Name: development of a novel task-oriented rehabilitation program using a bimanual exoskeleton robotic hand
Uploaded: 2020-05-20T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Development of a Novel Task-oriented Rehabilitation Program using a Bimanual Exoskeleton Robotic Hand at JoVE.com

Questo progetto è stato sostenuto da Chang Gung Medical Foundation con sovvenzione BMRP390021 e dal Ministero della Scienza e della Tecnologia con sovvenzioni MOST 107-2218-E-182A-001 e 108-2218-E-182A-001.

Il protocollo di formazione e il documento di consenso informato sono stati esaminati e approvati dall'Institutional Review Board della Chang Gung Medical Foundation. I dettagli dello studio e le procedure sono stati chiaramente spiegati a ciascun argomento.
1. Reclutamento di tre adulti sani
<ol><li>Eseguire il processo di screening utilizzando i seguenti criteri di inclusione: (1) età 20-60 anni, (2) già firmato consenso informato, (3) funzione normale negli arti superiori, (4) Mini-Ment...

<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>

I risultati di questo studio hanno mostrato quanto segue: (1) entrambi i gruppi hanno potuto cogliere con successo gli oggetti forniti con il sistema a mano robotico. Sono stati in grado di completare questo compito con un tasso di successo di quasi il 100%, che verifica la fattibilità del programma di formazione orientato al tasking assistita da robot proposto. (2) Non sono state segnalate lesioni o eventi avversi durante il periodo di studio e tutti i pazienti hanno riferito che il sistema di mani robotico era utile p...

