פיתוח תוכנית שיקום מוכוונת-משימות באמצעות יד רובוטית ביאנואל
20 במאי 2020
מחקר זה מדווח על התפתחות של תוכנית הרומן בסיוע משימות מונחה משימה לשיקום יד. התהליך ההתפתחותי כולל ניסויים באמצעות נושאים בריאים ונושאים שעברו שבץ וסבלו מתפקוד לקוי של בקרת המנוע.
פרוטוקול אימון מונחה משימות בסיוע רובוט זה פותח עבור חולים עם תפקוד לקוי של היד הנגרמת על ידי ליקויים נוירולוגיים. הפרוטוקול שלנו הוא הראשון לשלב תוכנית הכשרה מונחית משימות עם יד רובוטית לשיקום תפקודי יד והראשון לחקור את ההיתכנות ואת הקבלה של הפרוטוקול. עיצבנו אובייקטים מיוחדים שניתן לטפל בהם באמצעות פרוטוקול האימון.
אז מערכת היד הרובוטית שלנו יכולה להיות מיושמת על אימון תנועה דו-שנתית. הדגימה להליך תהיה יי-מי חן וסו-שן לאי, מרפאים בעיסוק מהמחלקה שלי. לפני תחילת הניתוח, מקם את החיישן על היד הלא מושפעת של הנבדק, ולהשתמש בקלטת הוו והלולאה כדי לאבטח את פרק כף היד.
השתמש כרית נקייה כדי לעטוף את היד המושפעת, ולהדק באופן מאובטח את הקלטת וו ולולאה. שחרר את מנגנון האגודל של יד השלד החיצוני כדי לאפשר התאמה של זווית פתיחת האגודל, והצב את היד המושפעת ביד השלד החיצוני. הדק את הוו ולולאה לכף היד דרך טבעת ההדק.
לאחר מכן, הדקו את האצבעות בזה אחר זה, החל באצבעות ההמשך וכלה באגודל. הדקו את קלטת הוו והלולאה במקביל לפרק כף היד דרך טבעת ההדק, והכוונו את האגודל לזווית נוחה. לאחר מכן, הדק את מנגנון האגודל.
כדי להגדיר את תיבת הבקרה, הכנס את הכבל ליד השלד החיצוני והכנס את הכבל לכפפת החיישן. הכנס את שתי ערכות הכבלים לשקע בתיבת הבקרה והכנס את כבל החשמל לתיבת הבקרה. לאחר מכן, חבר את כבל החשמל לשקע עם המתח הנכון.
כאשר המערכת והנושא מוכנים, עבור לתיבת הבקרה והגדר את המצב לחמש אצבעות כדי לאפשר ליד השלד החיצוני להזיז את אצבעות הנושא באופן פסיבי. בקש מהנושא לבצע משימת אחיזה ושחרור בהנחיית יד השלד החיצוני למשך 2.5 דקות. העבר את המצב לאצבע בודדת.
לאחר מכן, תן ליד השלד החיצוני להזיז את אצבעותיו של הנושא בנפרד ובאופן פסיבי בעוד הנושא מרחיב ונוכה אצבעות בודדות במשך 2.5 דקות. למפגש תנועה דו-שנתי בסיוע רובוט, העבר את המצב למראה כדי לאפשר לתנועת היד הלא מושפעת שלובשת את כפפת החיישן לשלוט בתנועות היד של השלד החיצוני. כדי לערוך ניסוי ביכולתו של הנבדק לתפעל עצמים באמצעות מערכת היד הרובוטית, התאם את יד השלד החיצוני לידו הבלתי מושפעת של הנבדק ואת כפפת החיישן ליד הבלתי מושפעת כפי שהוכח זה בלבד, והצב קלע מתחת למרפק של הנבדק ויד השלד החיצוני כדי לתמוך בזרוע המושפעת.
לאחר מכן, לנהל מפגש חימום כפי שהוכח רק. לאחר החימום, השתמש במערכת הידיים הרובוטית במשך חמש דקות כדי להדגים כיצד לתפעל את האובייקטים המעוצבים, כולל שימוש בהקדמה פאלמר להרים את היתד, prehension בצדדים להרים את הקובייה המלבנית, צ'אק שלוש נקודות להרים את הקובייה, אחיזה כדורית להרים את הכדור, ותפיסת גליל להרים את הבר הגלילי. לאחר ההפגנה, מניחים שני בסיסים דו-צדדיים מול ידיו של הנבדק, ומ מניחים את החפצים על גבי בסיס אחד כדי לסייע במניפולציה שלהם.
