Este estudio informa del desarrollo de un novedoso programa orientado a tareas asistida por robots para la rehabilitación de manos. El proceso de desarrollo consiste en experimentos utilizando tanto sujetos sanos como sujetos que han tenido un accidente cerebrovascular y han sufrido de disfunción de control motor posterior.
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Artículo de método
Desarrollo de un novedoso programa de rehabilitación orientado a tareas utilizando una mano robótica de exoesqueleto bimanual
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Resumen
Resumen
Una mano asistida por robot se utiliza para la rehabilitación de pacientes con insuficiencia de la función de las extremidades superiores, especialmente para pacientes con accidente cerebrovascular con pérdida de control motor. Sin embargo, no está claro cómo se pueden aplicar las estrategias convencionales de formación ocupacional al uso de robots de rehabilitación. Las nuevas tecnologías robóticas y los conceptos de terapia ocupacional se utilizan para desarrollar un protocolo que permite a los pacientes con la función de las extremidades superiores deterioradas agarrar objetos utilizando su mano afectada a través de una variedad de funciones de pellizcar y agarrar. Para llevar a cabo esto adecuadamente, usamos cinco tipos de objetos: una clavija, un cubo rectangular, un cubo, una bola y una barra cilíndrica. También equipamos a los pacientes con una mano robótica, la mano de espejo,una mano de exoesqueleto que se ajusta a la mano afectada del sujeto y sigue el movimiento del guante del sensor instalado en su mano no afectada (entrenamiento de movimiento bimanual (BMT)). Este estudio tuvo dos etapas. Tres sujetos sanos fueron reclutados por primera vez para probar la viabilidad y aceptabilidad del programa de capacitación. Tres pacientes con disfunción de la mano causada por accidente cerebrovascular fueron reclutados para confirmar la viabilidad y aceptabilidad del programa de entrenamiento, que se llevó a cabo en 3 días consecutivos. En cada día, el paciente fue monitoreado durante 5 minutos de movimiento en un rango pasivo de movimiento, 5 minutos de movimiento bimanual asistido por robot, y entrenamiento orientado a tareas utilizando los cinco objetos. Los resultados mostraron que tanto los sujetos sanos como los sujetos que habían sufrido un derrame cerebral junto con la mano robótica podían agarrar con éxito los objetos. Tanto los sujetos sanos como aquellos que habían sufrido un derrame cerebral tuvieron un buen desempeño con el programa de entrenamiento orientado a tareas asistida por robot en términos de viabilidad y aceptabilidad.
Introducción
La mayoría (80%) pacientes de accidente cerebrovascular experimentan un déficit en la mano y tienen dificultad para realizar de forma independiente tareas manuales que son pertinentes para la vida diaria1. Sin embargo, la naturaleza compleja de las tareas manuales significa que es un desafío significativo diseñar un programa de formación orientado a tareas para la rehabilitación manual2. En los últimos años, muchos dispositivos robóticos se han desarrollado para la rehabilitación manual3,,4,pero pocos protocolos de entrenamiento asistidos por dispositivos robóticos permiten al paciente interactuar con objetos reales. No está claro exactamente cómo se puede aplicar un programa de entrenamiento orientado a tareas para la rehabilitación de la función de la mano utilizando dispositivos robóticos para pacientes que experimentan disfunción de la mano debido a un accidente cerebrovascular.
El entrenamiento orientado a tareas se utiliza para mejorar la función de la mano5,6 y se aplica comúnmente en la rehabilitación de la disfunción de las extremidades superiores debido a un accidente cerebrovascular. Se utiliza para aumentar la neuroplasticidad y depende en gran medida de los déficits neurológicos individuales y las demandas funcionales7. Sin embargo, durante el entrenamiento orientado a tareas, los pacientes experimentan dificultades para manipular objetos si la función de la mano se ve afectada. Ejemplos de esto incluyen funciones de agarre deficientes o de pellizcar limitadas. Los terapeutas también muestran dificultad para guiar los movimientos de los dedos de los pacientes individualmente, lo que limita la variación de las tareas de agarre. Por lo tanto, los dispositivos robóticos son necesarios para aumentar la eficacia del entrenamiento orientado a las tareas guiando explícitamente el movimiento de la mano durante el entrenamiento repetitivo2,,8.