La maggior parte (80%) pazienti ictus sperimentano un deficit nella mano e hanno difficoltà a svolgere in modo indipendente compiti manuali che sono pertinenti alla vita quotidiana1. Tuttavia, la natura complessa delle attività manuali significa che è una sfida significativa progettare un programma di formazione orientato alle attività per la riabilitazione manuale2. Negli ultimi anni, molti dispositivi robotici sono stati sviluppati per la riabilitazione delle mani3,4, ma pochi protocolli di allenamento assistiti da dispositivi robotici permettono al paziente di interagire con oggetti reali. Non è chiaro esattamente come un programma di allenamento orientato al compito per la riabilitazione delle funzioni delle mani possa essere applicato utilizzando dispositivi robotici per i pazienti che soffrono di disfunzione della mano a causa dell'ictus.
La formazione orientata alle attività viene utilizzata per migliorare la funzione della mano5,6 ed è comunemente applicata nella riabilitazione per la disfunzione degli arti superiori a causa dell'ictus. Viene utilizzato per aumentare la neuroplasticità ed è altamente dipendente da singoli deficit neurologici e richieste funzionali7. Tuttavia, durante l'allenamento orientato alle attività, i pazienti sperimentano difficilemente nella manipolazione degli oggetti se la funzione della mano è compromessa. Esempi di questo includono funzioni di scarsa presa o pizzico limitato. I terapisti mostrano anche difficoltà nel guidare i movimenti delle dita dei pazienti individualmente, il che limita quindi la variazione dei compiti di presa. I dispositivi robotici sono quindi necessari per aumentare l'efficacia della formazione orientata al compito guidando esplicitamente il movimento della mano durante l'allenamento ripetitivo2,8.
Studi precedenti hanno utilizzato solo robot di riabilitazione per una formazione orientata alle attività sui compiti di raggiungimento degli arti superiori3. Non è chiaro come la riabilitazione assistita da robot possa essere impiegata per la formazione orientata alle attività mirata a portata di mano. Una mano esoscheletro, HWARD, è stata usata per guidare le dita a afferrare e rilasciare oggetti8. Tuttavia, questo dispositivo non consente vari modelli di presa perché manca dei gradi di libertà necessari. Recentemente, sono stati sviluppati9altri dispositivi che mirano a spostare le dita di un paziente. Tuttavia, questi dispositivi non sono stati utilizzati in precedenza per la neuroriabilitazione. I dispositivi robotici di cui sopra sono tutti robot unilaterali. Al contrario, il sistema robotico a mano qui presentato ha bisogno della cooperazione di mani inalterate e colpite. Il sistema di mano robotico è specificamente progettato per scopi di riabilitazione utilizzando il meccanismo master-slave per ottenere movimenti simmetrici della mano bimanuali. Il sistema è costituito da una mano esoscheletro (indossata sulla mano interessata), una scatola di controllo e un guanto sensoriale (indossato sulla mano inalterata). Ogni modulo dito della mano esoscheletro è guidato da un motore con un grado di libertà e le sue articolazioni sono collegate utilizzando un sistema di collegamento meccanico. Due taglie, S e M, sono progettate per adattarsi a diversi soggetti. La casella di controllo fornisce due modalità terapeutiche, la gamma passiva di movimento (PROM) e le modalità di movimento a specchio, attraverso le quali la mano colpita del paziente può essere manipolata dalla mano esoscheletro. Nella modalità PROM, la casella di controllo invia comandi di input all'esoscheletro mentre sposta la mano del soggetto per eseguire la flessione/estensione completa delle dita. Contiene due modalità: modalità con un dito singolo (atti in sequenza dal pollice al mignolo) e modalità cinque dita (cinque dita si muovono insieme). Nella modalità di movimento a specchio, viene implementato il meccanismo master (sensor esoscheletro guanto)–slave (mano esoscheletro), in cui il movimento di ciascun dito viene rilevato dal guanto del sensore e i segnali degli angoli articolari vengono trasmessi alla scatola di controllo per manipolare la mano dell'esoscheletro.
Una volta equipaggiato con il sistema a mano robotico, ai soggetti è stato chiesto di muovere le mani colpite sotto la guida dell'esoscheletro a mano controllata da mani non interessate, che è di formazione del movimento bimanuale (BMT)10. Secondo la ricerca precedente, BMT è in grado di attivare percorsi neurali simili in entrambi gli emisferi del cervello e prevenire l'inibizione trans-emisfero che ostacola il recupero della funzione neuronale nell'emisfero di lesione10. Brunner et al.11 ha confrontato il BMT con la terapia del movimento indotta da vincoli (CIMT) nei pazienti con ictus sub-acuto. Hanno suggerito che BMT tende ad attivare più reti neurali in entrambi gli emisferi di CIMT, e non c'era alcuna differenza significativa nel miglioramento della funzione della mano tra gli approcci BMT e CIMT. Sleimen-Malkoun et al.12 ha anche suggerito che attraverso BMT, i pazienti colpiti da ictus sono in grado di ristabilire sia il controllo degli arti paretic che il controllo bimanuale. Vale a dire, l'addestramento dovrebbe comprendere compiti bimanuali che si concentrano sull'utilizzo del braccio colpito. Inoltre, il coordinamento di entrambe le mani è necessario per le attività della vita quotidiana (ADL)11,12. Pertanto, è fondamentale sviluppare un programma di allenamento bimanuale orientato al task-oriented assistito da robot per pazienti post-ictus e oggetti che possono essere afferrati o pizzicati da pazienti che indossano il sistema robotico a mano.
In questo studio, una varietà di oggetti di presa sono stati progettati in base alle esigenze della terapia occupazionale e alle proprietà meccaniche dei robot di riabilitazione. Un protocollo di allenamento orientato ai compiti è stato sviluppato utilizzando dispositivi di riabilitazione robotica per pazienti con disfunzione degli arti superiori distale a causa dell'ictus. Lo scopo di questo studio era quello di studiare la fattibilità e l'accettabilità del programma di formazione orientato ai compiti utilizzando un robot esoscheletro e oggetti di presa di nuova progettazione.

