Een gestructureerde Revalidatie Protocol voor betere Multifunctionele Prothetische controle: A Case Study

Summary

Naarmate de ontwikkeling van prothesen zich richt op het doel van natuurlijke controle, kan het benutten van de inherente capaciteit van geamputeerden om nieuwe motorische vaardigheden te leren, vakbekwaamheid mogelijk maken. Dit manuscript beschrijft een gestructureerd revalidatieprotocol, dat imitatie, herhaling en versterkingsleren strategieën omvat, voor verbeterde multifunctionele prothetische controle.

Abstract

Vooruitgang in robotsystemen hebben geresulteerd in prothesen voor de bovenste ledematen die multifunctionele bewegingen kan produceren. Echter, deze geavanceerde systemen vereisen bovenste ledematen geamputeerden om complexe controle regelingen leren. Mensen hebben de mogelijkheid om nieuwe bewegingen door middel van imitatie en andere leerstrategieën leren. Dit protocol beschrijft een gestructureerde revalidatie methode, die imitatie, herhaling, en versterking leren omvat, en heeft als doel om te beoordelen of deze methode multifunctionele prothese controle kan verbeteren. Een links hieronder elleboog geamputeerde, met 4 jaar ervaring in prothetische gebruik, nam deel aan deze case study. De prothese gebruikte was een Michelangelo hand met pols rotatie en de extra functies van de pols buigen en strekken, die meer combinaties van handbewegingen toegestaan. De deelnemer Southampton Hand Assessment Procedure score verbeterd 58-71 volgende gestructureerde training. Dit suggereert dat een gestructureerd protocol van IMITatie, herhaling en versterking kan een rol spelen bij het leren van een nieuwe prothese de hand regelen. Een groter klinisch onderzoek is echter nodig om deze bevindingen ondersteunen.

Introduction

Vervangen van handfunctie in geamputeerden is een moeilijke onderneming. Coördineren hoogopgeleide handbewegingen is niet een aangeboren vermogen, en neemt de mens jaren van het leren te ontwikkelen. ^05/01 Na de traumatische verlies van een hand, het repliceren van deze mogelijkheid door prothetische middelen is geen sinecure en kan een periode van aanhoudende leren vereisen .

Prothetische ontwerp en de interface methodes voor hun controle zijn onderworpen aan snelle technologische innovaties, met als doel de multifunctionele controle op een natuurlijke wijze. ⁶ De complexiteit van deze systemen toeneemt aanzienlijk meer functies te bieden voor geamputeerden. Om een ​​nauwkeurige controle van deze systemen te waarborgen en om stopzetting van de nieuwe technologieën te verminderen, adequate opleiding moet worden vastgesteld. Dit is waarschijnlijk meer succesvol te zijn als deze is gebaseerd op inherente leerstrategieën de geamputeerden '.

Visie kan een belangrijke rol spelen tijdens leaarschuwing van handbewegingen. Behavioral studies hebben aangetoond dat door het observeren van de acties van anderen ⁷ of met behulp van visuele aanwijzingen ^8, valide individuen leren en coördineren nieuwe bewegingen. Door een proces van observatie, begrijpen en uitvoeren van een waargenomen actie, individuen in staat zijn om de acties van anderen te imiteren. Specifieke corticale netwerken die een spiegel-neuron systeem (MNS) kan omvatten, wordt aangenomen dat dit vermogen ten grondslag liggen, en kunnen helpen beheersen protheses hebben. ^9-11

De rol van imitatie zou niet alleen beperkt tot het uitvoeren van acties die al hebben gezien, maar samen met de MNS, zodat de uitvoering van bewegingen die nog niet zijn waargenomen, maar extrapolatie van de waarnemer motor repetoire. ¹² Inderdaad, kan niet imitatie se zijn een aangeboren vermogen, maar een accruement van motorische vaardigheden in de tijd die leiden tot ervaren en geavanceerde acties. ¹³ strength observeren acties, dan ze gewoon gewoon verbeelden, is aangetoond dat het verbeteren van het leren van nieuwe taken. ¹⁴ Zo kan imitatie van een pragmatische aanpak van de opleiding geamputeerden zijn, als bewijs suggereert dat het een doelgericht proces ^15, met het doel in de revalidatie-instelling van mogelijk bruikbare prothese handfunctie.

