Een gestructureerde Revalidatie Protocol voor betere Multifunctionele Prothetische controle: A Case Study
6 november 2015
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.
Het algemene doel van deze procedure is om bovenste ledemaat-geamputeerden te trainen om geavanceerde prothetische ledematen te gebruiken. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van de inherente leerstrategieën van de geamputeerde om revalidatie te begeleiden. De eerste stap is om de patiënt bewegingen te laten imiteren en herhalen die door een demonstrator worden uitgevoerd.
Vervolgens werkt de patiënt met een computersysteem om het leren te versterken en algoritmen voor prothetische controle te trainen. De laatste stap is dat de patiënt onafhankelijk een geavanceerde prothetische ledemaat kan besturen. Uiteindelijk wordt gestructureerde revalidatietraining gebruikt om aan te tonen dat het gebruik van de inherente leerstrategieën van amputeerde patiënten de geavanceerde prothetische controle verbetert.
Dus ik kreeg het idee voor deze methode toen we probeerden een geamputeerde te trainen om een geavanceerde prothetische ledemaat te besturen. Helaas waren de bestaande patroonherkenningsmethoden niet effectief. Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal, aangezien de methode zelf volledig visueel is, en het is belangrijk voor zowel clinici als ingenieurs om dit in overweging te nemen bij het trainen van patiënten en niet alleen algoritmen.
Begin door een aangepaste socket en prothese aan de deelnemer aan te passen. Kalibreer de prothetische hardware en gebruik de verzamelde kalibratiegegevens voor prothetische controle. Geef de deelnemer geen formele training, maar geef hen wel instructies dat ze acht acties zullen uitvoeren, waaronder een rusttoestand met het prothetische ledemaat die de controle over een visueel doel op een computerscherm mogelijk maakt.
Toon een statische afbeelding van de beweging op het scherm en vraag de deelnemer om een visuele aanwijzing te volgen. Toon de deelnemer vervolgens de unieke en specifieke polare grafieken die overeenkomen met hun elektromyografie of EMG-patronen. Moedig de deelnemer aan om de visuele aanwijzing te volgen door naar het scherm te wijzen.
Herhaal de taak drie keer met verschillende armposities. Ontspannen, los strekken voor de buik en oversteken. Om de systeemtraining te verbeteren, voltooi alle acht acties en drie krachtniveaus voor elke armpositie om in totaal 72 individuele monsters van systeemtraining te verzamelen.
Zodra de training voltooid is, gebruik de trainingsgegevenssets uit deze sessie om de prothese te kalibreren en aan te passen, zodat de deelnemer realtime controle kan oefenen. Laat de deelnemer de prothese besturen door middel van sequentiële proportionele controle of één beweging tegelijk met de snelheid van het apparaat evenredig aan de niveaus van spiercontracties. Zodra elk van de acht acties op een herhaalbare, betrouwbare manier wordt uitgevoerd, schakel het controleschema over naar proportionele en gelijktijdige controle, waardoor meer dan één beweging van de pols tegelijkertijd mogelijk is.
Laat de deelnemer vervolgens eenvoudige taken oefenen, zoals een eenvoudig voorwerp oppakken en opzij leggen. Laat twee uur rusten. Voordat de uitkomstbeoordeling wordt voltooid, beoordeel de prestaties van de deelnemer met behulp van de Southampton handbeoordelingsprocedure of SHA-uitkomstmaten.
Vergelijk SHAP-scores met een basismaatstaf met behulp van de standaardprothese van de deelnemer. Zorg ervoor dat de deelnemer na voltooiing van de naïeve sessie geen toegang heeft tot de aangepaste prothese en besturingsalgoritmen. Drie maanden na de uitvoering van de naïeve sessie, structureert de gestructureerde trainingssessie de trainingssessie in de volgende volgorde: imitatie, herhaling, versterking en prothetische controle.
Voor imitatie, instrueer de deelnemer om de gewenste acht acties die door de demonstrator in realtime worden uitgevoerd direct te imiteren. Om dit te doen, zet de deelnemer onder een hoek van 45 graden van de demonstrator en zorg voor een onbelemmerd zicht op de hand van de demonstrator die overeenkomt met de aangedane kant van de deelnemer. Voer elke actie drie seconden uit.
Voor herhaling. Vraag de deelnemer om de geïmiteerde actie 10 keer gedurende 30 seconden te herhalen. Zonder visuele aanwijzingen, observeer de bijbehorende EMG-activiteit zoals weergegeven door de polaire grafieken van elke beweging.
