使用双骨外骨骼机器人手开发面向任务的新康复计划
May 20th, 2020
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。
这种机器人辅助、面向任务的培训方案是为神经缺陷引起的手部功能障碍患者开发的。我们的协议是第一个将面向任务的培训计划与用于手功能修复的机器人手集成的，也是第一个研究协议的可行性和可接受性的协议。我们设计了可以使用训练协议操作的专用对象。
然后，我们的机器人手系统可以应用于双人运动训练。演示手术的将是陈一梅和苏申赖，我科的职业治疗师。在开始分析之前，将传感器放在主体未受影响的手上，并使用钩环胶带固定手腕。
使用干净的垫包住受影响的手，并牢固地固定钩环胶带。松开外骨骼手的拇指机构，以调整拇指打开角度，将受影响的手放在外骨骼手中。通过紧固环将挂钩和环固定到手掌上。
之后，一个个紧紧手指，从食指开始，用拇指完成。通过紧固环将平行于手腕的钩环胶带固定，并调整拇指到舒适的角度。然后，拧紧拇指机构。
要设置控制箱，请插入外骨骼手的电缆，然后插入传感器手套的电缆。将两组电缆插入控制箱的插座中，并将电源线插入控制箱中。然后，将电源线连接到具有正确电压的插座。
当系统和主体准备就绪时，切换到控制框，将模式设置为五指，以允许外骨骼手被动地移动主体的手指。请对象执行由外骨骼手引导的抓放任务 2.5 分钟。将模式切换到单指。
然后，让外骨骼手单独和被动地移动主体的手指，而主体伸展和缩回单个手指 2.5 分钟。对于机器人辅助的双人运动会话，将模式切换到"镜像"，以允许佩戴传感器手套的未受影响的手移动以控制外骨骼手部运动。要对主体使用机器人手系统操纵物体的能力进行试验，请将外骨骼手与主体未受影响的手配合使用，将传感器手套安装到未受影响的手上，并在主体的肘部和外骨骼手下放置吊索以支撑受影响的手臂。
接下来，进行刚刚演示的热身会议。热身后，使用机器人手系统五分钟演示如何操纵设计对象，包括使用棕榈前孔拾起钉，横向预紧拾长方形立方体，三点夹头拾起立方体，球形抓球拿起球，以及圆柱形抓取圆柱形杆。演示后，将两个基地双边放置到主体的手中，并放置对象放在一个基座的顶部，以协助其操作。
让主体使用机器人手系统连续三天每天抓举每个物体20次，从基座区域开始，将每个物体提升、移动并释放到中线，同时监控和记录每次尝试的成功率。在这项具有代表性的分析中，对三个健康受试者和三个中风后受试者进行了评估。健康组的平均年龄为28岁，而患者组的平均年龄为49岁。
迷你精神状态检查，Fugl-Meyer评估，修改阿什沃思量表手指，和布伦斯特伦阶段得分也获得每个患者。健康组中的受试者完美地操纵了机器人手系统的所有对象，每个任务的平均成功率为 100%。然而，所有患者在没有机器人手系统的情况下都表现出操作物体的困难，证明所有物体的成功率为0%。
相比之下，当使用机器人手系统时，所有患者的成功率都显著提高，接近健康受试者观察到的成功率，支持在中风患者中使用机器人手系统的可行性。提醒受试者在双人运动训练中集中注意双手的运动控制，确保物体上的抓握模式正确。按照这个程序，需要随机对照试验来确定训练协议的治疗效果。
利用这项技术，研究人员可以通过细腻的手指运动来编程康复方案，以治疗严重的手部功能障碍，并可以探索对大脑神经可塑性和功能结果的影响。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概述
本研究提出了一种新的机器人辅助、任务导向的训练方案，专为因神经系统缺陷而导致手部功能障碍的患者设计。它整合了康复用的机器人手系统，并研究了该方法的可行性和可接受性。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 康复
- 机器人技术
背景
- 手部功能障碍可能由中风等神经系统疾病引起。
- 传统康复方法可能无法充分解决运动控制缺陷。
- 机器人辅助提供了提高康复结果的潜力。
- 任务导向的训练对于有效恢复至关重要。
研究目的
- 开发一个辅助手部康复的机器人系统。
- 评估任务导向的训练与机器人辅助的整合。
- 评估训练方案的可行性和可接受性。
所用方法
- 开发用于康复的机器人手系统。
- 设计用于训练过程中操作的专门物体。
- 在双手运动训练中应用该方案。
- 聘请职业治疗师进行演示和指导。
主要结果
- 该方案成功地在健康受试者和中风患者中实施。
- 参与者报告了对机器人训练的积极体验。
- 可行性研究表明该方案适用于临床环境。
- 用户的可接受性表明该方案具有更广泛应用的潜力。
结论
- 机器人辅助的训练方案在手部康复方面显示出前景。
- 任务导向的训练整合提高了康复效果。
- 需要进一步研究来优化方案并评估长期结果。
常见问题
Executive Industry Relevance
This study demonstrates a bimanual exoskeleton robotic hand system for task-oriented rehabilitation of upper limb dysfunction, offering a mechanistically grounded approach to motor retraining in neurological conditions. The protocol supports target validation of neuromuscular pathways through quantifiable grasp-and-release performance metrics, enabling preclinical modeling of rehabilitation interventions. By integrating bilateral sensorimotor feedback with functional object manipulation, the system provides a disease-relevant system for de-risking translational hypotheses in neurorehabilitation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of motor control pathways through standardized grasp-and-release tasks with measurable success rates.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for assessing neuromuscular function in healthy and disease models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of validated biological systems for downstream screening of neuroprotective or neurorestorative compounds.
- Operational Value: Supports assay standardization via five distinct object manipulation tasks requiring specific prehension patterns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Offers disease-relevant system modeling stroke-induced hand dysfunction with quantifiable functional endpoints.
- Operational Value: Enables continuity from discovery through preclinical validation by tracking bilateral movement coordination and task success.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions within early discovery to preclinical workflow by providing quantifiable neuromuscular outputs that inform lead identification and predictive confidence in rehabilitation therapeutics.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of bilateral motor integration and cortical reorganization through controlled bimanual training.
- Screening: Describes assay readiness via standardized object manipulation tasks that yield quantitative success rate measurements.
- Analytics: Highlights success rate as a key readout for comparing conditions across subject groups and intervention days.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by modeling stroke-related motor impairment and recovery trajectories.
- Enterprise Reuse: Frames the robotic hand system as a reusable platform for evaluating multiple neurorehabilitation protocols.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in motor pathway engagement through grasp performance metrics.
- Operational Value: Standardization of training protocols across subjects and sites using defined object sets and time parameters.
- Strategic Value: Enables go/no-go decisions on rehabilitation compounds based on functional recovery benchmarks.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by quantifying task-oriented training effects on motor control.
Implementation Considerations
- Required expertise in occupational therapy, neurorehabilitation, and robotic system operation.
- Instrumentation needs include exoskeleton hand, sensor glove, control box, and standardized manipulation objects.
- Cross-team standardization requires consistent object placement, grasp pattern guidance, and success rate monitoring.
- Adaptation considerations across model systems involve adjusting resistance levels and task complexity for varying impairment levels.
- Practical limitations include dependency on bilateral motor control and training duration effects on fatigue.
