinical tests of a wire-based robot for neurorehabilitation. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2007;15(4): Lum PS, Burgar CG, Van Der Loos M, Shor PC, Majmundar M, Yap R. The MIME robotic system for upper-limb neuro-rehabilitation: Results from a clinical trial in subacute stroke. Proceedings of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics p Cozens JA. Robotic assistance of an active upper limb exercise in neurologically impaired patients. IEEE Trans Rehabil Eng 1999;7(2): Ögce F, Özyalçin H. Case study: A myoelectrically controlled shoulder elbow orthosis for unrecovered brachial plexus injury. Prosthet Orthot Int 2000;24(3): Stefano M, Patrizia P, Mario A, Ferlini G, Rizzello R, Rosati G. Robotic upper limb rehabilitation after acute stroke by NeReBot: evaluation of treatment costs. Biomed Res Int 2014;2014: Lum PS, Burgar CG, Van der Loos M, Shor PC, Majmundar M, Yap R. MIME robotic device for upper-limb neurorehabilitation in subacute stroke subjects: A follow-up study. J Rehabil Res Dev 2006;43(5): Maheu V, Frappier J, Archambault PS, Routhier F. Evaluation of the JACO robotic arm: clinicoeconomic study for powered wheelchair users with upper-extremity disabilities. IEEE Int Conf Rehabil Robot 2011;2011: