脳卒中患者における上肢の機能回復のための二重上肢タスク指向ロボットシステムの応用

サマリー

この実験プロトコルは、上肢の機能障害を持つ脳卒中患者のためのデュアル上肢タスク指向ロボットシステムの使用を概説しています。この知見は、このシステムが脳卒中患者の上肢機能や日常生活動作を有意に改善できることを示しています。

要約

非常に反復的でタスク指向のトレーニングは、脳卒中患者の四肢機能の回復を促進することが示されています。さらに、両側の腕のトレーニングは、脳卒中生存者が上肢の機能を取り戻し、日常生活を改善するのに役立ちます。デュアル上肢タスク指向型ロボットシステムは、脳卒中患者の健康な側が、ロボットデバイスを使用して患側を運転して両側の腕のトレーニングを行うのを支援するように設計されています。また、患者が二重の上肢協調運動を行うようにガイドし、フォースフィードバックと人間とコンピューターの相互作用技術を使用してタスク指向の仮想ゲームに参加させることもできます。この研究は、脳卒中患者の上肢機能と日常生活動作を強化するシステムの有効性を評価することを目的としています。使用された評価方法には、運動誘発電位 (MEP)、片麻痺性上肢の機能テスト-香港 (FTHUE-HK)、Fugl-Meyer 評価上肢スケール (FMA-UE)、および修正バーセル指数 (MBI) が含まれていました。この研究の結果は、デュアル上肢タスク指向ロボットシステムが、6週間の治療後に脳卒中患者の皮質脊髄経路、上肢機能、および日常生活動作を大幅に改善できることを示しています。このシステムは、脳卒中生存者の上肢機能リハビリテーションの効果的な補助として役立ち、リハビリテーション療法士への依存を減らします。結論として、デュアル上肢タスク指向型ロボットシステムは、脳卒中後の四肢機能リハビリテーションのための新しい戦略を提供し、特定の社会的および経済的利益を提供するため、適用の大きな可能性を秘めています。

概要

脳卒中は障害の主な原因の 1 つであり、世界で 2 番目に多い死因です ^1,2。脳卒中患者は、運動障害、感覚障害、認知障害など、さまざまな課題に直面することがよくあります³。上肢機能障害は、脳卒中後によく見られる問題であり、筋力低下、痙縮、片麻痺側の上肢の運動能力の低下を特徴としています⁴。脳卒中患者の70%以上に存在し、正常に回復するのは約5%に過ぎず、20%は上肢の能力をある程度回復すると報告^{されています5}。人間の生活の半分以上は上肢の参加を必要としており⁶、脳卒中後の上肢機能障害は患者の日常生活動作^に深刻な影響を及ぼし7、生活の質8を著しく^{低下させ、}経済的負担⁹を増大させる。したがって、上肢の機能リハビリテーションの効果的な方法を探求することが特に重要です。

脳卒中患者には、ミラー療法、拘束誘発運動療法、機能的電気刺激、その他の能動的または受動的なトレーニングなど、さまざまな臨床上肢リハビリテーション治療が一般的に利用されています^3,10。近年、二国間腕のトレーニングがますます注目を集めています^6,11,12。同側半球と対側半球の両方の感覚運動野間の神経接続性を強化することが実証されています¹²。このタイプのトレーニングは、半球間抑制の異常を修正し、脳機能ネットワークの再編成を促進し、最終的には上肢機能の改善につながります^12,13。さらに、ロボット支援トレーニングは、患者が正確な手足の動きを一貫して実行し、タスク固有のトレーニングに従事するのを支援することも示されています¹⁴。このプロセスは、脳に実質的なフィードバック刺激を提供し、最終的に神経可塑性を高め、片麻痺患者の上肢機能の回復を助けます^14,15。脳卒中患者に対するロボット支援型二重上肢トレーニングを活用した戦略に関する研究は、現在限られています。この研究では、ロボット支援トレーニングと両側上肢トレーニングを組み合わせるために、デュアル上肢タスク指向ロボットシステムを採用しました。このロボット装置は、脳卒中患者が適切な動きパターンで高い反復回数を繰り返す二重上肢タスク指向のトレーニングを実施するのを支援するために利用されました。本研究の目的は、脳卒中生存者の皮質脊髄経路、上肢機能、日常生活動作に対する本手法の効果を評価し、上肢機能リハビリテーションの革新的な戦略を見出すことを目指した。

