Entwicklung eines neuartigen aufgabenorientierten Rehabilitationsprogramms mit einer bimanualen Exoskelett-Roboterhand

Summary

Diese Studie berichtet über die Entwicklung eines neuartigen robotergestützten aufgabenorientierten Programms zur Handrehabilitation. Der Entwicklungsprozess besteht aus Experimenten mit gesunden Probanden und Probanden, die einen Schlaganfall hatten und an einer nachfolgenden Motorkontrollfunktionsstörung litten.

Abstract

Eine robotergestützte Hand wird zur Rehabilitation von Patienten mit eingeschränkter Funktion der oberen Gliedmaßen eingesetzt, insbesondere bei Schlaganfallpatienten mit Verlust der motorischen Kontrolle. Es ist jedoch unklar, wie konventionelle Berufsbildungsstrategien auf den Einsatz von Rehabilitationsrobotern angewendet werden können. Neuartige Robotertechnologien und ergotherapeutische Konzepte werden verwendet, um ein Protokoll zu entwickeln, das es Patienten mit eingeschränkter Funktion der oberen Gliedmaßen ermöglicht, Objekte mit ihrer betroffenen Hand durch eine Vielzahl von Kneif- und Greiffunktionen zu erfassen. Um dies angemessen zu verhalten, haben wir fünf Arten von Objekten verwendet: einen Stift, einen rechteckigen Würfel, einen Würfel, eine Kugel und einen zylindrischen Balken. Außerdem haben wir die Patienten mit einer Roboterhand ausgestattet, der Spiegelhand, einer Exoskeletthand, die an der betroffenen Hand des Motivs angebracht ist und der Bewegung des Sensorhandschuhs folgt, der an ihrer unbeeinflussten Hand angebracht ist (Bimanual Movement Training (BMT)). Diese Studie hatte zwei Phasen. Drei gesunde Probanden wurden zunächst rekrutiert, um die Machbarkeit und Akzeptanz des Trainingsprogramms zu testen. Drei Patienten mit DurchSchlag einer Schlaganfall verursachten Handfunktionsstörung wurden dann rekrutiert, um die Durchführbarkeit und Akzeptanz des Trainingsprogramms zu bestätigen, das an 3 aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt wurde. An jedem Tag wurde der Patient während 5 min Bewegung in einem passiven Bewegungsbereich, 5 min robotergestützter bimanueller Bewegung und aufgabenorientiertem Training mit den fünf Objekten überwacht. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl gesunde Probanden als auch Probanden, die in Verbindung mit der Roboterhand einen Schlaganfall erlitten hatten, die Objekte erfolgreich erfassen konnten. Sowohl gesunde Probanden als auch diejenigen, die einen Schlaganfall erlitten hatten, schnitten mit dem robotergestützten aufgabenorientierten Trainingsprogramm in Bezug auf Machbarkeit und Akzeptanz gut ab.

Introduction

Die meisten (80%) Schlaganfallpatienten haben ein Defizit in der Hand und haben Schwierigkeiten bei der eigenständigen Durchführung manueller Aufgaben, die für das tägliche Leben relevant sind¹. Aufgrund der Komplexität manueller Aufgaben stellt es jedoch eine große Herausforderung dar, ein aufgabenorientiertes Trainingsprogramm für die Handrehabilitation²zu entwerfen. In den letzten Jahren wurden viele Robotergeräte für die Handrehabilitation^{entwickelt 3,4}, aber nur wenige Trainingsprotokolle, die von Robotergeräten unterstützt werden, ermöglichen es einem Patienten, mit realen Objekten zu interagieren. Es ist unklar, wie ein aufgabenorientiertes Trainingsprogramm zur Handfunktionsrehabilitation mit Robotergeräten für Patienten angewendet werden kann, die durch einen Schlaganfall an Handfunktionsstörungen erkranken.

