Abstract
وقد أدى التقدم في النظم الروبوتية في الأطراف الاصطناعية للالطرف العلوي التي يمكن أن تنتج حركات متعددة الوظائف. ومع ذلك، فإن هذه النظم المتطورة تتطلب مبتوري الأطراف الطرف العلوي لمعرفة مخططات السيطرة المعقدة. البشر لديهم القدرة على تعلم حركات جديدة من خلال التقليد واستراتيجيات التعلم الأخرى. يصف هذا البروتوكول وسيلة لإعادة التأهيل المنظم، والذي يتضمن التقليد، والتكرار، وتعزيز التعلم، ويهدف إلى تقييم ما إذا كانت هذه الطريقة يمكن تحسين السيطرة على الاصطناعية متعددة الوظائف. A اليسار تحت الكوع مبتوري الأطراف، مع 4 سنوات من الخبرة في استخدام الأطراف الاصطناعية، وشارك في دراسة الحالة هذه. كان البدلة تستخدم يد مايكل أنجلو مع دوران المعصم، والميزات المضافة للانثناء الرسغ والإرشاد، والتي سمحت المزيد من مزيج من حركات اليد. تحسنت ساوثامبتون اليد إجراء تقييم درجة المشارك 58-71 بعد تدريب منظم. هذا يشير إلى أن بروتوكول تدريبي منظم من imitأوجه، والتكرار والتعزيز قد يكون لها دور في التعلم للسيطرة على يد اصطناعية جديدة. ومع ذلك مطلوب دراسة سريرية أكبر لدعم هذه النتائج.
Introduction
استبدال وظيفة اليد في مبتوري الأطراف هو مسعى صعب. تنسيق حركات اليد الماهرة للغاية ليس قدرة فطرية، ويأخذ البشر سنوات من التعلم لتطوير 1-5 بعد الخسارة المؤلمة من ناحية، تكرار هذه القدرة عن طريق الاصطناعية ليست بالأمر الهين، وقد تتطلب فترة من التعلم المستدام .
تصميم الاصطناعية وأساليب التواصل لسيطرتهم تخضع للابتكارات التكنولوجية السريعة، وذلك بهدف التحكم متعددة الوظائف بطريقة طبيعية. 6 تعقيد هذه الأنظمة تحكم يزيد إلى حد كبير في توفير المزيد من الوظائف للمبتورين. لضمان مراقبة دقيقة من هذه الأنظمة، والحد من التخلي عن التكنولوجيات الجديدة، يحتاج التدريب الكافي الذي سينشأ. هذا ومن المرجح أن يكون أكثر نجاحا إذا كان قائما على استراتيجيات التعلم الملازمة لمبتوري الأطراف ".
الرؤية يمكن أن تلعب دورا هاما أثناء جنيهأرنينج من حركات اليد. وقد أظهرت الدراسات السلوكية التي من خلال مراقبة تصرفات الآخرين (7) أو باستخدام الإشارات البصرية 8، والأفراد القادرين على العمل التعلم وتنسيق حركات جديدة. من خلال عملية الرصد والفهم وتنفيذ إجراء الملاحظة، والأفراد قادرين على تقليد تصرفات الآخرين. شبكات القشرية محددة، والتي قد تشمل نظام مرآة الخلايا العصبية (MNS)، ويعتقد أنها وراء هذه القدرة، ويمكن أن يكون لها دور في السيطرة على أطرافه الاصطناعية. 9-11
دور التقليد قد لا يكون مجرد تقتصر على تنفيذ الإجراءات التي سبق أن رأينا، ولكن جنبا إلى جنب مع MNS، والسماح للتنفيذ الحركات التي لم يتم بعد لاحظت لكن استقراء من ريبيتويري السيارات المراقب. 12 وفي الواقع، قد التقليد ليس بالضرورة تكون قدرة فطرية، ولكن التراكم المهارات الحركية مع مرور الوقت أن يؤدي إلى إجراءات من ذوي الخبرة ومتطورة. 13 شارع، وقد تبين rength من مراقبة الإجراءات، ما يزيد قليلا ببساطة تخيل لهم لتحسين تعلم المهام الجديدة. 14 وهكذا، قد يكون التقليد اتباع نهج عملي للمبتورين التدريب، وتشير الدلائل إلى أنه هدف توجه عملية 15، مع هدف في الإعداد لإعادة التأهيل تمكين مفيدة التعويضية وظيفة اليد.
