Sviluppo di un nuovo programma di riabilitazione orientato alle attività utilizzando una mano robotica dell'esoscheletro bimanuale

Riepilogo

Questo studio riporta lo sviluppo di un nuovo programma orientato al compito assistito da robot per la riabilitazione delle mani. Il processo di sviluppo consiste in esperimenti che utilizzano sia soggetti sani che soggetti che hanno avuto un ictus e hanno sofferto di una successiva disfunzione del controllo motorio.

Abstract

Una mano assistita da robot viene utilizzata per la riabilitazione di pazienti con compromissione della funzione dell'arto superiore, in particolare per i pazienti colpiti da ictus con perdita di controllo motorio. Tuttavia, non è chiaro come le tradizionali strategie di formazione professionale possano essere applicate all'uso di robot di riabilitazione. Nuove tecnologie robotiche e concetti di terapia occupazionale sono utilizzati per sviluppare un protocollo che consente ai pazienti con compromissione della funzione dell'arto superiore di afferrare gli oggetti utilizzando la mano colpita attraverso una varietà di funzioni di pizzicamento e presa. Per condurre questo in modo appropriato, abbiamo usato cinque tipi di oggetti: un piolo, un cubo rettangolare, un cubo, una palla e una barra cilindrica. Abbiamo anche dotato i pazienti con una mano robotica, la Mano Specchio,una mano esoscheletro che è montata sulla mano interessata del soggetto e segue il movimento del guanto del sensore montato sulla loro mano inalterata (allenamento di movimento bimanuale (BMT)). Questo studio ha avuto due fasi. Tre soggetti sani sono stati reclutati per testare la fattibilità e l'accettabilità del programma di formazione. Tre pazienti con disfunzione della mano causata da ictus sono stati poi reclutati per confermare la fattibilità e l'accettabilità del programma di formazione, che è stato condotto per 3 giorni consecutivi. Ogni giorno, il paziente è stato monitorato durante 5 minuti di movimento in una gamma passiva di movimento, 5 minuti di movimento bimanuale assistito da robot e allenamento orientato alle attività utilizzando i cinque oggetti. I risultati hanno mostrato che sia i soggetti sani che i soggetti che avevano subito un ictus in combinazione con la mano robotica potevano afferrare con successo gli oggetti. Sia i soggetti sani che coloro che avevano subito un ictus hanno ottenuto buoni risultati con il programma di allenamento task-oriented robot assistito in termini di fattibilità e accettabilità.

Introduzione

La maggior parte (80%) pazienti ictus sperimentano un deficit nella mano e hanno difficoltà a svolgere in modo indipendente compiti manuali che sono pertinenti alla vita quotidiana¹. Tuttavia, la natura complessa delle attività manuali significa che è una sfida significativa progettare un programma di formazione orientato alle attività per la riabilitazione manuale². Negli ultimi anni, molti dispositivi robotici sono stati sviluppati per la riabilitazione delle mani^3,4, ma pochi protocolli di allenamento assistiti da dispositivi robotici permettono al paziente di interagire con oggetti reali. Non è chiaro esattamente come un programma di allenamento orientato al compito per la riabilitazione delle funzioni delle mani possa essere applicato utilizzando dispositivi robotici per i pazienti che soffrono di disfunzione della mano a causa dell'ictus.

La formazione orientata alle attività viene utilizzata per migliorare la funzione della mano^5,6 ed è comunemente applicata nella riabilitazione per la disfunzione degli arti superiori a causa dell'ictus. Viene utilizzato per aumentare la neuroplasticità ed è altamente dipendente da singoli deficit neurologici e richieste funzionali⁷. Tuttavia, durante l'allenamento orientato alle attività, i pazienti sperimentano difficilemente nella manipolazione degli oggetti se la funzione della mano è compromessa. Esempi di questo includono funzioni di scarsa presa o pizzico limitato. I terapisti mostrano anche difficoltà nel guidare i movimenti delle dita dei pazienti individualmente, il che limita quindi la variazione dei compiti di presa. I dispositivi robotici sono quindi necessari per aumentare l'efficacia della formazione orientata al compito guidando esplicitamente il movimento della mano durante l'allenamento ripetitivo^2,8.

