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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Dieses Projekt wurde von der Chang Gung Medical Foundation mit dem Stipendium BMRP390021 und dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie mit den Stipendien MOST 107-2218-E-182A-001 und 108-2218-E-182A-001 unterstützt.

Das Schulungsprotokoll und das Einwilligungsdokument wurden vom Institutional Review Board der Chang Gung Medical Foundation überprüft und genehmigt. Die Einzelheiten der Studie und die Verfahren wurden jedem Fach klar erläutert.
1. Rekrutierung von drei gesunden Erwachsenen
<ol><li>Führen Sie das Screening-Verfahren nach folgenden Aufnahmekriterien durch: (1) Alter 20-60 Jahre, (2) bereits unterschriebene Informiertezustimmung, (3) normale Funktion in den oberen Gliedmaßen, (4) Mini-Me...

<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. 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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>

Die Ergebnisse dieser Studie zeigten Folgendes: (1) Beide Gruppen konnten die mit dem Roboterhandsystem gelieferten Objekte erfolgreich erfassen. Sie konnten diese Aufgabe mit einer Erfolgsquote von fast 100% abschließen, was die Machbarkeit des vorgeschlagenen robotergestützten aufgabenorientierten Trainingsprogramms bestätigt. (2) Während des Untersuchungszeitraums gab es keine Berichte über Verletzungen oder unerwünschte Ereignisse, und alle Patienten berichteten, dass das Roboterhandsystem hilfreich sei, um Obj...