Estudios anteriores sólo utilizaban robots de rehabilitación para el entrenamiento orientado a tareas en las tareas de alcanzar las extremidades superiores3. No está claro cómo se puede emplear la rehabilitación asistida por robot para el entrenamiento orientado a tareas en función de la mano. Una mano de exoesqueleto, HWARD, se ha utilizado para guiar los dedos para agarrar y liberar objetos8. Sin embargo, este dispositivo no permite patrones de agarre variados porque carece de los grados necesarios de libertad. Recientemente, otros dispositivos que apuntan a mover los dedos de un paciente individualmente se han desarrollado9. Sin embargo, estos dispositivos no se han utilizado previamente para la neurorrehabilitación. Los dispositivos robóticos mencionados anteriormente son todos robots unilaterales. Por el contrario, el sistema de manos robóticas presentado aquí necesita la cooperación de manos no afectadas y afectadas. El sistema de mano robótico está diseñado específicamente para fines de rehabilitación utilizando el mecanismo maestro-esclavo para lograr movimientos simétricos de la mano bimanual. El sistema consiste en una mano de exoesqueleto (desgastada en la mano afectada), una caja de control y un guante sensorial (usado en la mano no afectada). Cada módulo de dedo de la mano de exoesqueleto es accionado por un motor con un grado de libertad y sus articulaciones están unidas mediante un sistema de vinculación mecánica. Dos tamaños, S y M, están diseñados para adaptarse a diferentes temas. La caja de control proporciona dos modos terapéuticos, el rango pasivo de movimiento (PROM) y los modos de movimiento guiado por espejo, a través de los cuales la mano afectada del paciente puede ser manipulada por la mano de exoesqueleto. En el modo PROM, el cuadro de control envía comandos de entrada al exoesqueleto mientras mueve la mano del sujeto para realizar la flexión/extensión completa del dedo. Contiene dos modos: modo de un solo dedo (actúa en secuencia desde el pulgar hasta el dedo meñique) y el modo de cinco dedos (cinco dedos se mueven juntos). En el modo de movimiento guiado por espejo, se implementa el mecanismo maestro (guante sensor) -esclavo (mano de exoesqueleto), en el que el movimiento de cada dedo es detectado por el guante del sensor y las señales de los ángulos de la articulación se transmiten a la caja de control para manipular la mano del exoesqueleto.
Cuando se equipó el sistema de mano robótica, se instruyó a los sujetos a mover sus manos afectadas bajo la guía de la mano de exoesqueleto controlada por manos no afectadas, que es el entrenamiento de movimiento bimanual (BMT)10. Según investigaciones anteriores, BMT es capaz de activar vías neuronales similares en ambos hemisferios del cerebro y prevenir la inhibición del hemisferio trans hemisferio que dificulta la recuperación de la función neuronal en el hemisferio de la lesión10. Brunner et al.11 compararon BMT con la terapia de movimiento inducida por restricciones (CIMT) en pacientes con accidente cerebrovascular subagudo. Sugirieron que BMT tiende a activar más redes neuronales en ambos hemisferios que el CIMT, y no hubo diferencia significativa en la mejora de la función de la mano entre los enfoques BMT y CIMT. 12 también sugirieron que, a través de BMT, los pacientes con accidente cerebrovascular son capaces de restablecer tanto el control parético de las extremidades como el control bimanual. Es decir, la formación debe comprender tareas bimanuales que se centran en el uso del brazo afectado. Además, la coordinación de ambas manos es necesaria para las actividades de la vida diaria (ADL)11,12. Por lo tanto, es crucial desarrollar un programa bimanual de entrenamiento orientado a tareas asistida por robot para pacientes post-carrera y objetos que pueden ser agarrados o pellizcados por pacientes que usan el sistema robótico de manos.
En este estudio, se diseñaron una variedad de objetos de agarre basados en las necesidades de la terapia ocupacional y las propiedades mecánicas de los robots de rehabilitación. Se desarrolló un protocolo de entrenamiento orientado a tareas utilizando dispositivos de rehabilitación robótica para pacientes con disfunción distal de las extremidades superiores debido a un accidente cerebrovascular. El propósito de este estudio fue investigar la viabilidad y la aceptabilidad del programa de entrenamiento orientado a tareas utilizando un robot de exoesqueleto y objetos de agarre de nuevo diseño.
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Protocolo
El protocolo de capacitación y el documento de consentimiento informado fueron revisados y aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la Chang Gung Medical Foundation. Los detalles del estudio y los procedimientos se explicaron claramente a cada tema.
1. Reclutamiento de tres adultos sanos
- Realice el proceso de selección utilizando los siguientes criterios de inclusión: (1) edad de 20 a 60 años, (2) consentimiento informado ya firmado, (3) función normal en las extremidades superiores, (4) Puntuación de Mini-Mental State Examination (MMSE) ≧24.
