Name: development of a novel task-oriented rehabilitation program using a bimanual exoskeleton robotic hand
Uploaded: 2020-05-20T15:00:00
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Ce projet a été soutenu par la Chang Gung Medical Foundation avec la subvention BMRP390021 et le Ministère des sciences et de la technologie avec des subventions MOST 107-2218-E-182A-001 et 108-2218-E-182A-001.

Le protocole de formation et le document de consentement éclairé ont été examinés et approuvés par le Conseil d’examen institutionnel de la Chang Gung Medical Foundation. Les détails de l’étude et les procédures ont été clairement expliqués à chaque sujet.
1. Recrutement de trois adultes en bonne santé
<ol><li>Effectuer le processus de sélection en utilisant les critères d’inclusion suivants : (1) âge 20–60 ans, (2) consentement éclairé déjà signé, (3) fonction ...

<ol>
	<li>Hung, C. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+combination+of+robot-assisted+therapy+with+task-specific+or+impairment-oriented+training+on+motor+function+and+quality+of+life+in+chronic+stroke.">The effects of combination of robot-assisted therapy with task-specific or impairment-oriented training on motor function and quality of life in chronic stroke.</a> PM &amp; R: The Journal of Injury, Function, and Rehabilitation. 8 (8), 721-729 (2016).</li><li>SangWook, L., Landers, K. A., Hyung-Soon, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+biomimetic+hand+exotendon+device+(BiomHED)+for+restoration+of+functional+hand+movement+post-stroke.">Development of a biomimetic hand exotendon device (BiomHED) for restoration of functional hand movement post-stroke.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 22 (4), 886-898 (2014).</li><li>Johnson, M. J., Wisneski, K. J., Anderson, J., Nathan, D., Smith, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+ADLER:+The+Activities+of+Daily+Living+Exercise+Robot.">Development of ADLER: The Activities of Daily Living Exercise Robot.</a> Proceedings of IEEE/RAS-EMBS International Conference. , (2006).</li><li>Pignolo, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robotics+in+neuro-rehabilitation.">Robotics in neuro-rehabilitation.</a> Journal of Rehabilitation Medicine. 41 (12), 955-960 (2009).</li><li>Timmermans, A. A., Spooren, A. I., Kingma, H., Seelen, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+task-oriented+training+content+on+skilled+arm-hand+performance+in+stroke:+a+systematic+review.">Influence of task-oriented training content on skilled arm-hand performance in stroke: a systematic review.</a> Neurorehabilitation and Neural Repair. 24 (9), 858-870 (2010).</li><li>Schweighofer, N., Choi, Y., Winstein, C., Gordon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Task-oriented+rehabilitation+robotics.">Task-oriented rehabilitation robotics.</a> American Journal of Physical Medicine &amp; Rehabilitation. 91, 270-279 (2012).</li><li>Almhdawi, K. A., Mathiowetz, V. G., White, M., delMas, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficacy+of+occupational+therapy+task-oriented+approach+in+upper+extremity+post-stroke+rehabilitation.">Efficacy of occupational therapy task-oriented approach in upper extremity post-stroke rehabilitation.</a> Occupational Therapy International. 23 (4), 444-456 (2016).</li><li>Takahashi, C. D., Der-Yeghiaian, L., Le, V. H., Cramer, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+robotic+device+for+hand+motor+therapy+after+stroke.">A robotic device for hand motor therapy after stroke.</a> Proceedings of 9th International Conference on Rehabilitation Robotics. , (2005).</li><li>Villafa&#241;e, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Efficacy+of+short-term+robot-assisted+rehabilitation+in+patients+with+hand+paralysis+after+stroke:+a+randomized+clinical+trial.">Efficacy of short-term robot-assisted rehabilitation in patients with hand paralysis after stroke: a randomized clinical trial.</a> Hand (NY). 13 (1), 95-102 (2018).</li><li>Cauraugh, J. H., Lodha, N., Naik, S. K., Summers, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bilateral+movement+training+and+stroke+motor+recovery+progress:+a+structured+review+and+meta-analysis.">Bilateral movement training and stroke motor recovery progress: a structured review and meta-analysis.</a> Human Movement Science. 29 (5), 853-870 (2010).</li><li>Brunner, I. C., Skouen, J. S., Strand, L. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Is+modified+constraint-induced+movement+therapy+more+effective+than+bimanual+training+in+improving+arm+motor+function+in+the+subacute+phase+post+stroke?+A+randomized+controlled+trial.">Is modified constraint-induced movement therapy more effective than bimanual training in improving arm motor function in the subacute phase post stroke? A randomized controlled trial.</a> Clinical Rehabilitation. 26 (12), 1078-1086 (2012).</li><li>Sleimen-Malkoun, R., Temprado, J. J., Thefenne, L., Berton, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bimanual+training+in+stroke:+how+do+coupling+and+symmetry-breaking+matter.">Bimanual training in stroke: how do coupling and symmetry-breaking matter.</a> BMC Neurology. 11, 11 (2011).</li><li>Yue, Z., Zhang, X., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hand+rehabilitation+robotics+on+poststroke+motor+recovery.">Hand rehabilitation robotics on poststroke motor recovery.</a> Behavioural Neurology. 2017, 1-20 (2017).</li><li>Dovat, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=HandCARE:+a+cable-actuated+rehabilitation+system+to+train+hand+function+after+stroke.">HandCARE: a cable-actuated rehabilitation system to train hand function after stroke.</a> IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 16 (6), 582-591 (2008).</li><li>Yoo, C., Park, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+task-oriented+training+on+hand+function+and+activities+of+daily+living+after+stroke.">Impact of task-oriented training on hand function and activities of daily living after stroke.</a> Journal of Physical Therapy Science. 27 (8), 2529-2531 (2015).</li></ol>

