Design and Analysis of a Novel 4 DOF Trunk Rehabilitation Robot for Stroke Patients

에이자드아믈 경상대학교 대학원 2020 국내박사

The central region of the human body to which the neck and limbs are attached is called the trunk. In the lower part of the trunk, called the abdomen, the spine gains support from the musculature known as the core. The stability of the trunk depends primarily on the stability of the core, which is defined as the ability of the lumbopelvic hip complex to resist buckling and, when perturbed, to return to a state of equilibrium. Trunk instability can be caused by a number of reasons including neurological disorders such as stroke, Parkinson’s disease, etc. People suffering from such diseases may suffer from weakness of the core muscles that are necessary to maintain trunk function. Impairments of the core have a strong negative impact on an individual’s ability to maintain a balanced posture. This affects their ability to independently and safely perform gait and the activities of daily living. Therefore, during post-stroke physical rehabilitation, great amount of emphasis is placed on improving the level of postural control of the trunk. Trunk rehabilitation exercises are prescribed according to the particular type of postural control (static, dynamic or reactive) that needs to be improved. Generally, trunk rehabilitation protocols require the repeated performance of exercises at different difficulty levels. The patient starts with easier exercises that they can easily master and gradually moves to more difficult exercise conditions. The difficulty level may be increased by varying the stability of the support surface, the level of extremity recruitment, or the amount of sensory input available to the patient. The trunk rehabilitation protocols require a high level of involvement from the therapist, which increases their workload. Use of a robotic rehabilitation system may be helpful in reducing this workload. Robot assisted therapy has been shown to be beneficial in other fields of sensorimotor rehabilitation. Similarly, the use of robots capable of generating highly controllable training environments including perturbations may prove to be beneficial in the field of trunk rehabilitation. Thus, a number of robotic trunk rehabilitation systems have been reported in the literature. However, these systems have mostly been designed for limited applications, have limited degrees of freedom, are difficult to board, lack sit-to-stand transfer support, and are not capable of completely isolating the trunk function from the rest of the body. Therefore, in this research we have designed a versatile trunk rehabilitation system that can overcome these limitations. The developed trunk rehabilitation robot consists of an instrumented seating surface mounted on a 4 DOF robotic actuation system. The seat surface is capable of gauging the position of the user’s center of pressure (COP). The roll and pitch movements of the system allow the generation of instability/ perturbation movements in the mediolateral and anteroposterior directions, respectively. The yaw movement allows easy boarding of the system while also allowing the generation of instability/ perturbation movements about the body’s vertical axis, similar to trunk rotation. The heave movement allows the adjustment of seat height in order to ensure that the user sits in the appropriate posture. This movement also works in conjunction with the pitch movement to provide support during sit-to-stand transfers. The system is equipped with two display screens, one for the operator to adjust system operation parameters and one for the user to receive visual feedback of their COP position and to also play different specially developed serious games that require the performance of different balance exercises. The system is equipped with restraints that ensure safety of the user while allowing them to freely perform the different exercises. The system is also equipped with two types of footrests; a ground-mounted footrest that provides stable support for the feet allowing the user to gain somatosensory feedback from them, and a seat-attached footrest that constrains the feet to move with the pelvis. The limitation of relative motion between the pelvis and the feet isolates the trunk function from the movements of the lower extremities, thus increasing the balancing task difficulty. A number of studies have been carried out using the developed trunk rehabilitation robot. First, a functional validation