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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Este proyecto fue apoyado por Chang Gung Medical Foundation con la subvención BMRP390021 y el Ministerio de Ciencia y Tecnología con subvenciones MOST 107-2218-E-182A-001 y 108-2218-E-182A-001.

El protocolo de capacitación y el documento de consentimiento informado fueron revisados y aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la Chang Gung Medical Foundation. Los detalles del estudio y los procedimientos se explicaron claramente a cada tema.
1. Reclutamiento de tres adultos sanos
<ol><li>Realice el proceso de selección utilizando los siguientes criterios de inclusión: (1) edad de 20 a 60 años, (2) consentimiento informado ya firmado, (3) función normal en las extremi...

<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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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>

Los resultados de este estudio mostraron lo siguiente: (1) ambos grupos podían agarrar con éxito los objetos provistos con el sistema de mano robótica. Fueron capaces de completar esta tarea con una tasa de éxito de casi el 100%, lo que verifica la viabilidad del programa de capacitación orientado a tareas asistida por robots propuesto. (2) No hubo informes de lesiones o acontecimientos adversos durante el período de estudio y todos los pacientes informaron que el sistema robótico de manos era útil para manipular...

La mayoría (80%) pacientes de accidente cerebrovascular experimentan un déficit en la mano y tienen dificultad para realizar de forma independiente tareas manuales que son pertinentes para la vida diaria1. Sin embargo, la naturaleza compleja de las tareas manuales significa que es un desafío significativo diseñar un programa de formación orientado a tareas para la rehabilitación manual2. En los últimos años, muchos dispositivos robóticos se han desarrollado para la rehabilitación manual3,,4,pero pocos protocolos de entrenamiento asistidos por dispositivos robóticos permiten al paciente interactuar con objetos reales. No está claro exactamente cómo se puede aplicar un programa de entrenamiento orientado a tareas para la rehabilitación de la función de la mano utilizando dispositivos robóticos para pacientes que experimentan disfunción de la mano debido a un accidente cerebrovascular.
El entrenamiento orientado a tareas se utiliza para mejorar la función de la mano5,6 y se aplica comúnmente en la rehabilitación de la disfunción de las extremidades superiores debido a un accidente cerebrovascular. Se utiliza para aumentar la neuroplasticidad y depende en gran medida de los déficits neurológicos individuales y las demandas funcionales7. Sin embargo, durante el entrenamiento orientado a tareas, los pacientes experimentan dificultades para manipular objetos si la función de la mano se ve afectada. Ejemplos de esto incluyen funciones de agarre deficientes o de pellizcar limitadas. Los terapeutas también muestran dificultad para guiar los movimientos de los dedos de los pacientes individualmente, lo que limita la variación de las tareas de agarre. Por lo tanto, los dispositivos robóticos son necesarios para aumentar la eficacia del entrenamiento orientado a las tareas guiando explícitamente el movimiento de la mano durante el entrenamiento repetitivo2,,8.