وقد أظهرت دراسات التأهيل بشكل منفصل أن الإشارات البصرية، مثل المحاكاة الافتراضية اليد الاصطناعية، وتشجيع مبتوري الأطراف خلال التدريب التأهيل. 16 وبالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت استخدام التكرار عندما أجريت في نموذج منعت لتمكين التعلم السريع لعلوى للأطراف الاصطناعية السيطرة. 17 وبينما ثبت المحاكاة الافتراضية أن تكون فعالة بنفس القدر من السيطرة الحقيقية على الأيدي الاصطناعية في تمكين المستخدمين abled الجسم للسيطرة على أجهزة كهربية العضل، 18 تأثيرها على مبتوري الأطراف باستخدام مقاييس النتائج موحدة غير واضح. أخيرا، حيث بروتوكولات الطرف العلوي ampuالتدريب الكساء موجود، لا يتم مناقشة دور التقليد في التعلم من السيطرة الاصطناعية صراحة. 19،20
تهدف هذه الدراسة إلى فهم إذا كان استخدام التقليد، بالاشتراك مع التكرار والتعزيز، له تأثير إيجابي على التعلم من السيطرة الاصطناعية متعددة الوظائف كجزء من برنامج تدريبي منظم.
المقدمة في هذه الوثيقة هي تقرير حالة بتر transradial الذي كان تدريبهم على استخدام اليد الاصطناعية متعددة الوظائف. قد المشارك تصبح سابقا اعتادوا على تشغيل الأطراف الاصطناعية كهربية العضل التقليدية. باستخدام الإشارات البصرية، سواء في شكل تقليد أحد المتظاهرين صحي والبساطة الكمبيوتر ردود الفعل البصري، وبتر تحسنت بسرعة التعامل مع الجهاز الجديد.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
وقد أجريت هذه الدراسة وفقا لإعلان هلسنكي، كما وافقت عليها لجنة أخلاقيات البحوث المحلية. وأوضحت الدراسة بالتفصيل الكامل للمشارك قبل البدء، مما يتيح للمشارك من الوقت ليصل وزنه إلى قرار باتخاذ طوعا المشاركة في الدراسة وتأكيد مشاركته من قبل، موافقة خطية مستنيرة.
ملاحظة: رجل واحد، البالغ من العمر 27 عاما، شاركت في الدراسة. كان مشاركا الرؤية العادية، وعلى اليسار تحت الكوع مبتوري الأطراف، وكان ذا خبرة المستخدم (المجموع 4 سنوات استخدام بدلة). قبل البدء في هذه الدراسة بدلة اعتاد على أساس يومي كان 4 قناة اليد الاصطناعية كهربية العضل مع دوران المعصم ل15/12 ساعة في اليوم لمدة 15 شهرا. اليد اليمنى المشارك سبق بناؤها جراحيا، ولكن ليس لديها إعاقة جسدية أو عصبية أخرى.
1. تصميم الدراسة
- تقسيم الدراسة على مدى دورتين: NA39؛ هاء الاستخدام، وتستخدم بعد تدريب منظم.
ملاحظة: هذا هو السماح للمقارنة داخل الموضوع قبل وبعد التدريب على التوالي. - تأكد من أن هذه الدورات هما بصرف النظر ثلاثة أشهر على الأقل، وذلك ليتم التعامل معها على أنها مستقلة عن بعضها البعض.
- في بداية الدورتين تناسب مأخذ مخصصة وبدلة للمشارك. تأكد من أن الأجهزة التعويضية والسيطرة خوارزميات تتطابق مع تلك المفصلة في قسم المواد من هذا البروتوكول. تأكد من أن المشاركين غير قادر على استخدام بدلة مخصصة في الوقت الفاصلة بين الدورات.
- تدريب مريض وفقا الخطوات الموضحة في الدورة السذاجة وأقسام تفصيلية لهذا البروتوكول دورة تدريبية. في بداية كل من هذه الدورات، معايرة الأجهزة الاصطناعية. استخدام بيانات المعايرة التي تم جمعها في الوقت الحقيقي لمراقبة الاصطناعية.
- مرة واحدة في الدورة السذاجة ودورة تدريبية منظم كاملة، وتقييم سنوياأداء rticipant باستخدام ساوثامبتون اليد إجراء تقييم (SHAP) قياس النتيجة 23 قارن عشرات SHAP لقياس خط الأساس باستخدام بدلة المشارك القياسية (التي تم الحصول عليها قبل الدورات التدريبية سواء).
