بروتوكول تأهيل منظم لتحسين الوظائف الترقيعي التحكم: دراسة حالة
Summary
As prosthetic development moves towards the goal of natural control, harnessing amputees’ inherent ability to learn new motor skills may enable proficiency. This manuscript describes a structured rehabilitation protocol, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning strategies, for improved multifunctional prosthetic control.
Abstract
وقد أدى التقدم في النظم الروبوتية في الأطراف الاصطناعية للالطرف العلوي التي يمكن أن تنتج حركات متعددة الوظائف. ومع ذلك، فإن هذه النظم المتطورة تتطلب مبتوري الأطراف الطرف العلوي لمعرفة مخططات السيطرة المعقدة. البشر لديهم القدرة على تعلم حركات جديدة من خلال التقليد واستراتيجيات التعلم الأخرى. يصف هذا البروتوكول وسيلة لإعادة التأهيل المنظم، والذي يتضمن التقليد، والتكرار، وتعزيز التعلم، ويهدف إلى تقييم ما إذا كانت هذه الطريقة يمكن تحسين السيطرة على الاصطناعية متعددة الوظائف. A اليسار تحت الكوع مبتوري الأطراف، مع 4 سنوات من الخبرة في استخدام الأطراف الاصطناعية، وشارك في دراسة الحالة هذه. كان البدلة تستخدم يد مايكل أنجلو مع دوران المعصم، والميزات المضافة للانثناء الرسغ والإرشاد، والتي سمحت المزيد من مزيج من حركات اليد. تحسنت ساوثامبتون اليد إجراء تقييم درجة المشارك 58-71 بعد تدريب منظم. هذا يشير إلى أن بروتوكول تدريبي منظم من imitأوجه، والتكرار والتعزيز قد يكون لها دور في التعلم للسيطرة على يد اصطناعية جديدة. ومع ذلك مطلوب دراسة سريرية أكبر لدعم هذه النتائج.
Introduction
استبدال وظيفة اليد في مبتوري الأطراف هو مسعى صعب. تنسيق حركات اليد الماهرة للغاية ليس قدرة فطرية، ويأخذ البشر سنوات من التعلم لتطوير 1-5 بعد الخسارة المؤلمة من ناحية، تكرار هذه القدرة عن طريق الاصطناعية ليست بالأمر الهين، وقد تتطلب فترة من التعلم المستدام .
تصميم الاصطناعية وأساليب التواصل لسيطرتهم تخضع للابتكارات التكنولوجية السريعة، وذلك بهدف التحكم متعددة الوظائف بطريقة طبيعية. 6 تعقيد هذه الأنظمة تحكم يزيد إلى حد كبير في توفير المزيد من الوظائف للمبتورين. لضمان مراقبة دقيقة من هذه الأنظمة، والحد من التخلي عن التكنولوجيات الجديدة، يحتاج التدريب الكافي الذي سينشأ. هذا ومن المرجح أن يكون أكثر نجاحا إذا كان قائما على استراتيجيات التعلم الملازمة لمبتوري الأطراف ".