Estudios anteriores sólo utilizaban robots de rehabilitación para el entrenamiento orientado a tareas en las tareas de alcanzar las extremidades superiores3. No está claro cómo se puede emplear la rehabilitación asistida por robot para el entrenamiento orientado a tareas en función de la mano. Una mano de exoesqueleto, HWARD, se ha utilizado para guiar los dedos para agarrar y liberar objetos8. Sin embargo, este dispositivo no permite patrones de agarre variados porque carece de los grados necesarios de libertad. Recientemente, otros dispositivos que apuntan a mover los dedos de un paciente individualmente se han desarrollado9. Sin embargo, estos dispositivos no se han utilizado previamente para la neurorrehabilitación. Los dispositivos robóticos mencionados anteriormente son todos robots unilaterales. Por el contrario, el sistema de manos robóticas presentado aquí necesita la cooperación de manos no afectadas y afectadas. El sistema de mano robótico está diseñado específicamente para fines de rehabilitación utilizando el mecanismo maestro-esclavo para lograr movimientos simétricos de la mano bimanual. El sistema consiste en una mano de exoesqueleto (desgastada en la mano afectada), una caja de control y un guante sensorial (usado en la mano no afectada). Cada módulo de dedo de la mano de exoesqueleto es accionado por un motor con un grado de libertad y sus articulaciones están unidas mediante un sistema de vinculación mecánica. Dos tamaños, S y M, están diseñados para adaptarse a diferentes temas. La caja de control proporciona dos modos terapéuticos, el rango pasivo de movimiento (PROM) y los modos de movimiento guiado por espejo, a través de los cuales la mano afectada del paciente puede ser manipulada por la mano de exoesqueleto. En el modo PROM, el cuadro de control envía comandos de entrada al exoesqueleto mientras mueve la mano del sujeto para realizar la flexión/extensión completa del dedo. Contiene dos modos: modo de un solo dedo (actúa en secuencia desde el pulgar hasta el dedo meñique) y el modo de cinco dedos (cinco dedos se mueven juntos). En el modo de movimiento guiado por espejo, se implementa el mecanismo maestro (guante sensor) -esclavo (mano de exoesqueleto), en el que el movimiento de cada dedo es detectado por el guante del sensor y las señales de los ángulos de la articulación se transmiten a la caja de control para manipular la mano del exoesqueleto.
Cuando se equipó el sistema de mano robótica, se instruyó a los sujetos a mover sus manos afectadas bajo la guía de la mano de exoesqueleto controlada por manos no afectadas, que es el entrenamiento de movimiento bimanual (BMT)10. Según investigaciones anteriores, BMT es capaz de activar vías neuronales similares en ambos hemisferios del cerebro y prevenir la inhibición del hemisferio trans hemisferio que dificulta la recuperación de la función neuronal en el hemisferio de la lesión10. Brunner et al.11 compararon BMT con la terapia de movimiento inducida por restricciones (CIMT) en pacientes con accidente cerebrovascular subagudo. Sugirieron que BMT tiende a activar más redes neuronales en ambos hemisferios que el CIMT, y no hubo diferencia significativa en la mejora de la función de la mano entre los enfoques BMT y CIMT. 12 también sugirieron que, a través de BMT, los pacientes con accidente cerebrovascular son capaces de restablecer tanto el control parético de las extremidades como el control bimanual. Es decir, la formación debe comprender tareas bimanuales que se centran en el uso del brazo afectado. Además, la coordinación de ambas manos es necesaria para las actividades de la vida diaria (ADL)11,12. Por lo tanto, es crucial desarrollar un programa bimanual de entrenamiento orientado a tareas asistida por robot para pacientes post-carrera y objetos que pueden ser agarrados o pellizcados por pacientes que usan el sistema robótico de manos.
En este estudio, se diseñaron una variedad de objetos de agarre basados en las necesidades de la terapia ocupacional y las propiedades mecánicas de los robots de rehabilitación. Se desarrolló un protocolo de entrenamiento orientado a tareas utilizando dispositivos de rehabilitación robótica para pacientes con disfunción distal de las extremidades superiores debido a un accidente cerebrovascular. El propósito de este estudio fue investigar la viabilidad y la aceptabilidad del programa de entrenamiento orientado a tareas utilizando un robot de exoesqueleto y objetos de agarre de nuevo diseño.