Les résultats de cette étude ont montré ce qui suit : (1) les deux groupes pouvaient saisir avec succès les objets fournis avec le système de main robotique. Ils ont pu accomplir cette tâche avec un taux de réussite de près de 100 %, ce qui confirme la faisabilité du programme de formation proposé axé sur les tâches assistées par robot. (2) Il n’y a eu aucun rapport de blessure ou d’événements indésirables au cours de la période d’étude et tous les patients ont signalé que le système robotique d...

La plupart (80%) Les patients victimes d’un AVC éprouvent un déficit de la main et ont de la difficulté à effectuer indépendamment des tâches manuelles qui sont pertinentes à la vie quotidienne1. Toutefois, la nature complexe des tâches manuelles signifie qu’il est difficile de concevoir un programme de formation axé sur les tâches pour la réadaptation manuelle2. Ces dernières années, de nombreux dispositifs robotiques ont été développés pour la réadaptation des mains3,4, mais peu de protocoles de formation assistés par des dispositifs robotiques permettent à un patient d’interagir avec des objets réels. Il n’est pas clair exactement comment un programme de formation axé sur les tâches pour la réadaptation de la fonction de la main peut être appliqué à l’aide de dispositifs robotiques pour les patients qui éprouvent un dysfonctionnement de la main dû à l’AVC.
La formation axée sur la tâche est utilisée pour améliorer la fonction de la main5,,6 et est couramment appliquée dans la réadaptation pour le dysfonctionnement des membres supérieurs due à l’AVC. Il est utilisé pour augmenter la neuroplasticité et est fortement dépendant des déficits neurologiques individuels et des exigences fonctionnelles7. Cependant, pendant la formation axée sur la tâche, les patients éprouvent difficilement dans la manipulation des objets si la fonction de main est altérée. Par exemple, une mauvaise prise ou des fonctions limitées de pincement. Les thérapeutes montrent également la difficulté à guider les mouvements des doigts des patients individuellement, ce qui limite donc la variation des tâches de saisie. Des dispositifs robotiques sont donc nécessaires pour accroître l’efficacité de la formation axée sur les tâches en guidant explicitement les mouvements manuels lors de l’entraînement répétitif2,8.
Les études précédentes n’utilisaient que des robots de réadaptation pour une formation axée sur les tâches sur les tâches d’atteinte des membres supérieurs3. Il n’est pas clair comment la réadaptation assistée par robot peut être utilisée pour la formation axée sur les tâches ciblant à la fonction de main. Une main d’exosquelette, HWARD, a été utilisée pour guider les doigts à saisir et libérer des objets8. Cependant, ce dispositif ne permet pas les modèles de saisie variés parce qu’il manque les degrés nécessaires de liberté. Récemment, d’autres dispositifs qui ciblent le déplacement des doigts d’un patient individuellement ont été développés9. Cependant, ces dispositifs n’ont pas été précédemment utilisés pour la neuroréhabilitation. Les dispositifs robotiques mentionnés ci-dessus sont tous des robots unilatéraux. En revanche, le système de main robotique présenté ici a besoin de la coopération des mains non affectées et affectées. Le système de main robotique est spécifiquement conçu à des fins de réhabilitation en utilisant le mécanisme maître-esclave pour réaliser des mouvements de main bimanual symétriques. Le système se compose d’une main exosquelette (portée sur la main affectée), d’une boîte de commande et d’un gant sensoriel (porté sur la main non affectée). Chaque module de doigt de la main d’exosquelette est conduit par un moteur avec un degré de liberté et ses joints sont reliés à l’aide d’un système de liaison mécanique. Deux tailles, S et M, sont conçues pour s’adapter à des sujets différents. La boîte de commande fournit deux modes