Применение роботизированной системы с двумя задачами верхней конечности для функционального восстановления верхней конечности у пациентов с инсультом

Резюме

Этот экспериментальный протокол описывает использование роботизированной системы с двумя верхними конечностями, ориентированной на решение конкретных задач, для пациентов с инсультом и дисфункцией верхних конечностей. Полученные данные свидетельствуют о том, что эта система может значительно улучшить функцию верхних конечностей и повседневную жизнедеятельность пациентов с инсультом.

Аннотация

Было показано, что высокоповторяющиеся и ориентированные на задачу тренировки способствуют восстановлению функции конечностей у пациентов с инсультом. Кроме того, двусторонняя тренировка рук может помочь выжившим после инсульта восстановить функцию верхних конечностей и улучшить их повседневную деятельность. Роботизированная система с двумя верхними конечностями, ориентированная на решение конкретных задач, предназначена для оказания помощи здоровой стороне пациента с инсультом в управлении пораженной стороной для выполнения двусторонней тренировки рук с помощью роботизированного устройства. Он также может направлять пациента в выполнении двойных скоординированных движений верхних конечностей и вовлекать его в виртуальную игру, ориентированную на задачу, с использованием силовой обратной связи и технологии взаимодействия человека с компьютером. Целью данного исследования была оценка эффективности системы в улучшении функции верхних конечностей и повседневной деятельности пациентов с инсультом. Используемые методы оценки включали моторный вызванный потенциал (MEP), функциональный тест для гемиплегической верхней конечности в Гонконге (FTHUE-HK), шкалу оценки верхних конечностей Фугла-Мейера (FMA-UE) и модифицированный индекс Бартеля (MBI). Результаты исследования показывают, что двойная роботизированная система, ориентированная на решение задач верхних конечностей, может значительно улучшить кортикоспинальный путь, функцию верхних конечностей и повседневную активность у пациентов с инсультом после 6 недель лечения. Эта система может служить эффективным дополнением к функциональной реабилитации верхних конечностей у выживших после инсульта, снижая зависимость от реабилитологов. В заключение следует отметить, что роботизированная система с двумя верхними конечностями, ориентированная на решение конкретных задач, представляет собой новую стратегию функциональной реабилитации конечностей после инсульта и имеет большой потенциал для применения, поскольку она предлагает определенные социальные и финансовые преимущества.

Введение

Инсульт является одной из основных причин инвалидности и второй по значимости причиной смерти во всем мире ^1,2. Пациенты с инсультом часто сталкиваются с различными проблемами, такими как двигательный, сенсорный и когнитивный дефицит³. Дисфункция верхних конечностей является распространенной проблемой после инсульта, характеризующейся мышечной слабостью, спастичностью и снижением двигательных способностей верхней конечности на стороне гемиплегии⁴. Сообщается, что он присутствует более чем у 70% пациентов с инсультом, и только около 5% возвращаются к норме, в то время как 20% восстанавливают^{некоторые возможности} верхних конечностей. Более половины жизни человека требует участия верхних конечностей⁶, а дисфункция верхних конечностей после инсульта серьезно влияет на повседневную деятельность пациентов⁷, значительно снижая качество их жизни⁸ и увеличивая финансовую нагрузку⁹. Поэтому особенно важно изучить эффективные методы функциональной реабилитации верхних конечностей.

Различные клинические методы реабилитации верхних конечностей, такие как зеркальная терапия, двигательная терапия, функциональная электростимуляция и другие активные или пассивные тренировки, обычно используются для пациентов с инсультом ^3,10. В последние годы двусторонняя тренировка рук привлекает повышенное внимание ^6,11,12. Было продемонстрировано, что он улучшает нейронную связь между сенсомоторными областями как ипсилатерального, так и контралатерального полушарий¹². Этот тип тренировки помогает исправить аномалии в межполушарном торможении, способствует реорганизации функциональных сетей мозга и в конечном итоге приводит к улучшению функции верхних конечностей^12,13. Кроме того, было показано, что роботизированное обучение помогает пациентам последовательно выполнять точные движения конечностей и участвовать^{в обучении конкретным} задачам. Этот процесс обеспечивает мозгу существенную стимуляцию обратной связи, в конечном итоге повышая нейропластичность и способствуя восстановлению функции верхних конечностей у людей с гемиплегией^14,15. В настоящее время существует ограниченное количество исследований стратегий с использованием роботизированной тренировки двух верхних конечностей для пациентов с инсультом. В этом исследовании использовалась роботизированная система с двумя верхними конечностями, ориентированная на выполнение задач, чтобы сочетать роботизированное обучение с двусторонней тренировкой верхних конечностей. Роботизированное устройство было использовано для помощи пациентам с инсультом в проведении двухцелевых тренировок верхних конечностей с большим количеством повторений в правильной схеме движения. Цель исследования состояла в том, чтобы оценить влияние этого метода на кортикоспинальный путь, функцию верхних конечностей и повседневную деятельность у людей, перенесших инсульт, с целью открытия инновационных стратегий функциональной реабилитации верхних конечностей.