プロトコル

この研究(承認番号。JXEY-2020SW038)は、嘉興市第二病院の医療倫理委員会によって承認され、すべての参加者がインフォームドコンセントを提供しました。これは、無作為化単盲検対照試験を通じてプロトコルの実現可能性と有効性を評価することを目的としていました。2021年1月から12月の間に、嘉興市第二病院に入院した60人の脳卒中患者が登録されました。

注: 包含基準には、1) コンピューター断層撮影法 (CT) または磁気共鳴画像法 (MRI) による脳梗塞または出血の確定診断、2) 疾患期間が 2 週間から 3 か月で状態が安定した初回発症および片側性病変、3) 25 歳から 75 歳、4) 半盲または片側性空間無視がないこと、および視覚または聴覚の障害がない。 5) 意識があり、従順で、リハビリテーション治療に参加できる、6) 修正アシュワース スケール (MAS) グレード ≤ 2^{16 で}片側上肢の機能障害をクリアする。除外基準には、1) 以前の頭蓋脳損傷またはその他の頭蓋内疾患、2) 重度の心筋梗塞、狭心症、肝臓、腎臓、肺、またはその他の重要な臓器疾患、悪性腫瘍など、3) 精神障害およびてんかんの既往歴、4) 四肢の片麻痺側の激しい痛み、しびれ、またはその他の感覚障害、5) 両側上肢の動きの著しい制限。

1. スタディデザイン

1. 指定された基準を満たした患者(n = 60)を、実験群(n = 30)と対照群(n = 30)の2つのグループにランダムに分けます。
2. 熟練した作業療法士に、6週間の治療期間の前後にグループの割り当てに気づいていなかった次の機能評価を完了してもらいます。
   1. 運動誘発電位(MEP):
      1. Groppa et ^al.17 によって確立されたガイドラインに従って、磁気刺激療法システムを使用して患者に MEP を誘発します。
      2. テスト中は、患者を安定して快適な方法でデバイスの前に配置し、記録電極パッドを外転筋ポリシスと手首関節骨プロセスに配置します。
      3. 次に、磁気刺激コイルを脳の損傷した側の運動皮質の上の中央に置き、コイルハンドルを矢状面に対して45°の角度で配置します。
      4. 運動皮質領域の刺激を100%の強度で10回行い、運動誘発電位の有無を、その潜伏時間および振幅とともに記録します。
         注: すべての患者で運動誘発電位を検出できないため、2 つの患者グループ間の誘発電位の潜時と振幅を徹底的に比較および分析することは不可能でした。したがって、この研究は、MEP の有無を判断し、2 つの患者グループ間で検出可能な MEP の割合を比較することを目的としていました。検出可能なMEPの割合が高いほど、脳卒中患者の皮質脊髄経路を強化する可能性が高いことを示しています。
   2. 片麻痺性上肢の機能テストを実行します-香港(FTHUE-HK)。
      1. 体重計を利用して、膝に手を置く、雑巾を絞るなど、12のタスクを含む患者の上肢の機能を評価します。
         注:各タスクは3分以内に完了する必要があり、最大3回まで試行できます。スケールは7つのレベルからなり、レベルが高いほど上肢の機能が優れていることを示します¹⁸。
   3. Fugl-Meyer Assessment Upper Extremity Scale (FMA-UE) を使用します。
      1. このスケールを利用して、肩、肘、前腕、手首、手の運動機能を評価します。
         注:スコア0は指定された動きを実行できないことを示し、スコア1は部分的な完了を示し、スコア2は完全な完了を示します。スケールの最大スコアは 66 ポイントで、スコアが高いほど上肢の運動機能が優れていることを示します¹⁹。
   4. 修正バーセル指数 (MBI) を計算します。
      1. このスケールを利用して、日常生活動作における患者のパフォーマンスを評価します。
         注:スケールは、食事、着替え、入浴などを含む10項目で構成され、最大スコアは100ポイントです。スコアが高いほど、患者の日常生活における自立性が高いことを示します²⁰。
3. すべての患者が、降圧薬、抗糖尿病薬、脂質調節薬など、個々の状態に合わせた従来の薬を処方されていることを確認してください。
   注:脳卒中患者の投薬選択は、その固有の状況に基づいており、患者ごとに異なる場合があります。
4. すべての患者が6週間にわたって定期的な理学療法、前腕と手の作業療法、日常生活動作トレーニングを受けたことを確認します。
5. 対照群の患者が、上肢機能を対象とした定期的な作業療法を 1 日 1 時間 6 週間受けたことを確認します。
   注:上肢機能を対象とした日常的な作業療法には、肩と肘の関節の運動制御トレーニング、ローラートレーニング、フープトレーニング、およびオブジェクトに手を伸ばすトレーニングが含まれます。
6. 実験群の患者が、上肢機能を対象としたルーチン作業療法を1日30分間受けたほか、上肢の二肢タスク指向型ロボットシステムトレーニングを1日30分、6週間受けたことを確認しました。

