Bimanual Exoskeleton Robotik El Kullanarak Yeni Görev Odaklı Rehabilitasyon Programı Geliştirilmesi

Özet

Bu çalışma, el rehabilitasyonu için robot destekli yeni bir görev odaklı programın geliştirilmesini raporlamaktadır. Gelişim süreci hem sağlıklı denekler hem de inme geçiren ve sonraki motor kontrol disfonksiyonundan muzdarip denekler inme denekleri kullanılarak yapılan deneylerden oluşur.

Özet

Üst ekstremite fonksiyonu bozulmuş hastaların rehabilitasyonu için, özellikle motor kontrol kaybı olan inme hastalarında robot destekli bir el kullanılır. Ancak rehabilitasyon robotlarının kullanımına geleneksel mesleki eğitim stratejilerinin nasıl uygulanabileceği belirsizdir. Yeni robotik teknolojiler ve mesleki terapi kavramları, üst ekstremite fonksiyonu bozulmuş hastaların çeşitli sıkıştırma ve kavrama işlevleri aracılığıyla etkilenen elleriyle nesneleri kavramalarını sağlayan bir protokol geliştirmek için kullanılır. Bunu uygun şekilde yürütmek için beş tür nesne kullandık: bir mandal, dikdörtgen küp, bir küp, bir top ve silindirik bir çubuk. Ayrıca hastaları robotik bir el olan Ayna El,deneğin etkilenen eline takılan ve etkilenmemiş ellerine takılan sensör eldiveninin hareketini takip eden bir dış iskelet el olan Ayna El (çift el hareketi eğitimi (BMT)) ile donattık. Bu çalışmanın iki aşaması vardı. Üç sağlıklı denek ilk olarak eğitim programının fizibilitesini ve kabul edilebilirliğini test etmek için işe alındı. İnme nedeniyle el disfonksiyonu olan üç hasta daha sonra 3 gün üst üste yapılan eğitim programının fizibilite ve kabul edilebilirliğini doğrulamak için işe alındı. Her gün hasta pasif hareket aralığında 5 dakika hareket, 5 dk robot destekli çift yönlü hareket ve beş nesne kullanılarak görev odaklı eğitim sırasında izlendi. Sonuçlar, hem sağlıklı deneklerin hem de robotik el ile birlikte felç geçiren deneklerin nesneleri başarıyla kavrayabildiğini gösterdi. Hem sağlıklı denekler hem de felç geçirenler, fizibilite ve kabul edilebilirlik açısından robot destekli görev odaklı eğitim programı ile iyi performans gösterdiler.

Giriş

En çok (%80) inme hastaları elde bir açık deneyim ve günlük yaşam¹ile ilgili olan elle görevleri bağımsız olarak yerine getirmekte güçlük var. Ancak, el ile görevlerin karmaşık doğası, el rehabilitasyonu için görev odaklı bir eğitim programı tasarlamak için önemli bir sorun olduğu anlamına gelir². Son yıllarda, birçok robotik cihazlar el rehabilitasyonu için geliştirilmiştir^3,4, ama robotik cihazlar tarafından desteklenen birkaç eğitim protokolleri bir hastanın gerçek nesnelerle etkileşim sağlar. El fonksiyon rehabilitasyonu için görev odaklı bir eğitim programının inme nedeniyle el fonksiyon bozukluğu yaşayan hastalar için robotik cihazlar kullanılarak nasıl uygulanabileceği tam olarak bilinmemektedir.

Görev odaklı eğitim el fonksiyonu geliştirmek için kullanılır^5,6 ve yaygın inme nedeniyle üst ekstremite disfonksiyonu rehabilitasyonuygulanır. Bu nöroplastisiteyi artırmak için kullanılır ve son derece bireysel nörolojik açıkları ve fonksiyonel^talepleri7 bağlıdır. Ancak, görev odaklı eğitim sırasında, el fonksiyonu bozulursa hastalar nesneleri manipüle etmekte zorlanırlar. Buna örnek olarak kötü kavrama veya sınırlı sıkıştırma işlevleri verilebilir. Terapistler ayrıca hastaların parmak hareketlerini tek tek yönlendirmekte zorluk gösterirler, bu da kavrama görevlerinin değişimini sınırlar. Robotik cihazlar böylece açıkça tekrarlayan eğitim sırasında el hareketi rehberlik ederek görev odaklı eğitimin etkinliğini artırmak için gerekli olan^2,8.

