Bimanual Exoskeleton Robotik El Kullanarak Yeni Görev Odaklı Rehabilitasyon Programı Geliştirilmesi
Summary
Bu çalışma, el rehabilitasyonu için robot destekli yeni bir görev odaklı programın geliştirilmesini raporlamaktadır. Gelişim süreci hem sağlıklı denekler hem de inme geçiren ve sonraki motor kontrol disfonksiyonundan muzdarip denekler inme denekleri kullanılarak yapılan deneylerden oluşur.
Abstract
Üst ekstremite fonksiyonu bozulmuş hastaların rehabilitasyonu için, özellikle motor kontrol kaybı olan inme hastalarında robot destekli bir el kullanılır. Ancak rehabilitasyon robotlarının kullanımına geleneksel mesleki eğitim stratejilerinin nasıl uygulanabileceği belirsizdir. Yeni robotik teknolojiler ve mesleki terapi kavramları, üst ekstremite fonksiyonu bozulmuş hastaların çeşitli sıkıştırma ve kavrama işlevleri aracılığıyla etkilenen elleriyle nesneleri kavramalarını sağlayan bir protokol geliştirmek için kullanılır. Bunu uygun şekilde yürütmek için beş tür nesne kullandık: bir mandal, dikdörtgen küp, bir küp, bir top ve silindirik bir çubuk. Ayrıca hastaları robotik bir el olan Ayna El,deneğin etkilenen eline takılan ve etkilenmemiş ellerine takılan sensör eldiveninin hareketini takip eden bir dış iskelet el olan Ayna El (çift el hareketi eğitimi (BMT)) ile donattık. Bu çalışmanın iki aşaması vardı. Üç sağlıklı denek ilk olarak eğitim programının fizibilitesini ve kabul edilebilirliğini test etmek için işe alındı. İnme nedeniyle el disfonksiyonu olan üç hasta daha sonra 3 gün üst üste yapılan eğitim programının fizibilite ve kabul edilebilirliğini doğrulamak için işe alındı. Her gün hasta pasif hareket aralığında 5 dakika hareket, 5 dk robot destekli çift yönlü hareket ve beş nesne kullanılarak görev odaklı eğitim sırasında izlendi. Sonuçlar, hem sağlıklı deneklerin hem de robotik el ile birlikte felç geçiren deneklerin nesneleri başarıyla kavrayabildiğini gösterdi. Hem sağlıklı denekler hem de felç geçirenler, fizibilite ve kabul edilebilirlik açısından robot destekli görev odaklı eğitim programı ile iyi performans gösterdiler.
Introduction
En çok (%80) inme hastaları elde bir açık deneyim ve günlük yaşam1ile ilgili olan elle görevleri bağımsız olarak yerine getirmekte güçlük var. Ancak, el ile görevlerin karmaşık doğası, el rehabilitasyonu için görev odaklı bir eğitim programı tasarlamak için önemli bir sorun olduğu anlamına gelir2. Son yıllarda, birçok robotik cihazlar el rehabilitasyonu için geliştirilmiştir3,4, ama robotik cihazlar tarafından desteklenen birkaç eğitim protokolleri bir hastanın gerçek nesnelerle etkileşim sağlar. El fonksiyon rehabilitasyonu için görev odaklı bir eğitim programının inme nedeniyle el fonksiyon bozukluğu yaşayan hastalar için robotik cihazlar kullanılarak nasıl uygulanabileceği tam olarak bilinmemektedir.
Görev odaklı eğitim el fonksiyonu geliştirmek için kullanılır5,6 ve yaygın inme nedeniyle üst ekstremite disfonksiyonu rehabilitasyonuygulanır. Bu nöroplastisiteyi artırmak için kullanılır ve son derece bireysel nörolojik açıkları ve fonksiyoneltalepleri7 bağlıdır. Ancak, görev odaklı eğitim sırasında, el fonksiyonu bozulursa hastalar nesneleri manipüle etmekte zorlanırlar. Buna örnek olarak kötü kavrama veya sınırlı sıkıştırma işlevleri verilebilir. Terapistler ayrıca hastaların parmak hareketlerini tek tek yönlendirmekte zorluk gösterirler, bu da kavrama görevlerinin değişimini sınırlar. Robotik cihazlar böylece açıkça tekrarlayan eğitim sırasında el hareketi rehberlik ederek görev odaklı eğitimin etkinliğini artırmak için gerekli olan2,8.
