상지 재활 로봇은 뇌졸중 환자에게 반복적인 도달 운동 훈련을 제공할 수 있으나 초기 로봇 재활 시스템은 단순한 도달 환경과 획일화 된 스케줄만을 제공하기 때문에 환자 개인의 특성을 ...

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Seoul : Sungkyunkwan University, 2025
Thesis (Ph.D.) -- Sungkyunkwan University , Department of Mechanical Engineering , 2025. 8
2025
영어
서울
뇌졸중 로봇 재활을 위한 모델 평가 방법 기반의 환자 맞춤형 도달운동 훈련 프레임워크
xi, 131 p. : col. ill., charts ; 30 cm
Adviser: Jonghyun Kim
Includes bibliographical reference(p. 112-129)
I804:11040-000000184680
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다운로드상지 재활 로봇은 뇌졸중 환자에게 반복적인 도달 운동 훈련을 제공할 수 있으나 초기 로봇 재활 시스템은 단순한 도달 환경과 획일화 된 스케줄만을 제공하기 때문에 환자 개인의 특성을 ...
상지 재활 로봇은 뇌졸중 환자에게 반복적인 도달 운동 훈련을 제공할 수 있으나 초기 로봇 재활 시스템은 단순한 도달 환경과 획일화 된 스케줄만을 제공하기 때문에 환자 개인의 특성을 반영하지 못하였다. 본 학위논문은 모델 기반 평가법을 활용하여 환자별 맞춤형 도달 훈련 스케줄을 자동 생성하는 개인화 도달 운동 훈련 프레임워크를 제안한다. 먼저, 시간적·공간적 편향 없이 작업공간 전반의 도달성능을 평가할 수 있는 정량적 평가 기법을 개발하였다. 해당 기법은 1. Fitts 법칙 (속도–정확도), 2. Almanji 모델 (뇌성마비 대상 마우스 포인팅 동작), 3. 본 연구의 제안 모델 등 세 가지 후보 모델을 비교 하고자. 모델 검증을 위해 건강인 12 명, 뇌졸중 환자 7 명으로부터 로봇 기반 운동학 데이터를 수집·분석하였다. 건측의 데이터를 이용해 정상 도달 모델을 추정하고, 이를 기준으로 환측 팔을 평가하도록 설계하였다. 제안 모델은 건강인 12 명 전원 및 뇌졸중 환자 19 명의 덜 손상된 팔 중 16 명에서 R2 > 0.7 이상의 설명력을 보였으나, 환측 팔의 비정상 궤적은 올바르게 식별하지 못해 평가 지표로서의 정상 움직임에 대한 특이성 (specificity) 을 입증하였다. 시각화된 평가 결과는 환측 팔의 고유 운동 특성을 직관적으로 제시하여 맞춤형 훈련 과제 선정에 활용 가능함을 확인하였다. 이후 운동 학습(motor-learning) 원리를 반영한 스케줄링 알고리즘을 제안하고. 알고리즘은 적응성 (adaptiveness)과 무작위성 (randomness) 을 동시에 반영해 회복 촉진과 기술 유지 (skill retention) 를 도모한다. 실제 환자 데이터를 기반으로 한 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 제안 스케줄은 기존 방법 대비 훈련 적응도 및 변동성에서 유의미한 우수성을 보였다 (p < 0.001). 또한 기존 정상 도달 운동 모델 고도화를 위해 건강인 및 뇌졸중 환자의 광범위한 기구학적 변수를 분석하였다. 교차검증과 AIC 등을 활용해 비선형 회귀모델을 탐색하여, 정상 도달 시간 예측에 가장 영향력 있는 변수 집합을 도출하였다. 개선된 모델은 기존 접근법과 비교해 통계적 설명력과 특이성이 향상되었음을 검증하였다.
다국어 초록 (Multilingual Abstract)
Upper-limb rehabilitation robots provide repetitive reaching movement training to poststroke patients. However, the early version of robot-aided robot training provides a simple reaching environment and fixed scheduling training which is not individua...
Upper-limb rehabilitation robots provide repetitive reaching movement training to poststroke patients. However, the early version of robot-aided robot training provides a simple reaching environment and fixed scheduling training which is not individualized to patients. This dissertation introduces a novel individualized reaching training framework that utilizes a model-based evaluation method to schedule individualized reaching training to enhance stroke survivors’ rehabilitation. We first developed an objective evaluation method based on a normal reaching model, assessing reaching performance across one’s workspace without temporal and spatial bias. This method uses three candidate models: Fitts’law for the speed-accuracy relationship, the Almanji model for mouse-pointing tasks in cerebral palsy, and our proposed model. Kinematic data were obtained from healthy (n = 12) and post-stroke (n = 7) subjects using a robot to validate the model and evaluation method. The models derived from the less-affected arm’s performance were used to predict the patients’normal reaching performance, setting the standard for evaluating the affected arm.
Our proposed normal reaching model successfully identified the reaching performance of all healthy subjects (n = 12) and the less-affected arm of post-stroke patients (n = 19; with 16 showing an R2 > 0.7), but did not identify erroneous reaching in the affected arm. Furthermore, our evaluation method visually and intuitively demonstrated the unique motor characteristics of the affected arms, offering insights for individualized training. Once we developed the model-based evaluation method, we proposed a scheduling method acoording to motor learning principles. By incorporating adaptiveness and randomness, the framework aligns with motor learning principles to optimize recovery and skill retention.
Supported by computational modeling based on actual patient data (n = 6), simulations confirmed the framework’s ability to adapt and introduce variability in training schedules compared to conventional methods (p < 0.001) in theoretical level. We will present the scheduling method in the practical level which attempted to overcome the evaluation validity issues due to unreachable movements. Furthermore, we aim to enhance the normal reaching model by establishing a rigorous theoretical and empirical foundation for a data-driven approach. By analyzing a broad set of kinematic features from both healthy and stroke populations, we identified the most informative variables for predicting normal movement time. An exhaustive search of non-linear regression models was conducted, with model performance evaluated using cross-validation and statistical metrics such as R2 and AIC. The resulting models were compared against existing approaches to assess their explanatory power and specificity.
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