Aufgabenorientiertes Training wird verwendet, um die Handfunktion^5,6 zu verbessern und wird häufig in der Rehabilitation für die Oberkörperdysfunktion durch Schlaganfall angewendet. Es wird verwendet, um Neuroplastizität zu erhöhen und ist in hohem Maße abhängig von individuellen neurologischen Defiziten und funktionellen Anforderungen⁷. Während des aufgabenorientierten Trainings erleben Patienten jedoch Schwierigkeiten, Objekte zu manipulieren, wenn die Handfunktion beeinträchtigt ist. Beispiele hierfür sind schlechte Griff- oder eingeschränkte Pinch-Funktionen. Therapeuten zeigen auch Schwierigkeiten, die Fingerbewegungen der Patienten individuell zu lenken, was die Variation von Greifaufgaben begrenzt. Robotergeräte sind daher notwendig, um die Effektivität des aufgabenorientierten Trainings zu erhöhen, indem die Handbewegung beim wiederholten Training explizit geleitet wird^2,8.

Frühere Studien verwendeten nur Rehabilitationsroboter für aufgabenorientiertes Training zu Aufgaben der oberen Gliedmaßen³. Es ist unklar, wie die roboterunterstützte Rehabilitation für die aufgabenorientierte Ausbildung im Handumsein eingesetzt werden kann. Eine Exoskeletthand, HWARD, wurde verwendet, um die Finger zu führen, Objekte zu greifen und loszulassen⁸. Dieses Gerät erlaubt jedoch keine unterschiedlichen Greifmuster, da es nicht die notwendigen Freiheitsgrade hat. Kürzlich wurden andere Geräte entwickelt, die darauf abzielen, die Finger eines Patienten einzeln zu bewegen⁹. Jedoch, Diese Geräte wurden bisher nicht für Neurorehabilitation verwendet. Die oben genannten Robotergeräte sind allesamt einseitige Roboter. Im Gegensatz dazu braucht das hier vorgestellte Roboterhandsystem die Zusammenarbeit von nicht betroffenen und betroffenen Händen. Das Roboterhandsystem wurde speziell für Rehabilitationszwecke entwickelt, indem der Master-Slave-Mechanismus symmetrische bimanuelle Handbewegungen erzielt wird. Das System besteht aus einer Exoskeletthand (getragen an der betroffenen Hand), einem Steuerkasten und einem Sinneshandschuh (getragen an der nicht betroffenen Hand). Jedes Fingermodul der Exoskeletthand wird von einem Motor mit einem Freiheitsgrad angetrieben und seine Gelenke sind über ein mechanisches Verbindungssystem miteinander verbunden. Zwei Größen, S und M, sind für unterschiedliche Fächer ausgelegt. Die Steuerbox bietet zwei therapeutische Modi, den passiven Bewegungsbereich (PROM) und den spiegelgesteuerten Bewegungsmodus, durch den die betroffene Hand des Patienten durch die Exoskeletthand manipuliert werden kann. Im PROM-Modus sendet die Steuerbox Eingabebefehle an das Exoskelett, während die Hand des Motivs bewegt wird, um die volle Fingerbeugung/Verlängerung durchzuführen. Es enthält zwei Modi: Ein-Finger-Modus (wirkt in der Reihenfolge von Daumen zu kleinem Finger) und fünf Finger-Modus (fünf Finger bewegen sich zusammen). Im spiegelgesteuerten Bewegungsmodus wird der Master-(Sensorhandhand)-Slave-Mechanismus (Exoskeletthand) implementiert, bei dem die Bewegung jedes Fingers vom Sensorhandschuh erfasst wird und Signale der Gelenkwinkel an den Steuerkasten übertragen werden, um die Exoskeletthand zu manipulieren.