<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

Una mano assistita da robot viene utilizzata per la riabilitazione di pazienti con compromissione della funzione dell'arto superiore, in particolare per i pazienti colpiti da ictus con perdita di controllo motorio. Tuttavia, non è chiaro come le tradizionali strategie di formazione professionale possano essere applicate all'uso di robot di riabilitazione. Nuove tecnologie robotiche e concetti di terapia occupazionale sono utilizzati per sviluppare un protocollo che consente ai pazienti con compromissione della funzione dell'arto superiore di afferrare gli oggetti utilizzando la mano colpita attraverso una varietà di funzioni di pizzicamento e presa. Per condurre questo in modo appropriato, abbiamo usato cinque tipi di oggetti: un piolo, un cubo rettangolare, un cubo, una palla e una barra cilindrica. Abbiamo anche dotato i pazienti con una mano robotica, la Mano Specchio,una mano esoscheletro che è montata sulla mano interessata del soggetto e segue il movimento del guanto del sensore montato sulla loro mano inalterata (allenamento di movimento bimanuale (BMT)). Questo studio ha avuto due fasi. Tre soggetti sani sono stati reclutati per testare la fattibilità e l'accettabilità del programma di formazione. Tre pazienti con disfunzione della mano causata da ictus sono stati poi reclutati per confermare la fattibilità e l'accettabilità del programma di formazione, che è stato condotto per 3 giorni consecutivi. Ogni giorno, il paziente è stato monitorato durante 5 minuti di movimento in una gamma passiva di movimento, 5 minuti di movimento bimanuale assistito da robot e allenamento orientato alle attività utilizzando i cinque oggetti. I risultati hanno mostrato che sia i soggetti sani che i soggetti che avevano subito un ictus in combinazione con la mano robotica potevano afferrare con successo gli oggetti. Sia i soggetti sani che coloro che avevano subito un ictus hanno ottenuto buoni risultati con il programma di allenamento task-oriented robot assistito in termini di fattibilità e accettabilità.

Un totale di sei soggetti sono stati arruolati in questo studio, tra cui tre soggetti sani e tre soggetti post-ictus. I dati demografici di entrambi i gruppi sono riportati nella tabella supplementari 1. L'età media del gruppo sano era di 28 anni (intervallo: 24-30), mentre l'età media del gruppo di pazienti era di 49 anni (40-57). I punteggi medi di valutazione del gruppo di pazienti sono stati i seguenti: (1) MMSE 27 (26-29), (2) FMA -11,3 (6–15), (3) MAS-1, (4) Fase di Brunnstrom 2.
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Development of a Novel Task-oriented Rehabilitation Program using a Bimanual Exoskeleton Robotic Hand

Questo studio riporta lo sviluppo di un nuovo programma orientato al compito assistito da robot per la riabilitazione delle mani. Il processo di sviluppo consiste in esperimenti che utilizzano sia soggetti sani che soggetti che hanno avuto un ictus e hanno sofferto di una successiva disfunzione del controllo motorio.

Sviluppo di un nuovo programma di riabilitazione orientato alle attività utilizzando una mano robotica dell'esoscheletro bimanuale

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 ...

