Структурный Протокол реабилитации Улучшение Многофункциональный ортопедической контроля: тематическое исследование
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
Достижения в робототехнических систем привели протезов для верхней конечности, которые могут производить многофункциональные движения. Тем не менее, эти сложные системы требуют верхние конечности с ампутированными конечностями, чтобы узнать сложных схем управления. Люди имеют возможность выучить новые движения через подражание и других стратегий обучения. Этот протокол описывает метод реабилитации структурированный, который включает в себя имитацию, повторение, и обучение с подкреплением, и направлена на оценку, если этот метод может улучшить многофункциональный протез контроль. Левый локоть ниже ампутантов, с 4 лет опыта работы в ортопедической использования, приняли участие в этом исследовании. Протез был использован рука Микеланджело с вращением запястья, и добавленные особенности запястье сгибания и разгибания, которые позволили более комбинаций движений рук. Порядок Саутгемптон рук Оценка оценка участника улучшилось от 58 до 71 следующая структурированной подготовки. Это говорит о том, что структурированная подготовка протокола Imitвания, повторение и закрепление может иметь роль в изучении контролировать новый протез руки. Большее клиническое исследование, однако, требуется, чтобы поддержать эти выводы.
Introduction
Замена функции рук в ампутированными конечностями является сложной задачей. Координация высококвалифицированных движения рук не врожденная способность, и принимает людей лет обучения развиваться. 1-5 После травматического потере руки, тиражирование эту возможность, протезно средств не является тривиальной задачей и может потребовать период устойчивого обучения ,
Ортопедическая конструкция и интерфейсные методы их контроля, подвержены частым технологических инноваций, с целью многофункционального управления в естественным образом. 6 Сложность этих систем управления существенно возрастает, чтобы обеспечить больше функций для людей с ампутированными конечностями. Для обеспечения точного контроля таких систем, а также снизить отказ от новых технологий, должна быть установлена адекватная подготовка. Это, вероятно, будет более успешным, если оно основано на присущих стратегии Изучение людей с ампутированными конечностями.
Видение может играть важную роль во время леАрнинг движений руки. Поведенческие исследования показали, что, наблюдая за действиями других 7 или с помощью визуальных подсказок 8, трудоспособные люди учатся и координировать новые движения. В рамках процесса наблюдения, понимания и исполнения наблюдаемого действия, люди в состоянии подражать действиям других. Конкретные корковых сети, которые могут включать в себя систему зеркально-нейронной (MNS), как полагают, лежат в основе этой возможности, и может иметь роль в управлении протезами. 9-11
Роль подражания не может быть просто ограничена выполнением действия, которые уже были видны, но вместе с МНБ, разрешить выполнение движений, которые еще не наблюдались, но экстраполированных от автомобильного репертуар наблюдателя. 12 В самом деле, имитация не обязательно быть врожденной способностью, но накопительной двигательных навыков во времени, что приведет к опытных и изощренных действий. 13-йrength наблюдения действия, более просто воображая их, как было показано, улучшить качество обучения новые задачи. 14 Таким образом, имитация может быть прагматичный подход к подготовке людей с ампутированными конечностями, поскольку данные свидетельствуют, его цель направлена процесс 15, с целью в обстановке реабилитации стимулирующей полезную функцию протеза руки.
Исследования реабилитации Отдельно показано, что визуальные сигналы, такие как виртуальные моделирования протеза руки, поощрять ампутированными конечностями во время реабилитации обучения. 16 Кроме того, использование повторения, когда, проведенного в заблокированном парадигмы было показано, чтобы позволить быстрое изучение верхних конечностей протезов контроль. В то время как 17 виртуальных моделирования было доказано, чтобы быть столь же эффективным, как реальный контроль протезно руки в позволяя пользователям нарушениями здоровья тела, чтобы контролировать миоэлектрические устройств, 18 их влияние на людей с ампутированными конечностями, с использованием стандартизированных показателей исхода, не ясно. Наконец, где протоколы верхнего таблеток снабжено конечностейставление обучение существует, роль подражания в обучении ортопедической управления явно не обсуждается. 19,20
Это исследование направлено на понимание, если использование имитации, в сочетании с повторением и арматуры, оказывает положительное влияние на обучение многофункционального протезирования контроля в рамках структурированной программы обучения.
Представлен клинический случай из transradial ампутантов, который был обучен использовать многофункциональный протез руки. Участник ранее привыкли к работе традиционные миоэлектрические протезы. Использование визуальных ключей, как в виде имитации здорового демонстратора и, как простой компьютерной визуальной обратной связи, без ноги быстро улучшена обработка его нового устройства.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наши результаты показывают, для участника в этом исследовании, что структурированная подготовка помогла улучшить контроль многофункционального протезирования руки во время одной сессии. Структурированная программа, используемая здесь было сочетание имитационного, повторения и под…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить г-на Ханса Оппель и его протезно техников Otto Bock Healthcare Products GmbH для изготовления сокета, используемого участника в данном исследовании. Это исследование при финансовой поддержке Европейского исследовательского совета (ERC) через ERC Advanced Грант DEMOVE (№ 267888), австрийский совет по исследованиям и технологическому развитию, и австрийского федерального министерства науки, исследований и экономики.
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).
