פיתוח תוכנית שיקום מוכוונת-משימות באמצעות יד רובוטית ביאנואל

Summary

מחקר זה מדווח על התפתחות של תוכנית הרומן בסיוע משימות מונחה משימה לשיקום יד. התהליך ההתפתחותי כולל ניסויים באמצעות נושאים בריאים ונושאים שעברו שבץ וסבלו מתפקוד לקוי של בקרת המנוע.

Abstract

יד רובוט משמש לשיקום של חולים עם לקויי תפקוד הגפיים העליונות, במיוחד עבור חולי שבץ עם אובדן של שליטה מוטורית. עם זאת, לא ברור כיצד אסטרטגיות הכשרה מקצועי קונבנציונאלי ניתן להחיל על השימוש ברובוטים שיקום. טכנולוגיה רובוטית הרומן מושגים ריפוי בעיסוק משמשים לפתח פרוטוקול המאפשר לחולים עם לקויי פונקציה הגפיים העליונות לתפוס חפצים באמצעות היד המושפעת שלהם באמצעות מגוון של פונקציות צובט ואוחז. כדי לבצע זאת כראוי, השתמשנו בחמישה סוגים של אובייקטים: יתד, קוביה מלבנית, קוביה, כדור, ובר גלילי. אנו מצוידים גם את החולים עם יד רובוטית, יד המראה, יד שלד חיצוני המצויד יד מושפעת של הנושא ובעקבות התנועה של הכפפה חיישן מצויד היד שלהם מושפע (בימרו הדרכה התנועה (bmt)). למחקר זה היו שני שלבים. שלושה נושאים בריאים גויסו לראשונה כדי לבחון את הכדאיות והקבלה של תוכנית ההכשרה. שלושה חולים עם בעיות בתפקוד היד שנגרמו על ידי שבץ גויסו אז כדי לאשר את הכדאיות ואת הקבלה של תוכנית ההכשרה, אשר נערכה במשך 3 ימים רצופים. בכל יום, החולה היה מפוקח במהלך 5 דקות של תנועה בטווח פסיבי של תנועה, 5 דקות של תנועה באמצעות הרובוט באמצעות בתים, והכשרה מונחה משימות באמצעות חמשת האובייקטים. התוצאות הראו כי גם נושאים בריאים ונושאים שסבלו משבץ בשילוב עם היד הרובוטית יכולים לתפוס את החפצים בהצלחה. גם הנושאים הבריאים ואלה שסבלו משבץ, הופיעו היטב עם תוכנית ההדרכה של הרובוטים בסיוע משימות מבחינת הכדאיות והקבלה.

Introduction

רוב (80%) חולי שבץ חווים גרעון ביד ומתקשים לבצע באופן עצמאי משימות ידניות הנוגעות לחיי היומיום¹. עם זאת, הטבע המורכב של משימות ידניות פירושו כי הוא אתגר משמעותי כדי לעצב תוכנית הדרכה מונחה משימות לשיקום יד². בשנים האחרונות פותחו מכשירים רובוטיים רבים לשיקום יד^3,4, אבל כמה פרוטוקולים הכשרה בסיוע מכשירים רובוטיים לאפשר לחולה אינטראקציה עם אובייקטים אמיתיים. לא ברור בדיוק איך משימה מונחה תוכנית הדרכה לשיקום הפונקציה יד ניתן להחיל באמצעות מכשירים רובוטיים עבור חולים אשר חווים תפקוד לקוי עקב שבץ.

אימון מונחה-משימות משמש כדי לשפר את תפקוד היד^5,6 והוא מוחל בדרך כלל בשיקום עבור תפקוד הגפיים העליונות עקב שבץ. היא משמשת להגברת הפלסטיות והיא תלויה מאוד בתביעות נוירולוגיות ובדרישות פונקציונליות מסוימות⁷. עם זאת, במהלך הכשרה מונחה משימות, מטופלים חווים באופן קשה בטיפול באובייקטים אם הפונקציה יד לקויה. דוגמאות לכך כוללות אחיזה גרועה או פונקציות צביטה מוגבלת. מטפלים גם מתקשים להדריך את תנועות האצבעות של המטופלים בנפרד, ולכן מגביל את הווריאציה של המשימות הנמצאות בטיפול. התקנים רובוטיים נחוצים לכן כדי להגביר את האפקטיביות של הכשרה מוכוונת משימות על ידי תנועת יד המנחה במפורש במהלך אימון חוזר^2,8.

