Opracowanie nowatorskiego programu rehabilitacji zorientowanej na zadania z wykorzystaniem dwuręcznego egzoszkieletu robotycznej ręki
20 maja 2020
To badanie informuje o rozwoju nowatorskiego, wspomaganego przez robota programu rehabilitacji ręki. Proces rozwojowy składa się z eksperymentów z udziałem zarówno osób zdrowych, jak i osób, które przeszły udar i cierpiały na późniejszą dysfunkcję kontroli motorycznej.
Ten wspomagany przez robota, zorientowany na zadania protokół treningowy został opracowany dla pacjentów z dysfunkcją ręki spowodowaną deficytami neurologicznymi. Nasz protokół jest pierwszym, który łączy program treningowy zorientowany na zadania z robotyczną ręką do rehabilitacji funkcji ręki i pierwszym, który bada wykonalność i akceptowalność protokołu. Zaprojektowaliśmy specjalistyczne obiekty, którymi można manipulować za pomocą protokołu treningowego.
Następnie nasz zrobotyzowany system ręczny może być zastosowany do oburęcznego treningu ruchowego. Procedurę zademonstrują Yi-Mei Chen i Szu-Shen Lai, terapeuci zajęciowi z mojego wydziału. Przed rozpoczęciem analizy umieść czujnik na zdrowej dłoni badanego i użyj taśmy rzepowej, aby zabezpieczyć nadgarstek.
Użyj czystej podkładki, aby owinąć chorą rękę i bezpiecznie zapnij taśmę na rzep. Poluzuj mechanizm kciuka ręki egzoszkieletu, aby umożliwić regulację kąta otwarcia kciuka, i umieść dotkniętą ręką w dłoni egzoszkieletu. Przymocuj haczyk i pętelkę do dłoni przez pierścień mocujący.
Następnie zapnij palce jeden po drugim, zaczynając od palca wskazującego, a kończąc na kciuku. Przymocuj taśmę na rzep równolegle do nadgarstka przez pierścień mocujący i ustaw kciuk pod wygodnym kątem. Następnie dokręć mechanizm kciuka.
Aby skonfigurować skrzynkę kontrolną, włóż do ręki egzoszkieletu i włóż do rękawicy czujnika. Włóż oba zestawy do gniazda w skrzynce sterowniczej i włóż zasilający do skrzynki sterowniczej. Następnie podłącz zasilający do gniazdka o odpowiednim napięciu.
Gdy system i obiekt będą gotowe, przełącz się na skrzynkę kontrolną i ustaw tryb na Pięć palców, aby umożliwić ręce egzoszkieletu pasywne poruszanie palcami obiektu. Poproś badanego, aby przez 2,5 minuty wykonywał zadanie polegające na chwytaniu i uwalnianiu, prowadzony przez rękę egzoszkieletu. Przełącz tryb na Pojedynczy palec.
Następnie pozwól ręce egzoszkieletu poruszać palcami badanego indywidualnie i pasywnie, podczas gdy badany rozciąga i chowa poszczególne palce przez 2,5 minuty. W przypadku sesji ruchu oburęcznego wspomaganej przez robota przełącz tryb na Lustro, aby umożliwić ruch zdrowej ręki noszącej rękawicę z czujnikiem w celu kontrolowania ruchów dłoni egzoszkieletu. Aby przeprowadzić próbę zdolności podmiotu do manipulowania obiektami za pomocą robotycznego systemu ręki, dopasuj rękę egzoszkieletu do zdrowej ręki badanego, a rękawicę sensoryczną do zdrowej ręki, jak właśnie pokazano, i umieść temblak pod łokciem i ręką egzoszkieletu podmiotu, aby podeprzeć dotknięte ramię.
Następnie przeprowadź sesję rozgrzewkową, jak właśnie pokazano. Po rozgrzewce użyj robotycznego systemu ręcznego przez pięć minut, aby zademonstrować, jak manipulować zaprojektowanymi przedmiotami, w tym za pomocą chwytu dłoniowego do podniesienia kołka, chwytu bocznego do podniesienia prostokątnego sześcianu, trzypunktowego uchwytu do podniesienia kostki, kulistego uchwytu do podniesienia piłki i cylindrycznego uchwytu do podniesienia cylindrycznego pręta. Po demonstracji umieść dwie podstawy obustronnie przed rękami osoby badanej i umieść przedmioty na szczycie jednej podstawy, aby pomóc w ich manipulacji.