Revalidatie studies afzonderlijk aangetoond dat visuele aanwijzingen, zoals virtuele simulatie van een handprothese stimuleren geamputeerden tijdens de revalidatie training. ¹⁶ Voorts is gebleken de toepassing van herhaling die geschiedt in een geblokkeerde paradigma rapid learning bovenste extremiteit prothetische inschakelen controle. ¹⁷ Terwijl virtuele simulaties zijn bewezen even effectief als echte controle van de prothetische handen waardoor valide lichaam gebruikers myoelektrische apparaten te bedienen zijn, ¹⁸ hun effect op geamputeerden met behulp van gestandaardiseerde uitkomstmaten is niet duidelijk. Tot slot, waar de protocollen voor de bovenste ledematen AMPUtatie training bestaan, de rol van imitatie in het leren van prothetische controle wordt niet expliciet besproken. ^19,20

Deze studie richt zich op het begrijpen als het gebruik van imitatie, in combinatie met herhaling en versterking, heeft een positieve invloed op het leren van multifunctionele prothese controle als onderdeel van een gestructureerd programma.

Hierin gepresenteerd is een case report van een transradial geamputeerde die werd opgeleid om een ​​multifunctionele prothese hand te gebruiken. De deelnemer had eerder gewend aan werken traditionele myoelektrische prothesen geworden. Met behulp van visuele signalen, zowel in de vorm van imitatie van een gezonde demonstrator en zo eenvoudig computer visuele feedback, de geamputeerde snel verbeterde verwerking van zijn nieuwe apparaat.

Protocol

Deze studie werd uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki worden uitgevoerd, zoals goedgekeurd door de lokale ethische commissie. De studie werd uitgelegd in detail aan de deelnemer voor aanvang, waardoor de deelnemer de tijd af te wegen de beslissing om vrijwillig deel te nemen aan het onderzoek en bevestigt zijn deelname door geïnformeerde, schriftelijke toestemming.

Opmerking: Een man, 27 jaar oud, namen deel aan de studie. De deelnemer had een normaal zicht, werd een linker beneden elleboog geamputeerde, en was een ervaren gebruiker (4 jaar in totaal prothese gebruik). Voordat met het onderzoek van de prothese gebruikte hij dagelijks een 4 kanaals myoelektrische handprothese met pols rotatie voor 12-15 uur per dag gedurende 15 maanden. Rechterhand van de deelnemer was eerder chirurgisch gereconstrueerd, maar had geen andere fysieke of neurologische stoornissen.

1. Studie ontwerp

1. Splits de studie meer dan twee sessies: na39; ve gebruik, en gebruik maken van onderstaande gestructureerde training.
   Let op: Dit is om intra-individuele vergelijking voor en na respectievelijk training mogelijk te maken.
2. Zorg ervoor dat deze twee sessies ten minste drie maanden zijn teneinde te worden beschouwd als onafhankelijk van elkaar.
3. Begin beide sessies, dient een aangepaste socket en prothese aan de deelnemer. Zorg ervoor dat de prothese hardware en regelalgoritmen overeenkomen met die beschreven in de sectie Materialen van dit protocol. Ervoor zorgen dat de deelnemer niet de aangepaste prothese in de tussentijd tussen de sessies.
4. Train de patiënt volgens de stappen in de Naïve Session en Structured Training Session delen van dit protocol. Aan het begin van elk van deze sessies, kalibreert de prothetische hardware. Met de verzamelde kalibratiegegevens voor real-time control prothese.
5. Zodra de Naïve Session en Structured Training Session zijn voltooid, beoordeelt de paprestaties rticipant's met behulp van de Southampton Hand Assessment Procedure (SHAP) uitkomstmaat. ²³ Vergelijk de SHAP scoort een nulmeting met behulp van standaard prothese van de deelnemer (verkregen voordat een training).

