使用双骨外骨骼机器人手开发面向任务的新康复计划

Summary

本研究报告了一个新的机器人辅助任务导向计划，为手恢复的发展。发育过程包括使用健康受试者和患有中风和随后运动控制功能障碍的受试者的实验。

Abstract

机器人辅助手用于上肢功能受损患者的康复，特别是失去运动控制的中风患者。然而，目前还不清楚传统职业培训战略如何应用于康复机器人的使用。新颖的机器人技术和职业治疗概念用于开发一种协议，允许上肢功能受损的患者通过各种捏合和抓握功能，使用受影响的手抓住物体。为了恰当地执行此操作，我们使用了五种类型的对象：挂钩、矩形立方体、立方体、球和圆柱形柱。我们还为患者配备了机器人手，镜手，一只外骨骼手，它安装在受感染者受影响的手上，并跟随传感器手套的运动安装到他们未受影响的手（双人运动训练（BMT）上）。这项研究分为两个阶段。首先招募了三个健康科目，以测试培训计划的可行性和可接受性。三名中风引起的手部功能障碍患者被招募，以确认连续3天进行的培训计划的可行性和可接受性。每天，在被动运动范围内，在5分钟的运动中监测患者，5分钟的机器人辅助双人运动，并使用5个物体进行任务导向训练。结果表明，健康受试者和与机器人手一起中风的受试者可以成功地抓住这些物体。健康受试者和中风患者在机器人辅助任务导向型培训计划中，在可行性和可接受性方面表现良好。

Introduction

最多 （80%）中风患者手部不足，难以独立执行与日常生活相关的人工^任务。然而，手工任务的复杂性质意味着，为手部康复2设计一个面向任务的培训计划是一个^重大挑战。近年来，许多机器人设备已经开发为^{手部康复,3，4，}但很少的训练协议辅助机器人设备允许病人与实际物体互动。目前还不清楚如何使用机器人设备为因中风而出现手功能障碍的患者应用以任务为导向的手功能康复培训计划。

以任务为导向的训练用于改善手部^{功能,5、6，}常用于中风导致的上肢功能障碍的康复。它用于增加神经可塑性，并高度依赖于个人神经缺陷和功能需求^7。然而，在面向任务的训练中，如果手部功能受损，患者很难操纵物体。这方面的例子包括抓握不良或捏合功能有限。治疗师在单独指导患者手指运动方面也表现出困难，因此限制了抓握任务的变化。因此，机器人设备是提高以任务为导向的训练的有效性，明确指导手部运动在重复^{训练,2，8。}

先前的研究只使用康复机器人进行以任务为导向的上肢训练，达到^任务3。目前还不清楚如何将机器人辅助康复用于面向任务的培训，培训对象是手部功能。外骨骼手HWARD，已经被用来引导手指抓住和释放物体^8。然而，这个设备不允许不同的抓握模式，因为它缺乏必要的自由度。最近，其他针对单独移动患者手指的设备已经开发出^9。然而，这些设备以前没有用于神经治疗。上述机器人设备都是单方机器人。相比之下，这里展示的机器人手系统需要未受影响的和受影响的手的合作。机器人手系统是专门为康复目的设计的，使用主-奴隶机制实现对称的双人手运动。该系统由外骨骼手（戴在受影响的手上）、一个控制箱和一个感官手套（戴在未受影响的手上）组成。外骨骼手的每个手指模块由具有一个自由度的电机驱动，其关节使用机械连杆系统连接。两种尺寸，S 和 M，设计用于适合不同的主题。控制箱提供两种治疗模式，被动运动范围（PROM）和镜面引导运动模式，通过这些模式，患者的受影响手可以通过外骨骼手进行操纵。在 PROM 模式下，控制框向外骨骼发送输入命令，同时移动主体的手以执行全指弯曲/扩展。它包含两种模式：单指模式（从拇指到小手指的顺序操作）和五指模式（五根手指一起移动）。在镜导运动模式下，实现主（传感器手套）-从（外骨骼手）机制，传感器手套检测每个手指的移动，关节角度的信号传输到控制箱，以操纵外骨骼手。

当装备机器人手系统时，受试者被指示在外骨骼手的引导下移动受影响的手，这是双动训练^{（BMT）10。}根据先前的研究，BMT能够激活大脑两个半球类似的神经通路，并防止跨半球抑制，阻碍病变半球^{10的神经元功能恢复}。Brunner等人^.11将BMT与亚急性中风患者的约束诱导运动疗法（CIMT）进行比较。他们提出，BMT倾向于激活两个半球比CIMT更多的神经网络，并且BMT和CIMT方法之间手部功能的改善没有显著差异。Sleimen-Malkoun^等人12日还建议，通过BMT，中风患者能够重新建立双肢控制与双人对照。也就是说，训练应该包括双人任务，重点是使用受影响的手臂。此外，协调双手是必要的日常生活活动（ADL）11，12。^11,12因此，为中风后患者和佩戴机器人手系统的患者可以抓住或捏合的物体制定双人机器人辅助任务导向培训计划至关重要。

本研究根据职业治疗的需要和康复机器人的机械性能设计了多种抓握物。利用机器人康复设备为中风导致的重头半肢功能障碍患者开发了一种以任务为导向的培训方案。本研究的目的是研究使用外骨骼机器人和新设计的抓握物体进行面向任务的培训计划的可行性和可接受性。

Protocol

培训协议和知情同意文件由长贡医学基金会机构审查委员会审查和批准。研究的细节和程序已清楚地向每个主题解释。 1. 招募三名健康成年人 使用以下包含标准执行筛查过程：（1） 年龄 20~60 岁，（2） 已签署知情同意书，（3） 上肢正常功能，（4） 迷你精神状态考试 （MMSE） 分数 +24。 进行试验 1：在不佩戴机器人手系统的情况下操纵物体。 指示对象?…

Representative Results

共有六个科目参加了这项研究，包括三个健康科目和三个中风后科目。两组的人口统计数据都见补充表1。健康组的平均年龄为28岁（范围：24~30岁），而患者组的平均年龄为49岁（40~57岁）。患者组的平均评估分数如下：（1） MMSE=27 （26–29），（2） FMA=11.3 （6+15），（3） MAS=1，（4） 布伦斯特伦阶段=2。 在步骤 1 中，健康组 （n=3） 中的受试者完美地操作了机器人…

Discussion

本研究结果表明：（1）两组可以成功掌握机器人手系统提供的物体。他们能够以接近100%的成功率完成这项任务，验证了拟议的机器人辅助任务导向培训计划的可行性。（2） 在研究期间没有伤害或不良事件的报告，所有患者都报告说，机器人手系统有助于操纵物体。这证实了机器人手系统和培训计划的可接受性。

这是第一个使用双边机器人手系统与真实物体^8，…

Materials

Control Box	Rehabotics Medical Technology Corporation	HB01	The control box includes a power supply, sensor glove signal receiver, motor signal transmitter, and exoskeletal hand motion mode selection unit.
Exoskeletal Hand	Rehabotics Medical Technology Corporation	HS01	It is a wearable device causing the patient's fingers to move and is driven by an external motor and mechanical assembly.
Sensor Glove	Rehabotics Medical Technology Corporation	HM01	Worn on the patient'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.