- Realizar ensayo 1: manipular objetos sin usar el sistema de mano robótico.
- Instruya al sujeto a sentarse erguido en una silla con la espalda firme y sin apoyabrazos. Sentar el sujeto delante de una mesa. Prepárese junto al lado no dominante del sujeto.
- Enseñar al sujeto cómo manipular los objetos diseñados durante 5 min. Incluir una prensión palmar para recoger la clavija, una prensión lateral para recoger el cubo rectangular, un mandril de tres puntos para recoger el cubo, un agarre esférico para recoger la pelota, y un agarre cilíndrico para recoger la barra cilíndrica.
NOTA: Los objetos se muestran en la Figura 1A. La configuración experimental se muestra en la Figura 1B. Los sujetos aprendieron los patrones de agarre específicos para cada objeto. El patrón de agarre se muestra en la Figura 2. - Coloque dos bases bilateralmente frente a las manos del sujeto. Coloque cada objeto utilizado en la rehabilitación encima de estas bases para ayudar a la manipulación. Para todos los objetos, repita las siguientes secuencias 20 veces. Pida a los sujetos que agarren los objetos en el área inicial de la base, levanten y muévanlos a la línea media y suéltenlos con sus manos no dominantes.
- Al mismo tiempo, mida la tasa de éxito de estos 20 intentos. Realice este procedimiento en 3 días consecutivos. La tasa de éxito es el número de manipulaciones exitosas por cada 20 intentos x 100%. La manipulación exitosa se define como cuando los sujetos son capaces de completar las secuencias con un patrón de agarre específico según los objetos y sin soltarlas.
- Realizar prueba 2: manipular objetos utilizando el sistema de mano robótica (Figura 3).
NOTA: Los mecanismos del sistema de mano robótica son los siguientes. En la mano de exoesqueleto, las articulaciones de cada módulo de dedos están diseñadas en enlace mecánico y accionadas por un actuador lineal individual con una velocidad constante de 10 mm/s. El exoesqueleto tiene diferentes rangos de movimiento en cada módulo de dedo (thumb: MCP- 0 a 55o, DIP- 0o a 70o; índice y dedos medios: MCP-10 a 55o, PIP-0o a 35o, DIP-0o a 35o; anillo y dedos pequeños: MCP-5o a 55o, PIP-0o a 35o, DIP de 0o a 35o). En el guante del sensor, cada módulo de dedo se instala con un sensor flexible que mide el ángulo de la articulación y envía señales de entrada a la caja de control a través de cables.- Configuración del guante del sensor (Figura 1B,b)
- Coloque el guante del sensor en la mano dominante del sujeto. Utilice el Velcro para asegurar la muñeca.
- Configuración del exoesqueleto (Figura 1B,b)
- Utilice una almohadilla limpia para envolver la mano no dominante. Fije el Velcro correctamente.
- Afloje el mecanismo del pulgar de la mano del exoesqueleto para permitir el ajuste del ángulo de apertura del pulgar. Coloque la mano no dominante en la mano del exoesqueleto. Fije el Velcro a la palma a través del anillo de fijación. Fije los dedos uno por uno, comenzando con el dedo índice y terminando con el pulgar.
- A continuación, fije el Velcro paralelo a la muñeca a través del anillo de fijación. Ajuste el pulgar a un ángulo cómodo y luego apriete el mecanismo del pulgar.
- Configuración de la caja de control (Figura 1A,c)
- Inserte los cables para la mano de exoesqueleto y el guante del sensor en las tomas de la mano del exoesqueleto y el guante del sensor, respectivamente. Después de eso, inserte los cables para la mano de exoesqueleto y el guante del sensor en la toma de la caja de control. Por último, inserte el cable de alimentación en la caja de control y conéctelo a una toma de corriente con la tensión correcta.
- Realizar una sesión de calentamiento (el modo PROM)
- Encienda la caja de control y ajuste el modo a Cinco dedos. Este modo permite que la mano de exoesqueleto mueva los dedos del sujeto pasivamente. Pida al sujeto que realice una tarea de agarre y liberación guiada por la mano del exoesqueleto durante 2,5 min.
- Cambia el modo a Single Finger y deja que la mano del exoesqueleto mueva los dedos del sujeto de forma individual y pasiva. Pida al sujeto que extienda y retraiga los dedos individuales durante 2,5 minutos, guiados por la mano de exoesqueleto.