thérapeutiques, la gamme passive de mouvement (PROM) et les modes de mouvement guidés par miroir, à travers lequel la main affectée du patient peut être manipulée par la main d’exosquelette. Dans le mode PROM, la zone de contrôle envoie des commandes d’entrée à l’exosquelette tandis que déplace la main du sujet pour effectuer une flexion/extension complète du doigt. Il contient deux modes : le mode un doigt (agit en séquence du pouce au petit doigt) et le mode cinq doigts (cinq doigts se déplacent ensemble). Dans le mode de mouvement guidé par miroir, le mécanisme maître (gant de capteur) –esclave (main d’exosquelette) est mis en œuvre, dans lequel le mouvement de chaque doigt est détecté par le gant du capteur et les signaux des angles articulaires sont transmis à la boîte de contrôle pour manipuler la main exosquelette.
Lorsqu’ils ont été équipés du système de main robotique, les sujets ont reçu l’ordre de déplacer leurs mains affectées sous la direction de la main d’exosquelette contrôlée par des mains non affectées qui est la formation de mouvement bimanuel (BMT)10. Selon des recherches antérieures, BMT est capable d’activer des voies neuronales similaires dans les deux hémisphères du cerveau et d’empêcher l’inhibition trans-hémisphère qui entrave la récupération de la fonction neuronale dans l’hémisphère de lésion10. Brunner etcoll.11 ont comparé BMT à la thérapie de mouvement induite par la contrainte (CIMT) dans les patients d’AVC sous-aigus. Ils ont suggéré que BMT tend à activer plus de réseaux neuronaux dans les deux hémisphères que CIMT, et il n’y avait aucune différence significative dans l’amélioration de la fonction de la main entre les approches BMT et CIMT. Sleimen-Malkoun et coll.12 ont également suggéré que par BMT, les patients d’AVC sont en mesure de rétablir le contrôle parétique de membre et le contrôle bimanual. C’est-à-dire que la formation devrait comprendre des tâches bimanuales qui se concentrent sur l’utilisation du bras affecté. En outre, la coordination des deux mains est nécessaire pour les activités de la vie quotidienne (ADL)11,12. Par conséquent, il est crucial de mettre au point un programme de formation bimanuel axé sur les tâches assistée par robot pour les patients post-AVC et les objets qui peuvent être saisis ou pincés par les patients portant le système de main robotique.
Dans cette étude, une variété d’objets de saisie ont été conçus en fonction des besoins de l’ergothérapie et les propriétés mécaniques des robots de réadaptation. Un protocole d’entraînement axé sur les tâches a été développé à l’aide de dispositifs robotiques de réadaptation pour les patients présentant un dysfonctionnement distal des membres supérieurs dû à un ACCIDENT VASCULAIRE CÉRÉBRAL. Le but de cette étude était d’étudier la faisabilité et l’acceptabilité du programme de formation axé sur les tâches à l’aide d’un robot exosquelette et d’objets de saisie nouvellement conçus.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Control Box</td>
			<td>Rehabotics Medical Technology Corporation</td>
			<td>HB01</td>
			<td>The control box includes a power supply, sensor glove signal receiver, motor signal transmitter, and exoskeletal hand motion mode selection unit.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Exoskeletal Hand</td>
			<td>Rehabotics Medical Technology Corporation</td>
			<td>HS01</td>
			<td>It is a wearable device causing the patient&#39;s fingers to move and is driven by an external motor and mechanical assembly.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor Glove</td>
			<td>Rehabotics Medical Technology Corporation</td>
			<td>HM01</td>
			<td>Worn on the patient&#39;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.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development of a novel task-oriented rehabilitation program using a bimanual exoskeleton robotic hand