Die meisten (80%) Schlaganfallpatienten haben ein Defizit in der Hand und haben Schwierigkeiten bei der eigenständigen Durchführung manueller Aufgaben, die für das tägliche Leben relevant sind1. Aufgrund der Komplexität manueller Aufgaben stellt es jedoch eine große Herausforderung dar, ein aufgabenorientiertes Trainingsprogramm für die Handrehabilitation2zu entwerfen. In den letzten Jahren wurden viele Robotergeräte für die Handrehabilitationentwickelt 3,4, aber nur wenige Trainingsprotokolle, die von Robotergeräten unterstützt werden, ermöglichen es einem Patienten, mit realen Objekten zu interagieren. Es ist unklar, wie ein aufgabenorientiertes Trainingsprogramm zur Handfunktionsrehabilitation mit Robotergeräten für Patienten angewendet werden kann, die durch einen Schlaganfall an Handfunktionsstörungen erkranken.
Aufgabenorientiertes Training wird verwendet, um die Handfunktion5,6 zu verbessern und wird häufig in der Rehabilitation für die Oberkörperdysfunktion durch Schlaganfall angewendet. Es wird verwendet, um Neuroplastizität zu erhöhen und ist in hohem Maße abhängig von individuellen neurologischen Defiziten und funktionellen Anforderungen7. Während des aufgabenorientierten Trainings erleben Patienten jedoch Schwierigkeiten, Objekte zu manipulieren, wenn die Handfunktion beeinträchtigt ist. Beispiele hierfür sind schlechte Griff- oder eingeschränkte Pinch-Funktionen. Therapeuten zeigen auch Schwierigkeiten, die Fingerbewegungen der Patienten individuell zu lenken, was die Variation von Greifaufgaben begrenzt. Robotergeräte sind daher notwendig, um die Effektivität des aufgabenorientierten Trainings zu erhöhen, indem die Handbewegung beim wiederholten Training explizit geleitet wird2,8.
Frühere Studien verwendeten nur Rehabilitationsroboter für aufgabenorientiertes Training zu Aufgaben der oberen Gliedmaßen3. Es ist unklar, wie die roboterunterstützte Rehabilitation für die aufgabenorientierte Ausbildung im Handumsein eingesetzt werden kann. Eine Exoskeletthand, HWARD, wurde verwendet, um die Finger zu führen, Objekte zu greifen und loszulassen8. Dieses Gerät erlaubt jedoch keine unterschiedlichen Greifmuster, da es nicht die notwendigen Freiheitsgrade hat. Kürzlich wurden andere Geräte entwickelt, die darauf abzielen, die Finger eines Patienten einzeln zu bewegen9. Jedoch, Diese Geräte wurden bisher nicht für Neurorehabilitation verwendet. Die oben genannten Robotergeräte sind allesamt einseitige Roboter. Im Gegensatz dazu braucht das hier vorgestellte Roboterhandsystem die Zusammenarbeit von nicht betroffenen und betroffenen Händen. Das Roboterhandsystem wurde speziell für Rehabilitationszwecke entwickelt, indem der Master-Slave-Mechanismus symmetrische bimanuelle Handbewegungen erzielt wird. Das System besteht aus einer Exoskeletthand (getragen an der betroffenen Hand), einem Steuerkasten und einem Sinneshandschuh (getragen an der nicht betroffenen Hand). Jedes Fingermodul der Exoskeletthand wird von einem Motor mit einem Freiheitsgrad angetrieben und seine Gelenke sind über ein mechanisches Verbindungssystem miteinander verbunden. Zwei Größen, S und M, sind für unterschiedliche Fächer ausgelegt. Die Steuerbox bietet zwei therapeutische Modi, den passiven Bewegungsbereich (PROM) und den spiegelgesteuerten Bewegungsmodus, durch den die betroffene Hand des Patienten durch die Exoskeletthand manipuliert werden kann. Im PROM-Modus sendet die Steuerbox Eingabebefehle an das Exoskelett, während die Hand des Motivs bewegt wird, um die volle Fingerbeugung/Verlängerung durchzuführen. Es enthält zwei Modi: Ein-Finger-Modus (wirkt in der Reihenfolge von Daumen zu kleinem Finger) und fünf Finger-Modus (fünf Finger bewegen sich zusammen). Im spiegelgesteuerten Bewegungsmodus wird der Master-(Sensorhandhand)-Slave-Mechanismus (Exoskeletthand) implementiert, bei dem die Bewegung jedes Fingers vom Sensorhandschuh erfasst wird und Signale der Gelenkwinkel an den Steuerkasten übertragen werden, um die Exoskeletthand zu manipulieren.
Bei der Ausstattung des Roboterhandsystems wurden die Probanden angewiesen, ihre betroffenen Hände unter Anleitung der von unbeeinflussten Händen gesteuerten Exoskeletthand zu bewegen, die bimanuellebewegungstraining (BMT)10ist. Nach früheren Forschungsergebnissen ist BMT in der Lage, ähnliche neuronale Bahnen in beiden Hemisphären des Gehirns zu aktivieren und die Transhemisphärenhemmung zu verhindern, die die Wiederherstellung der neuronalen Funktion in der Läsionshalbkugelbehindert 10. Brunner etal.11 verglichen BMT mit einer zwangsinduzierten Bewegungstherapie (CIMT) bei subakuten Schlaganfallpatienten. Sie legten nahe, dass BMT dazu neigt, mehr neuronale Netzwerke in beiden Hemisphären als CIMT zu aktivieren, und es gab keinen signifikanten Unterschied bei der Verbesserung der Handfunktion zwischen den BMT- und CIMT-Ansätzen. Sleimen-Malkoun et al.12 schlugen auch vor, dass Schlaganfallpatienten durch BMT in der Lage sind, sowohl die paretische Gliedmaßenkontrolle als auch die bimanuelle Kontrolle wiederherzustellen. Das heißt, die Ausbildung sollte bimanuelle Aufgaben umfassen, die sich auf den Einsatz des betroffenen Arms konzentrieren. Darüber hinaus ist die Koordination beider Hände für Aktivitäten des täglichen Lebens notwendig (ADL)11,12. Daher ist es entscheidend, ein bimanuelles robotergestütztes aufgabenorientiertes Trainingsprogramm für Post-Stroke-Patienten und Objekte zu entwickeln, die von Patienten, die das Roboterhandsystem tragen, erfasst oder eingeklemmt werden können.
In dieser Studie wurde eine Vielzahl von Greifobjekten auf der Grundlage der Bedürfnisse der Ergotherapie und der mechanischen Eigenschaften von Rehabilitationsrobotern entwickelt. Ein aufgabenorientiertes Trainingsprotokoll wurde mit Roboter-Rehabilitationsgeräten für Patienten mit distaler Oberkörperfunktionsstörung aufgrund eines Schlaganfalls entwickelt. Ziel dieser Studie war es, die Machbarkeit und Akzeptanz des aufgabenorientierten Trainingsprogramms mit einem Exoskelettroboter und neu gestalteten Greifobjekten zu untersuchen.