Önceki çalışmalarda sadece üst ekstremiteulaşangörevler 3 görev odaklı eğitim için rehabilitasyon robotlar kullanılır. Robot destekli rehabilitasyonun el işlevinde görev odaklı eğitim için nasıl çalıştırılabildiği belirsizdir. Bir dış iskelet el, HWARD, nesneleri kavramak ve serbest bırakmak için parmakları rehberlik etmek için kullanılmıştır8. Ancak, gerekli özgürlük derecelerine göre yoksun olduğu için bu cihaz çeşitli kavrama kalıplarına izin vermez. Son zamanlarda hastanın parmaklarını tek tek hareket ettiren diğer cihazlar geliştirilmiştir9. Ancak, bu cihazlar daha önce nörorehabilitasyon için kullanılmamıştır. Yukarıda bahsedilen robotik cihazların hepsi tek taraflı robotlardır. Buna karşılık, burada sunulan robotik el sistemi etkilenmemiş ve etkilenmemiş ellerin işbirliğine ihtiyaç duyar. Robotik el sistemi, simetrik çift el hareketleri elde etmek için master-slave mekanizması kullanılarak rehabilitasyon amaçlı özel olarak tasarlanmıştır. Sistem bir dış iskelet el (etkilenen el üzerine giyilen), bir kontrol kutusu ve duyusal eldiven (etkilenmemiş el giyilen) oluşur. Dış iskelet elinin her parmak modülü bir serbestlik derecesine sahip bir motor tarafından sürülür ve eklemleri mekanik bir bağlantı sistemi kullanılarak bağlanır. S ve M olmak üzere iki boyut farklı konulara uyacak şekilde tasarlanmıştır. Kontrol kutusu iki tedavi modu, pasif hareket aralığı (PROM) ve hastanın etkilenen elinin dış iskelet el tarafından manipüle edilebildiği ayna güdümlü hareket modları sağlar. PROM modunda, kontrol kutusu dış iskelete giriş komutları gönderirken öznenin elini hareket ettirir ve tam parmak fleksiyonu/uzantısı nı gerçekleştirir. İki mod içerir: tek parmak modu (başparmaktan küçük parmaka sırayla hareket eder) ve beş parmak modu (beş parmak birlikte hareket eder). Ayna güdümlü hareket modunda, ana (sensör eldiveni)-köle (dış iskelet el) mekanizması uygulanır, her parmağın hareketi sensör eldiveni tarafından tespit edilir ve eklem açılarının sinyalleri dış iskelet eli işlemek için kontrol kutusuna iletilir.
Robotik el sistemi donatıldıklarında, deneklere, iki manuel hareket eğitimi (BMT)10olan etkilenmemiş eller tarafından kontrol edilen dış iskelet elinin rehberliğinde etkilenen ellerini hareket ettirmeleri talimatı verildi. Önceki araştırmalara göre, BMT beynin her iki hemisfer benzer nöral yolları etkinleştirmek ve lezyon hemisfer10nöronal fonksiyonun iyileşmesini engelleyen trans-hemisfer inhibisyonu önlemek yapabiliyor . Brunner ve ark.11, alt akut inme hastalarında bmt ile sınıra bağlı hareket terapisi (CIMT) ile karşılaştırıldı. Onlar BMT CIMT daha her iki hemisferde daha fazla sinir ağları etkinleştirmek eğilimindedir önerdi, ve BMT ve CIMT yaklaşımlar arasında el fonksiyonunun iyileştirilmesi önemli bir fark yoktu. Sleimen-Malkoun ve ark.12 de BmT ile inme hastalarının hem paretik ekstremite kontrolü hem de bimanuel kontrolü yeniden kurabildiğini ileri sürmüştür. Diğer bir zamanda, eğitim etkilenen kolu kullanmaya odaklanan iki el ile görevleri de kapsaymalıdır. Ayrıca, günlük yaşam faaliyetleri için her iki elin koordinasyonu gereklidir (ADL)11,12. Bu nedenle, robotik el sistemi giyen hastalar tarafından kavranabilen veya sıkıştırılabilen inme sonrası hastalar ve nesneler için iki manuel robot destekli görev odaklı bir eğitim programı geliştirmek çok önemlidir.
