Разработка программы реабилитации, ориентированной на новую задачу с использованием роботизированной руки бимануального экзоскелета

Резюме

В этом исследовании сообщается о разработке новой роботизированной программы по реабилитации рук. Процесс развития состоит из экспериментов с использованием как здоровых субъектов, так и испытуемых, перенесших инсульт и перенесших последующую дисфункцию мотор-контроля.

Аннотация

Рука с помощью робота используется для реабилитации пациентов с нарушениями функции верхних конечностей, особенно для пациентов с инсультом с потерей двигательного контроля. Однако неясно, каким образом традиционные стратегии профессиональной подготовки могут применяться к использованию реабилитационных роботов. Новые роботизированные технологии и концепции трудотерапии используются для разработки протокола, который позволяет пациентам с нарушениями функции верхних конечностей схватить объекты, используя их пораженную руку через различные щипать и цеплять функции. Для надлежащего выполнения этого мы использовали пять типов объектов: колышек, прямоугольный куб, куб, шар и цилиндрический бар. Мы также оборудовали пациентов роботизированной рукой, Зеркальной Рукой,экзоскелетной рукой, которая крепится к пострадавшей руке субъекта и следует за движением сенсорной перчатки, установленной на их не затронутой руке (двухмануальная тренировка движения (BMT).). Это исследование было два этапа. Три здоровых предмета были впервые набраны для проверки осуществимости и приемлемости учебной программы. Три пациента с дисфункцией рук, вызванной инсультом, были затем набраны для подтверждения осуществимости и приемлемости учебной программы, которая проводилась в течение 3 дней подряд. На каждый день, пациент был проконтролирован во время 5 минут движения в пассивном ряде движения, 5 min робот-помощного двухманного движения, и задач-ориентированной тренировки используя 5 предметов. Результаты показали, что как здоровые испытуемые, так и испытуемые, перенесшие инсульт в сочетании с роботизированной рукой, могут успешно схватить объекты. Как здоровые предметы, так и те, кто перенес инсульт, хорошо справились с программой обучения, ориентированной на задачи, с точки зрения осуществимости и приемлемости.

Введение

Больше всего (80%) инсульт пациентов испытывают дефицит в руке и испытывают трудности в самостоятельном выполнении ручных задач, которые имеют отношение к повседневной жизни¹. Тем не менее, сложный характер ручных задач означает, что это значительная проблема для разработки задач-ориентированной учебной программы для ручной реабилитации². В последние годы, многие роботизированные устройства были разработаны для ручной реабилитации^3,4, но лишь немногие учебные протоколы, помогают роботизированные устройства позволяют пациенту взаимодействовать с реальными объектами. Неясно, как именно задача-ориентированной программы обучения для реабилитации функции рук может быть применена с помощью роботизированных устройств для пациентов, которые испытывают дисфункцию рук из-за инсульта.

Задача-ориентированной подготовки используется для улучшения функции руки^5,6 и обычно применяется в реабилитации для дисфункции верхних конечностей из-за инсульта. Он используется для увеличения нейропластичности и сильно зависит от отдельных неврологических дефицитов и функциональных требований^7. Однако во время тренировки, ориентированной на задачи, пациенты испытывают трудности в манипулировании объектами, если функция рук нарушена. Примеры этого включают плохое понимание или ограниченные функции щепотки. Терапевты также показывают трудности в руководстве движениями пальцев пациентов индивидуально, что, следовательно, ограничивает вариации задач захвата. Роботизированные устройства, таким образом, необходимы для повышения эффективности задач-ориентированной подготовки, явно направляя движение рук во время повторяющихся подготовки^2,8.

