バイマニュアル外骨格ロボットハンドを用いた新規タスク指向リハビリテーションプログラムの開発

要約

本研究では、手のリハビリテーションのための新しいロボット支援タスク指向プログラムの開発を報告する。発達過程は、脳卒中を起こし、その後の運動制御機能障害に苦しんだ健康な被験者と被験者の両方を用いた実験から成る。

要約

ロボット支援手は、特に運動制御を失った脳卒中患者のために、上肢機能障害を有する患者のリハビリテーションに使用される。しかし、従来の職業訓練戦略をリハビリテーションロボットの使用にどのように適用できるかは不明である。新しいロボット技術と作業療法の概念は、障害のある上肢機能を有する患者が様々なピンチや把握機能を通じて影響を受ける手を使って物体を把握することを可能にするプロトコルを開発するために使用される。これを適切に行うために、ペグ、長方形の立方体、立方体、ボール、円筒形の棒の5種類のオブジェクトを使用しました。また、被験者の影響を受けた手に取り付けられ、影響を受けない手に取り付けられたセンサーグローブの動きに従うロボットハンド、ミラーハンドを装備しました(バイマニュアル運動トレーニング(BMT))。この研究は2つの段階を持っていました。トレーニングプログラムの実現可能性と受容性をテストするために、3人の健康な被験者が最初に募集されました。その後、脳卒中による手機能障害を有する3人の患者を募集し、3日間連続して実施されたトレーニングプログラムの実現可能性と受容性を確認した。毎日、患者は、運動の受動的な範囲での動きの5分、ロボット支援バイマニュアルの動きの5分、および5つのオブジェクトを使用してタスク指向のトレーニングの間に監視されました。その結果、ロボットの手と一緒に脳卒中を患った健康な被験者と被験者の両方が、物体を正常に把握できることを示した。健康な被験者と脳卒中を患った人の両方が、実現可能性と受容性の面でロボット支援タスク指向のトレーニングプログラムでうまくいった。

概要

最も多く (80%)脳卒中患者は手に赤字を経験し、日常生活に関連する手動タスクを独立して実行するのが困難^{です 1}.しかし、手作業の複雑な性質は、手のリハビリテーションのためのタスク指向のトレーニングプログラムを設計することは重要な課題であることを意味^{します 2}.近年、手のリハビリテーション^33、44のために多くのロボットデバイスが開発されていますが、ロボットデバイスによって支援されるトレーニングプロトコルはほとんどありません。脳卒中による手の機能不全を経験した患者にロボットデバイスを使用して、手機能リハビリテーションのためのタスク指向のトレーニングプログラムをどのように適用できるかは正確には不明です。

タスク指向のトレーニングは、手の機能^55、66を改善するために使用され、脳卒中による上肢機能不全のリハビリテーションに一般的に適用されます。これは、神経可塑性を高めるために使用され、個々の神経学的欠陥と機能的要求^に大きく依存しています 7 .しかし、タスク指向のトレーニング中に、手の機能が損なわれると、患者は物体の操作が困難になります。この例としては、把握不良やピンチ機能の制限が挙げられます。セラピストはまた、患者の指の動きを個別に導くのが難しいので、把握タスクのバリエーションを制限します。ロボットデバイスは、繰り返しトレーニング^,2、8の間に手の動きを明示的に導くことによって、タスク指向のトレーニングの有効性を高めるために必要^です。

これまでの研究では、上肢のタスクに達するタスク指向のトレーニングにのみリハビリテーションロボットを使用^{しました 3}.手の機能をターゲットにしたタスク指向のトレーニングにどのようにロボット支援リハビリテーションを採用できるかは不明です。外骨格の手、HWARDは、指を導いて物体をつかんで解放するために使用されています⁸.しかし、この装置は必要な自由度を欠いているため、様々な把握パターンを認めずに済みます。最近、患者の指を個別に動かすことを目的とする他の装置が⁹に開発された。しかし、これらの装置は以前は神経リハビリテーションに使用されていなかった。上記のロボットデバイスはすべて一方的なロボットです。対照的に、ここで提示されたロボットハンドシステムは、影響を受けない、影響を受ける手の協力を必要とします。ロボットハンドシステムは、対称的なバイマニュアルの手の動きを達成するためにマスタースレーブ機構を使用してリハビリテーション目的のために特別に設計されています。システムは外骨格の手(影響を受けた手に身に着けている)、コントロールボックス、感覚手袋(影響を受けない手に着用)で構成されています。外骨格の手の各指モジュールは、自由度が1つのモーターによって駆動され、その関節は機械的な結合システムを使用して連結される。S と M の 2 つのサイズは、異なる被験者に適合するように設計されています。制御ボックスは2つの治療モード、運動の受動範囲(PROM)およびミラーガイド動きモードを提供し、患者の影響を受ける手は外骨格の手によって操作することができる。PROM モードでは、コントロールボックスは入力コマンドを外骨格に送信し、被験者の手を動かして完全な指の屈曲/伸展を行います。これは、2つのモードが含まれています:単一の指モード(親指から小指に順番に作用する)と5本の指モード(5本の指が一緒に移動する)。ミラー誘導モーションモードでは、マスター(センサ手袋)-スレーブ(外骨格手)機構が実装され、各指の動きをセンサーグローブで検出し、関節角の信号をコントロールボックスに伝達して外骨格の手を操作します。