2. デュアル上肢タスク指向ロボットシステムトレーニングセッション

注:実験グループの脳卒中患者のみがこれらのトレーニングセッションを受けました。

1. ロボットシステム機器を起動し、システムのコンピューター画面をオンにし、 ULCOT Rehab アプリケーションを開いて、システムのメインインターフェイスに入ります。
2. 最初のトレーニングセッション中に、[ 登録 ]をクリックして、主に名前、性別、年齢、ケース番号、診断、患側、およびその他の関連する医療内容を含む、各患者の個人ファイルを作成します。
3. システムのメインインターフェースで 「ログイン 」をクリックし、リストからトレーニングが必要な患者を選択して、その患者のトレーニングシステムのインターフェースを入力します。
4. 患者がロボットデバイスの前に位置を置くのを支援し、安全で快適な距離を確保します。
5. 患者トレーニングシステムのインターフェースで [調整 ]をクリックして、機器パラメータ調整のインターフェースに入り、患者に適切なパラメータを設定します。
   注:各トレーニングセッションにパラメータを設定する必要はありません。患者のトレーニングシステムインターフェースにログインすると、システムは患者の前回のトレーニングセッションで確立されたパラメータに自動的に調整されます。その後、セラピストは、治療目標に応じて対応するパラメータを変更することができます。パラメータを変更する必要がない場合、ユーザーはトレーニングシステムインターフェースの 「トレーニング 」をクリックして、トレーニングプログラム設定インターフェースにアクセスできます。
   1. [+]または[-]をクリックして、プラットフォームの高さ調整モジュールでプラットフォームの高さを増減します。患者の身長に基づいて機器プラットフォームの高さを調整します。
   2. [+ ( + )] または [ - ] をクリックして、 [Arm Tilt Angle Adjustment (アーム傾斜角度調整)] モジュールでシステムのロボットアームの傾斜角度を増減します。患者の肩の屈曲と伸展のトレーニング目標に応じて、ロボットアームの傾斜角度を調整します(ターゲットが高いほど角度が大きくなります)。
   3. [+] または [-] をクリックして、アーム角度調整モジュールの 2 つのロボット アーム間の角度を増減します。患者の上肢の内転と外転のトレーニング目標に応じて、ロボットアーム間の角度を調整します(目標が高いほど角度が大きくなります)。
6. 患者トレーニングシステムインターフェースの 「トレーニング 」をクリックして、トレーニングプログラム設定インターフェースに入ります。
   1. 患者の上肢の機能状態に基づいて適切なトレーニングプログラムを選択してください。片麻痺側の上肢が全可動域で機械式ハンドルを積極的に操作できない場合は、アシストトレーニングプログラムを選択してください。
   2. 逆に、片麻痺側の上肢が機械的なハンドルを積極的に操作して全可動域を完了できる場合は、レジスタンストレーニングプログラムを選択します。
7. 選択したアイテムのトレーニング方法を説明およびデモンストレーションし、関連する注意事項を通知して、患者がトレーニングセッションを安全かつ正確に実行する方法を確実に理解できるようにします。
8. 患者が2つのロボットアームの端にあるハンドルに手を固定するのを助けます(図1)。
9. デュアル上肢タスク指向ロボットシステムトレーニングを実施します。
   1. 上肢の片麻痺側で全可動域を達成するために機械的なハンドルを積極的に操作できない患者の場合は、トレーニングプログラム設定インターフェースのアシスタンスをクリックして、アシステッドトレーニングモードインターフェースに入ります。
      注:セラピストは、アシステッドトレーニングモードで患者のために エアフライング ゲームまたは ピンポン ゲームを選択できます。患者はトレーニングセッションごとに1つのゲームしか選択できないことに注意してください。
      1. トレーニング時間モジュールで時間を 30 分に設定し、アシスト レベル モジュールで患者に設定されたレベルを選択します。
         注:このモードには6つのレベルの支援があり、レベル6では、両側の上肢トレーニング中に、影響を受けた上肢がロボットと健康な上肢の両方によって駆動されます。一方、レベル1では、影響を受けた上肢が外部の力を直接受けずに両側の上肢トレーニングに参加します。トレーニングセッションはレベル6から開始され、患者は各レベルでフルスコアを達成した後、次のレベルに進むことができます。患者がアシスタンスレベル1でフルトレーニングスコアを達成すると、レジスタンスモードトレーニングの準備ができていると見なされます。
