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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このプロジェクトは、助成金BMRP390021と科学技術省の助成金を持つチャンガン医療財団によって支援されました MOST 107-2218-E-182A-001 と108-2218-E-182A-001.

トレーニングプロトコルとインフォームドコンセント文書は、チャンガン医療財団の機関審査委員会によって審査され、承認されました。研究の詳細と手順は、各科目に明確に説明されました。
1. 健康成人3名の募集
<ol><li>(1)20~60歳、(2)既にインフォームド・コンセントに署名済み、(3)上肢の正常機能、(4)ミニメンタル状態検査(MMSE)スコア≧24を用いてスクリーニング処?...

<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>

この研究の結果は、(1)両方のグループがロボットハンドシステムで提供された物体を正常に把握できることを示した。彼らは、提案されたロボット支援タスク指向のトレーニングプログラムの実現可能性を検証する、ほぼ100%の成功率でこのタスクを完了することができました。(2)研究期間中に傷害や有害事象の報告はなく、すべての患者はロボットハンドシステムが物体を操作するのに役立...

最も多く (80%)脳卒中患者は手に赤字を経験し、日常生活に関連する手動タスクを独立して実行するのが困難です 1.しかし、手作業の複雑な性質は、手のリハビリテーションのためのタスク指向のトレーニングプログラムを設計することは重要な課題であることを意味します 2.近年、手のリハビリテーション33、44のために多くのロボットデバイスが開発されていますが、ロボットデバイスによって支援されるトレーニングプロトコルはほとんどありません。脳卒中による手の機能不全を経験した患者にロボットデバイスを使用して、手機能リハビリテーションのためのタスク指向のトレーニングプログラムをどのように適用できるかは正確には不明です。
タスク指向のトレーニングは、手の機能55、66を改善するために使用され、脳卒中による上肢機能不全のリハビリテーションに一般的に適用されます。これは、神経可塑性を高めるために使用され、個々の神経学的欠陥と機能的要求に大きく依存しています 7 .しかし、タスク指向のトレーニング中に、手の機能が損なわれると、患者は物体の操作が困難になります。この例としては、把握不良やピンチ機能の制限が挙げられます。セラピストはまた、患者の指の動きを個別に導くのが難しいので、把握タスクのバリエーションを制限します。ロボットデバイスは、繰り返しトレーニング,2、8の間に手の動きを明示的に導くことによって、タスク指向のトレーニングの有効性を高めるために必要です。
これまでの研究では、上肢のタスクに達するタスク指向のトレーニングにのみリハビリテーションロボットを使用しました 3.手の機能をターゲットにしたタスク指向のトレーニングにどのようにロボット支援リハビリテーションを採用できるかは不明です。外骨格の手、HWARDは、指を導いて物体をつかんで解放するために使用されています8.しかし、この装置は必要な自由度を欠いているため、様々な把握パターンを認めずに済みます。最近、患者の指を個別に動かすことを目的とする他の装置が9に開発された。しかし、これらの装置は以前は神経リハビリテーションに使用されていなかった。上記のロボットデバイスはすべて一方的なロボットです。対照的に、ここで提示されたロボットハンドシステムは、影響を受けない、影響を受ける手の協力を必要とします。ロボットハンドシステムは、対称的なバイマニュアルの手の動きを達成するためにマスタースレーブ機構を使用してリハビリテーション目的のために特別に設計されています。システムは外骨格の手(影響を受けた手に身に着けている)、コントロールボックス、感覚手袋(影響を受けない手に着用)で構成されています。外骨格の手の各指モジュールは、自由度が1つのモーターによって駆動され、その関節は機械的な結合システムを使用して連結される。S と M の 2 つのサイズは、異なる被験者に適合するように設計されています。制御ボックスは2つの治療モード、運動の受動範囲(PROM)およびミラーガイド動きモードを提供し、患者の影響を受ける手は外骨格の手によって操作することができる。PROM モードでは、コントロールボックスは入力コマンドを外骨格に送信し、被験者の手を動かして完全な指の屈曲/伸展を行います。これは、2つのモードが含まれています:単一の指モード(親指から小指に順番に作用する)と5本の指モード(5本の指が一緒に移動する)。ミラー誘導モーションモードでは、マスター(センサ手袋)-スレーブ(外骨格手)機構が実装され、各指の動きをセンサーグローブで検出し、関節角の信号をコントロールボックスに伝達して外骨格の手を操作します。
ロボットハンドシステムを装備すると、被験者は、バイマニュアル移動訓練(BMT)10である影響を受けない手によって制御される外骨格の手の指導の下で、影響を10受けた手を動かすように指示された。According to previous research, BMT is able to activate similar neural pathways in both hemispheres of the brain and prevent the trans-hemisphere inhibition that hinders the recovery of neuronal function in the lesion hemisphere10.Brunnerら.11は、急性期下の脳卒中患者におけるBMTを制約誘発運動療法(CIMT)と比較した。彼らは、BMTがCIMTよりも両半球でより多くのニューラルネットワークを活性化する傾向があり、BMTとCIMTアプローチの間の手機能の改善に有意な差がないことを示唆した。スレイメン・マルコウンら12は、BMTを通じて、脳卒中患者がパレティック四肢制御とバイマニュアル制御の両方を再確立できることを示唆した。つまり、トレーニングは、影響を受ける腕の使用に焦点を当てたバイマニュアルタスクを含む必要があります。また、日常生活(ADL)11,12,12の活動には両手の調整が必要である。したがって、ロボットハンドシステムを身に着けている患者が把握またはつまむことができる脳卒中後の患者や物体のためのバイマニュアルロボット支援タスク指向のトレーニングプログラムを開発することが重要です。
本研究では、作業療法のニーズとリハビリテーションロボットの機械的特性に基づいて、さまざまな把握対象物を設計しました。脳卒中による遠位上肢機能不全患者に対するロボットリハビリテーション装置を用いて、タスク指向のトレーニングプロトコルを開発した。本研究の目的は、外骨格ロボットと新しく設計された把握物体を用いたタスク指向のトレーニングプログラムの実現可能性と受容性を調査することであった。

