Ontwikkeling van een nieuw taakgericht revalidatieprogramma met behulp van een Bimanual Exoskeleton Robotic Hand
20 mei 2020
Deze studie rapporteert de ontwikkeling van een nieuwe robot-ondersteunde taak-georiënteerde programma voor handrevalidatie. Het ontwikkelingsproces bestaat uit experimenten met zowel gezonde proefpersonen als proefpersonen die een beroerte hebben gehad en lijdt aan een daaropvolgende motorische controlestoornis.
Dit robot-ondersteunde, taakgerichte trainingsprotocol is ontwikkeld voor patiënten met handdisfunctie veroorzaakt door neurologische tekorten. Ons protocol is de eerste om taakgericht trainingsprogramma te integreren met een robothand voor handfunctierevalidatie en de eerste om de haalbaarheid en aanvaardbaarheid van het protocol te onderzoeken. We hebben gespecialiseerde objecten ontworpen die kunnen worden gemanipuleerd met behulp van het trainingsprotocol.
Dan kan ons robothandsysteem worden toegepast op tweemanugrafische bewegingstraining. Demonstreren van de procedure zal Yi-Mei Chen en Szu-Shen Lai, ergotherapeuten van mijn afdeling. Plaats de sensor voor het begin van de analyse op de onaangetaste hand van het onderwerp en gebruik de haak-en-lustape om de pols te beveiligen.
Gebruik een schone pad om de aangetaste hand te wikkelen en de haak-en-lus tape stevig vast te maken. Maak het duimmechanisme van de exoskelethand los om de duimopeningshoek te kunnen aanpassen en plaats de aangetaste hand in de hand van het exoskelet. Bevestig de haak en loop aan de palm door de bevestigingsring.
Daarna maak je de vingers één voor één vast, te beginnen met de wijsvinger en afwerking met de duim. Bevestig de haak-en-lus tape parallel aan de pols door de bevestigingsring, en stel de duim aan een comfortabele hoek. Draai vervolgens het duimmechanisme aan.
Als u de bedieningskast wilt instellen, plaatst u de kabel voor de exoskelethand en plaatst u de kabel voor de sensorhandschoen. Steek beide kabels in het stopcontact in de controlekast en steek de voedingskabel in de controlekast. Sluit vervolgens de voedingskabel aan op een stopcontact met de juiste spanning.
Wanneer het systeem en het onderwerp klaar zijn, schakelt u over naar de controlebox en stelt u de modus in op Vijf vingers zodat de exoskelethand de vingers van het onderwerp passief kan bewegen. Vraag het onderwerp om een grijp-en-release taak te voeren die gedurende 2,5 minuten door de hand van het exoskelet wordt geleid. Schakel de modus over naar Enkele Vinger.
Laat vervolgens de exoskelethand de vingers van het onderwerp individueel en passief bewegen, terwijl het onderwerp zich uitstrekt en gedurende 2,5 minuten individuele vingers intrekt. Voor een robot-ondersteunde tweehanden beweging sessie, schakel de modus naar Mirror om de beweging van de onaangetaste hand het dragen van de sensor handschoen om het exoskelet handbewegingen te controleren. Om een proef van het vermogen van het onderwerp om objecten te manipuleren met behulp van de robot hand systeem uit te voeren, past het exoskelet hand op de onaangetaste hand van het onderwerp en de sensor handschoen aan de onaangetaste hand zoals net aangetoond, en plaats een sling onder de elleboog van het onderwerp en exoskelet hand ter ondersteuning van de getroffen arm.
Voer vervolgens een warming-up sessie uit zoals net aangetoond. Na de warming-up, gebruik maken van de robot hand systeem voor vijf minuten om aan te tonen hoe de ontworpen objecten te manipuleren, met inbegrip van het gebruik van palmar prehensie op te halen de pen, een laterale prehensie op te halen de rechthoekige kubus, een drie-punts chuck op te halen de kubus, een bolvormige greep op te halen de bal, en een cilindrische greep op te halen de cilindrische bar. Plaats na de demonstratie twee bases bilateraal voor de handen van het onderwerp en plaats de objecten op de top van één basis om te helpen bij hun manipulatie.