2. Materialen

1. Past de deelnemer met een custom-built socket. Een in de handel verkrijgbaar prothese volgens de instructies van de fabrikant. Rust de prothese hand met prototype onderdelen die bediende de pols flexie, extensie en rotatie mogelijk te maken. Hierdoor kan de deelnemer om de hand te bedienen met 3.5 graden van vrijheid (DoFs) (tabel 1).
   NB: In dit experiment een Michaelangelo Hand (zie Materials List) werd gebruikt. Andere terminal apparaten staat de pols draaien, buigen en strekken, samen met standaard grip functies zou ook passend zijn.
2. Record EMG signalen met behulp van acht equidistant geplaatst ruwe signaal elektroden rond de stomp,en een on-board-decodering systeem met een bemonsteringsfrequentie van 1000 Hz en gedigitaliseerd met 10-bit diepte. Voer de initiële filtering en versterking binnen de elektrodes zich volgens de specificaties van de leverancier. Gebruik een personal computer (PC) de belangrijkste verwerking, die communiceert met acquisitie hardware en bestuurt de prothese via een draadloze verbinding te voeren.
   Opmerking: In deze studie waren de oppervlakte EMG elektroden en on-board decoding systeem (AxonBus) gebruikt van Otto Bock. Andere fabrikanten van soortgelijke apparaten zou ook passend zijn. De draadloze verbinding was via Bluetooth, en ook andere wijzen kunnen worden aangebracht.

3. Controle Algoritme

1. Gebruik een regelalgoritme dat de gelijktijdige en proportionele prothetische control meerdere DoFs verschaft. ²¹ Het algoritme gebruikt in deze studie werd een tweetraps besluitvorming paradigma, zodat contextafhankelijke beweging inschatting mogelijk was.
2. Bij het systeem van opleiding, die alle de regelbare enkele DoF bewegingen bevat, noteert een inkomende elektromyogram (EMG).
3. In de eerste fase beoordeelt intrinsieke dimensionale informatie over de beoogde beweging basis van de Mahalanobis afstand van de nieuw berekende EMG elementvector uit de trainingsdata. Maak een beslissing over de vraag of de bedoeling van de gebruiker was tot een boete van 1 DoF of een grovere gelijktijdig 2-DoF motion voeren.
   Opmerking: Mahalanobis afstand van een functie vector x van klasse I met de klas betekenen vector μ _i en covariantiematrix Σ _i wordt als volgt berekend:
   
   Zoals beschreven in Amsuess et al, wordt de nieuw berekende kenmerkvector toegewezen aan de hoge dimensionale ruimte en Mahalanobis afstand van de getransformeerde punt een van de getrainde klasse punten genomen als maat voor de nieuwheid. ²¹ een empirischbepaalde drempel om die afstand geeft de beslissing voor novelty (2-DOF) of niet (1-DOF).
4. In de tweede fase, op basis van de eerdere beschikking met een van twee parallelle schatters - een over de opeenvolgende bewegingen (SEQ-E) en andere instructies gelijktijdige bewegingen (SIM-E) - de stuursignalen voor de prothese.
   Opmerking: SEQ-E in wezen een proportionele schatter (dat wil zeggen de sterkte van spiercontracties) op basis van gemeenschappelijke ruimtelijke patronen (CSP) ^21, terwijl de SIM-E is een lineair regressor, die tegelijkertijd stuurt 2 DoFs van de pols.

4. Software Framework

Opmerking: De software raamwerk gebruikt in deze studie toegelaten behandeling van de communicatie tussen de prothese en de hardware ingebedde regelalgoritme. Het bood ook visueel ondersteunende training tools die nodig zijn voor het maximaliseren deelnemer training.

1. Geef het kwadratisch gemiddelde (RMS) van de EMG signalen vanuit het 8 equidistant geplaatste elektroden in de vorm van een polaire grafiek van EMG amplitude als functie van de elektrode plaats. Deze visuele feedback maakt een eenvoudige controle van de ruimtelijke verdeling van de EMG in het dwarsvlak van de onderarm. Met behulp van een dergelijke setup, kan elk van de bewegingen van de gebruiker een duidelijk patroon ²² daarbij te lokken in de polaire plot, die vervolgens kunnen worden opgeslagen en gebruikt om te trainen voor de herhaalbaarheid van de specifieke gebaar.
   Opmerking: Het kader stelt het verzamelen van EMG data in het standaardpatroon herkenning wijze ²³ voor elk van de EMG kanalen de RMS dan 40 msec wordt berekend.
   
