Élaboration d’un nouveau programme de réadaptation axé sur les tâches à l’aide d’une main robotique bimanuale exosquelette

Résumé

Cette étude fait état de l’élaboration d’un nouveau programme axé sur les tâches assistées par robot pour la réadaptation des mains. Le processus de développement se compose d’expériences utilisant des sujets sains et des sujets qui ont eu un accident vasculaire cérébral et ont souffert du dysfonctionnement suivant de commande de moteur.

Résumé

Une main assistée par robot est utilisée pour la réadaptation des patients présentant une altération de la fonction des membres supérieurs, en particulier pour les patients victimes d’un AVC présentant une perte de contrôle moteur. Cependant, il n’est pas clair comment les stratégies conventionnelles de formation professionnelle peuvent être appliquées à l’utilisation de robots de réadaptation. De nouvelles technologies robotiques et des concepts d’ergothérapie sont utilisés pour élaborer un protocole qui permet aux patients dont la fonction des membres supérieurs est altérée de saisir les objets à l’aide de leur main affectée à travers une variété de fonctions de pincement et de saisie. Pour ce faire de manière appropriée, nous avons utilisé cinq types d’objets : une cheville, un cube rectangulaire, un cube, une boule et une barre cylindrique. Nous avons également équipé les patients d’une main robotique, la Main miroir, une main exosquelette qui est monté sur la main affectée du sujet et suit le mouvement du gant de capteur monté sur leur main non affectée (formation de mouvement bimanuel (BMT)). Cette étude a eu deux étapes. Trois sujets sains ont d’abord été recrutés pour tester la faisabilité et l’acceptabilité du programme de formation. Trois patients présentant le dysfonctionnement de main provoqué par l’accident vasculaire cérébral ont alors été recrutés pour confirmer la faisabilité et l’acceptabilité du programme de formation, qui a été mené sur 3 jours consécutifs. Chaque jour, le patient a été surveillé pendant 5 min de mouvement dans une gamme passive de mouvement, 5 min de mouvement bimanuel robotisé, et la formation axée sur la tâche utilisant les cinq objets. Les résultats ont montré que les sujets sains et les sujets qui avaient souffert d’un accident vasculaire cérébral en conjonction avec la main robotique pourraient saisir avec succès les objets. Les sujets en bonne santé et ceux qui avaient subi un AVC ont obtenu de bons résultats avec le programme de formation axé sur les tâches assistée par robot en termes de faisabilité et d’acceptabilité.

Introduction

La plupart (80%) Les patients victimes d’un AVC éprouvent un déficit de la main et ont de la difficulté à effectuer indépendamment des tâches manuelles qui sont pertinentes à la vie quotidienne¹. Toutefois, la nature complexe des tâches manuelles signifie qu’il est difficile de concevoir un programme de formation axé sur les tâches pour la réadaptation manuelle². Ces dernières années, de nombreux dispositifs robotiques ont été développés pour la réadaptation des mains^3,4, mais peu de protocoles de formation assistés par des dispositifs robotiques permettent à un patient d’interagir avec des objets réels. Il n’est pas clair exactement comment un programme de formation axé sur les tâches pour la réadaptation de la fonction de la main peut être appliqué à l’aide de dispositifs robotiques pour les patients qui éprouvent un dysfonctionnement de la main dû à l’AVC.

La formation axée sur la tâche est utilisée pour améliorer la fonction de la main^5,,6 et est couramment appliquée dans la réadaptation pour le dysfonctionnement des membres supérieurs due à l’AVC. Il est utilisé pour augmenter la neuroplasticité et est fortement dépendant des déficits neurologiques individuels et des exigences fonctionnelles⁷. Cependant, pendant la formation axée sur la tâche, les patients éprouvent difficilement dans la manipulation des objets si la fonction de main est altérée. Par exemple, une mauvaise prise ou des fonctions limitées de pincement. Les thérapeutes montrent également la difficulté à guider les mouvements des doigts des patients individuellement, ce qui limite donc la variation des tâches de saisie. Des dispositifs robotiques sont donc nécessaires pour accroître l’efficacité de la formation axée sur les tâches en guidant explicitement les mouvements manuels lors de l’entraînement répétitif^2,8.

