使用双骨外骨骼机器人手开发面向任务的新康复计划

Summary

本研究报告了一个新的机器人辅助任务导向计划，为手恢复的发展。发育过程包括使用健康受试者和患有中风和随后运动控制功能障碍的受试者的实验。

Abstract

机器人辅助手用于上肢功能受损患者的康复，特别是失去运动控制的中风患者。然而，目前还不清楚传统职业培训战略如何应用于康复机器人的使用。新颖的机器人技术和职业治疗概念用于开发一种协议，允许上肢功能受损的患者通过各种捏合和抓握功能，使用受影响的手抓住物体。为了恰当地执行此操作，我们使用了五种类型的对象:挂钩、矩形立方体、立方体、球和圆柱形柱。我们还为患者配备了机器人手，镜手，一只外骨骼手，它安装在受感染者受影响的手上，并跟随传感器手套的运动安装到他们未受影响的手（双人运动训练（BMT）上）。这项研究分为两个阶段。首先招募了三个健康科目，以测试培训计划的可行性和可接受性。三名中风引起的手部功能障碍患者被招募，以确认连续3天进行的培训计划的可行性和可接受性。每天，在被动运动范围内，在5分钟的运动中监测患者，5分钟的机器人辅助双人运动，并使用5个物体进行任务导向训练。结果表明，健康受试者和与机器人手一起中风的受试者可以成功地抓住这些物体。健康受试者和中风患者在机器人辅助任务导向型培训计划中，在可行性和可接受性方面表现良好。

Introduction

最多 （80%）中风患者手部不足，难以独立执行与日常生活相关的人工^任务。然而，手工任务的复杂性质意味着，为手部康复2设计一个面向任务的培训计划是一个^重大挑战。近年来，许多机器人设备已经开发为^{手部康复,3，4，}但很少的训练协议辅助机器人设备允许病人与实际物体互动。目前还不清楚如何使用机器人设备为因中风而出现手功能障碍的患者应用以任务为导向的手功能康复培训计划。

以任务为导向的训练用于改善手部^{功能,5、6，}常用于中风导致的上肢功能障碍的康复。它用于增加神经可塑性，并高度依赖于个人神经缺陷和功能需求^7。然而，在面向任务的训练中，如果手部功能受损，患者很难操纵物体。这方面的例子包括抓握不良或捏合功能有限。治疗师在单独指导患者手指运动方面也表现出困难，因此限制了抓握任务的变化。因此，机器人设备是提高以任务为导向的训练的有效性，明确指导手部运动在重复^{训练,2，8。}

Protocol

培训协议和知情同意文件由长贡医学基金会机构审查委员会审查和批准。研究的细节和程序已清楚地向每个主题解释。

1. 招募三名健康成年人

1. 使用以下包含标准执行筛查过程:（1） 年龄 20~60 岁，（2） 已签署知情同意书，（3） 上肢正常功能，（4） 迷你精神状态考试 （MMSE） 分数 +24。
2. 进行试验 1:在不佩戴机器人手系统的情况下操纵物体。
   1. 指示对象直立坐在椅子上，背部牢固，没有扶手。将主体放在桌子前面。站在主题的非主导方面。
   2. 教主体如何操作设计对象 5 分钟。包括拿起钉的手掌预紧器，拾起矩形立方体的横向预紧器，拾取立方体的三点夹头，拾取球的球形抓手，以及拾取圆柱形棒的圆柱形抓手。
      注:如图1A所示。实验设置如图1B所示。受试者学习了每个对象的具体抓握模式。抓握模式如图2所示。
   3. 将两个基地双边地放在主体的手中。将修复中使用的每个对象放在这些底座上，以帮助操作。对于所有对象，重复以下序列 20 次。要求受试者抓住基座起始区域中的物体，抬起物体，然后将它们移动到中线，然后用非显性的手释放。
   4. 同时，测量这 20 次尝试的成功率。连续 3 天执行此过程。成功率是每 20 次尝....

Results

共有六个科目参加了这项研究，包括三个健康科目和三个中风后科目。两组的人口统计数据都见补充表1。健康组的平均年龄为28岁（范围:24~30岁），而患者组的平均年龄为49岁（40~57岁）。患者组的平均评估分数如下:（1） MMSE=27 （26–29），（2） FMA=11.3 （6+15），（3） MAS=1，（4） 布伦斯特伦阶段=2。

在步骤 1 中，健康组 （n=3） 中的受试者完美地操作了机器人手系统（补充表2+6） 的所有对象。如图4所示，在没有机器人手的3天中，平均成功率如下:挂钩=100=0%（均值=S.D.）;矩形立方体=100±0%;立方体=100=0%;球=100±0%，圆柱形杆=100±0%。使用机器人手的3天平均成功率，如图4所示，如下:挂钩=100=0%;矩形立方体=100±0%;立方体=100=0%;球=100±0%，圆柱形杆=100±0%。研究结果支持了机器人手系统在.......

Discussion

本研究结果表明:（1）两组可以成功掌握机器人手系统提供的物体。他们能够以接近100%的成功率完成这项任务，验证了拟议的机器人辅助任务导向培训计划的可行性。（2） 在研究期间没有伤害或不良事件的报告，所有患者都报告说，机器人手系统有助于操纵物体。这证实了机器人手系统和培训计划的可接受性。

这是第一个使用双边机器人手系统与真实物体^{8，13，14,13,进行交互的协议}。日常活动依赖于手部功能^{是复杂的15，}特别是双人的任务^12，如穿上裤子或拧毛巾。我们建议，通过双曼练习不同的抓握模式的培训计划，能够促进受试者的手部功能，提高实际ADL性能。本研究的对象设计时考虑了可行性、稳定性和弹性。具体来说，物体的形状、尺寸和材质设计用于拟合外骨骼手的刚性关节位置，并提供足够的感官反馈。此外，每个形状都设计用于训练在"布伦斯.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
控制箱	Rehabotics Medical Technology Corporation	HB01	控制箱包括电源、传感器手套信号接收器、电机信号发射器和外骨骼手部运动模式选择单元。
外骨骼手	部康复医疗技术公司	HS01	它是一种可穿戴设备，使患者的手指移动，由外部电机和机械组件驱动。
传感器手套	Rehabotics Medical Technology Corporation	HM01	佩戴在患者健侧手上。传感器手套中的传感器将检测手的弯曲和伸展，这些数据将用于在双合模模式下控制外骨骼手。