Bu çalışmada, çeşitli kavrama nesneleri, mesleki terapinin ihtiyaçlarına ve rehabilitasyon robotlarının mekanik özelliklerine göre tasarlanmıştır. İnme nedeniyle distal üst ekstremite disfonksiyonu olan hastalar için robotik rehabilitasyon cihazları kullanılarak görev odaklı bir eğitim protokolü geliştirilmiştir. Bu çalışmanın amacı, dış iskelet robotu ve yeni tasarlanmış kavrama nesneleri kullanarak görev odaklı eğitim programının fizibilitesini ve kabul edilebilirliğini araştırmaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmanın sonuçları şunları göstermiştir: (1) her iki grup da robotik el sistemi ile sağlanan nesneleri başarıyla kavrayabildi. Bu görevi, önerilen robot destekli görev odaklı eğitim programının fizibilitesini doğrulayan yaklaşık %100 başarı oranıyla tamamlayabildiler. (2) Çalışma süresi boyunca yaralanma veya advers olaylar bildirilmemiş ve tüm hastalar robotik el sisteminin nesneleri manipüle etmeye yardımcı olduğunu bildirmiştir. Bu robotik el sistemi ve eğitim programının k…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu proje Chang Gung Tıp Vakfı tarafından hibe BMRP390021 ve Bilim ve Teknoloji Bakanlığı tarafından hibe MOST 107-2218-E-182A-001 ve 108-2218-E-182A-001 hibe ile desteklenmiştir.
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. |
References
- Hung, C. S., et al. The effects of combination of robot-assisted therapy with task-specific or impairment-oriented training on motor function and quality of life in chronic stroke. PM & R: The Journal of Injury, Function, and Rehabilitation. 8 (8), 721-729 (2016).
- SangWook, L., Landers, K. A., Hyung-Soon, P. Development of a biomimetic hand exotendon device (BiomHED) for restoration of functional hand movement post-stroke. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 22 (4), 886-898 (2014).
- Johnson, M. J., Wisneski, K. J., Anderson, J., Nathan, D., Smith, R. O. Development of ADLER: The Activities of Daily Living Exercise Robot. Proceedings of IEEE/RAS-EMBS International Conference. , (2006).
- Pignolo, L. Robotics in neuro-rehabilitation. Journal of Rehabilitation Medicine. 41 (12), 955-960 (2009).
- Timmermans, A. A., Spooren, A. I., Kingma, H., Seelen, H. A. Influence of task-oriented training content on skilled arm-hand performance in stroke: a systematic review. Neurorehabilitation and Neural Repair. 24 (9), 858-870 (2010).
- Schweighofer, N., Choi, Y., Winstein, C., Gordon, J. Task-oriented rehabilitation robotics. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation. 91, 270-279 (2012).
- Almhdawi, K. A., Mathiowetz, V. G., White, M., delMas, R. C. Efficacy of occupational therapy task-oriented approach in upper extremity post-stroke rehabilitation. Occupational Therapy International. 23 (4), 444-456 (2016).
- Takahashi, C. D., Der-Yeghiaian, L., Le, V. H., Cramer, S. C. A robotic device for hand motor therapy after stroke. Proceedings of 9th International Conference on Rehabilitation Robotics. , (2005).
- Villafañe, J. H., et al. Efficacy of short-term robot-assisted rehabilitation in patients with hand paralysis after stroke: a randomized clinical trial. Hand (NY). 13 (1), 95-102 (2018).
- Cauraugh, J. H., Lodha, N., Naik, S. K., Summers, J. J. Bilateral movement training and stroke motor recovery progress: a structured review and meta-analysis. Human Movement Science. 29 (5), 853-870 (2010).
- Brunner, I. C., Skouen, J. S., Strand, L. I. Is modified constraint-induced movement therapy more effective than bimanual training in improving arm motor function in the subacute phase post stroke? A randomized controlled trial. Clinical Rehabilitation. 26 (12), 1078-1086 (2012).
- Sleimen-Malkoun, R., Temprado, J. J., Thefenne, L., Berton, E. Bimanual training in stroke: how do coupling and symmetry-breaking matter. BMC Neurology. 11, 11 (2011).
- Yue, Z., Zhang, X., Wang, J. Hand rehabilitation robotics on poststroke motor recovery. Behavioural Neurology. 2017, 1-20 (2017).
- Dovat, L., et al. HandCARE: a cable-actuated rehabilitation system to train hand function after stroke. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 16 (6), 582-591 (2008).
- Yoo, C., Park, J. Impact of task-oriented training on hand function and activities of daily living after stroke. Journal of Physical Therapy Science. 27 (8), 2529-2531 (2015).