Предыдущие исследования использовали только реабилитационные роботы для задач-ориентированной подготовки по верхней конечности достижения задач³. Неясно, как робот-помощь реабилитации могут быть использованы для задач ориентированных подготовки ориентации на ручную функцию. Экзоскелет стороны, HWARD, был использован для руководства пальцами, чтобы схватить и освободить объекты⁸. Тем не менее, это устройство не позволяет разнообразные шаблоны захвата, потому что он не имеет необходимых степеней свободы. В последнее время, другие устройства, которые нацелены на перемещение пальцев пациента индивидуально были разработаны⁹. Тем не менее, эти устройства ранее не использовались для нейрореабилитации. Упомянутые выше роботизированные устройства - это все односторонние роботы. В отличие от этого, роботизированная ручная система, представленная здесь, нуждается в сотрудничестве не затронутых и пострадавших рук. Роботизированная ручная система специально разработана для целей реабилитации с использованием механизма мастер-раб для достижения симметричного двухманных движений рук. Система состоит из экзоскелета (изношенной на пораженной руке), контрольной коробки и сенсорной перчатки (изношенной на нетронутой руке). Каждый палец модуль руки экзоскелета управляется двигателем с одной степенью свободы и его суставы связаны с помощью механической системы связи. Два размера, S и M, предназначены для различных предметов. Коробка управления обеспечивает два терапевтических режима, пассивный диапазон движения (PROM) и зеркально-управляемые режимы движения, через которые пораженная рука пациента может манипулировать рукой экзоскелета. В режиме PROM поле управления отправляет команды ввода в экзоскелет, а перемещает руку объекта для выполнения полного сгибания/расширения пальца. Он содержит два режима: режим с одним пальцем (действует последовательно от большого пальца до мизинца) и режим пять пальцев (пять пальцев двигаются вместе). В зеркальном режиме движения реализован механизм master (сенсорная перчатка) -slave (экзоскелетная рука), при котором движение каждого пальца обнаруживается сенсорной перчаткой и сигналы совместных углов передаются в поле управления для управления рукой экзоскелета.

При оснащении роботизированной ручной системы, испытуемым было поручено переместить свои пораженные руки под руководством экзоскелета стороны, управляемой нетронутыми руками, которая является двухманвальной подготовки движения (BMT)¹⁰. Согласно предыдущим исследованиям, BMT способен активировать аналогичные нервные пути в обоих полушариях мозга и предотвратить ингибирование транс полушария, которое препятствует восстановлению нейронной функции в полушарии поражения^10. Бруннер и^др.11 сравнили BMT с стеснической двигательной терапией (CIMT) у пациентов с подострым инсультом. Они предположили, что BMT имеет тенденцию активировать больше нейронных сетей в обоих полушариях, чем CIMT, и не было существенной разницы в улучшении функции рук между BMT и CIMT подходов. Sleimen-Malkoun et al.¹² также предположили, что с помощью БМТ пациенты с инсультом могут восстановить как паретический контроль конечностей, так и бимануальный контроль. То есть обучение должно включать в себя двухманные задачи, которые сосредоточены на использовании пораженной руки. Кроме того, координация обеих рук необходима для деятельности повседневной жизни (ADL)^11,12. Поэтому крайне важно разработать двухманную программу обучения, ориентированную на задачи, ориентированную на выполнение задач для пациентов после инсульта и объектов, которые могут быть схвачены или ущипнуты пациентами, носящих роботизированную ручную систему.

В этом исследовании, различные захват объектов были разработаны на основе потребностей профессиональной терапии и механических свойств реабилитационных роботов. С помощью роботизированных реабилитационных устройств для пациентов с дистальной дисфункцией верхних конечностей из-за инсульта был разработан протокол подготовки к задачам. Целью данного исследования было изучение осуществимости и приемлемости программы обучения, ориентированной на задачи, с использованием экзоскелета и недавно разработанных захватов объектов.

протокол

Протокол обучения и документ о информированном согласии были рассмотрены и одобрены Институциональным наблюдательным советом Медицинского фонда Чан Гун. Детали исследования и процедуры были четко разъяснены каждому предмету.

