Utveckling av ett nytt uppgiftsorienterat rehabiliteringsprogram med hjälp av en bimanual Exoskeleton Robotic Hand

Summary

Denna studie rapporterar utvecklingen av en ny robot-assisted uppgiftsorienterade program för hand rehabilitering. Utvecklingsprocessen består av experiment med både friska försökspersoner och försökspersoner som har haft en stroke och lidit av efterföljande motorisk kontroll dysfunktion.

Abstract

En robotassisterad hand används för rehabilitering av patienter med nedsatt övre extremitetsfunktion, särskilt för strokepatienter med förlust av motorisk kontroll. Det är dock oklart hur konventionella yrkesutbildningsstrategier kan tillämpas på användningen av rehabiliteringsrobotar. Nya robottekniker och arbetsterapikoncept används för att utveckla ett protokoll som gör det möjligt för patienter med nedsatt övre extremitetsfunktion att förstå objekt med hjälp av sin drabbade hand genom en mängd olika kläm- och greppfunktioner. För att genomföra detta på lämpligt sätt använde vi fem typer av objekt: en pinne, en rektangulär kub, en kub, en boll och en cylindrisk bar. Vi utrustade också patienterna med en robothand, Mirror Hand, en exoskelett hand som är monterad på motivets drabbade hand och följer rörelsen av sensorhandsken monterad på deras opåverkade hand (bimanual rörelse utbildning (BMT)). Denna studie hade två steg. Tre friska försökspersoner rekryterades först för att testa genomförbarheten och acceptansen av utbildningsprogrammet. Tre patienter med hand dysfunktion orsakad av stroke rekryterades sedan för att bekräfta genomförbarheten och acceptansen av utbildningsprogrammet, som genomfördes på 3 dagar i följd. På varje dag övervakades patienten under 5 minuters rörelse i ett passivt rörelseomfång, 5 min robotassisterad bimanual rörelse och uppgiftsorienterad utbildning med hjälp av de fem objekten. Resultaten visade att både friska försökspersoner och försökspersoner som hade drabbats av en stroke i samband med robothanden framgångsrikt kunde förstå föremålen. Både friska försökspersoner och de som drabbats av en stroke presterade bra med robot-assisted uppgiftsinriktade utbildningsprogram när det gäller genomförbarhet och acceptans.

Introduction

De flesta (80%) strokepatienter upplever ett underskott i handen och har svårt att självständigt utföra manuella uppgifter som är relevanta för det dagliga livet¹. Men den komplexa karaktären av manuella uppgifter innebär att det är en stor utmaning att utforma ett uppgiftsorienterat utbildningsprogram för handrehabilitering². Under de senaste åren har många robotenheter utvecklats för handrehabilitering^3,4, men få utbildningsprotokoll med hjälp av robotenheter gör det möjligt för en patient att interagera med verkliga objekt. Det är oklart exakt hur ett uppgiftsorienterat träningsprogram för handfunktionsrehabilitering kan tillämpas med hjälp av robotutrustning för patienter som upplever handdysfunktion på grund av stroke.

Arbetsinriktad utbildning används för att förbättra handfunktion^5,,6 och tillämpas vanligen i rehabiliteringen för övre extremitetsdysfunktion på grund av stroke. Det används för att öka neuroplasticitet och är starkt beroende av enskilda neurologiska underskott och funktionella krav⁷. Under uppgiftsorienterad utbildning upplever dock patienterna svårt att manipulera objekt om handfunktionen försämras. Exempel på detta är dåligt grepp eller begränsad nypa funktioner. Terapeuter visar också svårigheter att styra patienternas fingerrörelser individuellt, vilket därför begränsar variationen i att förstå uppgifter. Robotutrustning är därför nödvändiga för att öka effektiviteten i uppgiftsorienterad utbildning genom att uttryckligen styra handrörelser under repetitiv utbildning^2,8.