      2. 「エアフライング」または「卓球」をクリックし、「開始」をクリックしてゲームインターフェースに入ります。
      3. エアフライング ゲーム:ロボットデバイスの助けを借りて、影響を受けた上肢を健康な側に操作することにより、コンピューター画面に表示される仮想飛行機を制御するように患者に指示します。これにより、患者は指定された飛行軌道に沿って仮想飛行機を誘導する努力を最適化すると同時に、仮想の金貨をキャプチャできます(図2)。
      4. 卓球 ゲーム:ロボットの助けを借りて、患者に非罹患側を使用して患部の上肢を駆動し、仮想卓球ラケットを制御し、ラケットを動かして飛んでいる卓球をキャッチするように指示します(図3)。
   2. 上肢の片麻痺側で全可動域を達成するために機械的なハンドルを積極的に操作できる患者様は、 抵抗 トレーニングプログラム設定インターフェースで、レジスタンストレーニングモードインターフェースにアクセスします。
      注:レジスタンストレーニングモードでは、参加者は5つの利用可能なゲームから選択できます。 エアフライング、卓球、ブリッジ&ロード、ウェイトリフティング、 そして ポップマッチング.1回のトレーニングセッションで選択できるゲームは1つだけです。
      1. Training Timeモジュールで時間を30分に設定し、Healthy LevelモジュールとAffected Levelモジュールで、健康な側と影響を受けた側の抵抗レベルをそれぞれ選択します。
         注:レジスタンストレーニングモードでは、上肢の筋力に基づいて、患者の健康な側と患側の抵抗レベルを個別に設定できます。レベルの範囲は 1 (最低抵抗) から 10 (最高抵抗) です。最初の治療では、レベル1の耐性が選択され、各レベルのトレーニングで満点を獲得すると、患者は次のレベルに進むことが許可されました。
      2. 「Healthy Side Resistance Direction」モジュールと「Affected Side Resistance Direction」モジュールで、レジスタンストレーニング中に患者の健康な側と上肢の患側に対してシステムが示す抵抗方向をそれぞれ選択します。
         注:抵抗の方向は、プッシュやプルなど、運動の目的に応じて患者に選択されます。
      3. Holding Timeモジュールでターゲットを保持する必要がある時間を選択します。
         注:時間は、患者の上肢機能に基づいて決定され、1〜10秒の範囲です。時間が長くなるほど、難易度は高くなります。設定された保持時間が10秒で、トレーニングスコアが完璧な場合、次のセッションの抵抗レベルが増加します。エアフライングゲームと卓球ゲームには、この手順は含まれていません。
      4. エアフライング、卓球、ブリッジ&ロード、ウェイトリフティング、ポップマッチングのいずれかのゲームをクリックして選択します。[開始]をクリックして、ゲームインターフェイスに入ります。
      5. エアフライング ゲーム:健康な上肢と影響を受けた上肢の両方にロボットアームが与える抵抗に抵抗することで仮想飛行機を制御するように患者に指示し、患者が仮想飛行機を指定された飛行軌道に沿って誘導する努力を最適化すると同時に、仮想の金貨をキャプチャできるようにします。
      6. 卓球 ゲーム: 健康な上肢と影響を受けた上肢の両方にロボットアームが与える抵抗に抵抗して仮想卓球ラケットを制御し、ラケットを動かして飛んでいる卓球をキャッチするように患者に指示します。
      7. ブリッジ&ロード ゲーム:健康な上肢と患部の上肢の両方にロボットアームが与える抵抗に抵抗することで、患者が画面上の木製の橋の両端を操作し、高さの異なる2つのはしごプラットフォームを動かし、仮想キャラクターが通過できるように一定時間保持させます(図4)。
      8. ウェイトリフティング ゲーム:ロボットアームが健康な人の両方に与える抵抗に抵抗することにより、患者に画面に表示されるウェイトリフティングバーベルの端を制御してもらいます
         そして、影響を受けた上肢は、距離を変化させ、指定された期間その位置を維持することにより、目標位置に到達するようにその位置を調整します(図5)。
      9. ポップマッチング ゲーム:患者に2つの仮想制御をさせる
         健康な上肢と影響を受けた上肢の両方にロボットアームが与える抵抗に抵抗することにより、画面の左右の端に位置する指は、仮想指を介して画像の左右の列から同一のアイテムを選択し、この位置を維持します。
         指定された期間(図6)。
         メモ: システムは、両側で選択した画像が同じかどうかを確認します。その場合、選択した画像は削除されます。一致しない場合、患者は再選択を求められます。