2. المواد
- تناسب المشارك مع مأخذ مبنية خصيصا. إرفاق بدلة المتاحة تجاريا وفقا لتعليمات الشركة الصانعة. تجهيز اليد الاصطناعية مع مكونات النموذج التي تسمح ثني المعصم دفعتها والإرشاد ودوران. وهذا يتيح للمشارك للسيطرة على جنب مع 3.5 درجات الحرية (DoFs) (الجدول 1).
ملاحظة: في هذه التجربة تم استخدام اليد ميشايلانجيلو (انظر قائمة المواد). أن الأجهزة الطرفية الأخرى القادرة على المعصم والتناوب، وانثناء والإرشاد، جنبا إلى جنب مع وظائف قبضة القياسية يكون من المناسب أيضا. - سجل إشارات EMG باستخدام ثمانية وضعت مسافة واحدة أقطاب إشارة الخام حول الجذع،وفك رموز النظام على متن بمعدل أخذ العينات من 1000 هرتز ورقمية مع عمق 10 بت. إجراء التصفية الأولية والتضخيم ضمن الأقطاب أنفسهم وفقا لمواصفات البائع. استخدام الكمبيوتر الشخصي (PC) لإجراء المعالجة الرئيسي الذي يتصل مع اقتناء الأجهزة وتسيطر على بدلة عبر اتصال لاسلكي.
ملاحظة: في هذه الدراسة كانت الأقطاب EMG السطحية وفك رموز النظام على متن (AxonBus) المستخدمة من أوتو بوك. أن غيرها من الشركات المصنعة للأجهزة مماثلة يكون من المناسب أيضا. كان اتصال لاسلكي عن طريق البلوتوث، وكذلك طرائق أخرى يمكن تطبيقها.
3. مراقبة خوارزمية
- استخدام خوارزمية التحكم الذي يوفر سيطرة التعويضية في وقت واحد ونسبية عبر DoFs متعددة. 21 وكانت الخوارزمية المستخدمة في هذه الدراسة على مرحلتين صنع نموذج القرار، لذلك كان أن تعتمد على سياق حركة تقدير ممكن.
- على نظام التدريب، والتي تحتوي على كافة الحركات شعبة الشؤون المالية واحدة يمكن السيطرة عليها، يسجل كهربية الوارد (EMG).
- في المرحلة الأولى، تقييم المعلومات الأبعاد الجوهرية للحركة المقصود على أساس المسافة Mahalanobis من احتساب حديثا ميزة EMG متجه من بيانات التدريب. اتخاذ قرار بشأن ما إذا كانت نية المستخدم لأداء غرامة 1-دائرة المالية أو خشونة في وقت واحد اقتراح 2-دائرة المالية.
ملاحظة: بعد Mahalanobis من ناقلات ميزة العاشر إلى الصف الأول مع الطبقة يعني ناقلات μ ط ومصفوفة التغاير يتم احتساب Σ أنا على النحو التالي:
كما هو موضح في Amsuess وآخرون، يتم تعيين ميزة ناقلات تحسب حديثا إلى الفضاء الأبعاد عالية والمسافة Mahalanobis نقطة تحول في أي من نقاط فئة المدربين يؤخذ كمقياس للحداثة. 21 ومن تجريبياالعتبة المحددة لتلك المسافة يعطي القرار للحداثة (2-DOF) أو لا (1-DOF). - في المرحلة الثانية، بناء على القرار السابق، استخدم واحد من اثنين المقدرات موازية - واحد التعامل مع الحركات المتسلسلة (SEQ-E) والتعامل مع حركات متزامنة أخرى (SIM-E) - لتوفير إشارات التحكم عن بدلة.
ملاحظة: SEQ-E هي في جوهرها مقدر النسبي (أي قوة تقلصات عضلية) على أساس الأنماط المكانية المشتركة (CSP) 21، في حين SIM-E هو regressor الخطي، الذي يرسم في وقت واحد 2 DoFs من المعصم.
الإطار 4. البرمجيات
ملاحظة: إطار البرامج المستخدمة في هذه الدراسة سمح التعامل مع الاتصالات بين الأجهزة الاصطناعية وخوارزمية التحكم المضمنة. كما عرضت أدوات التدريب داعمة بصريا اللازمة لتحقيق أقصى قدر من التدريب مشارك.