Les études précédentes n’utilisaient que des robots de réadaptation pour une formation axée sur les tâches sur les tâches d’atteinte des membres supérieurs³. Il n’est pas clair comment la réadaptation assistée par robot peut être utilisée pour la formation axée sur les tâches ciblant à la fonction de main. Une main d’exosquelette, HWARD, a été utilisée pour guider les doigts à saisir et libérer des objets⁸. Cependant, ce dispositif ne permet pas les modèles de saisie variés parce qu’il manque les degrés nécessaires de liberté. Récemment, d’autres dispositifs qui ciblent le déplacement des doigts d’un patient individuellement ont été développés⁹. Cependant, ces dispositifs n’ont pas été précédemment utilisés pour la neuroréhabilitation. Les dispositifs robotiques mentionnés ci-dessus sont tous des robots unilatéraux. En revanche, le système de main robotique présenté ici a besoin de la coopération des mains non affectées et affectées. Le système de main robotique est spécifiquement conçu à des fins de réhabilitation en utilisant le mécanisme maître-esclave pour réaliser des mouvements de main bimanual symétriques. Le système se compose d’une main exosquelette (portée sur la main affectée), d’une boîte de commande et d’un gant sensoriel (porté sur la main non affectée). Chaque module de doigt de la main d’exosquelette est conduit par un moteur avec un degré de liberté et ses joints sont reliés à l’aide d’un système de liaison mécanique. Deux tailles, S et M, sont conçues pour s’adapter à des sujets différents. La boîte de commande fournit deux modes thérapeutiques, la gamme passive de mouvement (PROM) et les modes de mouvement guidés par miroir, à travers lequel la main affectée du patient peut être manipulée par la main d’exosquelette. Dans le mode PROM, la zone de contrôle envoie des commandes d’entrée à l’exosquelette tandis que déplace la main du sujet pour effectuer une flexion/extension complète du doigt. Il contient deux modes : le mode un doigt (agit en séquence du pouce au petit doigt) et le mode cinq doigts (cinq doigts se déplacent ensemble). Dans le mode de mouvement guidé par miroir, le mécanisme maître (gant de capteur) –esclave (main d’exosquelette) est mis en œuvre, dans lequel le mouvement de chaque doigt est détecté par le gant du capteur et les signaux des angles articulaires sont transmis à la boîte de contrôle pour manipuler la main exosquelette.

Lorsqu’ils ont été équipés du système de main robotique, les sujets ont reçu l’ordre de déplacer leurs mains affectées sous la direction de la main d’exosquelette contrôlée par des mains non affectées qui est la formation de mouvement bimanuel (BMT)¹⁰. Selon des recherches antérieures, BMT est capable d’activer des voies neuronales similaires dans les deux hémisphères du cerveau et d’empêcher l’inhibition trans-hémisphère qui entrave la récupération de la fonction neuronale dans l’hémisphère de lésion¹⁰. Brunner et^coll.11 ont comparé BMT à la thérapie de mouvement induite par la contrainte (CIMT) dans les patients d’AVC sous-aigus. Ils ont suggéré que BMT tend à activer plus de réseaux neuronaux dans les deux hémisphères que CIMT, et il n’y avait aucune différence significative dans l’amélioration de la fonction de la main entre les approches BMT et CIMT. Sleimen-Malkoun et coll.¹² ont également suggéré que par BMT, les patients d’AVC sont en mesure de rétablir le contrôle parétique de membre et le contrôle bimanual. C’est-à-dire que la formation devrait comprendre des tâches bimanuales qui se concentrent sur l’utilisation du bras affecté. En outre, la coordination des deux mains est nécessaire pour les activités de la vie quotidienne (ADL)^11,12. Par conséquent, il est crucial de mettre au point un programme de formation bimanuel axé sur les tâches assistée par robot pour les patients post-AVC et les objets qui peuvent être saisis ou pincés par les patients portant le système de main robotique.

Dans cette étude, une variété d’objets de saisie ont été conçus en fonction des besoins de l’ergothérapie et les propriétés mécaniques des robots de réadaptation. Un protocole d’entraînement axé sur les tâches a été développé à l’aide de dispositifs robotiques de réadaptation pour les patients présentant un dysfonctionnement distal des membres supérieurs dû à un ACCIDENT VASCULAIRE CÉRÉBRAL. Le but de cette étude était d’étudier la faisabilité et l’acceptabilité du programme de formation axé sur les tâches à l’aide d’un robot exosquelette et d’objets de saisie nouvellement conçus.

Protocole

Le protocole de formation et le document de consentement éclairé ont été examinés et approuvés par le Conseil d’examen institutionnel de la Chang Gung Medical Foundation. Les détails de l’étude et les procédures ont été clairement expliqués à chaque sujet.