Une main assistée par robot est utilisée pour la réadaptation des patients présentant une altération de la fonction des membres supérieurs, en particulier pour les patients victimes d’un AVC présentant une perte de contrôle moteur. Cependant, il n’est pas clair comment les stratégies conventionnelles de formation professionnelle peuvent être appliquées à l’utilisation de robots de réadaptation. De nouvelles technologies robotiques et des concepts d’ergothérapie sont utilisés pour élaborer un protocole qui permet aux patients dont la fonction des membres supérieurs est altérée de saisir les objets à l’aide de leur main affectée à travers une variété de fonctions de pincement et de saisie. Pour ce faire de manière appropriée, nous avons utilisé cinq types d’objets : une cheville, un cube rectangulaire, un cube, une boule et une barre cylindrique. Nous avons également équipé les patients d’une main robotique, la Main miroir, une main exosquelette qui est monté sur la main affectée du sujet et suit le mouvement du gant de capteur monté sur leur main non affectée (formation de mouvement bimanuel (BMT)). Cette étude a eu deux étapes. Trois sujets sains ont d’abord été recrutés pour tester la faisabilité et l’acceptabilité du programme de formation. Trois patients présentant le dysfonctionnement de main provoqué par l’accident vasculaire cérébral ont alors été recrutés pour confirmer la faisabilité et l’acceptabilité du programme de formation, qui a été mené sur 3 jours consécutifs. Chaque jour, le patient a été surveillé pendant 5 min de mouvement dans une gamme passive de mouvement, 5 min de mouvement bimanuel robotisé, et la formation axée sur la tâche utilisant les cinq objets. Les résultats ont montré que les sujets sains et les sujets qui avaient souffert d’un accident vasculaire cérébral en conjonction avec la main robotique pourraient saisir avec succès les objets. Les sujets en bonne santé et ceux qui avaient subi un AVC ont obtenu de bons résultats avec le programme de formation axé sur les tâches assistée par robot en termes de faisabilité et d’acceptabilité.

Un total de six sujets ont été inscrits dans cette étude, y compris trois sujets sains et trois sujets post-AVC. Les données démographiques des deux groupes sont indiquées dans le tableau supplémentaire 1. L’âge moyen du groupe en bonne santé était de 28 ans (fourchette : 24–30), alors que l’âge moyen du groupe de patients était de 49 ans (40–57). Les scores moyens d’évaluation du groupe de patients étaient les suivants : (1) MMSE=27 (26–29), (2) FMA=11,3 (6–15), (3) MAS=1, (4...

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Development of a Novel Task-oriented Rehabilitation Program using a Bimanual Exoskeleton Robotic Hand

Cette étude fait état de l’élaboration d’un nouveau programme axé sur les tâches assistées par robot pour la réadaptation des mains. Le processus de développement se compose d’expériences utilisant des sujets sains et des sujets qui ont eu un accident vasculaire cérébral et ont souffert du dysfonctionnement suivant de commande de moteur.

Élaboration d’un nouveau programme de réadaptation axé sur les tâches à l’aide d’une main robotique bimanuale exosquelette

A robot-assisted hand is used for the rehabilitation of patients with impaired upper limb function, particularly for stroke patients with a loss of motor ...