Önceki çalışmalarda sadece üst ekstremite^ulaşangörevler 3 görev odaklı eğitim için rehabilitasyon robotlar kullanılır. Robot destekli rehabilitasyonun el işlevinde görev odaklı eğitim için nasıl çalıştırılabildiği belirsizdir. Bir dış iskelet el, HWARD, nesneleri kavramak ve serbest bırakmak için parmakları rehberlik etmek için kullanılmıştır⁸. Ancak, gerekli özgürlük derecelerine göre yoksun olduğu için bu cihaz çeşitli kavrama kalıplarına izin vermez. Son zamanlarda hastanın parmaklarını tek tek hareket ettiren diğer cihazlar geliştirilmiştir^9. Ancak, bu cihazlar daha önce nörorehabilitasyon için kullanılmamıştır. Yukarıda bahsedilen robotik cihazların hepsi tek taraflı robotlardır. Buna karşılık, burada sunulan robotik el sistemi etkilenmemiş ve etkilenmemiş ellerin işbirliğine ihtiyaç duyar. Robotik el sistemi, simetrik çift el hareketleri elde etmek için master-slave mekanizması kullanılarak rehabilitasyon amaçlı özel olarak tasarlanmıştır. Sistem bir dış iskelet el (etkilenen el üzerine giyilen), bir kontrol kutusu ve duyusal eldiven (etkilenmemiş el giyilen) oluşur. Dış iskelet elinin her parmak modülü bir serbestlik derecesine sahip bir motor tarafından sürülür ve eklemleri mekanik bir bağlantı sistemi kullanılarak bağlanır. S ve M olmak üzere iki boyut farklı konulara uyacak şekilde tasarlanmıştır. Kontrol kutusu iki tedavi modu, pasif hareket aralığı (PROM) ve hastanın etkilenen elinin dış iskelet el tarafından manipüle edilebildiği ayna güdümlü hareket modları sağlar. PROM modunda, kontrol kutusu dış iskelete giriş komutları gönderirken öznenin elini hareket ettirir ve tam parmak fleksiyonu/uzantısı nı gerçekleştirir. İki mod içerir: tek parmak modu (başparmaktan küçük parmaka sırayla hareket eder) ve beş parmak modu (beş parmak birlikte hareket eder). Ayna güdümlü hareket modunda, ana (sensör eldiveni)-köle (dış iskelet el) mekanizması uygulanır, her parmağın hareketi sensör eldiveni tarafından tespit edilir ve eklem açılarının sinyalleri dış iskelet eli işlemek için kontrol kutusuna iletilir.

Robotik el sistemi donatıldıklarında, deneklere, iki manuel hareket eğitimi (BMT)¹⁰olan etkilenmemiş eller tarafından kontrol edilen dış iskelet elinin rehberliğinde etkilenen ellerini hareket ettirmeleri talimatı verildi. Önceki araştırmalara göre, BMT beynin her iki hemisfer benzer nöral yolları etkinleştirmek ve lezyon hemisfer¹⁰nöronal fonksiyonun iyileşmesini engelleyen trans-hemisfer inhibisyonu önlemek yapabiliyor . Brunner ve ark^.11, alt akut inme hastalarında bmt ile sınıra bağlı hareket terapisi (CIMT) ile karşılaştırıldı. Onlar BMT CIMT daha her iki hemisferde daha fazla sinir ağları etkinleştirmek eğilimindedir önerdi, ve BMT ve CIMT yaklaşımlar arasında el fonksiyonunun iyileştirilmesi önemli bir fark yoktu. Sleimen-Malkoun ve ark.¹² de BmT ile inme hastalarının hem paretik ekstremite kontrolü hem de bimanuel kontrolü yeniden kurabildiğini ileri sürmüştür. Diğer bir zamanda, eğitim etkilenen kolu kullanmaya odaklanan iki el ile görevleri de kapsaymalıdır. Ayrıca, günlük yaşam faaliyetleri için her iki elin koordinasyonu gereklidir (ADL)^11,12. Bu nedenle, robotik el sistemi giyen hastalar tarafından kavranabilen veya sıkıştırılabilen inme sonrası hastalar ve nesneler için iki manuel robot destekli görev odaklı bir eğitim programı geliştirmek çok önemlidir.

Bu çalışmada, çeşitli kavrama nesneleri, mesleki terapinin ihtiyaçlarına ve rehabilitasyon robotlarının mekanik özelliklerine göre tasarlanmıştır. İnme nedeniyle distal üst ekstremite disfonksiyonu olan hastalar için robotik rehabilitasyon cihazları kullanılarak görev odaklı bir eğitim protokolü geliştirilmiştir. Bu çalışmanın amacı, dış iskelet robotu ve yeni tasarlanmış kavrama nesneleri kullanarak görev odaklı eğitim programının fizibilitesini ve kabul edilebilirliğini araştırmaktır.