1. Recrutement de trois adultes en bonne santé

1. Effectuer le processus de sélection en utilisant les critères d’inclusion suivants : (1) âge 20–60 ans, (2) consentement éclairé déjà signé, (3) fonction normale dans les membres supérieurs, (4) Mini-Mental State Examination (MMSE) score ≧24.
2. Essai de conduite 1 : manipuler des objets sans porter le système de main robotique.
   1. Demandez au sujet de s’asseoir debout sur une chaise avec un dos ferme et pas d’accoudoirs. Placez le sujet devant une table. Tenez-vous à l’avant-plan du sujet.
   2. Enseignez au sujet comment manipuler les objets conçus pendant 5 min. Inclure une préhension palmaire pour ramasser la cheville, une préhension latérale pour ramasser le cube rectangulaire, un mandrin à trois points pour ramasser le cube, une prise sphérique pour ramasser la balle, et une prise cylindrique pour ramasser la barre cylindrique.
      REMARQUE : Les objets sont indiqués à la figure 1A. La configuration expérimentale est indiquée à la figure 1B. Les sujets ont appris les schémas de prise spécifiques pour chaque objet. Le modèle de saisie est indiqué à la figure 2.
   3. Placez deux bases bilatéralement devant les mains du sujet. Placez chaque objet utilisé dans la réhabilitation au-dessus de ces bases pour faciliter la manipulation. Pour tous les objets, répétez les séquences suivantes 20 fois. Demandez aux sujets de saisir les objets dans la zone de départ de la base, de les soulever et de les déplacer vers la ligne médiane et de les relâcher à l’aide de leurs mains non dominantes.
   4. Dans le même temps, mesurer le taux de réussite de ces 20 tentatives. Effectuez cette procédure sur 3 jours consécutifs. Le taux de réussite est le nombre de manipulations réussies pour 20 tentatives x 100%. La manipulation réussie est définie comme lorsque les sujets sont capables de compléter les séquences avec un modèle de prise spécifique selon les objets et sans les laisser tomber.
3. Essai de conduite 2 : manipulation d’objets à l’aide d’un système de main robotique (Figure 3).
   REMARQUE : Les mécanismes du système manuel robotique sont les suivants. Dans la main d’exosquelette, les joints de chaque module de doigt sont conçus en liaison mécanique et conduits par un actionneur linéaire individuel avec une vitesse constante de 10 mm/s. L’exosquelette a différentes gammes de mouvement dans chaque module de doigt (pouce : MCP= 0° à 55°, DIP= 0° à 70°; index et doigts du milieu: MCP= -10 ° à 55°, PIP=0° à 35°, DIP=0° à 35°; anneau et petits doigts: MCP= -5 ° à 55°, PIP= 0° à 35°, DIP= 0° à 35°). Dans le gant du capteur, chaque module de doigt est installé avec un capteur flex qui mesure l’angle de l’articulation et envoie des signaux d’entrée à la boîte de commande à travers des câbles.
   1. Configuration du gant du capteur (Figure 1B,b)
      1. Mettez le gant du capteur sur la main dominante du sujet. Utilisez le Velcro pour fixer le poignet.
   2. Installation d’exosquelette (Figure 1B,b)
      1. Utilisez un tampon propre pour envelopper la main non dominante. Attachez le Velcro confortablement.
      2. Desserrez le mécanisme du pouce de la main d’exosquelette pour permettre l’ajustement de l’angle d’ouverture du pouce. Placez la main non dominante dans la main d’exosquelette. Attachez le Velcro à la paume à travers l’anneau de fixation. Attachez les doigts un par un, en commençant par l’index et en terminant avec le pouce.