מחקרים קודמים השתמשו רק רובוטים שיקום עבור הכשרה מונחה משימות על הגפיים העליון משימות להגיע³. לא ברור כיצד הרובוט בסיוע שיקום יכול להיות מועסק עבור הכשרה מונחה משימה מיקוד בפונקציה יד. יד שלד חיצוני, HWARD, השתמשו כדי להנחות את האצבעות כדי לתפוס ולשחרר אובייקטים⁸. עם זאת, התקן זה אינו מאפשר מגוון דפוסים מגוונים משום שהוא חסר את דרגות החופש הדרושות. לאחרונה, התקנים אחרים שהמטרה הזזת אצבעות המטופל בנפרד פותחו⁹. עם זאת, התקנים אלה לא שימשו בעבר לנוירוהליזם. המכשירים הרובוטיים שהוזכרו לעיל הם רובוטים חד צדדיים. לעומת זאת, מערכת היד הרובוטית המוצגת כאן צריכה שיתוף פעולה של ידיים מושפעות והשפיעו. מערכת היד רובוטית מיועדת במיוחד למטרות שיקום באמצעות המאסטר – עבדים מנגנון כדי להשיג תנועות יד בינה סימטרית. המערכת מורכבת מהיד השלד החיצוני (שחוקה על היד המושפעת), תיבת שליטה, וכפפת חישה (שחוקה על היד מושפע). כל מודול אצבע של היד השלד החיצוני מונע על ידי מנוע עם מידה אחת של חופש והמפרקים שלה מקושרים באמצעות מערכת הצמדה מכנית. שני גדלים, S ו-M, מתוכננים להתאים לנושאים שונים. תיבת הבקרה מספק שני מצבים טיפוליים, טווח פסיבי של תנועה (הנשף) ומראה מונחה תנועה מצבי, שדרכו ידו המושפעת של המטופל יכול להיות מניפולציות על ידי היד השלד. במצב נשף הסיום, תיבת הבקרה שולחת פקודות קלט לשלד החיצוני תוך שהיא מזיזה את ידו של הנבדק כדי לבצע גמישות מלאה באצבע/סיומת. הוא מכיל שני מצבים: מצב אצבע אחת (מעשים ברצף מאגודל לאצבע קטנה) וחמש אצבעות במצב (חמש אצבעות לנוע יחד). במצב תנועה מונחה מראה, המאסטר (הכפפה חיישן) – עבד (יד חיצוני) מנגנון מיושם, שבו התנועה של כל אצבע מזוהה על ידי הכפפה חיישן ואותות של זוויות משותפת מועברים לתיבת הבקרה כדי לתמרן את היד השלד החיצוני.

כאשר מצויד מערכת היד רובוטית, הנושאים הונחו להעביר את הידיים המושפעות שלהם תחת הדרכתו של היד השלד החיצוני נשלט על ידי ידיים מושפעות אשר הכשרה התנועה בזמן (BMT)¹⁰. על פי המחקר הקודם, BMT מסוגל להפעיל מסלולים עצביים דומים בשתי האונות של המוח ולמנוע את העיכוב חוצה חצי הכדור השני המונע את ההתאוששות של תפקוד עצבי בחצי הכדור הנגע¹⁰. ברונר et al^.11 בהשוואה bmt לטיפול המושרה התנועה (cimt) בחולי שבץ משנה. הם הציעו כי BMT נוטה להפעיל רשתות עצביות יותר בשתי האונות מאשר CIMT, ולא היה הבדל משמעותי בשיפור של תפקוד היד בין BMT ו CIMT גישות. ^{לאחר מכן} הציע הצעה לאחר מכן באמצעות bmt, חולי שבץ מסוגלים לבסס מחדש את השליטה בשני הגפיים ואת השליטה באמצעות האיבר. כלומר, הכשרה צריכה להוות משימות בו המתמקדות באמצעות הזרוע המושפעת. יתרה מזאת, הקואורדינציה של שתי הידיים הכרחית לפעילויות של החיים היומיומיים (adl)^11,12. לכן, זה חיוני לפתח באמצעות רובוט בסיוע משימה מונחה משימות הדרכה עבור מטופלים לאחר שבץ ואובייקטים שניתן נתפס או צבט על ידי חולים לבישת מערכת היד רובוטית.