1. Набор трех здоровых взрослых

1. Выполните процесс скрининга, используя следующие критерии включения: (1) возраст 20-60 лет, (2) уже подписанное информированное согласие, (3) нормальная функция в верхних конечностях, (4) Мини-психический государственный экзамен (MMSE) оценка ≧24.
2. Проведение Trial 1: манипулирование объектами без ношения роботизированной ручной системы.
   1. Проинструктируйте субъекта сидеть вертикально в кресле с твердой спиной и без подлокотников. Усадьте объект перед столом. Стоять на не доминирующей стороне субъекта.
   2. Научите предмет, как манипулировать разработанными объектами в течение 5 мин. Включите пальмовый преэньсион, чтобы забрать колышек, боковой prehension, чтобы забрать прямоугольный куб, трехточечный патрон, чтобы забрать куб, сферический захват, чтобы забрать мяч, и цилиндрической хваткой, чтобы забрать цилиндрический бар.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Объекты отображаются на рисунке 1A. Экспериментальная установка показана на рисунке 1B. Испытуемые изучали конкретные шаблоны захвата для каждого объекта. Рисунок захвата показан на рисунке 2.
   3. Поместите две базы на двусторонней основе перед руками субъекта. Поместите каждый объект, используемый в реабилитации, поверх этих баз, чтобы помочь манипуляции. Для всех объектов повторите следующие последовательности 20 раз. Попросите испытуемых схватить объекты в стартовой области основания, поднять и переместить их к средней линии и освободить, используя их не доминирующие руки.
   4. В то же время, измерить уровень успеха для этих 20 попыток. Выполните эту процедуру в течение 3 дней подряд. Коэффициент успеха – это количество успешных манипуляций на 20 попыток х 100%. Успешная манипуляция определяется как когда испытуемые могут завершить последовательности с определенным шаблоном захвата в соответствии с объектами и не сбрасывая их.
3. Проведение Судебная 2: манипулирование объектами с помощью роботизированной ручной системы(рисунок 3).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Механизмы роботизированной ручной системы таковы. В руке экзоскелета суставы в каждом модуле пальца спроектированы в механической связи и управляются индивидуальным линейным приводом с постоянной скоростью 10 мм/с. Экзоскелет имеет различные диапазоны движения в каждом модуле пальца (большой палец: MCP - от 0 до 55 ", DIP ' 0 'до 70'; индексные и средние пальцы: MCP - -10 - до 55 , PIP- до 35 ,, DIP-0"; кольцо и маленькие пальцы: MCP - от -5 до 55 , PIP- от 0 до 35 , DIP ' 0'35). В сенсорной перчатке каждый модуль пальца устанавливается с помощью гибкого датчика, который измеряет угол движения сустава и посылает сигналы ввода в поле управления через кабели.
   1. Установка перчаток датчика (Рисунок 1B,b)
      1. Положите сенсорную перчатку на доминирующую руку субъекта. Используйте Velcro для обеспечения запястья.
   2. Экзоскелет установки (Рисунок 1B,b)
      1. Используйте чистую подушечку, чтобы обернуть не доминирующую руку. Пристегните Velcro плотно.
      2. Ослабить большой палец механизм экзоскелета руку, чтобы корректировка большого пальца открытия угла. Поместите не доминирующую руку в руку экзоскелета. Прикрепите Velcro к ладони через крепежное кольцо. Пристегните пальцы один за другой, начиная с указательного пальца и заканчивая большим пальцем.