ロボットハンドシステムを装備すると、被験者は、バイマニュアル移動訓練(BMT)10である影響を受けない手によって制御される外骨格の手の指導の下で、影響を¹⁰受けた手を動かすように指示された。According to previous research, BMT is able to activate similar neural pathways in both hemispheres of the brain and prevent the trans-hemisphere inhibition that hinders the recovery of neuronal function in the lesion hemisphere¹⁰.Brunnerら^.11は、急性期下の脳卒中患者におけるBMTを制約誘発運動療法(CIMT)と比較した。彼らは、BMTがCIMTよりも両半球でより多くのニューラルネットワークを活性化する傾向があり、BMTとCIMTアプローチの間の手機能の改善に有意な差がないことを示唆した。スレイメン・マルコウンら¹²は、BMTを通じて、脳卒中患者がパレティック四肢制御とバイマニュアル制御の両方を再確立できることを示唆した。つまり、トレーニングは、影響を受ける腕の使用に焦点を当てたバイマニュアルタスクを含む必要があります。また、日常生活^{(ADL)11,12,12}の活動には両手の調整が必要である。したがって、ロボットハンドシステムを身に着けている患者が把握またはつまむことができる脳卒中後の患者や物体のためのバイマニュアルロボット支援タスク指向のトレーニングプログラムを開発することが重要です。

本研究では、作業療法のニーズとリハビリテーションロボットの機械的特性に基づいて、さまざまな把握対象物を設計しました。脳卒中による遠位上肢機能不全患者に対するロボットリハビリテーション装置を用いて、タスク指向のトレーニングプロトコルを開発した。本研究の目的は、外骨格ロボットと新しく設計された把握物体を用いたタスク指向のトレーニングプログラムの実現可能性と受容性を調査することであった。

プロトコル

トレーニングプロトコルとインフォームドコンセント文書は、チャンガン医療財団の機関審査委員会によって審査され、承認されました。研究の詳細と手順は、各科目に明確に説明されました。