   resulterend in observaties voor elke ensemble venster.
2. Voor initiële kalibratie verzamelen van de maximale lange termijn vrijwillige contractie (MLVC) waarden voor elke beoogde beweging. Vraagt ​​de deelnemer met behulp van de hand van de demonstrant's uit te voerende gewenste beweging terwijl het geven van vocale en visuele instructies voor 5 sec.
3. Na de kalibratie, presenteren de deelnemer met een set van trapeziumvormige cues. Deze kracht profielen bevatten plateaus ingesteld op 30%, 60% en 90% van de gekalibreerde maximum.
4. Binnen elke proef, instrueren de deelnemer de rode wijzer langs de cue sturen door het moduleren van het krachtniveau van de aanleiding beweging (figuur 1). De verticale positie van de aanwijzer overeenstemt met de gesommeerde RMS-waarden voor alle acht kanalen. Stel de duur van de proef tot 5 sec met plateau interval overeenkomend met de middelste 3 sec.

5. Naïve Session

Opmerking: In de naïeve trainingssessie de deelnemer had geen ervaring van de prothese regelschema gebruikt in deze studie.

1. Geef niet de deelnemer geen formele klinische opleiding, maar alleen instrueren dat 8 acties van het overblijvende lid, waarvan één een rusttoestand,zal de controle van een visuele doel op een computerscherm laten. Deze taken zijn vergelijkbaar met die in klassieke patroonherkenning zal prothetische control ^23, en deze methoden de deelnemer in deze studie had ongeveer 60 h geholpen.
2. Geven de benodigde bewegingen op het scherm in termen van tekst en een statisch beeld, terwijl na een visuele cue (figuur 1).
3. Geef de deelnemer zijn EMG activeringspatronen, die overeenkomen met acht specifieke en unieke polaire plots (figuur 2).
4. Gebruik hoorbare instructies om de deelnemers aan te moedigen om de visuele cue te volgen. Deze gesproken instructies moeten identiek zijn als het gebruikt wordt in de gestructureerde training.
5. Herhaal de taken drie keer met verschillende arm posities (ontspannen, tot aan de voorkant, aan de overkant van het bereiken van) het systeem de opleiding te verbeteren. Houd in gedachten dat er 8 verschillende acties en drie niveaus van kracht, zodra alle arm posities worden afgedekt,systeem training ingang bedragen tot het totaal van 72 individuele monsters.
6. Eenmaal voltooid, kan de deelnemer de mogelijkheid om real-time controle voorafgaand aan het invullen van de SHAP uitkomst evaluatie oefenen.
7. Zorg ervoor dat de deelnemer geen toegang tot de aangepaste prothese en controlealgoritmes voorbij het einde van de naïeve zitting hebben.

6. Gestructureerde Training Session

1. Drie maanden na de naïeve sessie, het uitvoeren van een gestructureerde training.
2. Structuur de sessie in het volgende bestelde stappen (Figuur 3):
   1. Voor imitatie, instrueert de deelnemer direct imiteren de gewenste acht acties (tabel 1), uitgevoerd door de demonstrator in real-time. Uitvoeren elke actie gedurende 3 sec.
   2. Voor herhaling, vragen de deelnemer aan de actie die is 10 keer nagebootst herhalen, zodat elke actie wordt uitgevoerd voor 30 sec.
   3. Voor versterking & computer system training, vraag de deelnemers om nu te gaan met visuele feedback van de computer, dat is precies dezelfde opstelling als de naïeve sessie. Zorg dat er geen verschil tussen deze twee delen.
   4. Voor prothetische controle, vragen de deelnemer om real-time controle van de op maat gemaakte prothese oefenen voordat u het resultaat beoordelen.
3. Tijdens imitatie, plaats de deelnemer in een hoek van 45 ° van de demonstrator en voorzien van een volledig en vrij uitzicht op de hand van de demonstrator van het afstemmen van de aangedane zijde van de deelnemer tijdens alle handelingen (figuur 4). Geen visuele signalen van een computer scherm moet beschikbaar zijn voor de deelnemer op dit moment.
4. Voor herhaling, tijdens de acties van de deelnemer, de demonstrator observeer de overeenkomstige EMG-activiteit zoals voorgesteld door de polaire percelen van elke beweging (figuur 4). Zodra de demonstrator heeft bepaald dat de participant kan unieke en herhaalbare EMG activering patronen te produceren voor elke beweging, vraag de deelnemers aan de acties voor 30 sec zonder visuele aanwijzingen te herhalen.
   Let op: Er zijn in totaal 8 unieke acties - zeven van hen (pols pronatie / supinatie, pols flexie / extensie, open hand, de belangrijkste grip en fijn snufje) vereisen spieractiviteit, en de achtste zijn geen maatregelen nemen die een stabiele ontspannen toestand vertegenwoordigt.
5. Na versterking en computersysteem training presenteren de deelnemer visuele feedback zijn acht acties, precies zoals waargenomen in de naïeve sessie, die overeenkomen met de acht unieke en specifieke polaire plaatsen op het scherm (Afbeelding 3). Om af te stemmen prestaties, vraagt ​​de deelnemer om de acties uit te voeren, terwijl het bekijken van de real-time polaire percelen met opgenomen video overlays te leren versterken, meestal tussen de 2-4 pogingen voor elke beweging. Eenmaal overtuigd dat de deelnemer kan vervolgens de exact dezelfde taken die perf waren ormed in de naïeve sessie.