תן לנושא להשתמש במערכת היד הרובוטית כדי לתפוס כל אובייקט 20 פעמים ביום במשך שלושה ימים רצופים, החל באזור הבסיס והרמת, הזזה ושחרור של כל אובייקט אל קו האמצע תוך ניטור ורישום אחוזי ההצלחה עבור כל ניסיון. בניתוח מייצג זה הוערכו שלושה נבדקים בריאים ושלושה נבדקים לאחר שבץ מוחי. הגיל הממוצע של הקבוצה הבריאה היה 28, ואילו הגיל הממוצע של קבוצת המטופלים היה 49.
בדיקת מצב מיני-נפשי, הערכת Fugl-Meyer, אצבע בקנה מידה אשוורת' שונה, ותוצאות הבמה ברונסטרום הושגו גם עבור כל חולה. הנבדקים בקבוצה הבריאה תמרנו בצורה מושלמת את כל האובייקטים עם מערכת היד הרובוטית וללאה, עם שיעור הצלחה ממוצע של 100% לכל משימה. עם זאת, כל המטופלים נתקלו בקשיים במניפולציה של האובייקטים ללא מערכת היד הרובוטית, והפגינו שיעור הצלחה של 0% לכל האובייקטים.
לעומת זאת, כל שיעורי ההצלחה של המטופלים עלו באופן משמעותי כאשר נעשה שימוש במערכת היד הרובוטית, והתקרבו לתעריפים דומים לאלה שנצפו בנושאים בריאים, ותמכו בהיתכנות השימוש במערכת היד הרובוטית בחולי שבץ. הזכר לנושאים להתרכז בשליטה התנועה של הידיים הדו-צדדיות שלהם במהלך אימון תנועה דו-שנתית, לוודא כי דפוסי האחיזה על האובייקטים נכונים. בעקבות הליך זה, ניסוי אקראי מבוקר נדרש כדי לקבוע את ההשפעות הטיפוליות של פרוטוקול האימון.
באמצעות טכניקה זו, חוקרים יכולים לתכנת פרוטוקולי שיקום עם תנועת אצבע עדינה לתפקוד לקוי של היד חמורה והוא יכול לחקור את ההשפעות על נוירופלסטיות המוח ותוצאות תפקודיות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
המחקר הנוכחי מציג פרוטוקול אימון חדשני, מונחה משימה ומבוסס רובוטים, אשר תוכנן עבור חולים עם תפקוד לקוי של היד עקב ליקויים נוירולוגיים. הוא משלב מערכת יד רובוטית לשיקום וחוקר את היתכנות ואת הקבילות של הגישה.
מרכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- שיקום
- רובוטיקה
רקע
- תפקוד לקוי של היד יכול לנבוע ממצבים נוירולוגיים כגון שבץ.
- שיטות שיקום מסורתיות עשויות שלא לטפל במלואו בליקויי שליטה מוטורית.
- סיוע רובוטי מציע פוטנציאל לתוצאות שיקום משופרות.
- אימון מונחה משימה הוא קריטי להחלמה יעילה.
מטרת המחקר
- לפתח מערכת רובוטית שמסייעת בשיקום היד.
- להעריך את שילוב האימון המונחה משימה עם סיוע רובוטי.
- להעריך את היתכנות ואת הקבילות של פרוטוקול האימון.
שיטות ששימשו
- פיתוח מערכת יד רובוטית לשיקום.
- עיצוב חפצים מיוחדים למניפולציה במהלך האימון.
- יישום הפרוטוקול באימון תנועה דו-ידית.
- מעורבות של מטפלים בעיסוק להדגמה והנחיה.
תוצאות עיקריות
- הפרוטוקול הופעל בהצלחה הן עם נבדקים בריאים והן עם חולי שבץ.
- המשתתפים דיווחו על חוויות חיוביות עם האימון הרובוטי.
- מחקרי היתכנות הצביעו על כך שהפרוטוקול מעשי לסביבות קליניות.
- הקבילות בקרב המשתמשים מרמזת על פוטנציאל ליישום רחב יותר.
מסקנות
- פרוטוקול האימון המבוסס רובוט מראה הבטחה לשיקום היד.
- שילוב של אימון מונחה משימה משפר את יעילות השיקום.
- יש צורך במחקר נוסף כדי לייעל את הפרוטוקול ולהעריך תוצאות שיקום לטווח ארוך.
שאלות נפוצות
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.