Laat het onderwerp het robothandsysteem gebruiken om elk object gedurende drie opeenvolgende dagen 20 keer per dag te grijpen, te beginnen bij het gebied van de basis en elk object op de middellijn op te tillen, bewegen en loslaten terwijl het slagingspercentage voor elke poging wordt bewaakt en vastgelegd. In deze representatieve analyse werden drie gezonde proefpersonen en drie post-stroke proefpersonen beoordeeld. De gemiddelde leeftijd van de gezonde groep was 28 jaar, terwijl de gemiddelde leeftijd van de patiëntengroep 49 was.
Mini-Mental State Examination, Fugl-Meyer Assessment, Modified Ashworth Scale vinger, en Brunnstrom podium scores werden ook verkregen voor elke patiënt. De onderwerpen in de gezonde groep perfect gemanipuleerd alle objecten met en zonder de robot hand systeem, met een gemiddeld slagingspercentage van 100%voor elke taak. Alle patiënten vertoonden echter moeilijkheden bij het manipuleren van de objecten zonder het robothandsysteem, wat een slagingspercentage van 0% voor alle objecten aantoonde.
In tegenstelling, alle van de patiënt slagingspercentages aanzienlijk toegenomen wanneer de robot hand systeem werd gebruikt, het naderen van tarieven vergelijkbaar met die waargenomen bij gezonde proefpersonen, ter ondersteuning van de haalbaarheid van het gebruik van de robot hand systeem in beroerte patiënten. Herinner de onderwerpen eraan om zich te concentreren op de bewegingscontrole van hun bilaterale handen tijdens tweehandsbewegingentraining, om ervoor te zorgen dat de grijppatronen op de objecten correct zijn. Na deze procedure is een gerandomiseerde gecontroleerde studie vereist om de therapeutische effecten van het trainingsprotocol te bepalen.
Met behulp van deze techniek, onderzoekers kunnen programma revalidatie protocollen met delicate vingerbeweging voor ernstige handdisfunctie en kan de effecten op de hersenen neuroplasticiteit en functionele resultaten te verkennen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een nieuw robot-geassisteerd, taakgericht trainingsprotocol dat is ontworpen voor patiënten met handdisfunctie als gevolg van neurologische tekorten. Het integreert een robotisch handsysteem voor revalidatie en onderzoekt de haalbaarheid en aanvaardbaarheid van de benadering.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Revalidatie
- Robotica
Achtergrond
- Handdisfunctie kan het gevolg zijn van neurologische aandoeningen zoals een beroerte.
- Traditionele revalidatiemethoden bieden mogelijk niet volledig antwoord op motorische controletekorten.
- Robotische assistentie biedt potentieel voor verbeterde revalidatieresultaten.
- Taakgericht training is cruciaal voor effectief herstel.
Doel van het onderzoek
- Om een robotisch systeem te ontwikkelen dat assisteert bij handrevalidatie.
- Om de integratie van taakgericht training met robotische assistentie te evalueren.
- Om de haalbaarheid en aanvaardbaarheid van het trainingsprotocol te beoordelen.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van een robotisch handsysteem voor revalidatie.
- Ontwerp van gespecialiseerde objecten voor manipulatie tijdens training.
- Toepassing van het protocol in bimanuele bewegingstraining.
- Betrokkenheid van ergotherapeuten voor demonstratie en begeleiding.
Belangrijkste resultaten
- Het protocol werd met succes geïmplementeerd bij zowel gezonde proefpersonen als beroertepatiënten.
- Deelnemers rapporteerden positieve ervaringen met de robotische training.
- Haalbaarheidsstudies wezen uit dat het protocol praktisch is voor klinische omgevingen.
- De acceptatie onder gebruikers suggereert potentieel voor bredere toepassing.
Conclusies
- Het robot-geassisteerde trainingsprotocol belooft veel voor handrevalidatie.
- Integratie van taakgericht training verbetert de effectiviteit van revalidatie.
- Verder onderzoek is nodig om het protocol te optimaliseren en langetermijnresultaten te beoordelen.
Veelgestelde vragen
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.