      3. Ensuite, attachez le Velcro parallèle au poignet à travers l’anneau de fixation. Ajuster le pouce à un angle confortable, puis serrer le mécanisme du pouce.
   3. Configuration de la boîte de contrôle (Figure 1A,c)
      1. Insérez les câbles de la main d’exosquelette et le gant du capteur dans les prises de la main d’exosquelette et du gant du capteur, respectivement. Après cela, insérez les câbles pour la main exosquelette et le gant du capteur dans la prise de la boîte de commande. Enfin, insérez le câble d’alimentation dans la boîte de commande et connectez-le à une prise avec la tension correcte.
   4. Effectuer une séance d’échauffement (mode PROM)
      1. Allumez la zone de commande et réglez le mode sur Five Fingers. Ce mode permet à la main exosquelette de déplacer passivement les doigts du sujet. Demandez au sujet d’effectuer une tâche de saisie et de libération guidée par la main d’exosquelette pendant 2,5 min.
      2. Passez le mode à Single Finger et laissez la main exosquelette déplacer les doigts du sujet individuellement et passivement. Demandez au sujet d’étendre et de rétracter les doigts individuels pendant 2,5 min, guidés par la main exosquelette.
   5. Effectuer une séance de mouvement bimanual assistée par robot.
      1. Commutez le mode en Miroir. Dans ce mode, le mouvement de la main dominante portant le gant du capteur contrôle les mouvements de la main exosquelette. Tout mouvement qui est fait par le gant du capteur est imité et reflété par la main exosquelette. Par exemple, une flexion de l’index du gant du capteur correspond à une flexion de l’index de l’exosquelette.
   6. Instruire le sujet à effectuer une tâche de saisie et de libération pendant 2,5 min et faire des mouvements individuels des doigts pendant 2,5 minutes supplémentaires tout en portant le gant du capteur. Cette action est reflétée par la main d’exosquelette, qui guide la main non dominante du sujet dans l’exécution des tâches requises.
4. Mener la session axée sur les tâches.
   1. Enseignez au sujet comment manipuler les objets conçus à l’aide du système de main robotique pendant 5 min. Inclure une préhension palmaire pour ramasser la cheville, une préhension latérale pour ramasser le cube rectangulaire, un mandrin à trois points pour ramasser le cube, une prise sphérique pour ramasser la balle, et une prise cylindrique pour ramasser la barre cylindrique.
   2. Placez deux bases bilatéralement devant les mains du sujet. Placez chaque objet utilisé dans la réhabilitation au-dessus de ces bases pour faciliter la manipulation. Pour tous les objets, répétez les séquences suivantes 20 fois. Demandez aux sujets de saisir l’objet dans la zone de départ de la base, de les soulever et de les déplacer vers la ligne médiane et de les relâcher à l’aide du système de main robotique.
   3. Dans le même temps, mesurer le taux de réussite de ces 20 tentatives. Effectuez cette procédure sur 3 jours consécutifs. Le taux de réussite est le nombre de manipulations réussies pour 20 tentatives x 100%. La manipulation réussie est définie comme lorsque les sujets sont capables de compléter les séquences avec un modèle de prise spécifique à l’aide du système de main robotique et sans les laisser tomber.
      REMARQUE : Le taux de réussite sera utilisé pour évaluer la faisabilité du système de main robotique bimanual chez les sujets sains.

