Sviluppo di un nuovo programma di riabilitazione orientato alle attività utilizzando una mano robotica dell'esoscheletro bimanuale
20 maggio 2020
Questo studio riporta lo sviluppo di un nuovo programma orientato al compito assistito da robot per la riabilitazione delle mani. Il processo di sviluppo consiste in esperimenti che utilizzano sia soggetti sani che soggetti che hanno avuto un ictus e hanno sofferto di una successiva disfunzione del controllo motorio.
Questo protocollo di allenamento assistito da robot e orientato alle attività è stato sviluppato per i pazienti con disfunzione delle mani causata da deficit neurologici. Il nostro protocollo è il primo a integrare un programma di allenamento orientato alle attività con una mano robotica per la riabilitazione della funzione a mano e il primo a studiare la fattibilità e l'accettabilità del protocollo. Abbiamo progettato oggetti specializzati che possono essere manipolati utilizzando il protocollo di training.
Quindi il nostro sistema di mani robotiche può essere applicato all'allenamento del movimento bimanuale. A dimostrare la procedura saranno Yi-Mei Chen e Szu-Shen Lai, terapisti occupazionali del mio dipartimento. Prima di iniziare l'analisi, posizionare il sensore sulla mano non infetta del soggetto e utilizzare il nastro adesivo per fissare il polso.
Utilizzare un cuscinetto pulito per avvolgere la mano interessata e fissare saldamente il nastro a gancio e ad anello. Allentare il meccanismo del pollice della mano dell'esoscheletro per consentire la regolazione dell'angolo di apertura del pollice e posizionare la mano interessata nella mano dell'esoscheletro. Fissare il gancio e l'anello al palmo attraverso l'anello di fissaggio.
Successivamente, fissare le dita una per una, iniziando con l'indice e finendo con il pollice. Fissare il nastro ad anello parallelo al polso attraverso l'anello di fissaggio e regolare il pollice in un angolo confortevole. Quindi, stringere il meccanismo del pollice.
Per impostare la scatola di controllo, inserire il cavo per la mano dell'esoscheletro e inserire il cavo per il guanto del sensore. Inserire entrambi i gruppi di cavi nella presa nella casella di controllo e inserire il cavo di alimentazione nella casella di controllo. Quindi, collegare il cavo di alimentazione a una presa con la tensione corretta.
Quando il sistema e il soggetto sono pronti, passare alla casella di controllo e impostare la modalità su Cinque dita per consentire alla mano dell'esoscheletro di spostare passivamente le dita del soggetto. Chiedi al soggetto di eseguire un'attività di presa e rilascio guidata dalla mano dell'esoscheletro per 2,5 minuti. Passare alla modalità a Dito singolo.
Quindi, lasciare che la mano dell'esoscheletro sposti le dita del soggetto individualmente e passivamente mentre il soggetto si estende e ritrae le singole dita per 2,5 minuti. Per una sessione di movimento bimanuale assistita da robot, passare alla modalità Specchio per consentire il movimento della mano non influenzata che indossa il guanto del sensore per controllare i movimenti della mano dell'esoscheletro. Per condurre una prova della capacità del soggetto di manipolare gli oggetti utilizzando il sistema a mano robotico, montare la mano dell'esoscheletro alla mano non infetta del soggetto e il guanto del sensore alla mano inalterata come appena dimostrato, e posizionare una fionda sotto il gomito del soggetto e la mano di esoscheletro per sostenere il braccio interessato.
Successivamente, condurre una sessione di riscaldamento come appena dimostrato. Dopo il riscaldamento, utilizzare il sistema a mano robotico per cinque minuti per dimostrare come manipolare gli oggetti progettati, incluso l'uso della prehension palmare per raccogliere il piolo, una prehension laterale per raccogliere il cubo rettangolare, un mandrino a tre punti per raccogliere il cubo, una presa sferica per raccogliere la palla e una presa cilindrica per raccogliere la barra cilindrica. Dopo la dimostrazione, posizionare due basi bilateralmente davanti alle mani del soggetto e posizionare gli oggetti sulla parte superiore di una base per facilitarne la manipolazione.