I tidigare studier användes endast rehabiliteringsrobotar för uppgiftsorienterad utbildning om att nå uppgifter i armar och ben³. Det är oklart hur robotassisterad rehabilitering kan användas för uppgiftsorienterad utbildning inriktning till hands funktion. En exoskeletthand, HWARD, har använts för att styra fingrarna för att greppa och frigöra objekt⁸. Den här enheten tillåter dock inte varierande greppmönster eftersom den saknar de nödvändiga frihetsgraderna. Nyligen har andra enheter som riktar sig mot att flytta en patients fingrar individuellt utvecklats⁹. Emellertid, dessa enheter har inte tidigare använts för neurorehabilitation. De robotenheter som nämns ovan är alla ensidiga robotar. Det robothandsystem som presenteras här behöver däremot samarbete mellan opåverkade och drabbade händer. Robothandsystemet är speciellt utformat för rehabiliteringsändamål med hjälp av master-slavmekanismen för att uppnå symmetriska bimanuala handrörelser. Systemet består av en exoskeletthand (bärs på den drabbade handen), en kontrollbox och en sensorisk handske (bärs på den opåverkade handen). Varje finger modul av exoskeleton handen drivs av en motor med en grad av frihet och dess leder är kopplade med hjälp av ett mekaniskt länksystem. Två storlekar, S och M, är utformade för att passa olika ämnen. Kontrollboxen ger två terapeutiska lägen, det passiva rörelseomfånget (PROM) och spegelstyrda rörelselägen, genom vilka patientens drabbade hand kan manipuleras av exoskelettet. I PROM-läget skickar kontrollrutan indatakommandon till exoskelettet medan motivets hand flyttas för att utföra full fingerflexion/förlängning. Den innehåller två lägen: enfingerläge (fungerar i sekvens från tumme till lillfinger) och fem fingrar läge (fem fingrar flytta tillsammans). I spegelstyrd rörelseläge implementeras mastermekanismen (sensorhandsken)–slav (exoskeletonhand), där varje fingers rörelse detekteras av sensorhandsken och signaler från ledvinklarna överförs till kontrollboxen för att manipulera exoskelettonhanden.

När robothandsystemet var utrustat instruerades försökspersonerna att flytta sina drabbade händer under ledning av exoskelettet som styrs av opåverkade händer som är tvåårig rörelseträning (BMT)¹⁰. Enligt tidigare forskning, BMT kan aktivera liknande neurala vägar i båda hjärnhalvorna och förhindra trans-halvklotet hämning som hindrar återvinning av neuronal funktion i lesion halvklotet¹⁰. Brunner et^al.11 jämförde BMT med begränsningsinducerad rörelseterapi (CIMT) hos subakuta strokepatienter. De föreslog att BMT tenderar att aktivera mer neurala nätverk i båda halvkloten än CIMT, och det fanns ingen signifikant skillnad i förbättring av hand funktion mellan BMT och CIMT metoder. Sleimen-Malkoun et al.¹² föreslog också att genom BMT, stroke patienter kan återupprätta både paretic lem kontroll och bimanual kontroll. Det vill säga, utbildning bör omfatta bimanual uppgifter som fokuserar på att använda den drabbade armen. Dessutom är samordningen av båda händerna nödvändig för verksamhet i det dagliga livet (ADL)^11,12. Därför är det viktigt att utveckla ett bimanual robotstödda uppgiftsorienterade utbildningsprogram för patienter och föremål efter stroke som kan gripas eller klämmas av patienter som bär robothandsystemet.

I denna studie har en mängd greppobjekt utformats utifrån behoven hos arbetsterapi och rehabiliteringsrobotarnas mekaniska egenskaper. En uppgift-orienterade utbildning protokoll har utvecklats med hjälp av roboten rehabilitering enheter för patienter med distala övre delen dysfunktion på grund av stroke. Syftet med denna studie var att undersöka genomförbarheten och acceptansen för det uppgiftsorienterade utbildningsprogrammet med hjälp av en exoskeletonrobot och nydesignade greppobjekt.

Protocol

Utbildningsprotokollet och informerat samtyckesdokument granskades och godkändes av Den institutionella granskningsnämnden för Chang Gung Medical Foundation. Detaljerna i studien och förfarandena förklarades tydligt för varje ämne. 1. Rekrytering av tre friska vuxna Utför screeningprocessen med hjälp av följande inkluderingskriterier: (1) ålder 20–60 år, (2) redan undertecknat informerat samtycke, (3) normal funktion i armar och ben, (4) MMSE-poäng (Mini-Mental State E…

Representative Results

Totalt sex försökspersoner rekryterades till denna studie, inklusive tre friska försökspersoner och tre försökspersoner efter stroke. De demografiska uppgifterna för båda grupperna visas i tilläggstabell 1. Medelåldern för den friska gruppen var 28 år (intervall: 24–30), medan den genomsnittliga åldern i patientgruppen var 49 (40–57). Patientgruppens genomsnittliga bedömningspoäng var följande: (1) MMSE=27 (26–29), (2) FMA=11.3 (6–15), (3) MAS=1, (4) Brunnstrom stage=2. <p cla…

Discussion

Resultaten av denna studie visade följande: (1) båda grupperna kunde framgångsrikt förstå de objekt som medföljer robothandsystemet. De kunde slutföra denna uppgift med en nästan 100% framgång, som verifierar genomförbarheten av den föreslagna robot-assisted uppgiftsinriktade utbildningsprogram. (2) Det fanns inga rapporter om skador eller biverkningar under studieperioden och alla patienter rapporterade att robothandsystemet var till hjälp för att manipulera föremål. Detta bekräftade acceptansen av robot…

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.