Voor versterking, presenteer de deelnemer visuele feedback van hun acht acties exact zoals gezien in de naïeve sessie. Vraag de deelnemer om de acties uit te voeren terwijl ze de realtime polaire grafieken met opgenomen bewegingsoverlays bekijken om het leren te versterken. Zorg ervoor dat de versterkingstraining exact hetzelfde is als de training die tijdens de naïeve sessie werd gegeven.
Zodra de training voltooid is, gebruik de trainingsgegevenssets uit deze sessie om de prothese te kalibreren en aan te passen, zodat de deelnemer realtime controle kan oefenen. Laat de deelnemer de prothese vrij besturen door middel van sequentiële proportionele controle of één beweging tegelijk met de snelheid van het apparaat evenredig aan de niveaus van spiercontracties. Zodra elk van de acht acties op een herhaalbare, betrouwbare manier wordt uitgevoerd, schakel het controleschema over naar proportionele en gelijktijdige controle, waardoor meer dan één beweging van de pols tegelijkertijd mogelijk is. Laat de deelnemer eenvoudige taken oefenen, zoals een eenvoudig voorwerp oppakken en opzij leggen.
Geef 24 uur rust voordat de uitkomstbeoordeling wordt voltooid. Beoordeel tenslotte de prestaties van de deelnemer met behulp van de shap-uitkomstmaat. Vergelijk SHAP-scores met een basismaatstaf met behulp van de standaardprothese van de deelnemer.
Dit protocol beschrijft een gestructureerde revalidatiemethode, die imitatie, herhaling en versterking leerstrategieën omvat voor verbeterde multifunctionele prothetische controle. Hier worden SHAP-scores vergeleken tussen de basislijn naïeve sessie en de gestructureerde trainingssessie. De resultaten van de shap-uitkomsttest toonden aan dat de grootste verbeteringen tijdens taken waren die gebruik maakten van flexie- en extensie-bewegingen van de pols, wat deze nieuwe besturingsschema en aangepaste prothese biedt ten opzichte van de standaardprothese van de deelnemer.
Na deze procedure kunnen bovenste ledemaat-geamputeerden snel leren om
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel bespreekt een gestructureerd revalidatieprotocol dat erop is gericht om mensen met een amputatie aan het bovenste ledemaat te trainen in het effectief gebruiken van geavanceerde protheses. Door gebruik te maken van de inherente leerstrategieën van geamputeerden, verbetert het protocol hun vermogen om protheses aan te sturen via imitatie, herhaling en reinforcement learning.
Belangrijkste Onderdelen van de Studie
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Revalidatie
- Prothesiologie
Achtergrond
- Geamputeerden beschikken over inherente leervermogens die kunnen worden benut bij revalidatie.
- Geavanceerde protheses vereisen geavanceerde aansturingsmechanismen.
- Gestructureerde training kan de vaardigheid in het gebruik van protheses verbeteren.
- Imitatie en reinforcement learning zijn belangrijke strategieën bij de acquisitie van motorische vaardigheden.
Doel van de studie
- Om een rehabilitatieprotocol te ontwikkelen voor mensen met een amputatie van de bovenste ledematen.
- Om de aansturing van geavanceerde protheses van de ledematen te verbeteren.
- Om inherente leerstrategieën te benutten voor verbeterde resultaten.
Gebruikte methoden
- Patiënten imiteren en herhalen bewegingen die door een instructeur worden voorgedaan.
- Interactie met een computersysteem om het leerproces te versterken.
- Het trainen van algoritmen voor de aansturing van de prothese via interactieve sessies.
- Onafhankelijke aansturing van het protheseledemaat door de patiënt.
Belangrijkste resultaten
- Gestructureerde rehabilitatietraining verbetert de controle over prothesen aanzienlijk.
- Patiënten vertonen een verbeterde vaardigheid bij het gebruik van geavanceerde prothesen.
- Inherent leerstrategieën sturen het rehabilitatieproces effectief aan.
- Imitatie en reinforcement learning zijn cruciaal voor de acquisitie van vaardigheden.
Conclusies
- Het gebruik van inherente leerstrategieën leidt tot betere resultaten bij de aansturing van prothesen.
- Gestructureerde rehabilitatieprotocollen kunnen geamputeerden effectief trainen.
- Toekomstig onderzoek zou verdere verbeteringen in rehabilitatietechnieken moeten verkennen.