- عرض جذر متوسط مربع (RMS) من Eإشارات MG تم جمعها من 8 أقطاب كهربية وضعت مسافة واحدة في شكل مؤامرة القطبية من EMG السعة بوصفها وظيفة من موقع القطب. هذه ملاحظات مرئية يمكن رصد سهل التوزيع المكاني للEMG في الطائرة عرضية من الساعد. باستخدام هذا الإعداد، كل الاقتراحات للمستخدم يمكن بالتالي انتزاع نمط متميز 22 في مؤامرة القطبية، ومن ثم يمكن حفظها واستخدامها لتدريب لتكرار هذه اللفتة محددة.
ملاحظة: الإطار يمكن جمع البيانات EMG في القياسية بطريقة التعرف على نمط 23 لكل من قنوات EMG وRMS أكثر من 40 ميللي ثانية تحسب على النحو.
مما أدى إلى الملاحظات عن كل نافذة الفرقة. - لمعايرة الأولية جمع الأقصى على المدى الطويل الانكماش الطوعي (MLVC) القيم لكل يقصد الحركة. مطالبة المشاركين باستخدام يد المتظاهرين على أداءالحركة المطلوبة في حين يعطي تعليمات الصوتية والمرئية لمدة 5 ثانية.
- بعد المعايرة، تقديم المشاركين مع مجموعة من الاشارات شبه منحرف. هذه ملامح القوة تحتوي على مجموعة الهضاب 30٪، 60٪ و 90٪ من الحد الأقصى معايرة.
- في كل محاكمة، إرشاد المشاركين لتوجيه المؤشر الأحمر على طول جديلة عن طريق تحوير مستوى قوة الحركة المطالبة (الشكل 1). الوضع الرأسي للمؤشر يتوافق مع القيم RMS لخص عبر جميع القنوات ثمانية. تعيين فترة المحاكمة إلى 5 ثانية مع فاصل الهضبة المقابلة لالمتوسطة 3 ثانية.
5. الدورة ساذجة
ملاحظة: خلال دورة تدريبية ساذجة، وكان مشاركا أي خبرة مسبقة من مخطط السيطرة الاصطناعية المستخدمة في هذه الدراسة.
- لا تعطي أي مشارك التدريب السريري رسمي، ولكن تعليمات فقط أن 8 تصرفات الطرف المتبقي، الذي هو واحد من حالة الراحة،سيسمح السيطرة على هدف مرئي على شاشة الكمبيوتر. هذه المهام هي مماثلة لتلك المستخدمة في التعرف على الأنماط الكلاسيكية النهج من أجل السيطرة التعويضية 23، وتلك الأساليب زيارتها المشارك في هذه الدراسة ما يقرب من 60 ساعة من التجربة السابقة.
- عرض الحركات المطلوبة على الشاشة من حيث النص وصورة ثابتة بينما التالية جديلة البصرية (الشكل 1).
- عرض مشارك له EMG أنماط التنشيط، والتي تتوافق مع ثماني قطع القطبية محددة وفريدة من نوعها (الشكل 2).
- استخدام تعليمات مسموعة لتشجيع المشاركين على اتباع جديلة البصرية. يجب أن تكون هذه التعليمات مسموعة متطابقة في حالة استخدامها في الدورة التدريبية تنظيما.
- تكرار المهام ثلاث مرات مع مواقف مختلفة ذراع (استرخاء، ووصلت في الجبهة، والتوصل عبر) لتعزيز نظام التدريب. نضع في اعتبارنا أن هناك 8 إجراءات مختلفة وثلاثة مستويات القوة، بعد تغطية جميع المواقف الذراع،إدخال نظام التدريب مبالغ تصل إلى ما مجموعه 72 عينات فردية.
- مرة واحدة كاملة، والسماح للمشارك الفرصة لممارسة التحكم في الوقت الحقيقي قبل الانتهاء من تقييم نتائج SHAP.
- ضمان المشاركين لم يكن لديك الوصول إلى بدلة والسيطرة خوارزميات مخصصة بعد نهاية الدورة ساذجة.
6. منظم دورة تدريبية
- بعد ثلاثة أشهر من انعقاد الدورة ساذجة، نفذ دورة تدريبية منظمة.