<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

ロボット支援手は、特に運動制御を失った脳卒中患者のために、上肢機能障害を有する患者のリハビリテーションに使用される。しかし、従来の職業訓練戦略をリハビリテーションロボットの使用にどのように適用できるかは不明である。新しいロボット技術と作業療法の概念は、障害のある上肢機能を有する患者が様々なピンチや把握機能を通じて影響を受ける手を使って物体を把握することを可能にするプロトコルを開発するために使用される。これを適切に行うために、ペグ、長方形の立方体、立方体、ボール、円筒形の棒の5種類のオブジェクトを使用しました。また、被験者の影響を受けた手に取り付けられ、影響を受けない手に取り付けられたセンサーグローブの動きに従うロボットハンド、ミラーハンドを装備しました(バイマニュアル運動トレーニング(BMT))。この研究は2つの段階を持っていました。トレーニングプログラムの実現可能性と受容性をテストするために、3人の健康な被験者が最初に募集されました。その後、脳卒中による手機能障害を有する3人の患者を募集し、3日間連続して実施されたトレーニングプログラムの実現可能性と受容性を確認した。毎日、患者は、運動の受動的な範囲での動きの5分、ロボット支援バイマニュアルの動きの5分、および5つのオブジェクトを使用してタスク指向のトレーニングの間に監視されました。その結果、ロボットの手と一緒に脳卒中を患った健康な被験者と被験者の両方が、物体を正常に把握できることを示した。健康な被験者と脳卒中を患った人の両方が、実現可能性と受容性の面でロボット支援タスク指向のトレーニングプログラムでうまくいった。

この研究には、3人の健康な被験者と3人の脳卒中後の被験者を含む合計6人の被験者が登録された。両グループの人口統計データを補足表 1に示します。健康なグループの平均年齢は28歳(範囲:24~30歳)であったのに対し、患者群の平均年齢は49歳(40~57歳)であった。患者群の平均評価スコアは、(1) MMSE=27 (26-29)、(2) FMA=11.3 (6-15)、(3) MAS=1、(4) ブルンストロームステージ=2であった。
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Development of a Novel Task-oriented Rehabilitation Program using a Bimanual Exoskeleton Robotic Hand

本研究では、手のリハビリテーションのための新しいロボット支援タスク指向プログラムの開発を報告する。発達過程は、脳卒中を起こし、その後の運動制御機能障害に苦しんだ健康な被験者と被験者の両方を用いた実験から成る。

バイマニュアル外骨格ロボットハンドを用いた新規タスク指向リハビリテーションプログラムの開発

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 ...