3. フォローアップ手続き

1. 統計ソフトウェアを利用して収集した評価データを分析し、データの種類に基づいて適切な分析方法を決定します。
2. データ結果の意義を解明し、脳卒中患者の上肢機能に対する二重上肢タスク指向ロボットシステムトレーニングの影響を評価します。

結果

この研究では、合計60人の脳卒中患者を対照群(n = 30)と実験群(n = 30)に分けました。年齢、性別、脳卒中の種類、疾患の期間、片麻痺の側面、およびその他の一般的な情報を2つのグループ間で比較したところ、統計学的に有意な差は見られず(P > 0.05)、比較可能性が示されました(表1)。実験群の患者は、デュアル上肢タスク指向ロボットシステムによるトレーニングを受けたが、従来の治療を受けた患者と比較して、MEPs、FMA-UE、FTHUE-HK、およびMBIに大きな改善が見られた。

6週間のトレーニング後、実験群の運動誘発電位(MEP)の検出率は対照群の検出率を上回りました(P < 0.05)(表2)。トレーニング期間後、両群の患者様は治療前と比較してFTHUE-HKの改善を示し(P < 0.05)、実験群は対照群(P < 0.05)よりも顕著な改善を示しました(表3)。さらに、治療前のレベルと比較して、両群の患者でFMA-UEおよびMBIスコアの改善...

ディスカッション

バイラテラルトレーニングは、脳卒中患者の皮質間阻害を正常化し、脳機能ネットワークの再編成を促進し、最終的に上肢機能を強化することが示されています²¹。この研究では、デュアル上肢タスク指向ロボットシステムを利用した脳卒中患者の上肢機能トレーニングのプログラムを紹介します。このプログラムは、脳卒中患者の上肢機能のリハビリテーションを強化するために、両側の上肢の動き、タスク指向の活動、およびロボット支援トレーニングを統合します。

デュアル上肢タスク指向型ロボットシステムトレーニングを実装する際には、いくつかの重要なステップに注意する必要があります。まず、セラピストは、患者の上肢の機能状態と治療目標に基づいて、ロボットアームの傾斜角度と2つのアーム間の角度を迅速に調整する必要があります。次に、システムによって提供される補助または抵抗のレベルは、患者の上肢の筋力に応じて正確に選択する必要があります。患者のトレーニングスコアが最大に達したら、遅滞なく次のレベルに調整する必要があり...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
デュアル上肢タスク指向型ロボットシステム	オークランド 同済リハビリテーション医療機器研究センター、同済浙江大学	N/A	デュアル上肢タスク指向型ロボットシステムは、健康な上肢と影響を受けた上肢との間の力の伝達を調節することにより、脳卒中患者の両側上肢仮想ゲームトレーニングを支援することができます。
磁気刺激療法システム	Sichuan Junjian Wanfeng Medical Equipment Co.,Ltd.	http://www.jjwf-med.com	このシステムは、モーター誘発電位(MEP)
SPSS 25.0	IBM	バージョン25.0

の測定に使用できます https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25