Bei der Ausstattung des Roboterhandsystems wurden die Probanden angewiesen, ihre betroffenen Hände unter Anleitung der von unbeeinflussten Händen gesteuerten Exoskeletthand zu bewegen, die bimanuellebewegungstraining (BMT)¹⁰ist. Nach früheren Forschungsergebnissen ist BMT in der Lage, ähnliche neuronale Bahnen in beiden Hemisphären des Gehirns zu aktivieren und die Transhemisphärenhemmung zu verhindern, die die Wiederherstellung der neuronalen Funktion in der Läsionshalbkugel^{behindert 10}. Brunner et^al.11 verglichen BMT mit einer zwangsinduzierten Bewegungstherapie (CIMT) bei subakuten Schlaganfallpatienten. Sie legten nahe, dass BMT dazu neigt, mehr neuronale Netzwerke in beiden Hemisphären als CIMT zu aktivieren, und es gab keinen signifikanten Unterschied bei der Verbesserung der Handfunktion zwischen den BMT- und CIMT-Ansätzen. Sleimen-Malkoun et al.¹² schlugen auch vor, dass Schlaganfallpatienten durch BMT in der Lage sind, sowohl die paretische Gliedmaßenkontrolle als auch die bimanuelle Kontrolle wiederherzustellen. Das heißt, die Ausbildung sollte bimanuelle Aufgaben umfassen, die sich auf den Einsatz des betroffenen Arms konzentrieren. Darüber hinaus ist die Koordination beider Hände für Aktivitäten des täglichen Lebens notwendig (ADL)^11,12. Daher ist es entscheidend, ein bimanuelles robotergestütztes aufgabenorientiertes Trainingsprogramm für Post-Stroke-Patienten und Objekte zu entwickeln, die von Patienten, die das Roboterhandsystem tragen, erfasst oder eingeklemmt werden können.

In dieser Studie wurde eine Vielzahl von Greifobjekten auf der Grundlage der Bedürfnisse der Ergotherapie und der mechanischen Eigenschaften von Rehabilitationsrobotern entwickelt. Ein aufgabenorientiertes Trainingsprotokoll wurde mit Roboter-Rehabilitationsgeräten für Patienten mit distaler Oberkörperfunktionsstörung aufgrund eines Schlaganfalls entwickelt. Ziel dieser Studie war es, die Machbarkeit und Akzeptanz des aufgabenorientierten Trainingsprogramms mit einem Exoskelettroboter und neu gestalteten Greifobjekten zu untersuchen.

Protocol

Das Schulungsprotokoll und das Einwilligungsdokument wurden vom Institutional Review Board der Chang Gung Medical Foundation überprüft und genehmigt. Die Einzelheiten der Studie und die Verfahren wurden jedem Fach klar erläutert. 1. Rekrutierung von drei gesunden Erwachsenen Führen Sie das Screening-Verfahren nach folgenden Aufnahmekriterien durch: (1) Alter 20-60 Jahre, (2) bereits unterschriebene Informiertezustimmung, (3) normale Funktion in den oberen Gliedmaßen, (4) Mini-Me…

Representative Results

Insgesamt wurden sechs Probanden in diese Studie aufgenommen, darunter drei gesunde Probanden und drei Nachschlagefächer. Die demographischen Daten beider Gruppen sind in der ergänzenden Tabelle 1dargestellt. Das Durchschnittsalter der gesunden Gruppe betrug 28 Jahre (Bereich: 24-30), während das Durchschnittsalter der Patientengruppe 49 (40-57) betrug. Die durchschnittlichen Bewertungsergebnisse der Patientengruppe waren wie folgt: (1) MMSE=27 (26–29), (2) FMA=11,3 (6–15), (3) MAS=1, (4) Brunnstr…

Discussion

Die Ergebnisse dieser Studie zeigten Folgendes: (1) Beide Gruppen konnten die mit dem Roboterhandsystem gelieferten Objekte erfolgreich erfassen. Sie konnten diese Aufgabe mit einer Erfolgsquote von fast 100% abschließen, was die Machbarkeit des vorgeschlagenen robotergestützten aufgabenorientierten Trainingsprogramms bestätigt. (2) Während des Untersuchungszeitraums gab es keine Berichte über Verletzungen oder unerwünschte Ereignisse, und alle Patienten berichteten, dass das Roboterhandsystem hilfreich sei, um Obj…

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.