      3. Затем закрепите Velcro параллельно запястью через крепежное кольцо. Отрегулируйте большой палец под удобным углом, а затем затяните механизм большого пальца.
   3. Настройка коробки управления(Рисунок 1A,c)
      1. Вставьте кабели для экзоскелета и сенсорной перчатки в розетки в экзоскелете руки и сенсорной перчатке, соответственно. После этого вставьте кабели для руки экзоскелета и сенсорную перчатку в гнездо в коробке управления. Наконец, вставьте кабель питания в коробку управления и подключите его к розетке с правильным напряжением.
   4. Проведите разминку (режим PROM)
      1. Включите поле управления и настроить режим на пять пальцев. Этот режим позволяет экзоскелету пассивно перемещать пальцы субъекта. Попросите субъекта выполнить задачу захвата и выпуска, управляемую рукой экзоскелета в течение 2,5 мин.
      2. Переключите режим на один палец и позвольте экзоскелету двигать пальцы субъекта индивидуально и пассивно. Попросите субъекта расширить и отвести отдельные пальцы в течение 2,5 минут, руководствуясь экзоскелетом.
   5. Проведите сеанс биманного движения с помощью робота.
      1. Переключите режим на Зеркало. В этом режиме движение доминирующей руки, носящего сенсорную перчатку, контролирует движения руки экзоскелета. Любое движение, которое производится сенсорной перчаткой, имитируется и отражается рукой экзоскелета. Например, сгибание указательного пальца сенсорной перчатки соответствует сгибания указательного пальца экзоскелета.
   6. Проинструктируйте субъекта выполнить задачу захвата и выпуска в течение 2,5 мин и сделать отдельные движения пальцев еще на 2,5 мин во время ношения сенсорной перчатки. Это действие отражается рукой экзоскелета, которая направляет не доминирующую руку субъекта в выполнении необходимых задач.
4. Проведение сессии, ориентированной на задачи.
   1. Научите предмет, как манипулировать разработанными объектами с помощью роботизированной ручной системы в течение 5 мин. Включите пальмовую преэньсион, чтобы забрать колышек, боковой prehension, чтобы забрать прямоугольный куб, трехточечный патрон, чтобы забрать куб, сферический захват, чтобы забрать мяч, и цилиндрической хваткой, чтобы забрать цилиндрический бар.
   2. Поместите две базы на двусторонней основе перед руками субъекта. Поместите каждый объект, используемый в реабилитации, поверх этих баз, чтобы помочь манипуляции. Для всех объектов повторите следующие последовательности 20 раз. Попросите испытуемых схватить объект в стартовой области базы, поднять и переместить их к средней линии и освободить с помощью роботизированной ручной системы.
   3. В то же время, измерить уровень успеха для этих 20 попыток. Выполните эту процедуру в течение 3 дней подряд. Коэффициент успеха – это количество успешных манипуляций на 20 попыток х 100%. Успешная манипуляция определяется как когда испытуемые могут завершить последовательности с определенным шаблоном захвата с помощью роботизированной ручной системы и не сбрасывая их.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Коэффициент успеха будет использоваться для оценки осуществимости двухманной роботизированной ручной системы в здоровых субъектах.