במחקר זה, מגוון החפצים האוחזים עוצבו בהתאם לצרכים של ריפוי בעיסוק ותכונות מכניות של רובוטים שיקום. פרוטוקול אימון מונחה משימות פותחה באמצעות התקני שיקום רובוטי עבור חולים עם תפקוד הגפיים העליון המרוחק עקב שבץ. מטרת מחקר זה היתה לחקור את הכדאיות, ואת הקבלה של תוכנית ההדרכה מונחה משימות באמצעות רובוט חיצוני ומעוצב לאחרונה חפצים.

Protocol

פרוטוקול ההכשרה ומסמך ההסכמה הודיעו נבדקו ואושרו על-ידי מועצת הסקירה המוסדית של הקרן הרפואית צ'אנג קונג. פרטי המחקר וההליכים הסבירו בבירור לכל נושא.

1. גיוס שלושה מבוגרים בריאים

1. בצע את תהליך ההקרנה באמצעות קריטריוני הכללה הבאים: (1) גיל 20 – 60 שנים, (2) כבר חתם על הסכמה מושכלת, (3) פונקציה נורמלית בגפיים העליונות, (4) בחינת המדינה מיני-נפשית (MMSE) ציון ≧ 24.
2. ניהול משפט 1: מניפולציה אובייקטים מבלי ללבוש את מערכת היד רובוטית.
   1. הנחה את הנושא לשבת זקוף על כיסא עם גב מוצק וללא זרועות. יש להושיב את הנבדק מול השולחן. היכונו לעמוד. מהצד הלא דומיננטי של הנבדק
   2. למד את הנושא כיצד לתמרן את האובייקטים מעוצב עבור 5 דקות. כלול את הקוביה כדי להרים את יתד, התפיסה לרוחב להרים את הקובייה מלבני, צ'אק שלוש נקודות כדי להרים את הקוביה, האחיזה כדורית להרים את הכדור, ואת האחיזה גליל כדי להרים את הבר גלילי.
      הערה: האובייקטים מוצגים באיור 1A. הכיוונון הנסיוני מוצג באיור 1B. הנבדקים למדו את דפוסי האחיזה הספציפיים עבור כל אובייקט. התבנית האוחז מוצגת באיור 2.
   3. מניחים שני בסיסים שבקיעים מול ידיו של הנבדק. מניחים כל אובייקט המשמש בשיקום על גבי בסיסים אלה כדי לסייע מניפולציה. עבור כל האובייקטים, חזור על הרצפים הבאים 20 פעמים. בקש מהנושאים לתפוס את האובייקטים באזור ההתחלה של הבסיס, להרים ולהעביר אותם לקו האמצע ולשחרר באמצעות הידיים הלא-דומיננטיים שלהם.
   4. במקביל, למדוד את שיעור ההצלחה של 20 אלה ניסיונות. בצע הליך זה בשלושה ימים רצופים. שיעור ההצלחה הוא מספר מניפולציות מוצלחות לכל 20 ניסיונות x 100%. מניפולציה מוצלחת מוגדרת כאשר הנושאים יכולים להשלים את רצפי עם דפוס מסוים לתפוס על פי האובייקטים ומבלי להפיל אותם.
3. התנהלות משפט 2: מניפולציה אובייקטים באמצעות מערכת הידיים רובוטית (איור 3).
   הערה: המנגנונים של מערכת היד הרובוטית הם כדלקמן. ביד שלד חיצוני, המפרקים בכל מודול אצבע מתוכננים בקישור מכני מונע על ידי מפעיל ליניארי בודדים עם מהירות קבועה של 10 מ"מ/s. לשלד חיצוני יש טווחים שונים של תנועה בכל מודול אצבע (אגודל: MCP = 0 ° עד 55 °, DIP = 0 ° עד 70 °; אינדקס ואצבעות אמצע: MCP =-10 ° עד 55 °, פיפ = 0 ° עד 35 °, DIP = 0 ° עד 35 °; טבעת ואצבעות קטנות: MCP =-5 ° עד 55 °, PIP = 0 ° עד 35 °, DIP = 0 ° עד 35 °). בכפפה חיישן, כל מודול אצבע מותקן עם חיישן flex אשר מודד את זווית משותפת ושולח אותות הקלט לתיבת הבקרה דרך כבלים.
   1. כפפת חיישן (איור 1ב', ב')
      1. שים את כפפת החיישנים. על ידו הדומיננטית של הנבדק השתמשו בסקוטש כדי לאבטח את פרק כף היד.
   2. התקנה של שלד חיצוני (איור 1b, ב)