Veelgestelde Vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Deze casestudy demonstreert hoe gestructureerde revalidatieprotocollen, die gebruikmaken van aangeboren menselijke leerstrategieën, de functionele resultaten bij geavanceerde prothesebesturing kunnen verbeteren. Voor biopharma R&D bieden dergelijke benaderingen handvatten voor het ontwerp van aanvullende therapieën die de bruikbaarheid van apparaten en de therapietrouw van patiënten in neurorevalidatie-pipelines verhogen. Verbeterde multifunctionele besturing ondersteunt het voorspellende vertrouwen in translationele modellen van motorisch herstel en functionele onafhankelijkheid.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Valideert imitatie, herhaling en bekrachtiging als mechanistische drijfveren van motorisch leren bij populaties met amputaties.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbaar kader voor het beoordelen van neuroplasticiteit en motorisch herleren in preklinische en klinische modellen.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Maakt gestandaardiseerde beoordeling van de vaardigheid in prothesebesturing mogelijk middels kwantitatieve uitkomstmaten zoals de Southampton Hand Assessment Procedure.
- Operationele waarde: Ondersteunt de assay-gereedheid door het definiëren van duidelijke trainingsfasen en prestatiebenchmarks voor de evaluatie van het apparaat.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Slaat een brug tussen ontdekking en preklinische validatie door trainingsprotocollen te koppelen aan meetbare functionele winst in behendigheid en coördinatie.
- Operationele waarde: Informeert go/no-go-beslissingen bij de ontwikkeling van apparaten door de kritische rol van training van de gebruiker in de prestaties van protheses in de echte wereld te benadrukken.
Integratie van Pipeline & Workflow
Het protocol positioneert gebruikergerichte training als een noodzakelijke stap tussen de fabricage van het apparaat en de klinische implementatie, om ervoor te zorgen dat technologische vooruitgang in prothetische besturing wordt ondersteund door de vaardigheden van de gebruiker.
- Ontdekkingsbiologie: Onderzoekt hoe aangeboren leer mechanismen kunnen worden ingezet om de acquisitie van motorische vaardigheden in neurorehabilitatiecontexten te versnellen.
- Screening: Stelt gestandaardiseerde trainingsroutines vast die de reproduceerbaarheid van prestatiebeoordelingen van apparaten tussen verschillende gebruikers verbeteren.
- Analyses: Vertrouwt op kwantitatieve SHAP-scores om de baseline- en post-trainingsprestaties te vergelijken, wat een objectieve vergelijking van controlestrategieën mogelijk maakt.
- Translationeel onderzoek: Demonstreert de continuïteit van gestructureerde training naar de uitvoering van taken in de echte wereld, wat beslissingen over de verdere ontwikkeling van rehabilitatietechnologie ondersteunt.
- Zakelijk hergebruik: Formuleert het imitatie-repetitie-versterkingsmodel als een overdraagbaar trainingsparadigma dat toepasbaar is op meerdere platforms voor ondersteunende hulpmiddelen.
Operationele en zakelijke impact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindering van mechanistische ambiguïteit bij motorisch leren door de bijdrage van observationele training en feedbackgebaseerde training te isoleren.
- Operationele waarde: Standaardisatie van de uitvoering van trainingen over verschillende locaties via gedefinieerde fasen en timingparameters.
- Strategische waarde: Betere go/no-go-beslissingen door vast te stellen of prestatielimieten voortvloeien uit het ontwerp van het apparaat of uit de trainingsgereedheid van de gebruiker.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering van apparaten die trainbare besturingsschema's voor de gebruiker integreren, waardoor falen in een laat stadium door slechte bruikbaarheid wordt verminderd.
Overwegingen voor implementatie
- Vereiste expertise in neurorehabilitatie, prothetica en motorisch leertheorie.
- Behoefte aan motion capture, EMG-monitoring en real-time visuele feedbacksystemen ter ondersteuning van de imitatie- en versterkingsfasen.
- Crossfunctionele afstemming tussen clinici, ingenieurs en datawetenschappers om te garanderen dat trainingsgegevens de kalibratie van het besturingsalgoritme informeren.
- Aanpassingen met betrekking tot verschillende amputatieniveaus, prothesetypes en de baseline motorische functie van de gebruiker.
- Praktische beperkingen omvatten de afhankelijkheid van de motivatie van de gebruiker, de toegang tot getrainde therapeuten en variabiliteit in de kwaliteit van het residuele spiersignaal.