- هيكل الدورة في الخطوات التالية أمر (الشكل 3):
- لالتقليد، وإرشاد المشاركين إلى مباشرة تقليد المطلوب ثمانية إجراءات (الجدول 1) التي يؤديها متظاهر في الوقت الحقيقي. تنفيذ كل عمل لمدة 3 ثانية.
- للتكرار، اطلب من المشاركين لتكرار الإجراء الذي تم تقليدها 10 مرات، حتى يتم تنفيذ كل عمل لمدة 30 ثانية.
- لتعزيز والكمبيوتر SYSالتدريب تيم، يطلب من المشاركين على الانخراط الآن مع ردود الفعل على الكمبيوتر البصرية، وهذا هو بالضبط نفس الإعداد كما الدورة السذاجة. تأكد من أنه لا يوجد فرق بين هذين القسمين.
- من أجل السيطرة الاصطناعية، اطلب من المشاركين لممارسة التحكم في الوقت الحقيقي من بدلة مخصصة قبل الانتهاء من تقييم النتائج.
- خلال التقليد، مقعد مشارك في زاوية 45 درجة من المتظاهرين وتقديم بهدف الكامل ودون عائق من ناحية المتظاهر مطابقة الجانب المصاب من المشاركين خلال جميع الإجراءات (الشكل 4). لا ينبغي أن تكون الإشارات البصرية من شاشة جهاز كمبيوتر متاح للمشارك في هذا الوقت.
- للتكرار، خلال تصرفات المشاركين، لديها متظاهر مراقبة النشاط EMG المقابلة ممثلة في مؤامرات القطبية كل حركة (الشكل 4). وبمجرد أن تحدد متظاهر أن participanتي يمكن أن تنتج أنماط التنشيط EMG فريدة من نوعها وقابلة للتكرار لكل حركة، اطلب من المشاركين لتكرار الإجراءات لمدة 30 ثانية دون أي الإشارات البصرية.
ملاحظة: هناك مجموعه 8 الإجراءات فريدة من نوعها - سبعة منهم (الرسغ كب / استلقاء، انثناء الرسغ / تمديد، يدا مفتوحة، وقبضة الرئيسية ورشة الجميلة) التي تتطلب تنشيط العضلات، والثامنة يجري أي إجراء وهو ما يمثل حالة استرخاء ثابتة. - بعد تعزيز ونظام الكمبيوتر والتدريب، وتقديم المشاركين مع ردود الفعل البصري للله ثمانية أعمال، تماما كما كان ينظر في الدورة الساذجة، والتي تتوافق مع ثماني قطع القطبية فريدة ومحددة على شاشة الكمبيوتر (الشكل 3). لأداء اللحن، اطلب من المشاركين لتنفيذ الإجراءات أثناء عرض في الوقت الحقيقي مؤامرات القطبية تراكب مع الحركة المسجلة لتعزيز التعلم، وعادة ما بين 2-4 محاولات لكل حركة. مرة واحدة يمكن أن ثقة المشاركين ثم أكمل بنفس المهام بالضبط التي كان الأداء الإقتصادي الأداء ormed في الدورة ساذجة.
7. الترقيعي تحكم
- استخدام مجموعات بيانات التدريب من كل دورة لمعايرة وضبط بدلة لمراقبة الوقت الحقيقي.
- في البداية، لا تسمح المشارك للسيطرة على الأطراف الاصطناعية عن طريق التحكم النسبي متتابعة، أي حركة واحدة في وقت واحد، مع سرعة الجهاز يتناسب مع مستويات تقلصات عضلية.
- مرة واحدة يتم تنفيذ كل الإجراءات ثمانية بطريقة قابلة للتكرار وموثوق بها، تبديل مخطط السيطرة على التحكم التناسبي ووقت واحد، مما يسمح للحركة أكثر من واحد من المعصم في وقت واحد.
- لديهم مهام بسيطة الممارسة مشارك، مثل التقاط زجاجة، ووضع عليه على جانبها (2 محاولات غير كافية). السماح لفترة من الراحة قبل إجراء تقييم النتائج. في حالة هذه الدراسة، 2 ساعة من الراحة للدورة ساذجة، و 24 ساعة من الراحة للدورة تنظيما.