<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

Eine robotergestützte Hand wird zur Rehabilitation von Patienten mit eingeschränkter Funktion der oberen Gliedmaßen eingesetzt, insbesondere bei Schlaganfallpatienten mit Verlust der motorischen Kontrolle. Es ist jedoch unklar, wie konventionelle Berufsbildungsstrategien auf den Einsatz von Rehabilitationsrobotern angewendet werden können. Neuartige Robotertechnologien und ergotherapeutische Konzepte werden verwendet, um ein Protokoll zu entwickeln, das es Patienten mit eingeschränkter Funktion der oberen Gliedmaßen ermöglicht, Objekte mit ihrer betroffenen Hand durch eine Vielzahl von Kneif- und Greiffunktionen zu erfassen. Um dies angemessen zu verhalten, haben wir fünf Arten von Objekten verwendet: einen Stift, einen rechteckigen Würfel, einen Würfel, eine Kugel und einen zylindrischen Balken. Außerdem haben wir die Patienten mit einer Roboterhand ausgestattet, der Spiegelhand, einer Exoskeletthand, die an der betroffenen Hand des Motivs angebracht ist und der Bewegung des Sensorhandschuhs folgt, der an ihrer unbeeinflussten Hand angebracht ist (Bimanual Movement Training (BMT)). Diese Studie hatte zwei Phasen. Drei gesunde Probanden wurden zunächst rekrutiert, um die Machbarkeit und Akzeptanz des Trainingsprogramms zu testen. Drei Patienten mit DurchSchlag einer Schlaganfall verursachten Handfunktionsstörung wurden dann rekrutiert, um die Durchführbarkeit und Akzeptanz des Trainingsprogramms zu bestätigen, das an 3 aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt wurde. An jedem Tag wurde der Patient während 5 min Bewegung in einem passiven Bewegungsbereich, 5 min robotergestützter bimanueller Bewegung und aufgabenorientiertem Training mit den fünf Objekten überwacht. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl gesunde Probanden als auch Probanden, die in Verbindung mit der Roboterhand einen Schlaganfall erlitten hatten, die Objekte erfolgreich erfassen konnten. Sowohl gesunde Probanden als auch diejenigen, die einen Schlaganfall erlitten hatten, schnitten mit dem robotergestützten aufgabenorientierten Trainingsprogramm in Bezug auf Machbarkeit und Akzeptanz gut ab.

Insgesamt wurden sechs Probanden in diese Studie aufgenommen, darunter drei gesunde Probanden und drei Nachschlagefächer. Die demographischen Daten beider Gruppen sind in der ergänzenden Tabelle 1dargestellt. Das Durchschnittsalter der gesunden Gruppe betrug 28 Jahre (Bereich: 24-30), während das Durchschnittsalter der Patientengruppe 49 (40-57) betrug. Die durchschnittlichen Bewertungsergebnisse der Patientengruppe waren wie folgt: (1) MMSE=27 (26–29), (2) FMA=11,3 (6–15), (3) MAS=1, (4) Brunnstr...

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

Diese Studie berichtet über die Entwicklung eines neuartigen robotergestützten aufgabenorientierten Programms zur Handrehabilitation. Der Entwicklungsprozess besteht aus Experimenten mit gesunden Probanden und Probanden, die einen Schlaganfall hatten und an einer nachfolgenden Motorkontrollfunktionsstörung litten.

Entwicklung eines neuartigen aufgabenorientierten Rehabilitationsprogramms mit einer bimanualen Exoskelett-Roboterhand

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 ...