7. Prothetische controle

1. Gebruik de training data sets van elke sessie te kalibreren en aanpassen van de prothese voor real time controle.
2. Aanvankelijk staan ​​alleen de deelnemer de prothese besturen door achtereenvolgende proportionele regeling, dat wil zeggen, een beweging tegelijk met de snelheid van de inrichting evenredig is met de mate van spiersamentrekking.
3. Nadat alle acht acties worden uitgevoerd in een herhaalbare en betrouwbare wijze, schakelt de besturing proportionele en gelijktijdige controle, waardoor meer dan één beweging van de pols tegelijk.
4. Moet de deelnemer de praktijk eenvoudige taken, zoals het oppakken van een fles en legt deze op zijn kant (2 pogingen is voldoende). Zorg voor een periode van rust voor de uitkomst is uitgevoerd. Bij deze studie, 2 h rust voor de naïeve sessie en 24 uur rust van de gestructureerde sessie.

TITEL "> 8. Outcome Measurement

1. Evalueren wereldwijde bovenste ledematen, zowel in de naïeve en gestructureerde trainingen met behulp van de SHAP, die bewaakt de hand en bovenste ledematen functie nauw gerelateerd aan de activiteiten van het dagelijks leven (ADL). De taken uitgevoerd in de SHAP onder manipuleren lichte en zware voorwerpen, evenals taken van ADL, zoals het snijden van een object met een mes of ongedaan knoppen. De SHAP is gevalideerd voor de beoordeling van pathologische en prothetische handfunctie ^24.
   Opmerking: Deze meting werd gekozen als deelnemer in deze studie was routinematig gevolgd met dit resultaat maatregel zijn klinische team.

Results

De basislijn SHAP uitvoering van de deelnemer met zijn dagelijkse prothese 81, gemeten door de klinische staf 8 maanden voorafgaand aan het testen. Een SHAP score van 100 vertegenwoordigt valide handfunctie. ²⁴ De deelnemer scoorde een algemene SHAP score van 58 tijdens de naïeve sessie met de meer geavanceerde prothese controlesysteem. Echter, 3 maanden later en zonder verdere interactie met het nieuwe systeem, naast het gestructureerd, de deelnemer bereikte een SHAP score van 71 met hetzelfde geavanceerde s...

Discussion

Onze bevindingen suggereren dat de deelnemer in deze studie dat de gestructureerde opleiding geholpen verbetering van de bestrijding van een multifunctionele prothese hand tijdens een enkele sessie. De gestructureerde programma hier gebruikt was een combinatie van imitatie, herhaling en versterking van handbewegingen dat de deelnemer niet in staat was om te voltooien met zijn traditionele handprothese.

Hoewel de deelnemer hoger scoorden met zijn traditionele prothese in de SHAP test, is het ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Michelangelo Hand	Otto Bock Healthcare Products GmbH, A	8E500=L-M
AxonRotation	Otto Bock Healthcare Products GmbH, A	9S503
Wrist Flexor	Otto Bock Healthcare Products GmbH, A		prototype unit
AxonMaster	Otto Bock Healthcare Products GmbH, A	13E500
Electrode	Otto Bock Healthcare Products GmbH, A	13E200=50AC
ScissorFenceElectrodeCarrier	Otto Bock Healthcare Products GmbH, A		prototype unit
Acquisition Software	Otto Bock Healthcare Products GmbH, A		prototype unit
Carbon shaft	Otto Bock Healthcare Products GmbH, A		prototype unit