Ontwikkeling van een nieuw taakgericht revalidatieprogramma met behulp van een Bimanual Exoskeleton Robotic Hand

Summary

Deze studie rapporteert de ontwikkeling van een nieuwe robot-ondersteunde taak-georiënteerde programma voor handrevalidatie. Het ontwikkelingsproces bestaat uit experimenten met zowel gezonde proefpersonen als proefpersonen die een beroerte hebben gehad en lijdt aan een daaropvolgende motorische controlestoornis.

Abstract

Een robot-ondersteunde hand wordt gebruikt voor de revalidatie van patiënten met een verminderde bovenste ledematen functie, met name voor beroerte patiënten met een verlies van motorische controle. Het is echter onduidelijk hoe conventionele strategieën voor beroepsopleiding kunnen worden toegepast op het gebruik van revalidatierobots. Nieuwe robottechnologieën en ergotherapieconcepten worden gebruikt om een protocol te ontwikkelen waarmee patiënten met een verminderde functie van de bovenste ledematen objecten kunnen grijpen met behulp van hun aangetaste hand door middel van een verscheidenheid aan knijpende en grijpende functies. Om dit op de juiste manier uit te voeren, gebruikten we vijf soorten objecten: een pen, een rechthoekige kubus, een kubus, een bal en een cilindrische balk. We hebben ook de patiënten uitgerust met een robothand, de Mirror Hand,een exoskelethand die is gemonteerd op de aangetaste hand van het onderwerp en de beweging volgt van de sensorhandschoen die op hun onaangetaste hand is gemonteerd (tweehandende bewegingstraining (BMT)). Deze studie had twee fasen. Drie gezonde proefpersonen werden eerst aangeworven om de haalbaarheid en aanvaardbaarheid van het trainingsprogramma te testen. Drie patiënten met handdisfunctie veroorzaakt door een beroerte werden vervolgens aangeworven om de haalbaarheid en aanvaardbaarheid van het trainingsprogramma, dat werd uitgevoerd op 3 opeenvolgende dagen te bevestigen. Op elke dag werd de patiënt gecontroleerd tijdens 5 minuten beweging in een passief bewegingsbereik, 5 min van robot-ondersteunde tweehande beweging, en taak-georiënteerde training met behulp van de vijf objecten. De resultaten toonden aan dat zowel gezonde proefpersonen als proefpersonen die samen met de robothand een beroerte hadden gehad, de objecten met succes konden begrijpen. Zowel gezonde proefpersonen als degenen die een beroerte hadden gehad, presteerden goed met het robot-ondersteunde taakgerichte trainingsprogramma op het gebied van haalbaarheid en aanvaardbaarheid.

Introduction

De meeste (80%) beroerte patiënten ervaren een tekort in de hand en hebben moeite met het zelfstandig uitvoeren van handmatige taken die relevant zijn voor het dagelijks leven¹. Het complexe karakter van handmatige taken betekent echter dat het een belangrijke uitdaging is om een taakgericht trainingsprogramma voor handrevalidatie te ontwerpen². In de afgelopen jaren zijn veel robotapparaten ontwikkeld voor handrevalidatie^3,4, maar weinig trainingsprotocollen bijgestaan door robotapparaten stellen een patiënt in staat om te communiceren met echte objecten. Het is onduidelijk hoe een taakgericht trainingsprogramma voor handfunctierevalidatie kan worden toegepast met behulp van robotapparaten voor patiënten die handdisfunctie ervaren als gevolg van een beroerte.

Taakgerichte training wordt gebruikt om de handfunctie^5,6 te verbeteren en wordt vaak toegepast in de revalidatie voor bovenste ledematen disfunctie als gevolg van een beroerte. Het wordt gebruikt om neuroplasticiteit te verhogen en is sterk afhankelijk van individuele neurologische tekorten en functionele eisen⁷. Echter, tijdens taakgerichte training, patiënten ervaren moeilijk in het manipuleren van objecten als de handfunctie is aangetast. Voorbeelden hiervan zijn slechte greep of beperkte pinch functies. Therapeuten tonen ook moeite met het begeleiden van de vingerbewegingen van patiënten individueel, waardoor de variatie van het grijpen van taken beperkt. Robotapparaten zijn dus nodig om de effectiviteit van taakgerichte training te vergroten door handbewegingen expliciet te begeleiden tijdens repetitieve training^2,8.