Dieses robotergestützte, aufgabenorientierte Trainingsprotokoll wurde für Patienten mit Handfunktionsstörungen entwickelt, die durch neurologische Defizite verursacht wurden. Unser Protokoll ist das erste, das ein aufgabenorientiertes Trainingsprogramm mit einer Roboterhand für die Handfunktionsrehabilitation integriert und das erste, das die Machbarkeit und Akzeptanz des Protokolls untersucht. Wir haben spezielle Objekte entwickelt, die mit dem Trainingsprotokoll manipuliert werden können.Dann kann unser Roboterhandsystem auf bimanuelles Bewegungstraining angewendet werden. Demonstriert wird das Verfahren von Yi-Mei Chen und Szu-Shen Lai, Ergotherapeuten aus meiner Abteilung. Bevor Sie mit der Analyse beginnen, legen Sie den Sensor auf die nicht betroffene Hand des Motivs, und befestigen Sie das Handgelenk mit dem Klettband.Verwenden Sie ein sauberes Pad, um die betroffene Hand zu wickeln, und befestigen Sie das Klettband sicher. Lösen Sie den Daumenmechanismus der Exoskeletthand, um die Einstellung des Daumenöffnungswinkels zu ermöglichen, und legen Sie die betroffene Hand in die Exoskeletthand. Befestigen Sie den Haken und die Schlaufe an der Handfläche durch den Befestigungsring.Danach befestigen Sie die Finger nacheinander, beginnend mit dem Zeigefinger und mit dem Daumen. Befestigen Sie das Klettband parallel zum Handgelenk durch den Befestigungsring, und stellen Sie den Daumen auf einen komfortablen Winkel ein. Ziehen Sie dann den Daumenmechanismus fest.Um die Steuerbox einzurichten, legen Sie das Kabel für die Exoskeletthand ein und legen Sie das Kabel für den Sensorhandschuh ein. Legen Sie beide Kabelsätze in die Buchse im Steuerkasten ein, und legen Sie das Netzkabel in die Steuerbox ein. Schließen Sie dann das Netzkabel mit der richtigen Spannung an eine Steckdose an.Wenn das System und der Betreff bereit sind, wechseln Sie in die Steuerbox, und legen Sie den Modus auf Fünf Finger fest, damit die Exoskeletthand die Finger des Motivs passiv bewegen kann. Bitten Sie das Motiv, eine Greif-und-Freigabe-Aufgabe durchzuführen, die von der Exoskeletthand für 2,5 Minuten geleitet wird. Schalten Sie den Modus auf Single Finger.Dann lassen Sie die Exoskeletthand die Finger des Motivs einzeln und passiv bewegen, während das Motiv einzelne Finger für 2,5 Minuten ausstreckt und zurückzieht. Für eine roboterunterstützte bimanuelle Bewegungssitzung schalten Sie den Modus auf Spiegel, um die Bewegung der nicht betroffenen Hand mit dem Sensorhandschuh zu ermöglichen, um die Handbewegungen des Exoskeletts zu steuern. Um eine Studie über die Fähigkeit des Subjekts durchzuführen, Objekte mit dem Roboterhandsystem zu manipulieren, passen Sie die Exoskeletthand an die nicht betroffene Hand des Motivs und den Sensorhandschuh an die nicht betroffene Hand, wie gerade gezeigt, und legen Sie eine Hebegurtunterung unter den Ellenbogen und die Exoskeletthand des Motivs, um den betroffenen Arm zu stützen.Führen Sie als nächstes eine Aufwärmsitzung durch, wie gerade gezeigt. Nach dem Aufwärmen, verwenden Sie das Roboter-Handsystem für fünf Minuten, um zu demonstrieren, wie man die entworfenen Objekte manipuliert, einschließlich der Verwendung von palmar Prehension, um den Stift aufzunehmen, eine seitliche Vorlauf, um den rechteckigen Würfel aufzunehmen, ein Dreipunktfutter, um den Würfel aufzunehmen, einen kugelförmigen Griff, um den Ball aufzunehmen, und einen zylindrischen Griff, um den zylindrischen Balken aufzunehmen. Legen Sie nach der Demonstration zwei Basen bilateral vor die Hände des Subjekts und legen Sie die Objekte auf die Oberseite einer Basis, um bei dermanipulation zu helfen.Lassen Sie das Subjekt das Roboter-Handsystem verwenden, um jedes Objekt 20 Mal am Tag für drei aufeinander folgende Tage zu erfassen, beginnend am Bereich der Basis und Heben, Bewegen und Loslassen jedes Objekts auf die Mittellinie während der Überwachung und Aufzeichnung der Erfolgsrate für jeden Versuch. In dieser repräsentativen Analyse wurden drei gesunde Probanden und drei Nachschlagetage bewertet. Das Durchschnittsalter der gesunden Gruppe betrug 28 Jahre, während das Durchschnittsalter der Patientengruppe 49 Jahre betrug.Mini-Mental State Examination, Fugl-Meyer Assessment, Modified Ashworth Scale Finger und Brunnstrom Stage Scores wurden ebenfalls für jeden Patienten erhalten. Die Probanden in der gesunden Gruppe manipulierten alle Objekte mit und ohne Roboterhandsystem perfekt, mit einer durchschnittlichen Erfolgsquote von 100% für jede Aufgabe. Alle Patienten wiesen jedoch Schwierigkeiten bei der Manipulation der Objekte ohne das Roboterhandsystem auf und zeigten eine Erfolgsquote von 0% für alle Objekte.Im Gegensatz dazu stiegen alle Patientenerfolgsraten signifikant, wenn das Roboterhandsystem verwendet wurde, und näherten sich den Raten, die denen bei gesunden Probanden ähnelten, was die Machbarkeit des Einsatzes des Roboterhandsystems bei Schlaganfallpatienten unterstützte. Erinnern Sie die Probanden daran, sich während des bimanuellen Bewegungstrainings auf die Bewegungssteuerung ihrer bilateralen Hände zu konzentrieren und sicherzustellen, dass die Griffmuster auf den Objekten korrekt sind. Nach diesem Verfahren ist eine randomisierte kontrollierte Studie erforderlich, um die therapeutischewirkung des Trainingsprotokolls zu bestimmen.Mit dieser Technik, Forscher können Rehabilitationsprotokolle mit empfindlicher Fingerbewegung für schwere Handdysfunktion programmieren und können die Auswirkungen auf die Neuroplastizität des Gehirns und funktionelle Ergebnisse erkunden.