الرؤية يمكن أن تلعب دورا هاما أثناء جنيهأرنينج من حركات اليد. وقد أظهرت الدراسات السلوكية التي من خلال مراقبة تصرفات الآخرين (7) أو باستخدام الإشارات البصرية 8، والأفراد القادرين على العمل التعلم وتنسيق حركات جديدة. من خلال عملية الرصد والفهم وتنفيذ إجراء الملاحظة، والأفراد قادرين على تقليد تصرفات الآخرين. شبكات القشرية محددة، والتي قد تشمل نظام مرآة الخلايا العصبية (MNS)، ويعتقد أنها وراء هذه القدرة، ويمكن أن يكون لها دور في السيطرة على أطرافه الاصطناعية. 9-11
دور التقليد قد لا يكون مجرد تقتصر على تنفيذ الإجراءات التي سبق أن رأينا، ولكن جنبا إلى جنب مع MNS، والسماح للتنفيذ الحركات التي لم يتم بعد لاحظت لكن استقراء من ريبيتويري السيارات المراقب. 12 وفي الواقع، قد التقليد ليس بالضرورة تكون قدرة فطرية، ولكن التراكم المهارات الحركية مع مرور الوقت أن يؤدي إلى إجراءات من ذوي الخبرة ومتطورة. 13 شارع، وقد تبين rength من مراقبة الإجراءات، ما يزيد قليلا ببساطة تخيل لهم لتحسين تعلم المهام الجديدة. 14 وهكذا، قد يكون التقليد اتباع نهج عملي للمبتورين التدريب، وتشير الدلائل إلى أنه هدف توجه عملية 15، مع هدف في الإعداد لإعادة التأهيل تمكين مفيدة التعويضية وظيفة اليد.
وقد أظهرت دراسات التأهيل بشكل منفصل أن الإشارات البصرية، مثل المحاكاة الافتراضية اليد الاصطناعية، وتشجيع مبتوري الأطراف خلال التدريب التأهيل. 16 وبالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت استخدام التكرار عندما أجريت في نموذج منعت لتمكين التعلم السريع لعلوى للأطراف الاصطناعية السيطرة. 17 وبينما ثبت المحاكاة الافتراضية أن تكون فعالة بنفس القدر من السيطرة الحقيقية على الأيدي الاصطناعية في تمكين المستخدمين abled الجسم للسيطرة على أجهزة كهربية العضل، 18 تأثيرها على مبتوري الأطراف باستخدام مقاييس النتائج موحدة غير واضح. أخيرا، حيث بروتوكولات الطرف العلوي ampuالتدريب الكساء موجود، لا يتم مناقشة دور التقليد في التعلم من السيطرة الاصطناعية صراحة. 19،20
تهدف هذه الدراسة إلى فهم إذا كان استخدام التقليد، بالاشتراك مع التكرار والتعزيز، له تأثير إيجابي على التعلم من السيطرة الاصطناعية متعددة الوظائف كجزء من برنامج تدريبي منظم.
المقدمة في هذه الوثيقة هي تقرير حالة بتر transradial الذي كان تدريبهم على استخدام اليد الاصطناعية متعددة الوظائف. قد المشارك تصبح سابقا اعتادوا على تشغيل الأطراف الاصطناعية كهربية العضل التقليدية. باستخدام الإشارات البصرية، سواء في شكل تقليد أحد المتظاهرين صحي والبساطة الكمبيوتر ردود الفعل البصري، وبتر تحسنت بسرعة التعامل مع الجهاز الجديد.
Protocol
Representative Results
Discussion
النتائج التي توصلنا إليها تشير للمشارك في هذه الدراسة أن التدريب المنظم ساعد تحسين السيطرة على اليد الاصطناعية متعددة الوظائف خلال جلسة واحدة. وكان برنامج منظم المستخدمة هنا مزيج من التقليد والتكرار والتعزيز من حركات اليد أن المشاركين لم يكن قادرا على إكمال بيده ال…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أود أن أشكر السيد هانز لل oppel وله الفنيين الاصطناعية أوتو بوك منتجات الرعاية الصحية GmbH للتصنيع مأخذ المستخدمة من قبل المشاركين في هذه الدراسة. وأيد هذه الدراسة ماليا من قبل المجلس الأوروبي للبحوث (ERC) عن طريق هيئة الإنصاف والمصالحة المتقدم غرانت DEMOVE (رقم 267888)، ومجلس النمساوي للبحوث والتنمية التكنولوجية، والوزارة الاتحادية النمساوية للعلوم والبحوث والاقتصاد.