このロボット支援、タスク指向のトレーニングプロトコルは、神経学的欠陥によって引き起こされる手機能障害を有する患者のために開発された。私たちのプロトコルは、手機能リハビリテーションのためのロボットハンドとタスク指向のトレーニングプログラムを統合する最初のものであり、プロトコルの実現可能性と受容性を調査する最初のものです。トレーニングプロトコルを使用して操作できる特殊なオブジェクトを設計しました。その後、ロボットハンドシステムをバイマニュアル移動トレーニングに適用できます。この手順のデモンストレーションは、私の部署の作業療法士であるYi-Mei ChenとSzu-Shen Laiです。分析を開始する前に、センサーを被写体の影響を受けない手に置き、フックアンドループテープを使用して手首を固定します。きれいなパッドを使用して、影響を受ける手を包み、フックとループテープをしっかりと固定します。外骨格の手の親指機構を緩めて親指開口角度の調整を可能にし、影響を受けた手を外骨格の手に置きます。フックを締め、締めリングを通して手のひらにループします。その後、指を1本ずつ締め、人差し指で始まり、親指で仕上げます。フックとループテープを締めリングを通して手首に平行に留め、親指を快適な角度に調整します。次に親指機構を締めます。コントロールボックスを設定するには、外骨格手用のケーブルを挿入し、センサーグローブ用のケーブルを挿入します。両方のケーブルをコントロールボックスのソケットに差し込み、電源ケーブルをコントロールボックスに差し込みます。次に、電源ケーブルを正しい電圧でコンセントに接続します。システムとサブジェクトの準備ができたら、コントロールボックスに切り替え、モードをファイブフィンガーに設定して、外骨格の手が被検者の指を受動的に動かせます。外骨格の手で案内された把握と解放のタスクを2.5分間実行するように被験者に依頼する。モードをシングルフィンガーに切り替えます。次に、外骨格の手が被検者の指を個別に、受動的に動かし、被験者は個々の指を2.5分間伸ばして引き込む。ロボット支援バイマニュアル移動セッションの場合は、モードをMirrorに切り替えて、センサーグローブを装着している影響を受けない手の動きを可能にして、外骨格の手の動きを制御できるようにします。ロボットハンドシステムを使用して物体を操作する被験者の能力の試験を行うために、外骨格の手を被験者の影響を受けない手にフィットさせ、センサーグローブを示したように影響を受けない手に合わせ、被験者の肘と外骨格の手の下にスリングを置いて患部の腕を支える。次に、ちょうど示したようにウォームアップセッションを行います。ウォームアップの後、ロボットハンドシステムを5分間使用して、パルマーの先触を使用してペグを拾う、長方形の立方体を拾う横の先入れ、立方体を拾う3ポイントチャック、ボールを拾うための球状の把握、円筒形の把握など、設計されたオブジェクトを操作する方法を実証します。デモの後、二つの基地を被験者の手の前に二国間に置き、その操作を助けるために1つの基地の上にオブジェクトを置きます。被験者はロボットハンドシステムを使用して、各オブジェクトを3日間連続して20回把握し、ベースの領域から始めて、各オブジェクトを正中線に持ち上げ、移動させ、解放し、各試行の成功率を監視および記録します。本代表分析では、3人の健常者と3人の脳卒中後被験者が評価された。健常群の平均年齢は28歳であったのに対し、患者群の平均年齢は49歳であった。ミニメンタル状態検査、Fugl-Meyer評価、修正アシュワーススケール指、およびブルンストロームステージスコアも患者ごとに得られた。健康なグループの被験者は、ロボットハンドシステムの有無にかかわらず、すべてのオブジェクトを完全に操作し、すべてのタスクの平均成功率は100%でした。しかし、すべての患者は、ロボットハンドシステムなしで物体を操作するのが困難であり、すべての物体に対して0%の成功率を示した。対照的に、ロボットハンドシステムを使用すると、すべての患者の成功率が大幅に増加し、健康な被験者で観察されたものと同様の速度に近づき、脳卒中患者でロボットハンドシステムを使用する可能性をサポートしています。バイマニュアルの移動訓練中に二国間の手の移動制御に集中し、物体の把握パターンが正しいことを確認するように被験者に思い出させる。この手順に従って、無作為化比較試験は、トレーニングプロトコルの治療効果を決定するために必要とされる。この技術を使用して、研究者は重度の手機能障害のための繊細な指の動きを持つリハビリテーションプロトコルをプログラムすることができ、脳神経可塑性および機能的転帰への影響を探求することができる。

Research

JoVE Journal

Medicine

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