      1. השתמש במשטח נקי כדי לעטוף את היד הלא-דומיננטית. . הדקי את הסקוטש האלה
      2. שחרר את מנגנון האגודל של היד השלד החיצוני כדי לאפשר התאמה של זווית פתיחת האגודל. הנח את היד הלא דומיננטית ביד השלד החיצוני. הדק את הסקוטש אל כף היד דרך טבעת ההצמדה. הדקו את האצבעות בזה אחר זה, התחילו עם האצבע וסיימו עם האגודל.
      3. לאחר מכן, הדק את הסקוטש במקביל לשורש כף היד דרך טבעת ההצמדה. התאימו את האגודל לזווית נוחה ולאחר מכן הדקו את מנגנון האגודל.
   3. הגדרת תיבת שליטה (איור 1א, ג)
      1. הכנס את הכבלים של יד השלד החיצוני ואת הכפפה חיישן לתוך ארובות היד השלד החיצוני ואת הכפפה חיישן, בהתאמה. לאחר מכן, הכנס את הכבלים של היד השלד החיצוני ואת כפפת החיישנים לתוך השקע בתיבת הבקרה. לבסוף, הכנס את כבל החשמל לתוך תיבת הבקרה וחבר אותו לשקע עם המתח המתאים.
   4. ניהול הפעלת חימום (מצב הנשף)
      1. הפעל את תיבת הבקרה וכוונן את המצב לחמש אצבעות. מצב זה מאפשר יד שלד חיצוני כדי להזיז את אצבעותיו של הנבדק בפסיביות. בקש מהנושא לבצע משימה של אחיזה ושחרור המודרכת על ידי היד השלד החיצוני עבור 2.5 דקות.
      2. העבר את המצב לאצבע אחת ותן להיד השלד החיצוני להזיז את אצבעות הנבדק באופן אינדיבידואלי ופסיבי. בקש מהנושא להאריך ולבטל את האצבעות הבודדות עבור 2.5 דקות, בהנחיית היד השלד החיצוני.
   5. לנהל מפגש תנועה באמצעות רובוטים בסיוע.
      1. החלף את המצב לשיקוף. במצב זה, התנועה של היד הדומיננטית לובש את הכפפה החיישן שולטת התנועות של היד השלד. כל תנועה שנעשתה על ידי כפפת החיישנים מחקה ומשתקף על ידי היד השלד החיצוני. לדוגמה, גמישות של אצבע המפתח של הכפפות חיישן מתאים לגמישות של האצבע המורה של השלד החיצוני.
   6. הנחה את הנושא לבצע משימה לתפוס ולשחרר עבור 2.5 דקות ולבצע תנועות אצבע בודדות עבור 2.5 דקות נוספות תוך לבישת כפפת החיישן. פעולה זו משוקפת על-ידי היד האקסושלד, המנחה את היד הלא-דומיננטית של הנושא בביצוע המשימות הנדרשות.
4. ניהול הפעלה מוכוונת משימות.
   1. למד את הנושא כיצד לתמרן את האובייקטים מעוצב באמצעות מערכת היד רובוטית עבור 5 דקות. כלול את הקוביה להרים את היתד, התפיסה לרוחב להרים את הקובייה מלבני, צ'אק שלוש נקודות כדי להרים את הקוביה, האחיזה כדורית להרים את הכדור, ואת האחיזה גליל כדי להרים את הבר גלילי.
   2. מניחים שני בסיסים שבקיעים מול ידיו של הנבדק. מניחים כל אובייקט המשמש בשיקום על גבי בסיסים אלה כדי לסייע מניפולציה. עבור כל האובייקטים, חזור על הרצפים הבאים 20 פעמים. בקש מהנושאים לתפוס את האובייקט באזור ההתחלה של הבסיס, להרים ולהעביר אותם לקו האמצע ולשחרר באמצעות מערכת הידיים הרובוטית.
   3. במקביל, למדוד את שיעור ההצלחה של 20 אלה ניסיונות. בצע הליך זה בשלושה ימים רצופים. שיעור ההצלחה הוא מספר מניפולציות מוצלחות לכל 20 ניסיונות x 100%. מניפולציה מוצלחת מוגדר כאשר הנושאים מסוגלים להשלים את רצפים עם תבנית אחיזה מסוימת באמצעות מערכת היד רובוטית ומבלי להפיל אותם.
      הערה: שיעור ההצלחה ישמש כדי להעריך את הכדאיות של מערכת היד הרובוטית הדו בנושאים בריאים.