<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 asistida por robot se utiliza para la rehabilitación de pacientes con insuficiencia de la función de las extremidades superiores, especialmente para pacientes con accidente cerebrovascular con pérdida de control motor. Sin embargo, no está claro cómo se pueden aplicar las estrategias convencionales de formación ocupacional al uso de robots de rehabilitación. Las nuevas tecnologías robóticas y los conceptos de terapia ocupacional se utilizan para desarrollar un protocolo que permite a los pacientes con la función de las extremidades superiores deterioradas agarrar objetos utilizando su mano afectada a través de una variedad de funciones de pellizcar y agarrar. Para llevar a cabo esto adecuadamente, usamos cinco tipos de objetos: una clavija, un cubo rectangular, un cubo, una bola y una barra cilíndrica. También equipamos a los pacientes con una mano robótica, la mano de espejo,una mano de exoesqueleto que se ajusta a la mano afectada del sujeto y sigue el movimiento del guante del sensor instalado en su mano no afectada (entrenamiento de movimiento bimanual (BMT)). Este estudio tuvo dos etapas. Tres sujetos sanos fueron reclutados por primera vez para probar la viabilidad y aceptabilidad del programa de capacitación. Tres pacientes con disfunción de la mano causada por accidente cerebrovascular fueron reclutados para confirmar la viabilidad y aceptabilidad del programa de entrenamiento, que se llevó a cabo en 3 días consecutivos. En cada día, el paciente fue monitoreado durante 5 minutos de movimiento en un rango pasivo de movimiento, 5 minutos de movimiento bimanual asistido por robot, y entrenamiento orientado a tareas utilizando los cinco objetos. Los resultados mostraron que tanto los sujetos sanos como los sujetos que habían sufrido un derrame cerebral junto con la mano robótica podían agarrar con éxito los objetos. Tanto los sujetos sanos como aquellos que habían sufrido un derrame cerebral tuvieron un buen desempeño con el programa de entrenamiento orientado a tareas asistida por robot en términos de viabilidad y aceptabilidad.

Un total de seis sujetos fueron inscritos en este estudio, incluyendo tres sujetos sanos y tres sujetos post-accidente cerebrovascular. Los datos demográficos de ambos grupos se muestran en la Tabla complementaria 1. La edad media del grupo sano fue de 28 años (rango: 24–30), mientras que la edad promedio del grupo de pacientes fue de 49 (40–57). Las puntuaciones medias de la evaluación del grupo de pacientes fueron las siguientes: (1) MMSE-27 (26–29), (2) FMA-11.3 (6–15), (3) MAS-1, (4) etapa...

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

Este estudio informa del desarrollo de un novedoso programa orientado a tareas asistida por robots para la rehabilitación de manos. El proceso de desarrollo consiste en experimentos utilizando tanto sujetos sanos como sujetos que han tenido un accidente cerebrovascular y han sufrido de disfunción de control motor posterior.

Desarrollo de un novedoso programa de rehabilitación orientado a tareas utilizando una mano robótica de exoesqueleto bimanual

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 ...