протокол

Данное исследование (Approval No. JXEY-2020SW038) был одобрен Комитетом по медицинской этике Второй больницы Цзясин, при этом все участники предоставили информированное согласие. Его целью была оценка осуществимости и эффективности протокола с помощью рандомизированного, одностороннего слепого, контролируемого исследования. В период с января по декабрь 2021 года в больницу Цзясин поступило 60 пациентов с инсультом, поступивших во Вторую больницу Цзясина.

ПРИМЕЧАНИЕ: Критерии включения включали: 1) подтвержденный диагноз инфаркта мозга или кровоизлияния с помощью компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ), 2) первое начало и одностороннее поражение с длительностью заболевания от 2 недель до 3 месяцев и стабильным состоянием, 3) возраст 25-75 лет, 4) отсутствие гемианопсии или одностороннего пространственного пренебрежения, а также отсутствие зрительного или слухового дефицита, 5) сознательный, податливый и способный участвовать в реабилитационном лечении, 6) устранить одностороннюю дисфункцию верхних конечностей с модифицированной шкалой Эшворта (MAS) степени ≤ 2¹⁶. Критерии исключения включали: 1) предшествующую черепно-мозговую травму или другие внутричерепные заболевания, 2) тяжелый инфаркт миокарда, стенокардию, заболевания печени, почек, легких или других важных органов, злокачественные опухоли и т.д., 3) предшествующие психические расстройства и эпилепсию в анамнезе, 4) сильную боль, онемение или другие сенсорные нарушения на гемиплегической стороне конечностей, 5) значительное ограничение движений в двусторонних верхних конечностях.

1. Дизайн исследования

1. Случайным образом разделите пациентов (n = 60), которые соответствовали указанным критериям, на две группы: экспериментальную группу (n = 30) и контрольную группу (n = 30).
2. Попросите опытного эрготерапевта провести следующие функциональные оценки, если он не знал о групповых заданиях до и после 6-недельного периода лечения.
   1. Двигательный вызванный потенциал (MEP):
      1. Выявлять MEP у пациентов с помощью системы магнитной стимуляции в соответствии с рекомендациями, установленными Groppa et ^al.17.
      2. Во время теста расположите пациента перед устройством в устойчивом и удобном положении и поместите записывающие электродные площадки на отводящую мышцу и костный отросток костного сустава лучезапястного сустава.
      3. Затем центрируйте катушку магнитной стимуляции над моторной корой головного мозга на поврежденной стороне мозга, при этом ручка катушки расположена под углом 45° к сагиттальной плоскости.
      4. Проведите стимуляцию области моторной коры головного мозга 10 раз со 100% интенсивностью и зарегистрируйте наличие или отсутствие моторных потенциалов, а также их латентность и амплитуду.
         Примечание: Из-за невозможности обнаружения моторных вызванных потенциалов у всех пациентов тщательное сравнение и анализ латентности и амплитуды вызванных потенциалов между двумя группами пациентов было невозможным. Таким образом, исследование было направлено на определение наличия или отсутствия МЭП и сравнение процента обнаруживаемых МЭП между двумя группами пациентов. Более высокий процент обнаруживаемых МЭП указывает на больший потенциал для улучшения кортикоспинальных путей у пациентов с инсультом.
   2. Проведите функциональный тест на гемиплегию верхних конечностей - Гонконг (FTHUE-HK).
      1. Используйте шкалу для оценки функциональности верхней конечности пациента, которая включает в себя 12 задач, таких как помещение руки на колено и отжим тряпки.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Каждое задание должно быть выполнено в течение 3 минут и может быть выполнено не более 3 раз. Шкала состоит из 7 уровней, более высокие уровни которых указывают на улучшение функциональности верхней конечности¹⁸.
   3. Используйте шкалу оценки верхних конечностей Фугля-Мейера (FMA-UE).
      1. Используйте эту шкалу для оценки двигательной функции плеча, локтя, предплечья, запястья и кисти.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Оценка 0 указывает на неспособность выполнить указанное движение, оценка 1 указывает на частичное завершение, а оценка 2 указывает на полное завершение. Шкала имеет максимальный балл 66 баллов, при этом более высокие баллы указывают на улучшение моторной функции верхних конечностей¹⁹.
   4. Рассчитайте модифицированный индекс Бартеля (MBI).
      1. Используйте эту шкалу для оценки эффективности пациента в повседневной жизни.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Шкала состоит из 10 пунктов, включая прием пищи, одевание, купание и т.д., с максимальным баллом 100 баллов. Более высокий балл указывает на большую независимость в повседневной жизни пациента²⁰.
3. Убедитесь, что всем пациентам назначены обычные лекарства, включая антигипертензивные, противодиабетические, липидные регуляторы и т.д., адаптированные к их индивидуальным условиям.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выбор лекарств для пациентов с инсультом основан на их уникальных обстоятельствах и может отличаться от одного пациента к другому.
4. Подтвердите, что все пациенты получали рутинную физиотерапию, трудотерапию для предплечья и кисти, а также ежедневные тренировки в течение 6 недель.
5. Убедитесь, что пациенты в контрольной группе получали рутинную трудотерапию, направленную на функцию верхних конечностей, в течение 1 ч в день в течение 6 недель.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рутинная трудотерапия, направленная на функцию верхних конечностей, включает в себя тренировку двигательного контроля плечевых и локтевых суставов, тренировку роликов, тренировку с обручем и тренировку дотягивания до предметов.
6. Подтвердить, что пациенты в экспериментальной группе получали рутинную трудотерапию, направленную на функцию верхних конечностей, в течение 30 минут в день, в дополнение к двойному обучению роботизированной системе верхних конечностей по 30 минут в день в течение 6 недель.