2. לגייס שלושה חולי שבץ כדי לקבוע את תחולתה של תוכנית ההכשרה

1. בצע את תהליך ההקרנה באמצעות קריטריוני ההכללה הבאים: (1) גיל 20 – 60 שנים; (2) חתם על הסכמה מושכלת; (3) אובחן עם שבץ חד צדדי ≧ 1 חודש (4) הציון השתנה בקנה מידה (MAS) ניקוד ≦ 2; (5) שלב ברונסטרום ≦ 2; (6) MMSE ציון ≧ 24.
2. ניהול משפט 1: מניפולציה אובייקטים כאשר לא באמצעות מערכת הידיים רובוטית (איור 2).
   1. תנו לנושא לשבת זקוף על כיסא עם גב מוצק ובלי זרועות. יש להושיב את הנבדק מול השולחן. . עמדו בצד המושפע של הנבדק הניחו מתלה תחת המרפק של הנבדק והיד השלד החיצוני כדי לתמוך בזרועו המושפעת.
   2. למד את הנושא כיצד לתמרן את האובייקטים מעוצב עבור 5 דקות. כלול את הקוביה כדי להרים את יתד, התפיסה לרוחב להרים את הקובייה מלבני, צ'אק שלוש נקודות כדי להרים את הקוביה, האחיזה כדורית להרים את הכדור, ואת האחיזה גליל כדי להרים את הבר גלילי.
   3. מניחים שני בסיסים שבקיעים מול ידיו של הנבדק. מניחים כל אובייקט המשמש בשיקום על גבי בסיסים אלה כדי לסייע מניפולציה. בקשו מהנושא לתמרן את חמשת העצמים השונים בעזרת ידו המושפעת 20 פעמים. תמכו בנושא בהזזת זרועו העליונה במידת הצורך.
   4. במקביל, למדוד את שיעור ההצלחה של 20 אלה ניסיונות. בצע הליך זה בשלושה ימים רצופים.
3. התנהלות משפט 2: מניפולציה אובייקטים באמצעות מערכת הידיים רובוטית (איור 3).
   1. התאימו את היד השלד לידיים המושפעות של הנבדק וכפפת החיישן אל היד המושפעת. חזור על שלבים 1.3.1 – 1.3.3. הניחו מתלה תחת המרפק של הנבדק והיד השלד החיצוני כדי לתמוך בזרועו המושפעת.
   2. ערוך הפעלת חימום (מצב הנשף).
      1. הפעל את תיבת הבקרה וכוונן את המצב לחמש אצבעות. בקש מהנושא לבצע משימה של אחיזה ושחרור המודרכת על ידי היד השלד החיצוני עבור 2.5 דקות.
      2. העבר את המצב לאצבע בודדת. בקש מהנושא להאריך ולבטל אצבעות בודדות עבור 2.5 דקות, בהנחיית היד השלד החיצוני.
      3. החלף את המצב לשיקוף. הנחה את הנושא לבצע משימה לתפוס ולשחרר עבור 2.5 דקות ולבצע תנועות אצבע בודדות עבור 2.5 דקות נוספות תוך לבישת כפפת החיישן. פעולה זו משוקפת על-ידי היד האקסושלד, המנחה את היד המושפעת של הנושא בביצוע המשימות הנדרשות.