Studi precedenti hanno utilizzato solo robot di riabilitazione per una formazione orientata alle attività sui compiti di raggiungimento degli arti superiori³. Non è chiaro come la riabilitazione assistita da robot possa essere impiegata per la formazione orientata alle attività mirata a portata di mano. Una mano esoscheletro, HWARD, è stata usata per guidare le dita a afferrare e rilasciare oggetti⁸. Tuttavia, questo dispositivo non consente vari modelli di presa perché manca dei gradi di libertà necessari. Recentemente, sono stati sviluppati⁹altri dispositivi che mirano a spostare le dita di un paziente. Tuttavia, questi dispositivi non sono stati utilizzati in precedenza per la neuroriabilitazione. I dispositivi robotici di cui sopra sono tutti robot unilaterali. Al contrario, il sistema robotico a mano qui presentato ha bisogno della cooperazione di mani inalterate e colpite. Il sistema di mano robotico è specificamente progettato per scopi di riabilitazione utilizzando il meccanismo master-slave per ottenere movimenti simmetrici della mano bimanuali. Il sistema è costituito da una mano esoscheletro (indossata sulla mano interessata), una scatola di controllo e un guanto sensoriale (indossato sulla mano inalterata). Ogni modulo dito della mano esoscheletro è guidato da un motore con un grado di libertà e le sue articolazioni sono collegate utilizzando un sistema di collegamento meccanico. Due taglie, S e M, sono progettate per adattarsi a diversi soggetti. La casella di controllo fornisce due modalità terapeutiche, la gamma passiva di movimento (PROM) e le modalità di movimento a specchio, attraverso le quali la mano colpita del paziente può essere manipolata dalla mano esoscheletro. Nella modalità PROM, la casella di controllo invia comandi di input all'esoscheletro mentre sposta la mano del soggetto per eseguire la flessione/estensione completa delle dita. Contiene due modalità: modalità con un dito singolo (atti in sequenza dal pollice al mignolo) e modalità cinque dita (cinque dita si muovono insieme). Nella modalità di movimento a specchio, viene implementato il meccanismo master (sensor esoscheletro guanto)–slave (mano esoscheletro), in cui il movimento di ciascun dito viene rilevato dal guanto del sensore e i segnali degli angoli articolari vengono trasmessi alla scatola di controllo per manipolare la mano dell'esoscheletro.

Una volta equipaggiato con il sistema a mano robotico, ai soggetti è stato chiesto di muovere le mani colpite sotto la guida dell'esoscheletro a mano controllata da mani non interessate, che è di formazione del movimento bimanuale (BMT)¹⁰. Secondo la ricerca precedente, BMT è in grado di attivare percorsi neurali simili in entrambi gli emisferi del cervello e prevenire l'inibizione trans-emisfero che ostacola il recupero della funzione neuronale nell'emisfero di lesione¹⁰. Brunner et al^.11 ha confrontato il BMT con la terapia del movimento indotta da vincoli (CIMT) nei pazienti con ictus sub-acuto. Hanno suggerito che BMT tende ad attivare più reti neurali in entrambi gli emisferi di CIMT, e non c'era alcuna differenza significativa nel miglioramento della funzione della mano tra gli approcci BMT e CIMT. Sleimen-Malkoun et al.¹² ha anche suggerito che attraverso BMT, i pazienti colpiti da ictus sono in grado di ristabilire sia il controllo degli arti paretic che il controllo bimanuale. Vale a dire, l'addestramento dovrebbe comprendere compiti bimanuali che si concentrano sull'utilizzo del braccio colpito. Inoltre, il coordinamento di entrambe le mani è necessario per le attività della vita quotidiana (ADL)^11,12. Pertanto, è fondamentale sviluppare un programma di allenamento bimanuale orientato al task-oriented assistito da robot per pazienti post-ictus e oggetti che possono essere afferrati o pizzicati da pazienti che indossano il sistema robotico a mano.

In questo studio, una varietà di oggetti di presa sono stati progettati in base alle esigenze della terapia occupazionale e alle proprietà meccaniche dei robot di riabilitazione. Un protocollo di allenamento orientato ai compiti è stato sviluppato utilizzando dispositivi di riabilitazione robotica per pazienti con disfunzione degli arti superiori distale a causa dell'ictus. Lo scopo di questo studio era quello di studiare la fattibilità e l'accettabilità del programma di formazione orientato ai compiti utilizzando un robot esoscheletro e oggetti di presa di nuova progettazione.

Protocollo

Il protocollo di formazione e il documento di consenso informato sono stati esaminati e approvati dall'Institutional Review Board della Chang Gung Medical Foundation. I dettagli dello studio e le procedure sono stati chiaramente spiegati a ciascun argomento.