Materials
| Michelangelo Hand | Otto Bock Healthcare Products GmbH, A | 8E500=L-M | |
| AxonRotation | Otto Bock Healthcare Products GmbH, A | 9S503 | |
| Wrist Flexor | Otto Bock Healthcare Products GmbH, A | – | prototype unit |
| AxonMaster | Otto Bock Healthcare Products GmbH, A | 13E500 | |
| Electrode | Otto Bock Healthcare Products GmbH, A | 13E200=50AC | |
| ScissorFenceElectrodeCarrier | Otto Bock Healthcare Products GmbH, A | – | prototype unit |
| Acquisition Software | Otto Bock Healthcare Products GmbH, A | – | prototype unit |
| Carbon shaft | Otto Bock Healthcare Products GmbH, A | – | prototype unit |
Referenzen
- Forssberg, H., Eliasson, A. C., Kinoshita, H., Johansson, R. S., Westling, G. Development of human precision grip. I: Basic coordination of force. Experimental Brain Research. 85 (2), 451-457 (1991).
- Forssberg, H., Kinoshita, H., Eliasson, A. C., Johansson, R. S., Westling, G., Gordon, A. M. Development of human precision grip. II. Anticipatory control of isometric forces targeted for object’s weight. Experimental Brain Research. 90 (2), 393-398 (1992).
- Gordon, A. M., Forssberg, H., Johansson, R. S., Eliasson, A. C., Westling, G. Development of human precision grip. III. Integration of visual size cues during the programming of isometric forces. Experimental Brain Research. 90 (2), 399-403 (1992).
- Forssberg, H., Eliasson, A. C., Kinoshita, H., Westling, G., Johansson, R. S. Development of human precision grip. IV. Tactile adaptation of isometric finger forces to the frictional condition. Experimental Brain Research. 104 (2), 323-330 (1995).
- Eliasson, A. C., et al. Development of human precision grip. V. anticipatory and triggered grip actions during sudden loading. Experimental Brain Research. 106 (3), 425-433 (1995).
- Roche, A. D., Rehbaum, H., Farina, D., Aszmann, O. C. Prosthetic Myoelectric Control Strategies A Clinical Perspective. Current Surgery Reports. 2 (44), (2014).
- Buccino, G., et al. Neural circuits underlying imitation learning of hand actions: An event-related fMRI study. Neuron. 42 (2), 323-334 (2004).
- Saunders, J. A., Knill, D. C. Humans use continuous visual feedback from the hand to control fast reaching movements. Experimental Brain Research. 152 (3), 341-352 (2003).
- Rizzolatti, G., Craighero, L. The mirror-neuron system. Annual Review of Neuroscience. 27, 169-192 (2004).
- Maruishi, M., et al. Brain activation during manipulation of the myoelectric prosthetic hand: a functional magnetic resonance imaging study. NeuroImage. 21 (4), 1604-1611 (2004).
- Cusack, W. F., et al. A Neural activation differences in amputees during imitation of intact versus amputee movements. Frontiers in Human Neuroscience. 6 (June), 182 (2012).
- Vogt, S., Buccino, G., Wohlschläger, A. M., Canessa, N., Shah, J. N., Zilles, K., Eickhoff, S. B., Freund, H. J., Rizzolatti, G., Fink, G. R. Prefrontal involvement in imitation learning of hand actions: Effects and expertise. Neuroimage. 37 (4), 1371-1383 (2007).
- Gonzalez-Rosa, J. J., Natali, F., Tettamanti, A., Cursi, M., Velikova, S., Comi, G., Gatti, R., Leocani, L. Action observation and motor imagery in performance of complex movements: Evidence from EEG and kinematics analysis. Behavioural Brain Research. 281, 290-300 (2015).
- Bekkering, H., Wohlschläger, A. M., Gattis, M. Imitation of gestures in children is goal-directed. The Quarterly Journal of Experimental Psychology. 53 (1), 153-164 (2000).
- Catmur, C., Walsh, V., Heyes, C. Associative sequence learning: the role of experience in the development of imitation and the mirror system. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 364 (1528), 2369-2380 (2009).