- تقييم وظائف الطرف العلوى العالمية على حد سواء في دورات تدريبية ساذجة ومنظم باستخدام SHAP، التي تراقب ناحية وظيفة الطرف العلوى يرتبط ارتباطا وثيقا أنشطة الحياة اليومية (ADLS). المهام المنفذة في SHAP تشمل ضوء التلاعب والأشياء الثقيلة، فضلا عن مهام ADL مثل قطع كائن بسكين أو فك أزرار. تم التحقق من صحة SHAP لتقييم المرضية والتعويضية وظيفة اليد 24
ملاحظة: تم اختيار هذا القياس على النحو المشارك في هذه الدراسة قد اتبعت بشكل روتيني مع هذا قياس النتيجة من قبل الفريق الطبي له.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
كان أداء SHAP خط الأساس للمشارك مع نظيره بدلة اليومي 81 عند قياسها من قبل الكادر الطبي 8 أشهر قبل الاختبار. والنتيجة SHAP 100 تمثل الأصحاء وظيفة اليد. وسجل 24 المشارك على درجة SHAP العامة لل58 خلال الدورة الساذجة مع نظام أكثر تقدما السيطرة بدلة. ومع ذلك، بعد 3 شهور وبدون تفاعل آخر مع النظام الجديد، جانبا من التدريب المنظم، حقق المشارك على درجة SHAP من 71 بنفس نظام متقدم (الجدول 2).
عندما تم كسر النتيجة SHAP الشاملة وصولا إلى تقييم الشخصي وظيفية، لوحظ أن المشاركين قد أداء جيدا في جميع الفئات الوظيفية (كروية، والطاقة، الحافة، فهم الجانبي والإرشاد)، باستثناء ترايبود فهم. ومع ذلك، كان أكبر تحسن الملحوظ خلال التمديد، وهي وظيفة أن مخطط السيطرة الجديد وبدلة قدمت أثناء تقليدهآل بدلة لم يكن (الشكل 5). ربما ساهم هذا أيضا في تحسين فهم الكروي، الذي كان أفضل بعد انتهاء الدورة التدريبية المنظمة من الأساس أو الدورة ساذجة. وبالإضافة إلى ذلك الحركات ADL المعقدة، التي تنطوي على تحركات مشتركة من الرسغ واليد، مثل إبريق والكرتون أعدم صب أفضل بعد انتهاء الدورة التدريبية منظم باستخدام نظام الاصطناعية المتقدمة.
الشكل 1. مثال على الإشارات البصرية المستخدمة لتعزيز المشاركة والتدريب على نظام. ويمثل الهدف الشخصي الأزرق المستوى المطلوب من EMG تقلص إنتاجها خلال حركة معينة. يمثل الخط الأحمر تتبع جهود المشاركين. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذه فايجوري.
الرقم 2. لمحات عن تحركات نشطة، ويشار إلى مؤامرات القطبية، من الحركات الفردية التي تنتجها المشاركين أثناء مهمة التقليد. وتعززت هذه خلال نظام التدريب وتستخدم للسيطرة على يد اصطناعية في نهاية المطاف. يرجى ملاحظة، ويعتبر أن بقية أو أي حركة عمل فريدة من نوعها، وعلى هذا النحو لا تنتج تراكب. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
يمثل الرقم 3. هذا التخطيطي الدورة التدريبية تنظيما. المشارك وحظ لأول مرة وتقليد تصرفات المتظاهرين. قبل عرض مرحباالصورة الأداء، الرسوم البيانية على شاشة الكمبيوتر، وتكرار الحركات تعلمت مع عدم وجود ملاحظات مرئية. وقد عززت الحركات التي تعلمتها مطابقة تقلصات عضلية لأنماط EMG المسجلة، وتستخدم بعد ذلك لتدريب خوارزميات التحكم في النظام، والتي مكنت السيطرة الاصطناعية متعددة الوظائف.
وكان مشارك الرقم 4. التجريبية الإعداد أثناء الدورة التدريبية تنظيما. مرأى ومسمع ودون عائق من اليد اليسرى المتظاهر خلال التقليد. خلال مرحلة الإعادة، فإن المتظاهرين إعطاء تعليمات مسموعة لضمان الحركات المشارك الملائمة للتقلصات التي تنتج أثناء مرحلة التقليد. وأخيرا، وخلال التدريب على نظام، وتعززت حركات باستخدام الإشارات البصرية التي تم عرضها على شاشة الكمبيوتر إلى كل من المشاركين والمتظاهرين.