was done to verify the function of the COP calculation module and the control system responsible for generating the unstable seat surface. Then a pilot test with a stroke patient was carried out to evaluate the system usability. This was followed by a study to evaluate the effect of three seat conditions (static, unstable and perturbation) and three visual conditions (blindfold, eyes open and visual feedback) on the balance of healthy subjects. The results of this study indicated that the system was able elicit similar responses in the unstable mode as the conventional devices and that further studies of the implications of using the perturbation mode are required. Furthermore, studies involving evaluation of the system’s effects on muscle activations in healthy subjects and on balance and functional measures of stroke subjects have been planned for the near future. The 4DOF trunk rehabilitation robot has been developed with extensive input of experts from the fields of physical rehabilitation, biomedical engineering, and manufacturing. The system has been designed to allow different utilization modes and configurations that can be adjusted to accommodate users with a wide range of rehabilitation requirements, including sit-to-stand transfer rehabilitation. The results obtained from studies involving healthy subjects and pilot testing with a stroke patient show that the system is capable of generating the desired effects on the user’s balance and may be appropriate for use in a rehabilitation environment. Further in-depth studies with healthy and stroke subjects will allow us to better understand the implications of using this system for seated postural control rehabilitation. 목과 팔다리를 이어주는 인체의 중앙 부분을 ‘체간’이라 하며, 체간의 아래 부분인 복부의 척추는 코어 근육(core muscle)이 지지를 한다. 체간의 안정성은 주로 코어의 안정성에 달려 있는데, 이는 휘어짐(bucking)을 막는 요추(lumbopelvic hip complex)의 능력과 균형이 불안정한 상태에서 평형 상태로 돌아갈 수 있는 능력으로 정의된다. 체간의 불안정성은 뇌졸중, 파킨슨병 등의 신경계 장애를 포함한 여러가지 원인으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 질병으로 고통받는 사람들은 체간 기능을 유지하는데 필요한 핵심 근육이 약해질 수 있고, 이로 인해 균형 잡힌 자세를 유지하는 개인의 능력에 높은 악영향을 미친다. 또한, 보행과 일상 생활 활동을 독립적이고 안전하게 수행하는 능력 저하로 이어진다. 따라서, 뇌졸중 발병 후 재활 기간 동안 체간의 자세 제어 능력을 개선하는데 많은 중요성이 요구된다. 체간 재활 운동은 취약한 특정 유형의 자세 제어(정적, 동적 또는 반응성)에 따라 처방되고, 일반적으로 재활 프로토콜은 개별 난이도 수준에서 운동을 반복적 수행이 필요하다. 또한, 환자는 쉬운 운동으로 시작하여 보다 용이하게 성취하고, 점차 어려운 운동 조건으로 이동한다. 난이도는 지지면(좌석)의 안정성, 손, 발 등의 참여도 또는 환자가 이용할 수 있는 감각 정보 양을 변화시킴으로써 증가될 수 있다. 기존의 체간 재활 프로토콜에는 물리치료사의 높은 수준의 참여가 요구되므로 노동력이 증가하지만, 로봇 재활 시스템을 사용하면 불필요한 노동력을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 로봇 보조 재활 운동은 감각 운동 재활 분야에서 유익한 것으로 보고되었고, 이와 유사하게 외란을 포함한 정밀 제어가 가능한 훈련 환경을 제공하는 로봇의 사용은 체간 재활 분야에서 유리한 것으로 입증될 수 있다. 실제로 수많은 로봇 체간 재활 시스템이 문헌에 보고 되었다. 하지만 이러한 시스템은 주로 제한된 응용 분야를 위해 설계되었고, 자유도가 제한되어 있다. 또한, 탑승이 불편하고 앉고 서기(Sit-to-stand)를 지원하는 기능이 없으며, 체간 기능을 신체의 나머지 부분과 완전히 분리 할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 이러한 한계를 극복할 수 있는 다목적 체간 재활 시스템을 제안한다. 개발된 체간 재활 로봇은 4 DOF(Degree of freedom) 로봇 구동 시스템과 힘 측정이 가능한 의자 형태의 시스템으로 구성되고, 시트 표면은 사용자의 압력 중심(COP, Center of pressure)의 위치를 측정할 수 있다. 시스템의 롤(Roll) 및 피치(Pitch) 움직임은 각각 좌우 및 전후 방향으로 불안정성/외란 움직임을 발생시킬 수 있다. 요(Yaw) 운동은 몸통 회전과 유사하게 신체의 수직 축을 중심으로 불안정성/외란 운동을 생성하는 동시에 시스템의 탑승을 용이하게 한다. 상하 운동(Heave)은 사용자가 적절한 자세로 앉을 수 있도록 시트 높이를 조절할 수 있다. 이 움직임은 또한 피치 이동과 함께 작동하여 앉고 서기(Sit-to-Stand)를 지원한다. 이 시스템에는 두 개의 디스플레이 화면이 있는데, 하나는 관리자(Operator)가 시스템 작동 매개 변수를 조정하고 다른 하나는 사용자가 본인 COP 위치에 대한 시각적 피드백을 받고 다른 균형 운동의 성능을 필요로 하는 특수하게 개발된 게임을 하기 위한 것이다. 제안하는 시스템에는 사용자의 안전을 보장하면서 다양한 운동을 자유롭게 수행할 수 있는 안전 장치가 장착되어 있다. 또한, 본 시스템에는 두 가지 유형의 발판이 장착되어 있다. 하나는 발에 안정된 지지를 제공하기 위해 지면에 고정된 발판이고, 다른 하나는 사용자가 발에서 체성감각 피드백을 얻을 수 있도록 하면서 발이 골반과 함께 움직이지 못하도록 하는 좌석 연결 발판이다. 이때, 골반과 발 사이의 상대 운동의 제한은 체간 기능을 하지의 움직임으로부터 독립시켜 균형성 난이도를 증가시킨다. 본 연구에서는 제안하는 체간 재활 로봇을 통한 많은 연구가 수행되었다. 먼저, COP 계산 모듈 및 강제로 불안정한 시트 표면을 생성하는 제어 시스템 기능을 검증하기 위한 기능 검증이 수행되었고, 뇌졸중 환자의 예비 실험(Pilot test)를 수행하여 시스템 유용성을 평가했다. 다음에는 정상인 대상의 균형에 대한 3가지 좌석 상태(정적, 불안정 및 외란)와 3가지 시각 조건 (안대 착용, 시각 허용, 시각적 피드백)의 영향을 평가하기 위한 연구가 이루어졌다. 실험 결과, 시스템이 기존 장치와 같이 불안정한 모드에서 유사한 반응을 확인하였고 외란 모드 사용의 의미에 대한 추가 연구가 필요함을 나타낸다. 또한, 향후 정상인 근육 활성화 및 뇌졸중 환자의 균형 및 기능적 측정에 대한 시스템의 평가에 관한 연구가 수행될 계획이다. 4DOF 체간 재활 로봇은 신체 재활, 생체의학 공학 및 제조 분야의 다양한 전문가와 함께 개발되었다. 이 시스템은 다양한 활용 모드와 구성을 제공할 수 있게 설계되었으며, 이는 앉고 서기 (Sit-to-stand) 운동 재활을 포함하여 광범위한 재활 요구 사항을 가진 사용자를 수용할 수 있다. 건강한 피험자 및 뇌졸중 환자에 대한 파일럿 테스트와 관련된 연구에서 얻은 결과는 시스템이 사용자의 균형에 원하는 효과를 생성할 수 있으며 실제 재활 환경에서 적용 가능함을 보여준다. 정상인 및 뇌졸중 환자를 대상으로 한 심층 연구를 통해 앉기 자세제어(Seated postural control) 재활에 이 시스템을 사용할 때의 영향을 보다 잘 이해할 수 있다.