1. Reclutamento di tre adulti sani

1. Eseguire il processo di screening utilizzando i seguenti criteri di inclusione: (1) età 20-60 anni, (2) già firmato consenso informato, (3) funzione normale negli arti superiori, (4) Mini-Mental State Examination (MMSE) punteggio ≧24.
2. Condurre Trial 1: manipolare gli oggetti senza indossare il sistema a mano robotico.
   1. Istruire il soggetto a sedersi in posizione verticale su una sedia con una schiena ferma e senza braccioli. Posizionare il soggetto davanti a un tavolo. Stare dalla parte non dominante del soggetto.
   2. Insegnare al soggetto come manipolare gli oggetti progettati per 5 min. Includere una prensione palmar per raccogliere il piolo, una prensione laterale per raccogliere il cubo rettangolare, un mandrino a tre punti per raccogliere il cubo, una presa sferica per raccogliere la palla, e una presa cilindrica per raccogliere la barra cilindrica.
      NOTA: gli oggetti sono illustrati nella Figura 1A. La configurazione sperimentale è illustrata nella Figura 1B. I soggetti hanno imparato i modelli di comprensione specifici per ogni oggetto. Il modello di presa è illustrato nella Figura 2.
   3. Posizionare due basi bilateralmente davanti alle mani del soggetto. Posizionare ogni oggetto utilizzato nella riabilitazione in cima a queste basi per aiutare la manipolazione. Per tutti gli oggetti, ripetere le seguenti sequenze 20 volte. Chiedere ai soggetti di afferrare gli oggetti nell'area iniziale della base, sollevarli e spostarli nella linea mediana e rilasciarli con le mani non dominanti.
   4. Allo stesso tempo, misurare il tasso di successo per questi 20 tentativi. Eseguire questa procedura per 3 giorni consecutivi. Il tasso di successo è il numero di manipolazioni riuscite per 20 tentativi x 100%. La manipolazione di successo è definita come quando i soggetti sono in grado di completare le sequenze con un modello di presa specifico in base agli oggetti e senza lasciarle cadere.
3. Condurre la prova 2: manipolare gli oggetti utilizzando il sistema a manorobotica( Figura 3 ).
   NOTA: I meccanismi del sistema a mano robotico sono i seguenti. Nella mano esoscheletro, le articolazioni in ogni modulo dito sono progettate in collegamento meccanico e guidate da un attuatore lineare individuale con una velocità costante di 10 mm/s. L'esoscheletro ha diverse gamme di movimento in ogni modulo di dito (pollice: da 0 a 55 gradi, da DIP a 70 gradi; indice e dita medie: da -10 a 55 gradi, da PIP a 35, da DA DA 0 a 35 gradi, da DA 0 a 35 gradi; anello e dita piccole: MCP da -5 a 55, da 0 a 35 gradi, da DIP a 0 5 5. Nel guanto del sensore, ogni modulo dito viene installato con un sensore flex che misura l'angolo del giunto e invia segnali di ingresso alla scatola di controllo attraverso i cavi.
   1. Configurazione del guanto del sensore (Figura 1B,b)
      1. Posizionare il guanto del sensore sulla mano dominante del soggetto. Utilizzare il Velcro per fissare il polso.
   2. Impostazione esoscheletro (Figura 1B,b)
      1. Utilizzare un pad pulito per avvolgere la mano non dominante. Allacciate le Velcro perfettamente.
      2. Allentare il meccanismo del pollice della mano dell'esoscheletro per consentire la regolazione dell'angolo di apertura del pollice. Posizionare la mano non dominante nella mano dell'esoscheletro. Fissare il Velcro al palmo attraverso l'anello di fissaggio. Fissare le dita una per una, iniziando con l'indice e finendo con il pollice.