2. Набирать трех пациентов инсульта для определения применимости учебной программы

1. Выполнение процесса отбора с использованием следующих критериев включения: (1) возраст 20-60 лет; (2) подписанное информированное согласие; (3) с диагнозом одностороннего инсульта ≧ 1 месяц (4) Измененная шкала Эшворт (MAS) оценка ≦2; (5) этап Бруннстрома ≦2; (6) MMSE оценка ≧24.
2. Проведение Судебная 1: манипулирование объектами при использовании роботизированной ручной системы(рисунок 2).
   1. Пусть субъект сидеть в вертикальном положении в кресле с твердой спиной и без подлокотников. Усадьте объект перед столом. Встаньте на затронутую сторону субъекта. Поместите слинг под локоть субъекта и экзоскелет руку, чтобы поддержать его / ее пораженной рукой.
   2. Научите предмет, как манипулировать разработанными объектами в течение 5 мин. Включите пальмовый преэньсион, чтобы забрать колышек, боковой prehension, чтобы забрать прямоугольный куб, трехточечный патрон, чтобы забрать куб, сферический захват, чтобы забрать мяч, и цилиндрической хваткой, чтобы забрать цилиндрический бар.
   3. Поместите две базы на двусторонней основе перед руками субъекта. Поместите каждый объект, используемый в реабилитации, поверх этих баз, чтобы помочь манипуляции. Попросите субъекта манипулировать пятью различными объектами, используя свою пораженную руку 20 раз. Поддержка предмета в перемещении его / ее верхней части руки, если это необходимо.
   4. В то же время, измерить уровень успеха для этих 20 попыток. Выполните эту процедуру в течение 3 дней подряд.
3. Проведение Судебная 2: манипулирование объектами с помощью роботизированной ручной системы(рисунок 3).
   1. Приготовь руку экзоскелета к пострадавшей руке субъекта и сенсорную перчатку к не затронутой руке. Повторите шаги 1.3.1-1.3.3. Поместите слинг под локоть субъекта и экзоскелет руку, чтобы поддержать его / ее пораженной рукой.
   2. Проведите разминку (режим PROM).
      1. Включите поле управления и настроить режим на пять пальцев. Попросите субъекта выполнить задачу захвата и выпуска, управляемую рукой экзоскелета в течение 2,5 мин.
      2. Переключите режим на один палец. Попросите субъекта расширить и отвести отдельные пальцы в течение 2,5 минут, руководствуясь экзоскелетом.
      3. Переключите режим на Зеркало. Проинструктируйте субъекта выполнить задачу захвата и выпуска в течение 2,5 мин и сделать отдельные движения пальцев еще на 2,5 мин во время ношения сенсорной перчатки. Это действие отражается рукой экзоскелета, которая направляет пострадавшую руку субъекта в выполнении необходимых задач.
   3. Провести сеанс, ориентированный на задачи.
   4. Научите предмет, как манипулировать разработанными объектами с помощью роботизированной ручной системы в течение 5 мин. Включите пальмовую преэньсион, чтобы забрать колышек, боковой prehension, чтобы забрать прямоугольный куб, трехточечный патрон, чтобы забрать куб, сферический захват, чтобы забрать мяч, и цилиндрической хваткой, чтобы забрать цилиндрический бар.
   5. Поместите две базы на двусторонней основе перед руками субъекта. Поместите каждый объект, используемый в реабилитации, поверх этих баз, чтобы помочь манипуляции. Для всех объектов повторите следующие последовательности 20 раз. Попросите испытуемых схватить объекты в стартовой области базы, поднять и переместить их к средней линии и освободить с помощью роботизированной ручной системы.
   6. В то же время, измерить уровень успеха для этих 20 попыток. Выполните эту процедуру в течение 3 дней подряд. Коэффициент успеха – это количество успешных манипуляций на 20 попыток х 100%. Успешная манипуляция определяется как когда испытуемые могут завершить последовательности с определенным шаблоном захвата с помощью роботизированной ручной системы и не сбрасывая их.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Коэффициент успеха будет использоваться для оценки осуществимости роботизированной ручной системы у пациентов с инсультом.

3. Оценка пациентов

1. Чтобы оценить приемлемость, спросите субъектов следующие вопросы в конце каждого сеанса: (1) была роботизированная ручная система полезна для вас, чтобы манипулировать объектами? (2) были ли какие-либо неблагоприятные события произошли во время или после учебной программы?

Результаты

В этом исследовании было включено в общей сложности шесть предметов, в том числе три здоровых предмета и три посттактных предмета. Демографические данные обеих групп приведены в дополнительной таблице 1. Средний возраст здоровой группы составил 28 лет (диапазон: 24–30 лет), в то в?...

Обсуждение

Результаты этого исследования показали следующее: (1) обе группы могли успешно схватить объекты, предоставляемые роботизированной ручной системой. Они смогли выполнить эту задачу с почти 100% успеха, который проверяет осуществимость предлагаемой робот-помощь задач ориентированных учеб...

Материалы

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.