- Llevar a cabo una sesión de movimiento bimanual asistida por robot.
- Cambie el modo a Mirror. En este modo, el movimiento de la mano dominante que lleva el guante del sensor controla los movimientos de la mano del exoesqueleto. Cualquier movimiento que se hace por el guante del sensor es imitado y reflejado por la mano de exoesqueleto. Por ejemplo, una flexión del dedo índice del guante sensor corresponde a una flexión del dedo índice del exoesqueleto.
- Instruya al sujeto a realizar una tarea de agarre y liberación durante 2,5 minutos y haga movimientos individuales de los dedos durante 2,5 minutos más mientras usa el guante del sensor. Esta acción se refleja en la mano de exoesqueleto, que guía la mano no dominante del sujeto en la realización de las tareas requeridas.
- Configuración del guante del sensor (Figura 1B,b)
- Lleve a cabo la sesión orientada a tareas.
- Enseñar al sujeto cómo manipular los objetos diseñados utilizando el sistema de mano robótica durante 5 minutos. Incluir una prensión palmar para recoger la clavija, una prensión lateral para recoger el cubo rectangular, un mandril de tres puntos para recoger el cubo, un agarre esférico para recoger la pelota, y un agarre cilíndrico para recoger la barra cilíndrica.
- Coloque dos bases bilateralmente frente a las manos del sujeto. Coloque cada objeto utilizado en la rehabilitación encima de estas bases para ayudar a la manipulación. Para todos los objetos, repita las siguientes secuencias 20 veces. Pida a los sujetos que agarren el objeto en el área inicial de la base, levanten y muévanlos a la línea media y suéltelos utilizando el sistema de mano robótica.
- Al mismo tiempo, mida la tasa de éxito de estos 20 intentos. Realice este procedimiento en 3 días consecutivos. La tasa de éxito es el número de manipulaciones exitosas por cada 20 intentos x 100%. La manipulación exitosa se define como cuando los sujetos son capaces de completar las secuencias con un patrón de agarre específico utilizando el sistema de mano robótica y sin dejarlas caer.
NOTA: La tasa de éxito se utilizará para evaluar la viabilidad del sistema de mano robótica bimanual en sujetos sanos.
2. Reclutar pacientes de tres accidentes cerebrovasculares para determinar la aplicabilidad del programa de entrenamiento
- Realizar el proceso de selección utilizando los siguientes criterios de inclusión: (1) edad de 20 a 60 años; 2) consentimiento informado firmado; (3) diagnosticado con accidente cerebrovascular unilateral ≧ 1 mes (4) Puntuación modificada de la escala ashworth (MAS) ≦2; (5) Etapa Brunnstrom ≦2; (6) Puntuación MMSE ≧24.
- Realizar prueba 1: manipular objetos cuando no se utiliza el sistema de mano robótica (Figura 2).
- Deje que el sujeto se siente erguido en una silla con la espalda firme y sin apoyabrazos. Sentar el sujeto delante de una mesa. Prepárese junto al lado afectado del sujeto. Coloque un cabestrillo debajo del codo del sujeto y la mano del exoesqueleto para apoyar su brazo afectado.
- Enseñar al sujeto cómo manipular los objetos diseñados durante 5 min. Incluir una prensión palmar para recoger la clavija, una prensión lateral para recoger el cubo rectangular, un mandril de tres puntos para recoger el cubo, un agarre esférico para recoger la pelota, y un agarre cilíndrico para recoger la barra cilíndrica.
- Coloque dos bases bilateralmente frente a las manos del sujeto. Coloque cada objeto utilizado en la rehabilitación encima de estas bases para ayudar a la manipulación. Pídale al sujeto que manipule los cinco objetos diferentes usando su mano afectada 20 veces. Apoyar al sujeto en el movimiento de su brazo superior si es necesario.
- Al mismo tiempo, mida la tasa de éxito de estos 20 intentos. Realice este procedimiento en 3 días consecutivos.
- Realizar prueba 2: manipular objetos utilizando el sistema de mano robótica (Figura 3).
- Coloque la mano del exoesqueleto en la mano afectada del sujeto y el guante del sensor en la mano no afectada. Repita los pasos 1.3.1–1.3.3. Coloque un cabestrillo debajo del codo del sujeto y la mano del exoesqueleto para apoyar su brazo afectado.
- Llevar a cabo una sesión de calentamiento (el modo PROM).
- Encienda la caja de control y ajuste el modo a Cinco dedos. Pida al sujeto que realice una tarea de agarre y liberación guiada por la mano del exoesqueleto durante 2,5 min.