Este protocolo de entrenamiento orientado a tareas asistido por robot fue desarrollado para pacientes con disfunción de la mano causada por déficits neurológicos. Nuestro protocolo es el primero en integrar un programa de formación orientado a tareas con una mano robótica para la rehabilitación de la función manual y el primero en investigar la viabilidad y la aceptabilidad del protocolo. Hemos diseñado objetos especializados que pueden ser manipulados mediante el protocolo de entrenamiento.A continuación, nuestro sistema de mano robótica se puede aplicar al entrenamiento de movimiento bimanual. Demostrando el procedimiento serán Yi-Mei Chen y Szu-Shen Lai, terapeutas ocupacionales de mi departamento. Antes de comenzar el análisis, coloque el sensor en la mano no afectada del sujeto y utilice la cinta de gancho y bucle para asegurar la muñeca.Utilice una almohadilla limpia para envolver la mano afectada y fije de forma segura la cinta de gancho y bucle. Afloje el mecanismo del pulgar de la mano del exoesqueleto para permitir el ajuste del ángulo de apertura del pulgar, y coloque la mano afectada en la mano del exoesqueleto. Fije el gancho y el lazo a la palma a través del anillo de fijación.Después de eso, sujeta los dedos uno por uno, comenzando con el dedo índice y terminando con el pulgar. Fije la cinta de gancho y bucle paralela a la muñeca a través del anillo de fijación y ajuste el pulgar a un ángulo cómodo. A continuación, apriete el mecanismo del pulgar.Para configurar la caja de control, inserte el cable para la mano de exoesqueleto e inserte el cable para el guante del sensor. Inserte ambos conjuntos de cables en el zócalo de la caja de control e inserte el cable de alimentación en la caja de control. A continuación, conecte el cable de alimentación a una toma de corriente con la tensión correcta.Cuando el sistema y el sujeto estén listos, cambie a la caja de control y establezca el modo en Cinco dedos para permitir que la mano del exoesqueleto mueva los dedos del sujeto pasivamente. Pida al sujeto que realice una tarea de agarre y liberación guiada por la mano del exoesqueleto durante 2,5 minutos. Cambie el modo a Un solo dedo.Luego, deje que la mano del exoesqueleto mueva los dedos del sujeto individual y pasivamente mientras el sujeto extiende y retrae los dedos individuales durante 2,5 minutos. Para una sesión de movimiento bimanual asistida por robot, cambie el modo a Espejo para permitir el movimiento de la mano no afectada usando el guante del sensor para controlar los movimientos de la mano del exoesqueleto. Para llevar a cabo un ensayo de la capacidad del sujeto para manipular objetos utilizando el sistema de mano robótica, ajuste la mano del exoesqueleto a la mano no afectada del sujeto y el guante del sensor a la mano no afectada como se acaba de demostrar, y coloque un cabestrillo debajo del codo del sujeto y la mano de exoesqueleto para apoyar el brazo afectado.A continuación, realice una sesión de calentamiento como se acaba de demostrar. Después del calentamiento, utilice el sistema de mano robótica durante cinco minutos para demostrar cómo manipular los objetos diseñados, incluyendo el uso de la prehensión palmar para recoger la clavija, una prehensión lateral para recoger el cubo rectangular, un mandril de tres puntos para recoger el cubo, un agarre esférico para recoger la pelota, y un agarre cilíndrico para recoger la barra cilíndrica. Después de la demostración, coloque dos bases bilateralmente delante de las manos del sujeto y coloque los objetos en la parte superior de una base para ayudar en su manipulación.Pida al sujeto que utilice el sistema de mano robótico para agarrar cada objeto 20 veces al día durante tres días consecutivos, comenzando en el área de la base y levantando, moviéndose y liberando cada objeto en la línea media mientras monitorea y registra la tasa de éxito para cada intento. En este análisis representativo, se evaluaron tres sujetos sanos y tres sujetos post-accidente cerebrovascular. La edad media del grupo sano fue de 28 años, mientras que la edad media del grupo de pacientes fue de 49 años.También se obtuvieron puntuaciones de Mini-Mental State Examination, Fugl-Meyer Assessment, Modified Ashworth Scale y Brunnstrom stage scores para cada paciente. Los sujetos del grupo sano manipularon perfectamente todos los objetos con y sin el sistema de mano robótica, con una tasa media de éxito del 100% para cada tarea. Todos los pacientes, sin embargo, mostraron dificultades para manipular los objetos sin el sistema de mano robótica, demostrando una tasa de éxito del 0% para todos los objetos.Por el contrario, todas las tasas de éxito del paciente aumentaron significativamente cuando se utilizó el sistema robótico de manos, acercándose a tasas similares a las observadas en sujetos sanos, apoyando la viabilidad de utilizar el sistema robótico de manos en pacientes con accidente cerebrovascular. Recuerde a los sujetos que se concentren en el control del movimiento de sus manos bilaterales durante el entrenamiento de movimiento bimanual, asegurándose de que los patrones de agarre en los objetos son correctos. Después de este procedimiento, se requiere un ensayo controlado aleatorio para determinar los efectos terapéuticos del protocolo de entrenamiento.Usando esta técnica, los investigadores pueden programar protocolos de rehabilitación con movimiento delicado de los dedos para la disfunción severa de la mano y pueden explorar los efectos sobre la neuroplasticidad cerebral y los resultados funcionales.

Research

JoVE Journal

Medicine

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Pruebas musculares manuales: un método para medir fuerza de las extremidades muscular aplicada a los pacientes críticos

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