- Resnik, L., Etter, K., Klinger, S. L., Kambe, C. Using virtual reality environment to facilitate training with advanced upper-limb prosthesis. Journal of Rehabilitation Research and Development. 48 (6), 707-718 (2011).
- Bouwsema, H., van der Sluis, C. K., Bongers, R. M. The role of order of practice in learning to handle an upper-limb prosthesis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 89 (9), 1759-1764 (2008).
- Bouwsema, H., vander Sluis, C. K., Bongers, R. M. Learning to control opening and closing a myoelectric hand. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 91 (9), 1442-1446 (2010).
- Simon, A. M., Lock, B. A., Stubblefield, K. A. Patient training for functional use of pattern recognition-controlled prostheses. Journal of Prosthetics and Orthotics JPO. 24 (2), 56-64 (2012).
- Stubblefield, K. A., Miller, L. A., Lipschutz, R. D., Kuiken, T. A. Occupational therapy protocol for amputees with targeted muscle reinnervation. The Journal of Rehabilitation Research and Development. 46 (4), 481 (2009).
- Amsüss, S., Roche, A. D., Göbel, P., Graimann, B., Farina, D., Aszmann, O. C. Regaining high functional, multiple degrees of freedom hand control following bionic reconstruction. , (2014).
- Dosen, S., Muller, K. -. R., Farina, D. Myoelectric Control of Artificial Limbs—Is There a Need to Change Focus [In the Spotlight]. IEEE Signal Processing Magazine. 29 (5), (2012).
- Amsuess, S., Gobel, P., Graimann, B., Farina, D. A Multi-Class Proportional Myocontrol Algorithm for Upper Limb Prosthesis Control: Validation in Real-Life Scenarios on Amputees. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : A Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 4320(c), 1-11 (2014).
- Light, C. M., Chappell, P. H., Kyberd, P. J. Establishing a Standardized Clinical Assessment Tool of Pathologic and Prosthetic Hand Function: Normative Data, Reliability, and Validity. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 83 (6), 776-783 (2002).
- Wolpert, D. M., Ghahramani, Z., Jordan, M. I. An internal model for sensorimotor integration. Science (New York, N.Y). 269 (5232), 1880-1882 (1995).
- Shadmehr, R., Mussa-Ivaldi, F. A. Adaptive representation of dynamics during learning of a motor task. The Journal of Neuroscience the Official Journal of the Society for Neuroscience. 14 (5 Pt 2), (1994).
- Hogervorst, T., Brand, R. A. Mechanoreceptors in joint function. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 80 (9), 1365-1378 (1998).
- Bosco, G., Poppele, R. E. Proprioception from a spinocerebellar perspective. Physiological Reviews. 81 (2), 539-568 (2001).
- Iacoboni, M., Molnar-Szakacs, I., Gallese, V., Buccino, G., Mazziotta, J. C. Grasping the intentions of others with one’s own mirror neuron system. PLoS Biology. 3 (3), 0529-0535 (2005).
- Williams, J. H. G., Whiten, A., Waiter, G. D., Pechey, S., Perrett, D. I. Cortical and subcortical mechanisms at the core of imitation. Social Neuroscience. 2 (1), 66-78 (2007).
- Allison, T., Puce, A., McCarthy, G. Social perception from visual cues: Role of the STS region. Trends in Cognitive Sciences. 4 (7), 267-278 (2000).
- Thompson, J. C., Hardee, J. E., Panayiotou, A., Crewther, D., Puce, A. Common and distinct brain activation to viewing dynamic sequences of face and hand movements. NeuroImage. 37 (3), 966-973 (2007).
- Binkofski, F., et al. A fronto-parietal circuit for object manipulation in man: Evidence from an fMRI-study. European Journal of Neuroscience. 11 (9), 3276-3286 (1999).
- Iacoboni, M. Cortical Mechanisms of Human Imitation. Science. 286 (5449), 2526-2528 (1999).