1. 健康成人3名の募集

1. (1)20~60歳、(2)既にインフォームド・コンセントに署名済み、(3)上肢の正常機能、(4)ミニメンタル状態検査(MMSE)スコア≧24を用いてスクリーニング処理を行う。
2. トライアル1を実施する:ロボットハンドシステムを着用せずにオブジェクトを操作する。
   1. 被験者に、しっかりとした背中とアームレストのない椅子に直立して座るように指示する。表の前に被写体を座る。被験者の非支配的な側の側に立ちます。
   2. 5分間設計されたオブジェクトを操作する方法を被験者に教える.ペグを拾うためのパルマーの先触れ、長方形の立方体を拾うための横の先入観、立方体を拾うための3点チャック、ボールを拾うための球状の把握、円筒形の棒を拾うための円筒形の把握を含める。
      注: オブジェクトは図1Aに示されています。実験用のセットアップを図 1Bに示します。被験者は各オブジェクトの特定の把握パターンを学びました。把握パターンを図 2に示します。
   3. 被験者の手の前に二つの基地を両側に置く。リハビリテーションで使用される各オブジェクトをこれらのベースの上に置き、操作を支援します。すべてのオブジェクトについて、次のシーケンスを 20 回繰り返します。被験者に基地の開始領域にある物体を把握し、持ち上げて正中線に移動させ、非支配的な手を使って解放してもらいます。
   4. 同時に、この 20 回の試行の成功率を測定します。3日連続でこの手順を実行します。成功率は、試行回数が 20 回あたり 100% の成功した操作の回数です。操作の成功は、被験者がオブジェクトに従って特定の把握パターンでシーケンスを完了し、それらをドロップすることなく完了できる時期と定義されます。
3. 実施試験 2: ロボットハンドシステムを使用したオブジェクトの操作 (図 3)。
   メモ:ロボットハンドシステムの仕組みは以下の通りです。外骨格の手では、各指モジュールの接合部は機械的なリンクで設計され、10mm/sの一定の速度の個々の線形アクチュエーターによって駆動される。外骨格は、各指モジュールで異なる運動範囲を有する(親指:MCP=0°〜55°、人差=0°〜70°;人差し指:-10°〜55°、PIP=0°〜35°、DIP=0°〜35°;リングと小指:MCP=-5°から55°、PIP=0°0°、3°°0°、3°0°)。センサーグローブには、各フィンガーモジュールに関節角度を測定し、ケーブルを介して制御ボックスに入力信号を送信するフレックスセンサーが設置されています。
   1. センサーグローブのセットアップ(図1B,b)
      1. 被験者の支配的な手にセンサー手袋を置きます。ベルクロを使って手首を固定します。
   2. 外骨格セットアップ (図 1B,b)
      1. きれいなパッドを使用して、非支配的な手を包みます。ベルクロをぴったりと締めます。
      2. 外骨格の手の親指機構を緩めて、親指開口角度を調整できるようにします。外骨格の手に非支配的な手を置きます。留め具リングを通してベルクロを手のひらに留める。指を1本ずつ締め、人差し指で始まり、親指で仕上げます。
      3. 次に、ベルトクロを締めリングを通して手首に平行に留める。親指を快適な角度に調整し、親指のメカニズムを締めます。
   3. コントロールボックスの設定(図1A,c)
      1. 外骨格の手とセンサー手袋のケーブルを外骨格ハンドとセンサーグローブのソケットにそれぞれ差し込みます。その後、外骨格の手とセンサー手袋のケーブルをコントロールボックスのソケットに挿入します。最後に、電源ケーブルをコントロールボックスに差し込み、正しい電圧でコンセントに接続します。
   4. ウォームアップセッションを実施する(PROMモード)
      1. コントロールボックスのスイッチを入れ、モードを「ファイブ・フィンガーズ」に調整します。このモードでは、外骨格の手が被写体の指を受動的に動かすことができます。外骨格の手で案内された把握と解放の作業を2.5分間実行するように被験者に依頼します。
      2. モードをシングルフィンガーに切り替え、外骨格の手が被写体の指を個別かつ受動的に動かします。外骨格の手に導かれ、個々の指を2.5分間伸ばして引っ込ましてもらいます。
   5. ロボット支援バイマニュアル移動セッションを実施します。
      1. モードをミラーに切り替えます。このモードでは、センサー手袋を着用した支配的な手の動きが外骨格の手の動きを制御する。センサーグローブによって作られた動きは、外骨格の手によって模倣され、ミラーリングされます。例えば、センサー手袋の人差し指の屈曲は、外骨格の人差し指の屈曲に相当する。
   6. 被験者に2.5分間の把握と解放作業を行い、センサーグローブを着用しながらさらに2.5分間、個々の指の動きを行うように指示します。このアクションは、必要なタスクを実行する際に被写体の非支配的な手を導く外骨格の手によってミラーリングされます。
4. タスク指向セッションを実施します。
   1. ロボットハンドシステムを使用して設計されたオブジェクトを5分間操作する方法を教え、ペグを拾うためのパルマーの先入観、長方形の立方体を拾う横の先入観、立方体を拾うための3点チャック、ボールを拾うための球状の把握、円筒形の野蛮な手をつかむことを含めます。
   2. 被験者の手の前に二つの基地を両側に置く。リハビリテーションで使用される各オブジェクトをこれらのベースの上に置き、操作を支援します。すべてのオブジェクトについて、次のシーケンスを 20 回繰り返します。被験者に基地の開始領域にある物体を把握してもらい、持ち上げて正中線に移動し、ロボット式の手システムを使用して解放します。
   3. 同時に、この 20 回の試行の成功率を測定します。3日連続でこの手順を実行します。成功率は、試行回数が 20 回あたり 100% の成功した操作の回数です。成功した操作は、被験者がロボットハンドシステムを使用して、それらを落とすことなく、特定の把握パターンでシーケンスを完了することができるときに定義されます。
      注: 成功率は、健康な被験者におけるバイマニュアルロボットハンドシステムの実現可能性を評価するために使用されます。

