Udvikling af en ny Task-orienteret Rehabiliteringsprogram ved hjælp af en bimanual Exoskeleton Robotic Hand

Summary

Denne undersøgelse rapporterer om udviklingen af et nyt robotassisteret opgaveorienteret program for håndrehabilitering. Udviklingsprocessen består af eksperimenter med både raske forsøgspersoner og forsøgspersoner, der har haft et slagtilfælde og lidt af efterfølgende motorisk kontrol dysfunktion.

Abstract

En robot-assisteret hånd bruges til rehabilitering af patienter med nedsat overekstremitet funktion, især for slagtilfælde patienter med tab af motorisk kontrol. Det er imidlertid uklart, hvordan konventionelle erhvervsuddannelsesstrategier kan anvendes ved anvendelse af rehabiliteringsrobotter. Nye robotteknologier og ergoterapi koncepter bruges til at udvikle en protokol, der gør det muligt for patienter med nedsat overekstremitet funktion til at forstå objekter ved hjælp af deres berørte hånd gennem en række klemme og gribe funktioner. For at udføre dette korrekt brugte vi fem typer objekter: en pind, en rektangulær terning, en terning, en kugle og en cylindrisk bjælke. Vi har også udstyret patienterne med en robot hånd, Mirror Hand, en exoskelet hånd, der er monteret på motivets berørte hånd og følger bevægelsen af sensoren handske monteret på deres upåvirket hånd (bimanuel bevægelse uddannelse (BMT)). Denne undersøgelse havde to faser. Tre raske forsøgspersoner blev først rekrutteret til at teste gennemførligheden og accepten af træningsprogrammet. Tre patienter med hånddysfunktion forårsaget af slagtilfælde blev derefter rekrutteret til at bekræfte gennemførligheden og accepten af træningsprogrammet, som blev gennemført på 3 på hinanden følgende dage. På hver dag blev patienten overvåget under 5 minutters bevægelse i en passiv bevægelsesrække, 5 min af robot-assisteret bimanual bevægelse, og opgave-orienteret træning ved hjælp af de fem objekter. Resultaterne viste, at både raske forsøgspersoner og forsøgspersoner, der havde lidt et slagtilfælde i forbindelse med robothånden, med held kunne forstå objekterne. Både raske forsøgspersoner og dem, der havde lidt et slagtilfælde klarede sig godt med robot-assisteret opgave-orienteret træningsprogram med hensyn til gennemførlighed og accept.

Introduction

De fleste (80 %) slagtilfælde patienter oplever et underskud i hånden og har svært ved selvstændigt at udføre manuelle opgaver, der er relevante for dagligdagen¹. Den komplekse karakter af manuelle opgaver betyder imidlertid, at det er en betydelig udfordring at designe et opgaveorienteret træningsprogram til håndrehabilitering². I de seneste år er mange robotenheder blevet udviklet til håndrehabilitering^3,4, men kun få træningsprotokoller bistået af robotudstyr gør det muligt for en patient at interagere med rigtige objekter. Det er uklart, præcis hvordan et opgaveorienteret træningsprogram for håndfunktionsrehabilitering kan anvendes ved hjælp af robotudstyr til patienter, der oplever hånddysfunktion på grund af slagtilfælde.

Opgaveorienteret træning bruges til at forbedre håndfunktion^5,,6 og anvendes almindeligvis i rehabiliteringen for overekstremitet på grund af slagtilfælde. Det bruges til at øge neuroplasticitet og er stærkt afhængig af individuelle neurologiske underskud og funktionelle krav⁷. Men under opgaveorienteret træning oplever patienterne vanskeligt ved at manipulere objekter, hvis håndfunktionen forringes. Eksempler på dette omfatter dårlig greb eller begrænset knivspids funktioner. Terapeuter har også svært ved at vejlede patienternes fingerbevægelser individuelt, hvilket derfor begrænser variationen i at gribe opgaver. Robotudstyr er derfor nødvendige for at øge effektiviteten af opgaveorienteret uddannelse ved udtrykkeligt at vejlede håndbevægelse under gentagen træning^2,8.