2. Двухзадачное обучение роботизированной системе верхних конечностей

Примечание: Только пациенты с инсультом в экспериментальной группе получали эти учебные занятия.

1. Запустите оборудование роботизированной системы, включите экран компьютера системы, откройте приложение ULCOT Rehab и войдите в основной интерфейс системы.
2. Во время первоначального сеанса обучения нажмите «Зарегистрироваться », чтобы создать личную карту для каждого пациента, в основном включающую имя, пол, возраст, номер случая, диагноз, пораженную сторону и другие соответствующие медицинские данные.
3. Нажмите кнопку «Войти» в главном интерфейсе системы, выберите из списка пациента, нуждающегося в обучении, и войдите в интерфейс обучающей системы для этого пациента.
4. Помогите пациенту расположиться перед роботизированным устройством, обеспечивая безопасную и комфортную дистанцию.
5. Нажмите кнопку Настройка в интерфейсе системы обучения пациентов, чтобы войти в интерфейс настройки параметров оборудования и задать соответствующие параметры для пациента.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Нет необходимости задавать параметры для каждой тренировки. При входе в интерфейс системы обучения пациента система автоматически подстраивается под параметры, установленные во время предыдущей тренировки пациента. Затем терапевт может изменить соответствующие параметры в соответствии с терапевтическими целями. Если изменения параметров не требуются, пользователь может нажать кнопку «Обучение » в интерфейсе системы обучения, чтобы получить доступ к интерфейсу настройки программы обучения.
   1. Нажмите на + или - для увеличения или уменьшения высоты платформы в модуле Регулировка высоты платформы . Отрегулируйте высоту платформы оборудования в зависимости от роста пациента.
   2. Нажмите + или - , чтобы увеличить или уменьшить угол наклона манипулятора робота в модуле Регулировка угла наклона манипулятора . Отрегулируйте угол наклона роботизированной руки в соответствии с целями пациента по тренировке сгибания и разгибания плеча (чем выше цель, тем больше угол).
   3. Нажмите + или - , чтобы увеличить или уменьшить угол между двумя манипуляторами робота в модуле Регулировка угла наклона руки . Отрегулируйте угол между роботизированными руками в соответствии с целями тренировки приведения и отведения верхней конечности пациента (чем выше цель, тем больше угол).
6. Нажмите кнопку Обучение в интерфейсе системы обучения пациентов, чтобы перейти в интерфейс настройки программы обучения.
   1. Выберите подходящую программу тренировок в зависимости от функционального состояния верхних конечностей пациента. Когда верхняя конечность на стороне гемиплегии не может активно манипулировать механической ручкой во всем диапазоне движений, выберите программу вспомогательных тренировок.
   2. И наоборот, если верхняя конечность на стороне гемиплегии способна активно манипулировать механической ручкой для выполнения полного диапазона движений, выберите программу тренировок с отягощениями.
7. Объясните и продемонстрируйте методы тренировки выбранных предметов и сообщите о соответствующих мерах предосторожности, чтобы пациенты знали, как безопасно и точно выполнять тренировку.
8. Помогите пациенту зафиксировать свои руки на ручках на концах двух роботизированных рук (рисунок 1).
9. Проведите обучение работе с роботизированной системой с двумя верхними конечностями.
   1. Для пациентов, которые не могут активно манипулировать механической ручкой для достижения полного диапазона движений на гемиплегической стороне верхней конечности, нажмите «Помощь» в интерфейсе настройки программы тренировки, чтобы войти в интерфейс режима вспомогательной тренировки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Терапевт может выбрать для пациента игру «Полет на воздухе » или игру «Пинг-понг » в режиме вспомогательной тренировки. Следует отметить, что пациенты могут выбрать только одну игру за тренировку.
      1. Установите время на 30 минут в модуле «Время обучения » и выберите уровень, установленный для пациента в модуле «Уровень помощи ».
         ПРИМЕЧАНИЕ: Этот режим предлагает 6 уровней помощи, при этом уровень 6 включает в себя управление пораженной верхней конечностью как роботом, так и здоровой верхней конечностью во время двусторонней тренировки верхних конечностей. С другой стороны, уровень 1 предполагает, что пораженная верхняя конечность участвует в двусторонней тренировке верхних конечностей напрямую, без внешнего воздействия. Тренировочная сессия начинается с уровня 6, и пациент может перейти на следующий уровень после того, как наберет полный балл на каждом уровне. Как только пациент набирает полный балл за тренировку на уровне помощи 1, он считается готовым к тренировкам в режиме сопротивления.
      2. Нажмите «Полет в воздухе » или «Пинг-понг», затем нажмите «Старт », чтобы войти в интерфейс игры.