Eerdere studies alleen gebruikt revalidatie robots voor taak-georiënteerde training op bovenste ledematen bereiken taken³. Het is onduidelijk hoe robot-ondersteunde revalidatie kan worden gebruikt voor taakgerichte training gericht bij de hand functie. Een exoskelet hand, HWARD, is gebruikt om de vingers te grijpen en los te laten objecten⁸. Dit apparaat staat echter geen gevarieerde grijppatronen toe omdat het niet over de nodige vrijheidsgraden beschikt. Onlangs zijn andere apparaten ontwikkeld die gericht zijn op het individueel bewegen van de vingers van een patiënt⁹. Echter, deze apparaten zijn niet eerder gebruikt voor neurorehabilitatie. De hierboven genoemde robotapparaten zijn allemaal eenzijdige robots. Het hier gepresenteerde robothandsysteem daarentegen heeft de medewerking nodig van onaangetaste en aangetaste handen. Het robothandsysteem is speciaal ontworpen voor revalidatiedoeleinden met behulp van het master-slave mechanisme om symmetrische tweehandbewegingen te bereiken. Het systeem bestaat uit een exoskelet hand (gedragen op de getroffen hand), een controlebox, en een zintuiglijke handschoen (gedragen op de onaangetaste hand). Elke vingermodule van de exoskelethand wordt aangedreven door een motor met één mate van vrijheid en de gewrichten zijn met elkaar verbonden met behulp van een mechanisch koppelingssysteem. Twee maten, S en M, zijn ontworpen om verschillende onderwerpen te passen. De controlebox biedt twee therapeutische modi, het passieve bewegingsbereik (PROM) en spiegelgeleide bewegingsmodi, waardoor de aangetaste hand van de patiënt kan worden gemanipuleerd door de exoskelethand. In de PROM-modus stuurt het besturingselementvak invoeropdrachten naar het exoskelet terwijl de hand van het onderwerp wordt verplaatst om volledige vingerflexie/extensie uit te voeren. Het bevat twee modi: single-finger mode (werkt in volgorde van duim tot pink) en vijf vingers modus (vijf vingers bewegen samen). In de spiegelgeleide bewegingsmodus wordt het master (sensorhandschoen)-slave (exoskelethand) mechanisme geïmplementeerd, waarbij de beweging van elke vinger wordt gedetecteerd door de sensorhandschoen en signalen van de gewrichtshoeken naar de controlebox worden overgebracht om de exoskelethand te manipuleren.

Wanneer uitgerust het robothandsysteem, werden de onderwerpen geïnstrueerd om hun beïnvloede handen onder de begeleiding van de exoskelethand te bewegen die door onaangetaste handen wordt gecontroleerd die tweemanual bewegingsopleiding (BMT)¹⁰is. Volgens eerder onderzoek is BMT in staat om vergelijkbare neurale paden in beide hersenhelften te activeren en de trans-hemisfeerremming te voorkomen die het herstel van de neuronale functie in de laesiehalssfeer¹⁰belemmert. Brunner et^al.11 vergeleek BMT met dwanggestuurde bewegingstherapie (CIMT) bij sub acute beroertepatiënten. Zij suggereerden dat BMT de neiging heeft om meer neurale netwerken in beide hemisferen te activeren dan CIMT, en er was geen significant verschil in verbetering van de handfunctie tussen de BMT- en CIMT-benaderingen. Sleimen-Malkoun et al.¹² suggereerde ook dat door BMT, beroerte patiënten in staat zijn om zowel paretische ledemaat controle en tweemanual controle te herstellen. Dat wil zeggen, opleiding moet bestaan uit tweemanueuze taken die zich richten op het gebruik van de getroffen arm. Bovendien is de coördinatie van beide handen noodzakelijk voor activiteiten van het dagelijks leven (ADL)^11,12. Daarom is het cruciaal om een tweehands robot-ondersteunde taak-georiënteerde trainingsprogramma voor post-beroerte patiënten en objecten die kunnen worden gegrepen of geknepen door patiënten die de robot hand systeem te ontwikkelen.

In deze studie werden verschillende grijpobjecten ontworpen op basis van de behoeften van ergotherapie en de mechanische eigenschappen van revalidatierobots. Een taak-georiënteerd training protocol werd ontwikkeld met behulp van robot revalidatie apparaten voor patiënten met distale bovenste ledematen disfunctie als gevolg van een beroerte. Het doel van deze studie was om de haalbaarheid en aanvaardbaarheid van het taakgerichte trainingsprogramma te onderzoeken met behulp van een exoskeletrobot en nieuw ontworpen grijpobjecten.

Protocol

Het opleidingsprotocol en het document voor geïnformeerde toestemming werden beoordeeld en goedgekeurd door de Institutional Review Board van de Chang Gung Medical Foundation. De details van de studie en de procedures werden duidelijk uitgelegd aan elk onderwerp. 1. Werving van drie gezonde volwassenen Voer het screeningsproces uit aan de hand van de volgende inclusiecriteria: (1) leeftijd 20-60 jaar, (2) al ondertekende geïnformeerde toestemming, (3) normale functie in bovenste le…

Representative Results

Een totaal van zes onderwerpen werden ingeschreven in deze studie, waaronder drie gezonde onderwerpen en drie post-stroke onderwerpen. De demografische gegevens van beide groepen worden weergegeven in aanvullende tabel 1. De gemiddelde leeftijd van de gezonde groep was 28 (bereik: 24-30), terwijl de gemiddelde leeftijd van de patiëntengroep 49 was (40-57). De gemiddelde beoordelingsscores van de patiëntengroep waren als volgt: (1) MMSE=27 (26-29), (2) FMA=11.3 (6–15), (3) MAS=1, (4) Brunnstromn stage…

Discussion

De resultaten van deze studie toonden het volgende aan: (1) beide groepen konden met succes de objecten van het robothandsysteem begrijpen. Ze waren in staat om deze taak te voltooien met een bijna 100% slagingspercentage, die de haalbaarheid van de voorgestelde robot-ondersteunde taak-georiënteerde trainingsprogramma verifieert. (2) Er waren geen meldingen van letsel of bijwerkingen tijdens de studieperiode en alle patiënten meldden dat het robothandsysteem nuttig was om objecten te manipuleren. Dit bevestigde de aanv…

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.