바이매뉴얼 외골격 로봇 핸드를 이용한 새로운 과제 지향 재활 프로그램 개발
2020년 5월 20일
이 연구는 손 재활을위한 새로운 로봇 보조 작업 지향 프로그램의 개발을보고합니다. 발달 과정은 뇌졸중을 앓고 후속 운동 제어 기능 장애로 고통받는 건강한 과목과 피험자 모두를 사용하는 실험으로 구성됩니다.
이 로봇 지원, 작업 지향 훈련 프로토콜은 신경 적자로 인한 손 기능 장애를 가진 환자를 위해 개발되었다. 우리의 프로토콜은 손 기능 재활을위한 로봇 손과 작업 지향 교육 프로그램을 통합하고 프로토콜의 타당성과 수용성을 조사하는 첫 번째입니다. 교육 프로토콜을 사용하여 조작할 수 있는 특수 객체를 설계했습니다.
그런 다음 우리의 로봇 손 시스템은 수동 운동 훈련에 적용 할 수 있습니다. 절차를 시연하는 것은 이메이 첸과 스즈-셴 라이, 내 부서의 직업 치료사가 될 것입니다. 분석을 시작하기 전에 피사체의 영향을 받지 않는 손에 센서를 배치하고 후크 앤 루프 테이프를 사용하여 손목을 고정합니다.
깨끗한 패드를 사용하여 영향을 받는 손을 감싸고 후크 및 루프 테이프를 단단히 고정합니다. 외골격 손의 엄지 손가락 메커니즘을 풀어 엄지 손가락 개방 각도의 조정을 허용하고, 외골격 손에 영향을받는 손을 배치합니다. 연결 고리를 고정하고 고정 링을 통해 손바닥에 루프를 고정합니다.
그 후, 집게 손가락으로 시작하여 엄지 손가락으로 마무리, 하나씩 손가락을 고정합니다. 고정 링을 통해 손목에 평행하게 후크 및 루프 테이프를 고정하고 엄지 손가락을 편안한 각도로 조정합니다. 그런 다음 엄지 손가락 메커니즘을 조입니다.
제어 상자를 설정하려면 외골격 용 케이블을 삽입하고 센서 장갑용 케이블을 삽입합니다. 두 케이블 세트를 컨트롤 박스의 소켓에 삽입하고 전원 케이블을 제어 상자에 삽입합니다. 그런 다음 전원 케이블을 올바른 전압으로 콘센트에 연결합니다.
시스템과 피사체가 준비되면 컨트롤 박스로 전환하고 모드를 다섯 손가락으로 설정하여 외골격 손이 피사체의 손가락을 수동적으로 움직일 수 있도록 합니다. 2.5 분 동안 외골격 손에 의해 안내 손과 릴리스 작업을 수행하도록 피사체에게 요청합니다. 모드를 단일 손가락으로 전환합니다.
그런 다음, 외골격 손이 피사체의 손가락을 개별적으로 수동적으로 움직이게 하고 피사체가 2.5분 동안 개별 손가락을 확장하고 후퇴시키도록 합니다. 로봇 보조 바이매뉴얼 이동 세션의 경우 모드를 미러로 전환하여 센서 장갑을 착용한 영향을 받지 않는 손의 움직임을 통해 외골격 손의 움직임을 제어합니다. 로봇 손 시스템을 사용하여 물체를 조작하는 피사체의 능력을 시험하기 위해, 피사체의 영향을 받지 않는 손에 외골격 손을 맞추고 센서 장갑을 영향을 받지 않는 손에 맞추고 피사체의 팔꿈치와 외골격 손 아래에 슬링을 배치하여 영향을받는 팔을 지지합니다.
다음으로, 방금 입증 된 대로 워밍업 세션을 수행하십시오. 워밍업 후 5분 동안 로봇 핸드 시스템을 사용하여 팔마 의 예언을 사용하여 페그를 집어 드는 방법, 직사각형 큐브를 집어 드는 측면 예언, 큐브를 집어 들기 위한 3점 척, 공을 집어 드는 구형 손잡이, 원통형 손아그 개를 포함하여 설계된 물체를 조작하는 방법을 시연하십시오. 시연 이 끝나면 피사체의 손 앞에 두 개의 기지를 배치하고, 물체를 한 기지 의 상단에 놓고 조작을 돕습니다.