      3. Quindi, fissare il Velcro parallelo al polso attraverso l'anello di fissaggio. Regolare il pollice ad un angolo confortevole e quindi stringere il meccanismo del pollice.
   3. Impostazione della casella di controllo (Figura 1A,c)
      1. Inserire i cavi per la mano esoscheletro e il guanto del sensore nelle prese della mano esoscheletro e del guanto del sensore, rispettivamente. Dopo di che, inserire i cavi per la mano esoscheletro e il guanto del sensore nella presa nella scatola di controllo. Infine, inserire il cavo di alimentazione nella scatola di controllo e collegarlo a una presa con la tensione corretta.
   4. Condurre una sessione di riscaldamento (modalità PROM)
      1. Accendere la casella di controllo e regolare la modalità su Cinque dita. Questa modalità consente alla mano esoscheletro di muovere passivamente le dita del soggetto. Chiedere al soggetto di eseguire un compito di presa e rilascio guidato dalla mano dell'esoscheletro per 2,5 min.
      2. Impostare la modalità su Singolo dito e lasciare che la mano esoscheletro sposti le dita del soggetto singolarmente e passivamente. Chiedere al soggetto di estendere e ritrarre le singole dita per 2,5 min, guidato dalla mano dell'esoscheletro.
   5. Condurre una sessione di movimento bimanuale assistita da robot.
      1. Impostare la modalità su Mirror. In questa modalità, il movimento della mano dominante che indossa il guanto del sensore controlla i movimenti della mano esoscheletro. Qualsiasi movimento effettuato dal guanto del sensore viene imitato e specchiato dalla mano dell'esoscheletro. Ad esempio, una flessione dell'indice del guanto del sensore corrisponde a una flessione dell'indice dell'esoscheletro.
   6. Indicare al soggetto di eseguire un'attività di presa e rilascio per 2,5 min e di effettuare movimenti individuali delle dita per altri 2,5 min indossando il guanto del sensore. Questa azione è rispecchiata dalla mano dell'esoscheletro, che guida la mano non dominante del soggetto nell'eseguire le attività richieste.
4. Condurre la sessione orientata alle attività.
   1. Insegnare al soggetto come manipolare gli oggetti progettati utilizzando il sistema a mano robotica per 5 min. Includere una prensione palmar per raccogliere il piolo, una prensione laterale per raccogliere il cubo rettangolare, un mandrino a tre punti per raccogliere il cubo, una presa sferica per raccogliere la palla, e una presa cilindrica per raccogliere la barra cilindrica.
   2. Posizionare due basi bilateralmente davanti alle mani del soggetto. Posizionare ogni oggetto utilizzato nella riabilitazione in cima a queste basi per aiutare la manipolazione. Per tutti gli oggetti, ripetere le seguenti sequenze 20 volte. Chiedere ai soggetti di afferrare l'oggetto nell'area di partenza della base, sollevarli e spostarli in linea mediana e rilasciarli utilizzando il sistema a mano robotica.
   3. Allo stesso tempo, misurare il tasso di successo per questi 20 tentativi. Eseguire questa procedura per 3 giorni consecutivi. Il tasso di successo è il numero di manipolazioni riuscite per 20 tentativi x 100%. La manipolazione di successo è definita come quando i soggetti sono in grado di completare le sequenze con un modello di presa specifico utilizzando il sistema a mano robotica e senza lasciarle cadere.
      NOTA: Il tasso di successo sarà utilizzato per valutare la fattibilità del sistema manuale a mano robotica in soggetti sani.