- Cambie el modo a Un solo dedo. Pida al sujeto que extienda y retraiga los dedos individuales durante 2,5 minutos, guiados por la mano de exoesqueleto.
- Cambie el modo a Mirror. Instruya al sujeto a realizar una tarea de agarre y liberación durante 2,5 minutos y haga movimientos individuales de los dedos durante 2,5 minutos más mientras usa el guante del sensor. Esta acción se refleja en la mano de exoesqueleto, que guía la mano afectada del sujeto en la realización de las tareas requeridas.
- Llevar a cabo una sesión orientada a tareas.
- Enseñar al sujeto cómo manipular los objetos diseñados utilizando el sistema de mano robótica durante 5 minutos. Incluir una prensión palmar para recoger la clavija, una prensión lateral para recoger el cubo rectangular, un mandril de tres puntos para recoger el cubo, un agarre esférico para recoger la pelota, y un agarre cilíndrico para recoger la barra cilíndrica.
- Coloque dos bases bilateralmente frente a las manos del sujeto. Coloque cada objeto utilizado en la rehabilitación encima de estas bases para ayudar a la manipulación. Para todos los objetos, repita las siguientes secuencias 20 veces. Pida a los sujetos que agarren los objetos en el área inicial de la base, levanten y muévanlos a la línea media y suéltelos utilizando el sistema de mano robótica.
- Al mismo tiempo, mida la tasa de éxito de estos 20 intentos. Realice este procedimiento en 3 días consecutivos. La tasa de éxito es el número de manipulaciones exitosas por cada 20 intentos x 100%. La manipulación exitosa se define como cuando los sujetos son capaces de completar las secuencias con un patrón de agarre específico utilizando el sistema de mano robótica y sin dejarlas caer.
NOTA: La tasa de éxito se utilizará para evaluar la viabilidad del sistema robótico de manos en pacientes con accidente cerebrovascular.
3. Evaluación del paciente
- Para evaluar la aceptabilidad, haga las siguientes preguntas a los sujetos al final de cada sesión: (1) ¿fue útil el sistema de manos robóticas para manipular los objetos? (2) ¿Hubo algún evento adverso ocurrido durante o después del programa de entrenamiento?
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Resultados
Un total de seis sujetos fueron inscritos en este estudio, incluyendo tres sujetos sanos y tres sujetos post-accidente cerebrovascular. Los datos demográficos de ambos grupos se muestran en la Tabla complementaria 1. La edad media del grupo sano fue de 28 años (rango: 24–30), mientras que la edad promedio del grupo de pacientes fue de 49 (40–57). Las puntuaciones medias de la evaluación del grupo de pacientes fueron las siguientes: (1) MMSE-27 (26–29), (2) FMA-11.3 (6–15), (3) MAS-1, (4) etapa Brunnstrom...
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Discusión
Los resultados de este estudio mostraron lo siguiente: (1) ambos grupos podían agarrar con éxito los objetos provistos con el sistema de mano robótica. Fueron capaces de completar esta tarea con una tasa de éxito de casi el 100%, lo que verifica la viabilidad del programa de capacitación orientado a tareas asistida por robots propuesto. (2) No hubo informes de lesiones o acontecimientos adversos durante el período de estudio y todos los pacientes informaron que el sistema robótico de manos era útil para manipular objetos...
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Divulgaciones
Los autores no declaran ningún conflicto de intereses.
Agradecimientos
Este proyecto fue apoyado por Chang Gung Medical Foundation con la subvención BMRP390021 y el Ministerio de Ciencia y Tecnología con subvenciones MOST 107-2218-E-182A-001 y 108-2218-E-182A-001.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Caja de control | Rehabotics Medical Technology Corporation | HB01 | La caja de control incluye una fuente de alimentación, un sensor, un receptor de señal de guante, un transmisor de señal de motor y una unidad de selección de modo de movimiento de mano exoesquelética. |
| Exoskeletal Hand | Rehabotics Medical Technology Corporation | HS01 | Es un dispositivo portátil que hace que los dedos del paciente se muevan y es impulsado por un motor externo y un conjunto mecánico. |
| Guante con sensor | Rehabotics Medical Technology Corporation | HM01 | Se usa en la mano lateral no afectada del paciente. Los sensores del guante sensor detectarán la flexión y la extensión de la mano, y estos datos se utilizarán para controlar la mano exoesquelética cuando esté en modo bimanual. |
Referencias
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