      3. Игра «Полет в воздухе »: Проинструктируйте пациента управлять виртуальным самолетом, отображаемым на экране компьютера, маневрируя пораженной верхней конечностью через здоровую сторону с помощью роботизированного устройства, что позволит пациенту оптимизировать свои усилия по управлению виртуальным самолетом по заданной траектории полета, одновременно захватывая виртуальные золотые монеты (Рисунок 2).
      4. Игра в пинг-понг : с помощью робота попросите пациента использовать непораженную сторону, чтобы управлять пораженной стороной верхней конечностью, чтобы управлять виртуальной ракеткой для настольного тенниса, и перемещать ракетку, чтобы поймать летящий пинг-понг (Рисунок 3).
   2. Для пациентов, которые способны активно манипулировать механической ручкой для достижения полного диапазона движений на гемиплегической стороне верхней конечности, нажмите кнопку Сопротивление в интерфейсе настроек программы тренировки, чтобы получить доступ к интерфейсу режима тренировки с отягощениями.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В режиме тренировки с отягощениями участники могут выбрать одну из пяти доступных игр: Полеты по воздуху, пинг-понг, мост и дорога, поднятие тяжестей, и Сопоставление поп-музыки. Для каждой тренировки может быть выбрана только одна игра.
      1. Установите время на 30 минут в модуле «Время тренировки » и выберите уровни сопротивления здоровой и пораженной сторон соответственно в модулях «Здоровый уровень» и «Затронутый уровень».
         ПРИМЕЧАНИЕ: В режиме тренировки с отягощениями уровни сопротивления могут быть индивидуально установлены для здоровых и пораженных сторон пациента в зависимости от силы мышц верхних конечностей. Уровни варьируются от 1 (самое низкое сопротивление) до 10 (самое высокое сопротивление). Первоначальное лечение включало в себя выбор уровня сопротивления 1, при этом пациентам разрешалось переходить на следующий уровень после достижения идеального результата на каждом уровне подготовки.
      2. В модулях «Направление сопротивления здоровой стороны » и «Направление сопротивления пораженной стороны » выберите направление сопротивления, указанное системой для здоровой стороны пациента и пораженной стороны верхней конечности во время тренировки с отягощениями соответственно.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Направление сопротивления выбирается для пациента в соответствии с целью упражнения, включая толчок и тягу.
      3. Выберите время, в течение которого целевой объект должен удерживаться, в модуле «Время удержания ».
         ПРИМЕЧАНИЕ: Время определяется исходя из функции верхних конечностей пациента в диапазоне от 1 до 10 с. Чем дольше время, тем сложнее это становится. Если установленное время удержания составляет 10 с, а оценка тренировки идеальна, уровень сопротивления будет увеличен для следующей сессии. Игры Air Flying и Ping-Pong не включают этот шаг.
      4. Нажмите, чтобы выбрать одну из следующих игр: Air Flying, Ping-Pong, Bridge & Road, Weight-Lifting и Pop Matching. Нажмите «Пуск », чтобы войти в интерфейс игры.
      5. Игра «Полет в воздухе »: Проинструктируйте пациента управлять виртуальным самолетом, сопротивляясь сопротивлению, оказываемому роботизированной рукой как на здоровые, так и на пораженные верхние конечности, что позволит пациенту оптимизировать свои усилия по управлению виртуальным самолетом по заданной траектории полета, одновременно захватывая виртуальные золотые монеты.
      6. Игра в пинг-понг : Проинструктируйте пациента управлять виртуальной ракеткой для настольного тенниса, сопротивляясь сопротивлению, оказываемому роботизированной рукой как здоровым, так и пораженным верхним конечностям, и перемещайте ракетку, чтобы поймать летящий пинг-понг.
      7. Игра «Мост и дорога »: попросите пациента управлять обоими концами деревянного моста на экране, сопротивляясь сопротивлению, оказываемому роботизированной рукой как на здоровые, так и на пораженные верхние конечности, переместите две лестничные платформы разной высоты и удерживайте их в течение определенного времени, чтобы позволить виртуальному персонажу пройти (Рисунок 4).
      8. Игра с поднятием тяжестей : Попросите пациента управлять концами штанги для поднятия тяжестей, отображаемыми на экране, сопротивляясь сопротивлению, оказываемому роботизированной рукой обоим здоровым людям.
         и пораженные верхние конечности, корректируя свое положение, чтобы достичь целевого места, изменяя расстояние и сохраняя это положение в течение определенного времени (рис. 5).
      9. Игра Pop Matching : Пусть пациент управляет двумя виртуальными
         Пальцы, расположенные на левом и правом концах экрана, сопротивляясь сопротивлению, оказываемому роботизированной рукой как на здоровых, так и на пораженных верхних конечностях, выбирают идентичные элементы из левой и правой колонок изображений с помощью виртуальных пальцев и сохраняют это положение в течение длительного времени.
         назначенная продолжительность (Рисунок 6).
         ПРИМЕЧАНИЕ: Система проверяет, совпадают ли выбранные изображения с обеих сторон; Если они есть, то выбранные снимки отсеиваются. Если они не совпадают, пациенту предлагается сделать повторный выбор.