2. Recluta recisi colpiti da ictus per determinare l'applicabilità del programma di formazione

1. Eseguire il processo di screening utilizzando i seguenti criteri di inclusione: (1) età 20-60 anni; (2) firmato consenso informato; (3) diagnosticato con ictus unilaterale ≧ 1 mese (4) Punteggio della scala Ashworth modificata (MAS) - 2; (5) Fase brunnastro n. 2; (6) Punteggio MMSE ≧24.
2. Condurre la prova 1: manipolazione degli oggetti quando non si utilizza il sistema a manorobotica( Figura 2 ).
   1. Lasciate che il soggetto si sieda in posizione verticale su una sedia con una schiena ferma e senza braccioli. Posizionare il soggetto davanti a un tavolo. Stare dalla parte del soggetto colpita. Posizionare una imbracatura sotto il gomito del soggetto e la mano esoscheletro per sostenere il suo braccio colpito.
   2. Insegnare al soggetto come manipolare gli oggetti progettati per 5 min. Includere una prensione palmar per raccogliere il piolo, una prensione laterale per raccogliere il cubo rettangolare, un mandrino a tre punti per raccogliere il cubo, una presa sferica per raccogliere la palla, e una presa cilindrica per raccogliere la barra cilindrica.
   3. Posizionare due basi bilateralmente davanti alle mani del soggetto. Posizionare ogni oggetto utilizzato nella riabilitazione in cima a queste basi per aiutare la manipolazione. Chiedi al soggetto di manipolare i cinque diversi oggetti usando la sua mano colpita 20 volte. Sostenere il soggetto nello spostamento della parte superiore del braccio, se necessario.
   4. Allo stesso tempo, misurare il tasso di successo per questi 20 tentativi. Eseguire questa procedura per 3 giorni consecutivi.
3. Condurre la prova 2: manipolare gli oggetti utilizzando il sistema a manorobotica( Figura 3 ).
   1. Montare la mano dell'esoscheletro alla mano interessata del soggetto e il guanto del sensore alla mano non interessata. Ripetere i passaggi da 1.3.1 – 1.3.3. Posizionare una imbracatura sotto il gomito del soggetto e la mano esoscheletro per sostenere il suo braccio colpito.
   2. Condurre una sessione di riscaldamento (la modalità PROM).
      1. Accendere la casella di controllo e regolare la modalità su Cinque dita. Chiedere al soggetto di eseguire un compito di presa e rilascio guidato dalla mano dell'esoscheletro per 2,5 min.
      2. Impostare la modalità su Singolo dito. Chiedere al soggetto di estendere e ritrarre le singole dita per 2,5 min, guidato dalla mano dell'esoscheletro.
      3. Impostare la modalità su Mirror. Indicare al soggetto di eseguire un'attività di presa e rilascio per 2,5 min e di effettuare movimenti individuali delle dita per altri 2,5 min indossando il guanto del sensore. Questa azione è rispecchiata dalla mano dell'esoscheletro, che guida la mano interessata del soggetto nell'eseguire le attività richieste.
   3. Condurre una sessione orientata alle attività.
   4. Insegnare al soggetto come manipolare gli oggetti progettati utilizzando il sistema a mano robotica per 5 min. Includere una prensione palmar per raccogliere il piolo, una prensione laterale per raccogliere il cubo rettangolare, un mandrino a tre punti per raccogliere il cubo, una presa sferica per raccogliere la palla, e una presa cilindrica per raccogliere la barra cilindrica.
   5. Posizionare due basi bilateralmente davanti alle mani del soggetto. Posizionare ogni oggetto utilizzato nella riabilitazione in cima a queste basi per aiutare la manipolazione. Per tutti gli oggetti, ripetere le seguenti sequenze 20 volte. Chiedere ai soggetti di afferrare gli oggetti nell'area di partenza della base, sollevarli e spostarli in linea mediana e rilasciarli utilizzando il sistema a mano robotica.
   6. Allo stesso tempo, misurare il tasso di successo per questi 20 tentativi. Eseguire questa procedura per 3 giorni consecutivi. Il tasso di successo è il numero di manipolazioni riuscite per 20 tentativi x 100%. La manipolazione di successo è definita come quando i soggetti sono in grado di completare le sequenze con un modello di presa specifico utilizzando il sistema a mano robotica e senza lasciarle cadere.
      NOTA: Il tasso di successo sarà utilizzato per valutare la fattibilità del sistema di mani robotico nei pazienti colpiti da ictus.

3. Valutazione del paziente

1. Per valutare l'accettabilità, porre i soggetti seguenti domande alla fine di ogni sessione: (1) è stato il sistema a mano robotica utile per manipolare gli oggetti? (2) ci sono stati eventi avversi verificatisi durante o dopo il programma di formazione?

Risultati

Un totale di sei soggetti sono stati arruolati in questo studio, tra cui tre soggetti sani e tre soggetti post-ictus. I dati demografici di entrambi i gruppi sono riportati nella tabella supplementari 1. L'età media del gruppo sano era di 28 anni (intervallo: 24-30), mentre l'età media del gruppo di pazienti era di 49 anni (40-57). I punteggi medi di valutazione del gruppo di pazienti sono stati i seguenti: (1) MMSE 27 (26-29), (2) FMA -11,3 (6–15), (3) MAS-1, (4) Fase di Brunnstrom 2.

Discussione

I risultati di questo studio hanno mostrato quanto segue: (1) entrambi i gruppi hanno potuto cogliere con successo gli oggetti forniti con il sistema a mano robotico. Sono stati in grado di completare questo compito con un tasso di successo di quasi il 100%, che verifica la fattibilità del programma di formazione orientato al tasking assistita da robot proposto. (2) Non sono state segnalate lesioni o eventi avversi durante il periodo di studio e tutti i pazienti hanno riferito che il sistema di mani robotico era utile p...

Materiali

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.