Utvikling av et nytt oppgaveorientert rehabiliteringsprogram ved hjelp av en bimanuell Exoskeleton Robotic Hand

Summary

Denne studien rapporterer utviklingen av et nytt robotassistert oppgaveorientert program for håndrehabilitering. Utviklingsprosessen består av eksperimenter ved hjelp av både friske forsøkspersoner og personer som har hatt slag og led av påfølgende motorkontrolldysfunksjon.

Abstract

En robotassistert hånd brukes til rehabilitering av pasienter med nedsatt øvre lemfunksjon, spesielt for slagpasienter med tap av motorkontroll. Det er imidlertid uklart hvordan konvensjonelle arbeidstreningsstrategier kan brukes til bruk av rehabiliteringsroboter. Nye robotteknologier og ergoterapikonsepter brukes til å utvikle en protokoll som gjør det mulig for pasienter med nedsatt øvre lem-funksjon å gripe gjenstander ved hjelp av den berørte hånden gjennom en rekke klemmings- og gripefunksjoner. For å gjennomføre dette riktig, brukte vi fem typer objekter: en pinne, en rektangulær kube, en kube, en ball og en sylindrisk bar. Vi utstyrte også pasientene med en robothånd, Mirror Hand,en eksoskjeletthånd som er montert på motivets berørte hånd og følger bevegelsen av sensorhansken montert på deres upåvirkede hånd (bimanuell bevegelsestrening (BMT)). Denne studien hadde to stadier. Tre friske ble først rekruttert for å teste gjennomførbarheten og akseptabiliteten til treningsprogrammet. Tre pasienter med hånddysfunksjon forårsaket av hjerneslag ble deretter rekruttert for å bekrefte gjennomførbarheten og akseptabiliteten til treningsprogrammet, som ble utført på 3 påfølgende dager. På hver dag ble pasienten overvåket under 5 min bevegelse i et passivt bevegelsesområde, 5 min av robotassistert tomanuell bevegelse og oppgaveorientert opplæring ved hjelp av de fem objektene. Resultatene viste at både friske forsøkspersoner og forsøkspersoner som hadde hatt et slag i forbindelse med robothånden, kunne kunne forstå objektene. Både friske og de som hadde hatt et slag, gjorde det bra med det robotassisterte oppgaveorienterte treningsprogrammet når det gjelder gjennomførbarhet og akseptabilitet.

Introduction

De fleste (80 %) slagpasienter opplever et underskudd i hånden og har problemer med selvstendig å utføre manuelle oppgaver som er relevante for dagliglivet¹. Imidlertid betyr den komplekse karakteren av manuelle oppgaver at det er en betydelig utfordring å utforme et oppgaveorientert treningsprogram for håndrehabilitering². I de senere årene har mange robotenheter blitt utviklet for håndrehabilitering^3,,4,men få treningsprotokoller assistert av robotenheter tillater en pasient å samhandle med ekte objekter. Det er uklart nøyaktig hvordan et oppgaveorientert treningsprogram for håndfunksjonsrehabilitering kan brukes ved hjelp av robotenheter for pasienter som opplever hånddysfunksjon på grunn av hjerneslag.

Oppgaveorientert trening brukes til å forbedre håndfunksjonen^5,6 og brukes vanligvis i rehabilitering for øvre lem dysfunksjon på grunn av hjerneslag. Den brukes til å øke nevroplastisitet og er svært avhengig av individuelle nevrologiske underskudd og funksjonelle krav⁷. Men under oppgaveorientert opplæring opplever pasientene vanskeligere å manipulere objekter hvis håndfunksjonen er svekket. Eksempler på dette inkluderer dårlig grep eller begrensede klemmefunksjoner. Terapeuter viser også vanskeligheter med å veilede pasientenes fingerbevegelser individuelt, noe som derfor begrenser variasjonen av gripeoppgaver. Robotenheter er derfor nødvendig for å øke effektiviteten av oppgaveorientert opplæring ved eksplisitt å veilede håndbevegelse under repeterende opplæring^2,,8.