Research

JoVE Journal

Medicine

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Eine neuartige Technik der Rettung Capsulorhexis Radial Tear-out mit einem Cystotome

Part 1 : Purpose:   To demonstrate a capsulorhexis radial tear out rescue technique using a cystotome on a virtual reality cataract surgery simulator and ...

Forschung

Medizin

Manual Muscle Testing:  A Method of Measuring Extremity Muscle Strength Applied to Critically Ill Patients

Manuelle Muskeltests: eine Methode zur Messung Extremität Muscle Strength Applied an kritisch kranke Patienten

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Method for Novel Anti-Cancer Drug Development using Tumor Explants of Surgical Specimens

Verfahren zur Novel Anti-Cancer Drug Development mit Tumor Explantate von chirurgischen Proben


The current therapies for malignant glioma have only palliative effect. For therapeutic development, one hurdle is the discrepancy of efficacy determined ...

Using Continuous Data Tracking Technology to Study Exercise Adherence in Pulmonary Rehabilitation

Mit Continuous Data Tracking-Technologie, um die Einhaltung Übung bei pulmonaler Rehabilitation Studieren

Pulmonary rehabilitation (PR) is an important component in the management of respiratory diseases. The effectiveness of PR is dependent upon adherence to ...

Ischemic Tissue Injury in the Dorsal Skinfold Chamber of the Mouse: A Skin Flap Model to Investigate Acute Persistent Ischemia

Ischämischen Gewebeschädigung des Rückenhautkammer der Maus: Ein Hautlappen Modell zu Akute Persistent Ischämie Untersuchen

Despite profound expertise and advanced surgical techniques, ischemia-induced complications ranging from wound breakdown to extensive tissue necrosis are ...

Development of an Algorithm to Perform a Comprehensive Study of Autonomic Dysreflexia in Animals with High Spinal Cord Injury Using a Telemetry Device

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Spinal cord injury (SCI) is a debilitating neurological condition characterized by somatic and autonomic dysfunctions. In particular, SCI above the ...

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