Protokol

Eğitim protokolü ve bilgilendirilmiş onay belgesi, Chang Gung Tıp Vakfı Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından gözden geçirildi ve onaylandı. Çalışmanın ayrıntıları ve prosedürler her konuya açıkça açıklanmıştır.

1. Üç sağlıklı yetişkin işe

1. Tarama işlemini aşağıdaki dahil etme kriterlerini kullanarak gerçekleştirin: (1) yaş 20-60 yaş, (2) önceden imzalanmış bilgilendirilmiş onam, (3) üst ekstremitelerde normal fonksiyon, (4) Mini-Mental Durum Muayenesi (MMSE) puanı (24).
2. Deneme 1' i gerçekleştirin: nesneleri robotik el sistemini takmadan manipüle etmek.
   1. Konunun sağlam bir sırtı ve koldaya oturmaması için talimat ver. Konuyu bir masanın önüne oturtun. Deneğin baskın olmayan tarafının yanında durun.
   2. 5 dakika için tasarlanmış nesneleri işlemek için nasıl konu öğretmek. Peg almak için bir palmar prehension dahil, dikdörtgen küp almak için yanal bir prehension, küp almak için üç noktalı bir chuck, topu almak için küresel bir kavrayışa, ve silindirik bir kavrayışa silindirik çubuk almak için.
      NOT: Nesneler Şekil 1A'dagösterilmiştir. Deneysel kurulum Şekil 1B'degösterilmiştir. Denekler her nesne için belirli kavrama kalıplarını öğrendiler. Kavrama deseni Şekil 2'degösterilmiştir.
   3. Deneğin ellerinin önüne iki üs yerleştirin. Manipülasyona yardımcı olmak için rehabilitasyonda kullanılan her nesneyi bu üslerin üzerine yerleştirin. Tüm nesneler için aşağıdaki dizileri 20 kez tekrarlayın. Deneklerden tabanın başlangıç alanındaki nesneleri kavramalarını, kaldırmalarını ve orta hatta taşımalarını ve baskın olmayan ellerini kullanarak serbest bırakmalarını isteyin.
   4. Aynı zamanda, bu 20 deneme için başarı oranını ölçün. Bu işlemi 3 gün üst üste gerçekleştirin. Başarı oranı 20 deneme de başarılı manipülasyon sayısı x% 100. Başarılı manipülasyon, deneklerin nesnelere göre belirli kavrama deseni ile ve onları düşürmeden dizileri tamamlayabilmeleri olarak tanımlanır.
3. Yürütme Deneme 2: robotik el sistemi kullanarak nesneleri manipüle (Şekil 3).
   NOT: Robotik el sisteminin mekanizmaları aşağıdaki gibidir. Dış iskelet elinde, her parmak modülündeki eklemler mekanik bağlantı ile tasarlanmıştır ve 10 mm/s sabit hıza sahip tek bir doğrusal aktüatör tarafından tahrik edilir. Dış iskeletin her parmak modülünde farklı hareket aralıkları vardır (başparmak: MCP= 0° ila 55°, DIP= 0° ila 70°; indeks ve orta parmaklar: MCP= -10° ila 55°, PIP=0° ila 35°, DIP=0° ila 35°; halka ve küçük parmaklar: MCP= -5° ila 55°, PIP= 0°35 DIP, 0°35° ° ° Sensör eldiveninde, her parmak modülü eklem açısını ölçen ve kablolar aracılığıyla kontrol kutusuna giriş sinyalleri gönderen esnek bir sensörle takılır.
   1. Sensör eldiven kurulumu (Şekil 1B,b)
      1. Sensör eldivenini nesnenin baskın eline tonuyla tonuyla tonuyla tonuyla tonuyla. Bileği sabitlemek için Cırt cırt kullanın.
   2. Dış iskelet kurulumu (Şekil 1B,b)
      1. Baskın olmayan eli sarmak için temiz bir ped kullanın. Velcro snugly bağlayın.