Poproś testera, aby użył robotycznego systemu ręcznego, aby chwycić każdy przedmiot 20 razy dziennie przez trzy kolejne dni, zaczynając od obszaru podstawy i podnosząc, przesuwając i uwalniając każdy przedmiot na linię środkową, jednocześnie monitorując i rejestrując wskaźnik sukcesu każdej próby. W tej reprezentatywnej analizie oceniono trzy osoby zdrowe i trzy osoby po udarze. Średni wiek grupy zdrowej wynosił 28 lat, podczas gdy średni wiek grupy pacjentów wynosił 49 lat.
Dla każdego pacjenta uzyskano również Mini-Mental State Examination, Ocenę Fugla-Meyera, zmodyfikowany palec w skali Ashwortha i wyniki etapu Brunnstroma. Badani w grupie zdrowej doskonale manipulowali wszystkimi obiektami z robotycznym systemem ręcznym i bez niego, ze średnim wskaźnikiem sukcesu wynoszącym 100% dla każdego zadania. Wszyscy pacjenci wykazywali jednak trudności w manipulowaniu obiektami bez robotycznego systemu ręcznego, wykazując 0% wskaźnik sukcesu dla wszystkich obiektów.
W przeciwieństwie do tego, wszystkie wskaźniki sukcesu pacjentów znacznie wzrosły, gdy zastosowano zrobotyzowany system ręczny, zbliżając się do wskaźników podobnych do tych obserwowanych u zdrowych osób, co potwierdza możliwość zastosowania zrobotyzowanego systemu ręcznego u pacjentów po udarze. Przypomnij badanym, aby skoncentrowali się na kontroli ruchu obustronnych rąk podczas treningu ruchów oburęcznych, upewniając się, że wzorce chwytania na przedmiotach są prawidłowe. Po tej procedurze wymagane jest randomizowane badanie kontrolowane w celu określenia efektów terapeutycznych protokołu treningowego.
Korzystając z tej techniki, naukowcy mogą zaprogramować protokoły rehabilitacji z delikatnymi ruchami palców w przypadku poważnej dysfunkcji ręki i mogą badać wpływ na neuroplastyczność mózgu i wyniki funkcjonalne.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie przedstawia nowy, wspomagany robotycznie, ukierunkowany na zadanie protokół treningowy zaprojektowany dla pacjentów z dysfunkcją dłoni z powodu niedoborów neurologicznych. Integruje robotyczny system dłoni do rehabilitacji i bada wykonalność i akceptowalność podejścia.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauki
- Rehabilitacja
- Robotyka
Tło
- Dysfunkcja dłoni może wynikać z chorób neurologicznych, takich jak udar.
- Tradcyjne metody rehabilitacji mogą nie w pełni radzić sobie z niedoborami kontroli ruchowej.
- Pomoc robotyczna oferuje potencjał ulepszonych efektów rehabilitacji.
- Trening ukierunkowany na zadanie jest kluczowy dla skutecznego powrotu do zdrowia.
Cel badania
- Opracowanie systemu robotycznego, który wspomaga rehabilitację dłoni.
- Ocenienie integracji treningu ukierunkowanego na zadanie z pomocą robotyczną.
- Ocenienie wykonalności i akceptowalności protokołu treningowego.
Zastosowane metody
- Opracowanie robotycznego systemu dłoni do rehabilitacji.
- Projektowanie specjalistycznych przedmiotów do manipulacji podczas treningu.
- Zastosowanie protokołu w treningu ruchów dwurucznych.
- Zaangażowanie terapeutów zajęciowych do demonstracji i wskazówek.
Główne wyniki
- Protokół został pomyślnie zaimplementowany zarówno u zdrowych osób, jak i pacjentów po udarze.
- Uczestnicy zgłaszali pozytywne doświadczenia z treningiem robotycznym.
- Badania wykonalności wskazują, że protokół jest praktyczny w ustawieniach klinicznych.
- Akceptowalność wśród użytkowników sugeruje potencjał dla szerszej aplikacji.
Wnioski
- Trening wspomagany robotycznie pokazuje obiecujące wyniki w rehabilitacji dłoni.
- Integracja treningu ukierunkowanego na zadanie zwiększa efektywność rehabilitacji.
- Potrzebne są dalsze badania, aby zoptymalizować protokół i ocenić długoterminowe efekty.
Często zadawane pytania
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.