Tidligere undersøgelser anvendte kun rehabiliteringsrobotter til opgaveorienteret træning i overekstremiteter, der nåede^{opgaver 3}. Det er uklart, hvordan robotassisteret rehabilitering kan anvendes til opgaveorienteret træning målrettet ved håndfunktionen. En exoskelet hånd, HWARD, er blevet brugt til at guide fingrene til at gribe og frigive objekter⁸. Denne enhed tillader dog ikke forskellige gribemønstre, fordi den mangler de nødvendige frihedsgrader. For nylig, andre enheder, der er målrettet flytte en patients fingre individuelt er blevet udviklet⁹. Men, disse enheder har ikke tidligere været brugt til neurorehabilitering. De robotenheder, der er nævnt ovenfor, er alle ensidige robotter. I modsætning hertil har det robothåndsystem, der præsenteres her, brug for samarbejde mellem uberørte og berørte hænder. Robothåndsystemet er specielt designet til rehabiliteringsformål ved hjælp af master-slave mekanismen for at opnå symmetriske bimanuale håndbevægelser. Systemet består af en exoskelet hånd (slidt på den berørte hånd), en kontrolboks, og en sensorisk handske (slidt på den upåvirkede hånd). Hvert fingermodul i exoskelet-hånden drives af en motor med en grad af frihed, og dens samlinger er forbundet ved hjælp af et mekanisk koblingssystem. To størrelser, S og M, er designet til at passe til forskellige emner. Kontrolboksen giver to terapeutiske tilstande, den passive bevægelsesområde (PROM) og spejlstyrede bevægelsestilstande, hvorigennem patientens berørte hånd kan manipuleres af exoskelet-hånden. I PROM-tilstand sender kontrolboksen inputkommandoer til exoskelet, mens motivets hånd flyttes for at udføre fuld fingerfleksion/udvidelse. Den indeholder to tilstande: enkeltfingertilstand (fungerer i rækkefølge fra tommelfinger til lillefinger) og fem fingre (fem fingre bevæger sig sammen). I den spejlstyrede bevægelsestilstand implementeres masterhandsken (sensorhandske)-slavemekanismen (exoskelet hånd), hvor hver fingers bevægelse registreres af sensorhandsken, og signaler fra ledvinklerne overføres til kontrolboksen for at manipulere exoskelethånden.

Når udstyret robot hånd system, emnerne blev instrueret om at flytte deres berørte hænder under vejledning af exoskelet hånd kontrolleret af upåvirkede hænder, som er bimanual bevægelse uddannelse (BMT)¹⁰. Ifølge tidligere forskning, BMT er i stand til at aktivere lignende neurale veje i begge hjernehalvdele i hjernen og forhindre trans-halvkugle hæmning, der hindrer inddrivelse af neuronal funktion i læsion halvkugle¹⁰. Brunner et^al.11 sammenlignede BMT med tvangsinduceret bevægelsesbehandling (CIMT) hos patienter med subakust slagtilfælde. De foreslog, at BMT tendens til at aktivere mere neurale netværk i begge halvkugler end CIMT, og der var ingen signifikant forskel i forbedring af håndfunktion mellem BMT og CIMT tilgange. Sleimen-Malkoun et al.¹² foreslog også, at gennem BMT, slagtilfælde patienter er i stand til at genetablere både paretic lemmer kontrol og bimanual kontrol. Det vil sige, uddannelse bør omfatte tomanuale opgaver, der fokuserer på at bruge den berørte arm. Desuden er koordinering af begge hænder nødvendig for aktiviteter i dagligdagen (ADL)^11,12. Derfor er det afgørende at udvikle et bimanualt robotassisteret opgaveorienteret træningsprogram for post-slagtilfælde patienter og genstande, der kan gribes eller klemmes af patienter iført robothåndsystemet.

I denne undersøgelse blev en række gribende objekter designet baseret på behovene i ergoterapi og de mekaniske egenskaber rehabilitering robotter. En opgaveorienteret træningsprotokol blev udviklet ved hjælp af robotrehabiliteringsanordninger til patienter med distalt overekstremitet på grund af slagtilfælde. Formålet med denne undersøgelse var at undersøge gennemførligheden og accepten af det opgaveorienterede træningsprogram ved hjælp af en exoskeletrobot og nydesignede gribende objekter.

Protocol

Uddannelsesprotokollen og dokumentet med informeret samtykke blev gennemgået og godkendt af Chang Gung Medical Foundations institutionelle undersøgelsesråd. Detaljerne i undersøgelsen og procedurerne blev klart forklaret for hvert emne. 1. Rekruttering af tre raske voksne Udfør screeningsprocessen ved hjælp af følgende inklusionskriterier: (1) alder 20-60 år, (2) allerede underskrevet informeret samtykke, (3) normal funktion i øvre lemmer, (4) Mini-Mental State Examination (…

Representative Results

I alt seks forsøgspersoner blev inkluderet i denne undersøgelse, herunder tre raske forsøgspersoner og tre post-slagtilfælde forsøgspersoner. De demografiske data for begge grupper er vist i supplerende tabel 1. Gennemsnitsalderen for den raske gruppe var 28 (interval: 24-30), mens gennemsnitsalderen for patientgruppen var 49 (40-57). Patientgruppens gennemsnitlige vurderingsscore var som følger: (1) MMSE=27 (26-29), (2) FMA=11,3 (6-15), (3) MAS=1, (4) Brunnstrom stage=2. <p class="jove_content…

Discussion

Resultaterne af denne undersøgelse viste følgende: (1) begge grupper kunne med held forstå de objekter, der følger med robothåndsystemet. De var i stand til at fuldføre denne opgave med en næsten 100% succesrate, som kontrollerer gennemførligheden af den foreslåede robot-støttede opgave-orienterede træningsprogram. (2) Der var ingen rapporter om personskade eller bivirkninger i undersøgelsesperioden, og alle patienter rapporterede, at robothåndsystemet var nyttigt til at manipulere objekter. Dette bekræfted…

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.