2. 3人の脳卒中患者を募集し、トレーニングプログラムの適用性を判断する

1. (1)年齢20-60歳の包含基準を使用してスクリーニングプロセスを実行します。(2) 署名されたインフォームドコンセント(3) 片側脳卒中≧1ヶ月と診断され (4) 修正されたアシュワーススケール(MAS)スコア≦2;(5) ブルンストロームステージ≦2;(6) MMSEスコア≧24。
2. 実施試験 1: ロボットハンドシステムを使用していない場合のオブジェクトの操作 (図 2)。
   1. 被験者はしっかりとした背中と肘掛けのない椅子に直立して座らせます。表の前に被写体を座る。被写体の影響を受けた側の側に立ちます。被写体の肘と外骨格の手の下にスリングを置き、影響を受けた腕を支えます。
   2. 5分間設計されたオブジェクトを操作する方法を被験者に教える.ペグを拾うためのパルマーの先触れ、長方形の立方体を拾うための横の先入観、立方体を拾うための3点チャック、ボールを拾うための球状の把握、円筒形の棒を拾うための円筒形の把握を含める。
   3. 被験者の手の前に二つの基地を両側に置く。リハビリテーションで使用される各オブジェクトをこれらのベースの上に置き、操作を支援します。影響を受ける手を使って5つの異なる物体を20回操作するように被験者に依頼します。必要に応じて、上腕を動かす上の被写体をサポートします。
   4. 同時に、この 20 回の試行の成功率を測定します。3日連続でこの手順を実行します。
3. 実施試験 2: ロボットハンドシステムを使用したオブジェクトの操作 (図 3)。
   1. 外骨格の手を被写体の影響を受けた手に、センサーグローブを影響を受けない手に合わせます。ステップ 1.3.1 ~ 1.3.3 を繰り返します。被写体の肘と外骨格の手の下にスリングを置き、影響を受けた腕を支えます。
   2. ウォームアップセッション(PROMモード)を実施します。
      1. コントロールボックスのスイッチを入れ、モードを「ファイブ・フィンガーズ」に調整します。外骨格の手で案内された把握と解放の作業を2.5分間実行するように被験者に依頼します。
      2. モードをシングルフィンガーに切り替えます。外骨格の手に導かれ、個々の指を2.5分間伸ばして引っ込ましてもらいます。
      3. モードをミラーに切り替えます。被験者に2.5分間の把握と解放作業を行い、センサーグローブを着用しながらさらに2.5分間、個々の指の動きを行うように指示します。このアクションは、外骨格の手によってミラーリングされ、被写体の影響を受ける手が必要なタスクを実行する際にガイドされます。
   3. タスク指向セッションを実施する。
   4. ロボットハンドシステムを使用して設計されたオブジェクトを5分間操作する方法を教え、ペグを拾うためのパルマーの先入観、長方形の立方体を拾う横の先入観、立方体を拾うための3点チャック、ボールを拾うための球状の把握、円筒形の野蛮な手をつかむことを含めます。
   5. 被験者の手の前に二つの基地を両側に置く。リハビリテーションで使用される各オブジェクトをこれらのベースの上に置き、操作を支援します。すべてのオブジェクトについて、次のシーケンスを 20 回繰り返します。被験者に基地の開始領域にある物体を把握してもらい、持ち上げて正中線に移動し、ロボット式の手システムを使用して解放します。
   6. 同時に、この 20 回の試行の成功率を測定します。3日連続でこの手順を実行します。成功率は、試行回数が 20 回あたり 100% の成功した操作の回数です。成功した操作は、被験者がロボットハンドシステムを使用して、それらを落とすことなく、特定の把握パターンでシーケンスを完了することができるときに定義されます。
      注:成功率は、脳卒中患者におけるロボットハンドシステムの実現可能性を評価するために使用されます。

3. 患者の評価

1. 受容性を評価するには、各セッションの最後に次の質問をする:(1)ロボットハンドシステムは、あなたがオブジェクトを操作するのに役立ちましたか?(2)研修中または研修後に何か有害事象が起こったか。

結果

この研究には、3人の健康な被験者と3人の脳卒中後の被験者を含む合計6人の被験者が登録された。両グループの人口統計データを補足表 1に示します。健康なグループの平均年齢は28歳(範囲:24~30歳)であったのに対し、患者群の平均年齢は49歳(40~57歳)であった。患者群の平均評価スコアは、(1) MMSE=27 (26-29)、(2) FMA=11.3 (6-15)、(3) MAS=1、(4) ブルンストロームステージ=2であった。

ディスカッション

この研究の結果は、(1)両方のグループがロボットハンドシステムで提供された物体を正常に把握できることを示した。彼らは、提案されたロボット支援タスク指向のトレーニングプログラムの実現可能性を検証する、ほぼ100%の成功率でこのタスクを完了することができました。(2)研究期間中に傷害や有害事象の報告はなく、すべての患者はロボットハンドシステムが物体を操作するのに役立...

資料

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.