Questo protocollo di allenamento assistito da robot e orientato alle attività è stato sviluppato per i pazienti con disfunzione delle mani causata da deficit neurologici. Il nostro protocollo è il primo a integrare un programma di allenamento orientato alle attività con una mano robotica per la riabilitazione della funzione a mano e il primo a studiare la fattibilità e l'accettabilità del protocollo. Abbiamo progettato oggetti specializzati che possono essere manipolati utilizzando il protocollo di training.Quindi il nostro sistema di mani robotiche può essere applicato all'allenamento del movimento bimanuale. A dimostrare la procedura saranno Yi-Mei Chen e Szu-Shen Lai, terapisti occupazionali del mio dipartimento. Prima di iniziare l'analisi, posizionare il sensore sulla mano non infetta del soggetto e utilizzare il nastro adesivo per fissare il polso.Utilizzare un cuscinetto pulito per avvolgere la mano interessata e fissare saldamente il nastro a gancio e ad anello. Allentare il meccanismo del pollice della mano dell'esoscheletro per consentire la regolazione dell'angolo di apertura del pollice e posizionare la mano interessata nella mano dell'esoscheletro. Fissare il gancio e l'anello al palmo attraverso l'anello di fissaggio.Successivamente, fissare le dita una per una, iniziando con l'indice e finendo con il pollice. Fissare il nastro ad anello parallelo al polso attraverso l'anello di fissaggio e regolare il pollice in un angolo confortevole. Quindi, stringere il meccanismo del pollice.Per impostare la scatola di controllo, inserire il cavo per la mano dell'esoscheletro e inserire il cavo per il guanto del sensore. Inserire entrambi i gruppi di cavi nella presa nella casella di controllo e inserire il cavo di alimentazione nella casella di controllo. Quindi, collegare il cavo di alimentazione a una presa con la tensione corretta.Quando il sistema e il soggetto sono pronti, passare alla casella di controllo e impostare la modalità su Cinque dita per consentire alla mano dell'esoscheletro di spostare passivamente le dita del soggetto. Chiedi al soggetto di eseguire un'attività di presa e rilascio guidata dalla mano dell'esoscheletro per 2,5 minuti. Passare alla modalità a Dito singolo.Quindi, lasciare che la mano dell'esoscheletro sposti le dita del soggetto individualmente e passivamente mentre il soggetto si estende e ritrae le singole dita per 2,5 minuti. Per una sessione di movimento bimanuale assistita da robot, passare alla modalità Specchio per consentire il movimento della mano non influenzata che indossa il guanto del sensore per controllare i movimenti della mano dell'esoscheletro. Per condurre una prova della capacità del soggetto di manipolare gli oggetti utilizzando il sistema a mano robotico, montare la mano dell'esoscheletro alla mano non infetta del soggetto e il guanto del sensore alla mano inalterata come appena dimostrato, e posizionare una fionda sotto il gomito del soggetto e la mano di esoscheletro per sostenere il braccio interessato.Successivamente, condurre una sessione di riscaldamento come appena dimostrato. Dopo il riscaldamento, utilizzare il sistema a mano robotico per cinque minuti per dimostrare come manipolare gli oggetti progettati, incluso l'uso della prehension palmare per raccogliere il piolo, una prehension laterale per raccogliere il cubo rettangolare, un mandrino a tre punti per raccogliere il cubo, una presa sferica per raccogliere la palla e una presa cilindrica per raccogliere la barra cilindrica. Dopo la dimostrazione, posizionare due basi bilateralmente davanti alle mani del soggetto e posizionare gli oggetti sulla parte superiore di una base per facilitarne la manipolazione.Chiedere al soggetto di utilizzare il sistema a mano robotico per afferrare ogni oggetto 20 volte al giorno per tre giorni consecutivi, a partire dall'area della base e sollevando, spostando e rilasciando ogni oggetto sulla linea mediana durante il monitoraggio e la registrazione del tasso di successo per ogni tentativo. In questa analisi rappresentativa sono stati valutati tre soggetti sani e tre soggetti post-ictus. L'età media del gruppo sano era di 28 anni, mentre l'età media del gruppo di pazienti era di 49 anni.Mini-Mental State Examination, Fugl-Meyer Assessment, Modified Ashworth Scale finger e Brunnstrom stage scores sono stati ottenuti anche per ogni paziente. I soggetti del gruppo sano hanno perfettamente manipolato tutti gli oggetti con e senza il sistema a mano robotico, con un tasso medio di successo del 100% per ogni attività. Tutti i pazienti, tuttavia, hanno mostrato difficoltà nella manipolazione degli oggetti senza il sistema a mano robotico, dimostrando un tasso di successo dello 0% per tutti gli oggetti.Al contrario, tutti i tassi di successo del paziente sono aumentati in modo significativo quando è stato utilizzato il sistema a mano robotica, avvicinandosi a tassi simili a quelli osservati in soggetti sani, supportando la fattibilità dell'utilizzo del sistema robotico delle mani nei pazienti con ictus. Ricorda ai soggetti di concentrarsi sul controllo del movimento delle loro mani bilaterali durante l'allenamento del movimento bimanuale, assicurandosi che i modelli di presa sugli oggetti siano corretti. Seguendo questa procedura, è necessaria una prova controllata randomizzata per determinare gli effetti terapeutici del protocollo di allenamento.Utilizzando questa tecnica, i ricercatori possono programmare protocolli di riabilitazione con delicato movimento delle dita per una grave disfunzione delle mani e possono esplorare gli effetti sulla neuroplasticità cerebrale e sui risultati funzionali.

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