피사체는 각 시도의 성공률을 모니터링하고 기록하는 동안 베이스의 영역에서 시작하여 각 물체를 미드라인에 들어 올리고, 이동및 해제하는 동안 3일 연속으로 각 물체를 20회 연속으로 파악하도록 로봇 핸드 시스템을 사용하게 한다. 이 대표적인 분석에서는 3명의 건강한 과목과 3개의 뇌졸중 후 과목을 평가하였다. 건강한 그룹의 평균 연령은 28세였고 환자 그룹의 평균 연령은 49세였습니다.
미니 정신 상태 검사, Fugl-Meyer 평가, 수정 된 애쉬 워스 스케일 핑거, 브룬스트롬 단계 점수는 각 환자에 대해서도 획득되었습니다. 건강한 그룹의 피험자는 로봇 손 시스템의 유무에 관계없이 모든 물체를 완벽하게 조작했으며, 모든 작업에 대한 평균 성공률은 100%입니다. 그러나 모든 환자는 로봇 손 시스템 없이 물체를 조작하는 데 어려움을 나타내 모든 물체에 대해 0%의 성공률을 보였습니다.
대조적으로, 로봇 손 시스템을 사용할 때 모든 환자 성공률은 크게 증가하여 건강한 피험자에서 관찰된 것과 유사한 속도에 접근하여 뇌졸중 환자에서 로봇 손 시스템을 사용할 가능성을 뒷받침합니다. 피사체에게 수동 운동 훈련 중에 양손의 움직임 제어에 집중하여 물체의 손아귀 패턴이 올바른지 확인하십시오. 이 절차에 따라, 무작위 제어 예심은 훈련 프로토콜의 치료 효과를 결정하기 위해 필요합니다.
이 기술을 사용하여, 연구원은 가혹한 손 역기능에 대한 섬세한 손가락 운동으로 재활 프로토콜을 프로그래밍 할 수 있으며 뇌 신경 가소성 및 기능적 결과에 미치는 영향을 탐구 할 수 있습니다.
전체 스크립트를 보고 수천 개의 과학 동영상에 액세스하세요
개요
본 연구는 신경학적 결함으로 인한 손 기능 장애 환자를 위해 설계된 새로운 로봇 보조, 작업 지향 훈련 프로토콜을 제시합니다. 재활용 로봇 손 시스템을 통합하고, 이 접근 방식의 타당성 및 수용성을 조사합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 영역
- 신경과학
- 재활
- 로봇공학
배경
- 손 기능 장애는 뇌졸중과 같은 신경학적 상태로 인해 발생할 수 있습니다.
- 전통적인 재활 방법은 운동 조절 결손을 완전히 해결하지 못할 수 있습니다.
- 로봇 보조는 향상된 재활 결과의 가능성을 제공합니다.
- 작업 지향 훈련은 효과적인 회복을 위해 중요합니다.
연구 목적
- 손 재활을 보조하는 로봇 시스템을 개발합니다.
- 작업 지향 훈련과 로봇 보조의 통합을 평가합니다.
- 훈련 프로토콜의 타당성 및 수용성을 평가합니다.
사용된 방법
- 재활용 로봇 손 시스템의 개발.
- 훈련 중 조작을 위한 특수 물체의 설계.
- 양손 운동 훈련에서 프로토콜의 적용.
- 시범 및 지도를 위한 작업 치료사의 참여.
주요 결과
- 프로토콜은 건강한 피험자와 뇌졸중 환자 모두에게 성공적으로 시행되었습니다.
- 참가자들은 로봇 훈련에 대해 긍정적인 경험을 보고했습니다.
- 타당성 연구는 프로토콜이 임상 환경에 실용적임을 나타냅니다.
- 사용자 간의 수용성은 더 넓은 적용 가능성을 시사합니다.
결론
- 로봇 보조 훈련 프로토콜은 손 재활에 유망합니다.
- 작업 지향 훈련의 통합은 재활 효과를 향상시킵니다.
- 프로토콜을 최적화하고 장기적인 결과를 평가하기 위해 추가 연구가 필요합니다.
자주 묻는 질문
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.