3. Порядок действий

1. Используйте статистическое программное обеспечение для анализа собранных данных оценки, определяя подходящие методы анализа в зависимости от типа данных.
2. Проясните значимость полученных результатов и оцените влияние двухзадачного обучения роботизированной системы верхних конечностей на функцию верхних конечностей у пациентов с инсультом.

Результаты

В общей сложности 60 пациентов с инсультом были разделены на контрольную группу (n = 30) и экспериментальную группу (n = 30) для данного исследования. При сравнении возраста, пола, типа инсульта, длительности заболевания, стороны гемиплегии и другой общей информации между дв...

Обсуждение

Было показано, что двусторонняя тренировка нормализует межкорковое торможение у пациентов с инсультом, способствует реорганизации функциональной сети мозга и, в конечном счете,^{улучшает функцию} верхних конечностей. В этом исследовании представлена про?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dual upper limb task-oriented robotic system	Auckland Tongji Rehabilitation Medical Equipment Research Center, Tongji Zhejiang College	N/A	The dual upper limb task-oriented robotic system can aid stroke patients in bilateral upper limb virtual game training by regulating force transmission between the healthy and affected upper limbs.
Magnetic stimulation therapy system	Sichuan Junjian Wanfeng Medical Equipment Co.,Ltd.	http://www.jjwf-med.com	This system can be used to measure the Motor evoked potential (MEP)
SPSS 25.0	IBM	Version 25.0	https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25