      2. Başparmak açma açısının ayarını sağlamak için dış iskelet elin başparmak mekanizmasını gevşetin. Baskın olmayan eli dış iskelet eline yerleştirin. Velcro'yu bağlama halkası aracılığıyla avuç içine bağlayın. Parmak işaretparmağıile başlayıp başparmakla bitirerek parmakları birer birer sabitle.
      3. Daha sonra, velcro bağlantı halkası ile bilek paralel sabitle. Başparmağı rahat bir açıya ayarlayın ve ardından başparmak mekanizmasını sıkın.
   3. Kontrol kutusu kurulumu (Şekil 1A,c)
      1. Dış iskelet el ve sensör eldiveni için kabloları sırasıyla dış iskelet el ve sensör eldivenindeki soketlere takın. Bundan sonra, dış iskelet el ve sensör eldiveni için kabloları kontrol kutusundaki sokete takın. Son olarak, güç kablosunu kontrol kutusuna takın ve doğru voltajla bir prizye bağlayın.
   4. Isınma oturumu (PROM modu)
      1. Kontrol kutusunu açın ve modu Beş Parmakolarak ayarlayın. Bu mod dış iskelet elinin öznenin parmaklarını pasif olarak hareket ettirmesine olanak tanır. 2,5 dakika boyunca dış iskelet el tarafından yönlendirilen bir kavrama ve serbest bırakma görevi gerçekleştirmek için konu isteyin.
      2. Modu Tek Parmak'a çevirin ve dış iskelet elin deneğin parmaklarını tek tek ve pasif olarak hareket ettirin. Dış iskelet el tarafından yönlendirilen, 2,5 dakika boyunca tek tek parmakları uzatmak ve geri çekmek için konu isteyin.
   5. Robot destekli iki manuel hareket oturumu gerçekleştirin.
      1. Modu Mirror'açevirin. Bu modda, sensör eldivenini takan baskın elin hareketi dış iskelet elin hareketlerini kontrol eder. Sensör eldiveni tarafından yapılan herhangi bir hareket taklit edilir ve dış iskelet el tarafından yansıtılır. Örneğin, sensör eldiveninin işaret parmağının fleksiyonu dış iskeletin işaret parmağının fleksiyonuna karşılık gelir.
   6. 2,5 dakika boyunca kavrama ve serbest bırakma görevi yerine getirmesi için deneğe talimat ver ve sensör eldivenini giyerken 2,5 dakika daha bireysel parmak hareketleri yapın. Bu eylem, öznenin gerekli görevleri yerine getirirken baskın olmayan elini yönlendiren dış iskelet eliyle yansıtılır.
4. Görev yönelimli oturumu gerçekleştirin.
   1. 5 dakika boyunca robot el sistemi kullanarak tasarlanmış nesneleri işlemek için nasıl konu öğretmek.
   2. Deneğin ellerinin önüne iki üs yerleştirin. Manipülasyona yardımcı olmak için rehabilitasyonda kullanılan her nesneyi bu üslerin üzerine yerleştirin. Tüm nesneler için aşağıdaki dizileri 20 kez tekrarlayın. Nesnelerden nesneyi tabanın başlangıç alanında kavramalarını isteyin, kaldırın ve robotik el sistemini kullanarak orta hatta taşıyın ve serbest bırakın.
   3. Aynı zamanda, bu 20 deneme için başarı oranını ölçün. Bu işlemi 3 gün üst üste gerçekleştirin. Başarı oranı 20 deneme de başarılı manipülasyon sayısı x% 100. Başarılı manipülasyon, deneklerin robotik el sistemini kullanarak ve onları düşürmeden belirli kavrama deseni ile sekansları tamamlayabilmeleri olarak tanımlanır.
      NOT: Başarı oranı, sağlıklı konularda iki el ile robotik el sisteminin fizibilitesini değerlendirmek için kullanılacaktır.