Tidligere studier brukte bare rehabiliteringsroboter for oppgaveorientert trening på øvre lem og nådde oppgaver³. Det er uklart hvordan robotassistert rehabilitering kan brukes til oppgaveorientert opplæringsmålretting for hånden. En eksoskjeletthånd, HWARD, har blitt brukt til å lede fingrene til å gripe og frigjøre objekter⁸. Denne enheten tillater imidlertid ikke varierte gripemønstre fordi den mangler de nødvendige frihetsgradene. Nylig har andre enheter som retter seg mot å flytte pasientens fingre individuelt blitt utviklet⁹. Disse enhetene har imidlertid ikke tidligere blitt brukt til nevrorehabilitering. Robotenhetene nevnt ovenfor er alle ensidige roboter. I motsetning, robot håndsystemet som presenteres her trenger samarbeid av upåvirkede og berørte hender. Robothåndsystemet er spesielt utviklet for rehabiliteringsformål ved hjelp av master-slavemekanismen for å oppnå symmetriske bimanuelle håndbevegelser. Systemet består av en eksoskjeletthånd (slitt på den berørte hånden), en kontrollboks og en sensorisk hanske (slitt på den upåvirkede hånden). Hver fingermodul på eksoskjelettet hånd drives av en motor med en grad av frihet og leddene er koblet ved hjelp av et mekanisk koblingssystem. To størrelser, S og M, er designet for å passe til ulike motiver. Kontrollboksen gir to terapeutiske moduser, det passive bevegelsesområdet (PROM) og speilstyrte bevegelsesmoduser, der pasientens berørte hånd kan manipuleres av eksoskjelettet. I PROM-modus sender kontrollboksen inndatakommandoer til eksoskjelettet mens du flytter motivets hånd for å utføre full fingerfleksjon/forlengelse. Den inneholder to moduser: single-finger modus (fungerer i rekkefølge fra tommel til liten finger) og fem fingre modus (fem fingre beveger seg sammen). I den speilstyrte bevegelsesmodusen implementeres master -slave -slave (eksoskeletonhånd) mekanisme, der bevegelsen av hver finger oppdages av sensorhansken og signaler fra skjøtevinkle overføres til kontrollboksen for å manipulere eksoskeletonhånden.

Når utstyrt robothåndsystemet, ble forsøkspersonene instruert til å bevege sine berørte hender under veiledning av eksoskjelettet hånd kontrollert av upåvirkede hender som er bimanuell bevegelsestrening (BMT)¹⁰. Ifølge tidligere forskning, BMT er i stand til å aktivere lignende nevrale veier i begge halvkuler i hjernen og hindre trans-halvkule hemming som hindrer utvinning av nevronal funksjon i lesjon halvkule¹⁰. Brunner et al^.11 sammenlignet BMT med begrensningsindusert bevegelsesbehandling (CIMT) hos pasienter med suba akutt slag. De foreslo at BMT har en tendens til å aktivere flere nevrale nettverk på begge halvkuler enn CIMT, og det var ingen signifikant forskjell i forbedring av håndfunksjonen mellom BMT- og CIMT-tilnærmingene. Sleimen-Malkoun et al.¹² foreslo også at gjennom BMT, slagpasienter er i stand til å re-etablere både paretic lem kontroll og bimanuell kontroll. Det vil si at opplæring bør omfatte tomanuelle oppgaver som fokuserer på å bruke den berørte armen. Videre er koordinering av begge hender nødvendig for aktiviteter i dagliglivet (ADL)^11,12. Derfor er det avgjørende å utvikle et bimanuelt robotassistert oppgaveorientert treningsprogram for post-stroke pasienter og gjenstander som kan gripes eller klemmes av pasienter som bruker robothåndsystemet.

I denne studien ble en rekke gripeobjekter designet basert på behovene til ergoterapi og de mekaniske egenskapene til rehabiliteringsroboter. En oppgaveorientert treningsprotokoll ble utviklet ved hjelp av rehabiliteringsutstyr for robotikkere for pasienter med distal dysfunksjon i øvre ekstremiteter på grunn av hjerneslag. Formålet med denne studien var å undersøke gjennomførbarheten, og akseptabiliteten til det oppgaveorienterte treningsprogrammet ved hjelp av en eksoskjelettrobot og nydesignede gripeobjekter.

Protocol

Opplæringsprotokollen og det informerte samtykkedokumentet ble gjennomgått og godkjent av Institutional Review Board i Chang Gung Medical Foundation. Detaljene i studien og prosedyrene ble tydelig forklart for hvert emne. 1. Rekruttering av tre friske voksne Utfør screeningprosessen ved hjelp av følgende inklusjonskriterier: (1) alder 20–60 år, (2) allerede signert informert samtykke, (3) normal funksjon i øvre lemmer, (4) Mini-Mental State Examination (MMSE) score ≧24.</li…

Representative Results

Totalt seks forsøkspersoner ble inkludert i denne studien, inkludert tre friske forsøkspersoner og tre post-stroke. De demografiske dataene for begge gruppene vises i supplerende tabell 1. Gjennomsnittsalderen for den friske gruppen var 28 (område: 24–30), mens gjennomsnittsalderen for pasientgruppen var 49 (40–57). Den gjennomsnittlige vurderingspoengene for pasientgruppen var som følger: (1) MMSE=27 (26–29), (2) FMA=11,3 (6–15), (3) MAS=1, (4) Brunnstrom stadium=2. <p class="jove_conten…

Discussion

Resultatene av denne studien viste følgende: (1) begge gruppene kunne med hell forstå objektene som følger med robothåndsystemet. De var i stand til å fullføre denne oppgaven med en nesten 100% suksessrate, noe som bekrefter gjennomførbarheten av det foreslåtte robotassisterte oppgaveorienterte treningsprogrammet. (2) Det var ingen rapporter om skader eller bivirkninger i studieperioden, og alle pasientene rapporterte at robothåndsystemet var nyttig for å manipulere objekter. Dette bekreftet akseptabiliteten ti…

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.