Chiedere al soggetto di utilizzare il sistema a mano robotico per afferrare ogni oggetto 20 volte al giorno per tre giorni consecutivi, a partire dall'area della base e sollevando, spostando e rilasciando ogni oggetto sulla linea mediana durante il monitoraggio e la registrazione del tasso di successo per ogni tentativo. In questa analisi rappresentativa sono stati valutati tre soggetti sani e tre soggetti post-ictus. L'età media del gruppo sano era di 28 anni, mentre l'età media del gruppo di pazienti era di 49 anni.
Mini-Mental State Examination, Fugl-Meyer Assessment, Modified Ashworth Scale finger e Brunnstrom stage scores sono stati ottenuti anche per ogni paziente. I soggetti del gruppo sano hanno perfettamente manipolato tutti gli oggetti con e senza il sistema a mano robotico, con un tasso medio di successo del 100% per ogni attività. Tutti i pazienti, tuttavia, hanno mostrato difficoltà nella manipolazione degli oggetti senza il sistema a mano robotico, dimostrando un tasso di successo dello 0% per tutti gli oggetti.
Al contrario, tutti i tassi di successo del paziente sono aumentati in modo significativo quando è stato utilizzato il sistema a mano robotica, avvicinandosi a tassi simili a quelli osservati in soggetti sani, supportando la fattibilità dell'utilizzo del sistema robotico delle mani nei pazienti con ictus. Ricorda ai soggetti di concentrarsi sul controllo del movimento delle loro mani bilaterali durante l'allenamento del movimento bimanuale, assicurandosi che i modelli di presa sugli oggetti siano corretti. Seguendo questa procedura, è necessaria una prova controllata randomizzata per determinare gli effetti terapeutici del protocollo di allenamento.
Utilizzando questa tecnica, i ricercatori possono programmare protocolli di riabilitazione con delicato movimento delle dita per una grave disfunzione delle mani e possono esplorare gli effetti sulla neuroplasticità cerebrale e sui risultati funzionali.
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Panoramica
Questo studio presenta un nuovo protocollo di addestramento orientato al compito assistito da robot, progettato per pazienti con disfunzione della mano dovuta a deficit neurologici. Integra un sistema robotico per la mano a scopo riabilitativo e indaga sulla fattibilità e l'accettabilità dell'approccio.
Componenti principali dello studio
Area di scienza
- Neuroscienza
- Riabilitazione
- Robotica
Contesto
- La disfunzione della mano può derivare da condizioni neurologiche come l'ictus.
- I metodi di riabilitazione tradizionali potrebbero non affrontare completamente i deficit di controllo motorio.
- L'assistenza robotica offre potenziali miglioramenti nei risultati della riabilitazione.
- L'addestramento orientato al compito è cruciale per un recupero efficace.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un sistema robotico che assista nella riabilitazione della mano.
- Valutare l'integrazione dell'addestramento orientato al compito con l'assistenza robotica.
- Valutare la fattibilità e l'accettabilità del protocollo di addestramento.
Metodi utilizzati
- Sviluppo di un sistema robotico per la mano a scopo riabilitativo.
- Progettazione di oggetti specializzati per la manipolazione durante l'addestramento.
- Applicazione del protocollo nell'addestramento al movimento bimanuale.
- Coinvolgimento di terapisti occupazionali per dimostrazione e guida.
Risultati principali
- Il protocollo è stato implementato con successo sia su soggetti sani che su pazienti con ictus.
- I partecipanti hanno riportato esperienze positive con l'addestramento robotico.
- Gli studi di fattibilità hanno indicato che il protocollo è pratico per ambienti clinici.
- L'accettabilità tra gli utenti suggerisce un potenziale per un'applicazione più ampia.
Conclusioni
- Il protocollo di addestramento assistito da robot mostra promesse per la riabilitazione della mano.
- L'integrazione dell'addestramento orientato al compito migliora l'efficacia della riabilitazione.
- Ulteriori ricerche sono necessarie per ottimizzare il protocollo e valutare i risultati a lungo termine.
Domande frequenti
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.