2. Eğitim programının uygulanabilirliğini belirlemek için üç inme hastası işe

1. Tarama işlemini aşağıdaki dahil etme kriterlerini kullanarak gerçekleştirin: (1) yaş 20-60 yaş; (2) imzalı bilgilendirilmiş onay; (3) tek taraflı inme tanısı - 1 ay (4) Modifiye Ashworth Ölçeği (MAS) puanı ,2; (5) Brunnstrom sahne (2; (6) MMSE puanı ,24.
2. Yürütme Deneme 1: robotik el sistemi kullanmazken nesneleri manipüle (Şekil 2).
   1. Denek bir sandalyede dik otursun sağlam bir sırt ve kolçakları olmadan. Konuyu bir masanın önüne oturtun. Deneğin etkilenen tarafının yanında durun. Etkilenen kolunu desteklemek için nesnenin dirseğinin ve dış iskeletelin altına bir sapan yerleştirin.
   2. 5 dakika için tasarlanmış nesneleri işlemek için nasıl konu öğretmek. Peg almak için bir palmar prehension dahil, dikdörtgen küp almak için yanal bir prehension, küp almak için üç noktalı bir chuck, topu almak için küresel bir kavrayışa, ve silindirik bir kavrayışa silindirik çubuk almak için.
   3. Deneğin ellerinin önüne iki üs yerleştirin. Manipülasyona yardımcı olmak için rehabilitasyonda kullanılan her nesneyi bu üslerin üzerine yerleştirin. Etkilenen elini 20 kez kullanarak deneğe beş farklı nesneyi manipüle etmesini isteyin. Gerekirse üst kolunu hareket ettiren deneği destekleyin.
   4. Aynı zamanda, bu 20 deneme için başarı oranını ölçün. Bu işlemi 3 gün üst üste gerçekleştirin.
3. Yürütme Deneme 2: robotik el sistemi kullanarak nesneleri manipüle (Şekil 3).
   1. Dış iskelet elini nesnenin etkilenen eline ve sensör eldivenini etkilenmemiş ele töşeyin. Adımları 1.3.1-1.3.3'e tekrarlayın. Etkilenen kolunu desteklemek için nesnenin dirseğinin ve dış iskeletelin altına bir sapan yerleştirin.
   2. Isınma oturumu (PROM modu) yapın.
      1. Kontrol kutusunu açın ve modu Beş Parmakolarak ayarlayın. 2,5 dakika boyunca dış iskelet el tarafından yönlendirilen bir kavrama ve serbest bırakma görevi gerçekleştirmek için konu isteyin.
      2. Modu Tek Parmak'ageçirin. Dış iskelet el tarafından yönlendirilen, 2,5 dakika boyunca tek tek parmakları uzatmak ve geri çekmek için konu isteyin.
      3. Modu Mirror'açevirin. 2,5 dakika boyunca kavrama ve serbest bırakma görevi yerine getirmesi için deneğe talimat ver ve sensör eldivenini giyerken 2,5 dakika daha bireysel parmak hareketleri yapın. Bu eylem, gerekli görevleri yerine getirirken öznenin etkilenen el inrehberlik dış iskelet el tarafından yansıtılır.
   3. Görev odaklı bir oturum gerçekleştirin.
   4. 5 dakika boyunca robot el sistemi kullanarak tasarlanmış nesneleri işlemek için nasıl konu öğretmek.
   5. Deneğin ellerinin önüne iki üs yerleştirin. Manipülasyona yardımcı olmak için rehabilitasyonda kullanılan her nesneyi bu üslerin üzerine yerleştirin. Tüm nesneler için aşağıdaki dizileri 20 kez tekrarlayın. Deneklerden tabanın başlangıç alanındaki nesneleri kavramalarını isteyin, kaldırın ve orta hatta taşıyın ve robotik el sistemini kullanarak serbest bırakın.
   6. Aynı zamanda, bu 20 deneme için başarı oranını ölçün. Bu işlemi 3 gün üst üste gerçekleştirin. Başarı oranı 20 deneme de başarılı manipülasyon sayısı x% 100. Başarılı manipülasyon, deneklerin robotik el sistemini kullanarak ve onları düşürmeden belirli kavrama deseni ile sekansları tamamlayabilmeleri olarak tanımlanır.
      NOT: İnme hastalarında robotik el sisteminin fizibilitesini değerlendirmek için başarı oranı kullanılacaktır.

3. Hasta değerlendirmesi

1. Kabul edilebilirliği değerlendirmek için, her oturumun sonunda aşağıdaki soruları sorun: (1) robotik el sistemi nesneleri işlemek için yararlı oldu? (2) eğitim programı sırasında veya sonrasında herhangi bir olumsuz olay oldu mu?

Sonuçlar

Bu çalışmaya üç sağlıklı denek ve üç inme sonrası denek olmak üzere toplam altı denek alındı. Her iki grubun demografik verileri Ek Tablo 1'degösterilmiştir. Sağlıklı grubun yaş ortalaması 28 (dağılım: 24-30), hasta grubunun yaş ortalaması ise 49 (40-57) idi. Hasta grubunun ortalama değerlendirme sonuçları aşağıdaki gibidir: (1) MMSE=27 (26-29), (2) FMA=11.3 (6-15), (3) MAS=1, (4) Brunnstrom evre=2.

Adım 1'de, sağlıklı gruptaki denekler (n=...

Tartışmalar

Bu çalışmanın sonuçları şunları göstermiştir: (1) her iki grup da robotik el sistemi ile sağlanan nesneleri başarıyla kavrayabildi. Bu görevi, önerilen robot destekli görev odaklı eğitim programının fizibilitesini doğrulayan yaklaşık %100 başarı oranıyla tamamlayabildiler. (2) Çalışma süresi boyunca yaralanma veya advers olaylar bildirilmemiş ve tüm hastalar robotik el sisteminin nesneleri manipüle etmeye yardımcı olduğunu bildirmiştir. Bu robotik el sistemi ve eğitim programının k...

Malzemeler

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.