Ce protocole de formation robotisé et axé sur les tâches a été développé pour les patients souffrant de dysfonction de la main causée par des déficits neurologiques. Notre protocole est le premier à intégrer un programme de formation axé sur les tâches avec une main robotique pour la réadaptation de la fonction de la main et le premier à étudier la faisabilité et l’acceptabilité du protocole. Nous avons conçu des objets spécialisés qui peuvent être manipulés en utilisant le protocole de formation.Ensuite, notre système de main robotique peut être appliqué à la formation bimanuelle de mouvement. Yi-Mei Chen et Szu-Shen Lai, ergothérapeutes de mon département, feront la démonstration de l’intervention. Avant de commencer l’analyse, placez le capteur sur la main intacte du sujet et utilisez le ruban crochet-boucle pour fixer le poignet.Utilisez un tampon propre pour envelopper la main affectée et attachez solidement le ruban crochet-boucle. Desserrez le mécanisme du pouce de la main d’exosquelette pour permettre l’ajustement de l’angle d’ouverture du pouce, et placez la main affectée dans la main d’exosquelette. Attachez le crochet et la boucle à la paume à travers l’anneau de fixation.Après cela, attachez les doigts un par un, en commençant par l’index et en terminant avec le pouce. Attachez le ruban crochet-boucle parallèle au poignet à travers l’anneau de fixation, et ajustez le pouce à un angle confortable. Ensuite, serrez le mécanisme du pouce.Pour configurer la boîte de commande, insérez le câble pour la main d’exosquelette et insérez le câble pour le gant du capteur. Insérez les deux ensembles de câbles dans la prise dans la boîte de commande et insérez le câble d’alimentation dans la boîte de commande. Ensuite, connectez le câble d’alimentation à une prise avec la tension correcte.Lorsque le système et le sujet sont prêts, passez à la boîte de commande et réglez le mode à Cinq Doigts pour permettre à la main d’exosquelette de déplacer passivement les doigts du sujet. Demandez au sujet d’effectuer une tâche de saisie et de libération guidée par la main d’exosquelette pendant 2,5 minutes. Passez du mode à un seul doigt.Ensuite, laissez la main de l’exosquelette bouger les doigts du sujet individuellement et passivement pendant que le sujet s’étend et rétracte les doigts individuels pendant 2,5 minutes. Pour une session de mouvement bimanue assistée par un robot, passez le mode au Miroir pour permettre le mouvement de la main non affectée portant le gant du capteur pour contrôler les mouvements de la main d’exosquelette. Pour mener un essai de la capacité du sujet à manipuler des objets à l’aide du système robotique de la main, adaptez la main d’exosquelette à la main inchangée du sujet et le gant du capteur à la main intacte comme il vient de le démontrer, et placez une élingue sous le coude et la main d’exosquelette du sujet pour soutenir le bras affecté.Ensuite, organisez une séance d’échauffement comme nous venons de le démontrer. Après l’échauffement, utilisez le système robotique de la main pendant cinq minutes pour démontrer comment manipuler les objets conçus, y compris en utilisant la préhension palmaire pour ramasser la cheville, une préhension latérale pour ramasser le cube rectangulaire, un mandrin à trois points pour ramasser le cube, une prise sphérique pour ramasser la balle, et une prise cylindrique pour ramasser la barre cylindrique. Après la démonstration, placez deux bases bilatéralement devant les mains du sujet, et placez les objets sur le dessus d’une base pour aider à leur manipulation.Que le sujet utilise le système robotique de la main pour saisir chaque objet 20 fois par jour pendant trois jours consécutifs, en commençant par la zone de la base et en soulevant, en déplaçant et en libérant chaque objet sur la ligne médiane tout en surveillant et en enregistrant le taux de réussite pour chaque tentative. Dans cette analyse représentative, trois sujets sains et trois sujets post-course ont été évalués. L’âge moyen du groupe sain était de 28 ans, alors que l’âge moyen du groupe de patients était de 49 ans.L’examen mini-mental d’état, l’évaluation de Fugl-Meyer, le doigt modifié d’échelle d’Ashworth, et les scores d’étape de Brunnstrom ont été également obtenus pour chaque patient. Les sujets du groupe sain manipulaient parfaitement tous les objets avec et sans le système robotique de la main, avec un taux de réussite moyen de 100% pour chaque tâche. Tous les patients, cependant, ont montré des difficultés en manipulant les objets sans le système robotique de main, démontrant un taux de succès de 0% pour tous les objets.En revanche, tous les taux de réussite des patients ont augmenté de façon significative lorsque le système robotique de main a été utilisé, approchant des taux semblables à ceux observés chez les sujets sains, soutenant la faisabilité d’utiliser le système robotique de main dans les patients d’AVC. Rappelez aux sujets de se concentrer sur le contrôle du mouvement de leurs mains bilatérales pendant la formation bimanuelle de mouvement, en s’assurant que les modèles de prise sur les objets sont corrects. À la suite de cette procédure, un essai contrôlé randomisé est nécessaire pour déterminer les effets thérapeutiques du protocole de formation.En utilisant cette technique, les chercheurs peuvent programmer des protocoles de réadaptation avec un mouvement délicat des doigts pour le dysfonctionnement grave de la main et peuvent explorer les effets sur la neuroplasticité du cerveau et les résultats fonctionnels.

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