2. Recruter trois patients atteints d’AVC pour déterminer l’applicabilité du programme de formation

1. Effectuer le processus de sélection en utilisant les critères d’inclusion suivants : (1) 20 à 60 ans; (2) le consentement éclairé signé; (3) diagnostic d’AVC unilatéral ≧ 1 mois (4) Score modifié de l’échelle d’Ashworth (MAS) ≦2; (5) Brunnstrom étape ≦2; (6) Score MMSE ≧24.
2. Essai 1 : manipulation d’objets lorsqu’ils n’utilisent pas de système manuel robotisé (Figure 2).
   1. Laissez le sujet s’asseoir debout sur une chaise avec un dos ferme et pas d’accoudoirs. Placez le sujet devant une table. Tenez-vous à l’avant-plan du sujet. Placez une fronde sous le coude du sujet et la main d’exosquelette pour soutenir son bras affecté.
   2. Enseignez au sujet comment manipuler les objets conçus pendant 5 min. Inclure une préhension palmaire pour ramasser la cheville, une préhension latérale pour ramasser le cube rectangulaire, un mandrin à trois points pour ramasser le cube, une prise sphérique pour ramasser la balle, et une prise cylindrique pour ramasser la barre cylindrique.
   3. Placez deux bases bilatéralement devant les mains du sujet. Placez chaque objet utilisé dans la réhabilitation au-dessus de ces bases pour faciliter la manipulation. Demandez au sujet de manipuler les cinq objets différents à l’aide de sa main affectée 20 fois. Soutenir le sujet en déplaçant son bras supérieur si nécessaire.
   4. Dans le même temps, mesurer le taux de réussite de ces 20 tentatives. Effectuez cette procédure sur 3 jours consécutifs.
3. Essai de conduite 2 : manipulation d’objets à l’aide d’un système de main robotique (Figure 3).
   1. Placez la main d’exosquelette à la main affectée du sujet et le gant du capteur à la main non affectée. Répétez les étapes 1.3.1–1.3.3. Placez une fronde sous le coude du sujet et la main d’exosquelette pour soutenir son bras affecté.
   2. Organisez une séance d’échauffement (mode PROM).
      1. Allumez la zone de commande et réglez le mode sur Five Fingers. Demandez au sujet d’effectuer une tâche de saisie et de libération guidée par la main d’exosquelette pendant 2,5 min.
      2. Passez le mode à Single Finger. Demandez au sujet d’étendre et de rétracter les doigts individuels pendant 2,5 min, guidés par la main exosquelette.
      3. Commutez le mode en Miroir. Instruire le sujet à effectuer une tâche de saisie et de libération pendant 2,5 min et faire des mouvements individuels des doigts pendant 2,5 minutes supplémentaires tout en portant le gant du capteur. Cette action est reflétée par la main d’exosquelette, qui guide la main affectée du sujet dans l’exécution des tâches requises.
   3. Effectuer une session axée sur les tâches.
   4. Enseignez au sujet comment manipuler les objets conçus à l’aide du système de main robotique pendant 5 min. Inclure une préhension palmaire pour ramasser la cheville, une préhension latérale pour ramasser le cube rectangulaire, un mandrin à trois points pour ramasser le cube, une prise sphérique pour ramasser la balle, et une prise cylindrique pour ramasser la barre cylindrique.
   5. Placez deux bases bilatéralement devant les mains du sujet. Placez chaque objet utilisé dans la réhabilitation au-dessus de ces bases pour faciliter la manipulation. Pour tous les objets, répétez les séquences suivantes 20 fois. Demandez aux sujets de saisir les objets dans la zone de départ de la base, de les soulever et de les déplacer vers la ligne médiane et de les relâcher à l’aide du système de main robotique.
   6. Dans le même temps, mesurer le taux de réussite de ces 20 tentatives. Effectuez cette procédure sur 3 jours consécutifs. Le taux de réussite est le nombre de manipulations réussies pour 20 tentatives x 100%. La manipulation réussie est définie comme lorsque les sujets sont capables de compléter les séquences avec un modèle de prise spécifique à l’aide du système de main robotique et sans les laisser tomber.
      REMARQUE : Le taux de réussite sera utilisé pour évaluer la faisabilité du système de main robotique chez les patients victimes d’AVC.

3. Évaluation des patients

1. Pour évaluer l’acceptabilité, posez aux sujets les questions suivantes à la fin de chaque session : (1) le système manuel robotique vous a-t-il aidé à manipuler les objets ? (2) y a-t-il eu des événements indésirables pendant ou après le programme de formation?

Résultats

Un total de six sujets ont été inscrits dans cette étude, y compris trois sujets sains et trois sujets post-AVC. Les données démographiques des deux groupes sont indiquées dans le tableau supplémentaire 1. L’âge moyen du groupe en bonne santé était de 28 ans (fourchette : 24–30), alors que l’âge moyen du groupe de patients était de 49 ans (40–57). Les scores moyens d’évaluation du groupe de patients étaient les suivants : (1) MMSE=27 (26–29), (2) FMA=11,3 (6–15), (3) MAS=1, (4...

Discussion

Les résultats de cette étude ont montré ce qui suit : (1) les deux groupes pouvaient saisir avec succès les objets fournis avec le système de main robotique. Ils ont pu accomplir cette tâche avec un taux de réussite de près de 100 %, ce qui confirme la faisabilité du programme de formation proposé axé sur les tâches assistées par robot. (2) Il n’y a eu aucun rapport de blessure ou d’événements indésirables au cours de la période d’étude et tous les patients ont signalé que le système robotique d...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Control Box	Rehabotics Medical Technology Corporation	HB01	The control box includes a power supply, sensor glove signal receiver, motor signal transmitter, and exoskeletal hand motion mode selection unit.
Exoskeletal Hand	Rehabotics Medical Technology Corporation	HS01	It is a wearable device causing the patient's fingers to move and is driven by an external motor and mechanical assembly.
Sensor Glove	Rehabotics Medical Technology Corporation	HM01	Worn on the patient's unaffected side hand. The sensors in the sensor glove will detect flexing and extension of the hand, and this data will be used to control the exoskeletal hand when in bimanual mode.