   3. בצע הפעלה מוכוונת משימות.
   4. למד את הנושא כיצד לתמרן את האובייקטים מעוצב באמצעות מערכת היד רובוטית עבור 5 דקות. כלול את הקוביה להרים את היתד, התפיסה לרוחב להרים את הקובייה מלבני, צ'אק שלוש נקודות כדי להרים את הקוביה, האחיזה כדורית להרים את הכדור, ואת האחיזה גליל כדי להרים את הבר גלילי.
   5. מניחים שני בסיסים שבקיעים מול ידיו של הנבדק. מניחים כל אובייקט המשמש בשיקום על גבי בסיסים אלה כדי לסייע מניפולציה. עבור כל האובייקטים, חזור על הרצפים הבאים 20 פעמים. בקש מהנושאים לתפוס את האובייקטים באזור ההתחלה של הבסיס, להרים ולהעביר אותם לקו האמצע ולשחרר באמצעות מערכת הידיים הרובוטית.
   6. במקביל, למדוד את שיעור ההצלחה של 20 אלה ניסיונות. בצע הליך זה בשלושה ימים רצופים. שיעור ההצלחה הוא מספר מניפולציות מוצלחות לכל 20 ניסיונות x 100%. מניפולציה מוצלחת מוגדר כאשר הנושאים מסוגלים להשלים את רצפים עם תבנית אחיזה מסוימת באמצעות מערכת היד רובוטית ומבלי להפיל אותם.
      הערה: שיעור ההצלחה ישמש להערכת הכדאיות של מערכת היד הרובוטית בחולי שבץ.

3. הערכת מטופלים

1. כדי להעריך את הצורך, שאל את הנושאים הבאים בסוף כל מפגש: (1) האם מערכת היד הרובוטית הועילה לך לתמרן את האובייקטים? (2) היו אירועים לוואי שהתרחשו במהלך או אחרי תוכנית ההכשרה?

תוצאות

בסך הכל שישה נושאים נרשמו במחקר זה, כולל שלושה נושאים בריאים ושלושה נושאים שלאחר שבץ. הנתונים הדמוגרפיים של שתי הקבוצות מוצגים בטבלה השלמה 1. הגיל הממוצע של הקבוצה הבריאה היה 28 (טווח: 24 – 30), ואילו הגיל הממוצע של קבוצת החולה היה 49 (40 – 57). עשרות ההערכה הממוצעת של קבוצת החולה היו כדלקמ?...

Discussion

תוצאות מחקר זה הראו את הפרטים הבאים: (1) שתי הקבוצות יוכלו לקלוט בהצלחה את האובייקטים שסופקו עם מערכת היד הרובוטית. הם הצליחו להשלים את המשימה עם שיעור הצלחה של כמעט 100%, אשר מוודאת את הכדאיות של תוכנית ההדרכה המוצעת בסיוע למשימות באמצעות רובוטים. (2) לא היו דיווחים על פציעה או אירועים שלילית ב...

Materials

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.