الشكل 5. انهيار عشرات SHAP الشاملة بين، خط الأساس (BL) الدورة ساذجة (NS) والدورة التدريب المنظم (STS). الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
| وظيفة تعويضية | فانتوم الاطراف الحركة |
| كب | المعصم دوران الداخل مع أصابع استرخاء تماما |
| استلقاء | المعصم دوران الخارج بالأصابع استرخاء تماما |
| انثناء | الزندي الانحراف |
| تمديد | تمديد المعصم |
| بالمار قبضة | أدو الإبهامction عبور قليلا من الخلف نحو الجزء الخلفي من اليد |
| غرامة قرصة | المعارضة من الإبهام إلى الأصابع الثلاث الأولى، تمديد طفيف من الاصبع الصغير |
| يد مفتوحة | افتتاح جنب مع التركيز على تمديد ثلاثة أرقام المتوسطة |
| أي حركة | الاسترخاء الكامل اليد والرسغ |
الجدول 1. المرغوب ظائف التعويضية تعيينها إلى الاقتراحات أطرافهم الوهمية، والتي كان المشارك قادرا على تصور وتنفيذ مع نظيره التشريح المتبقية.
| كائنات مجردة | |||||||
| BL | NS | STS | BL | NS | STS | ||
| ضوء المجال | 2.46 | 2.66 | 2.5 الثقيلة المجال | 3.25 | 4.78 | 2.1 | |
| ضوء ترايبود | 2.35 | 3.56 | 2.78 | ترايبود الثقيلة | 2.44 | 3.53 | 2.5 |
| مصباح الطاقة | 2.41 | 3.25 | 2.28 | الطاقة الثقيلة | 2.41 | 3.22 | 2.72 |
| ضوء الجانبي * | 4.72 | 2.81 | 4.97 | الثقيلة الجانبي | 5.1 | 5.31 | 5.22 |
| ضوء تلميح | 2.25 | 2.88 | 2.53 | نصيحة الثقيلة | 3.1 | 4.47 | 2.22 |
| تمديد خفيفة | 1.96 | 3.88 | 2.37 | تمديد الثقيلة | 2.9 | 4.88 | 2.59 |
| أنشطة الحياة اليومية | |||||||
| BL | NS | STS | BL | NS | STS | ||
| عملات معدنية | 17.81 | 22.25 | 21.53 | جرة كاملة | 3.13 | 10.37 | 3.75 |
| زر المجلس | 8.25 | 35.2 | 27.06 | تين فارغة | 2.53 | 4.15 | 2.82 |
| قطع | 18.15 | 27.47 | 25.59 | ارفع صينية | 3.97 | 7.25 | 5.5 |
| الصفحة انتقل | 8.18 | 11.97 | 5.19 | مفتاح | 4.82 | 9.25 | 6.03 |
| جرة غطاء | 2.93 | 3.3 | 2.38 | الرمز البريدي | 4.83 | 10.59 | 7.31 |
| إبريق صب | 10.16 | 8.93 | مفك براغي | 10.1 | 25.31 | 15.31 | |
| الكرتون التعبئة | 11 | 11.35 | 9.72 | مسكة الباب | 2.24 | 3.53 | 2.75 |
| SHAP النتيجة | 81 | 58 | 71 | ||||
الجدول 2. النتائج SHAP للمشارك في الدورة ساذجة (NS)، تليها دورة تدريبية منظمة (STS) بعد 3 أشهر، مقارنة مع خط الأساس له (BL). * المشارك أداءا مخيبا فقط مهمة الجانبية الخفيفة في تدريب منظم جلسة بالمقارنة مع الدورة ساذجة. النتيجة SHAP الإجمالية من أصل 100.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
النتائج التي توصلنا إليها تشير للمشارك في هذه الدراسة أن التدريب المنظم ساعد تحسين السيطرة على اليد الاصطناعية متعددة الوظائف خلال جلسة واحدة. وكان برنامج منظم المستخدمة هنا مزيج من التقليد والتكرار والتعزيز من حركات اليد أن المشاركين لم يكن قادرا على إكمال بيده الاصطناعية التقليدية.
على الرغم من أن المشاركين وسجل أعلى مع البدلة التقليدية له في الاختبار SHAP، فمن الجدير بالذكر انه ارتدى عادة أن الجهاز بين 12-15 ساعة يوميا خلال فترة 15 شهرا. كما هو موثق النتيجة SHAP الأساس، فمن الواضح أنه قد تعلم وتصبح معتادة لصاحب البدلة التقليدية بعد فترة التعلم طويلة جدا. وتم التأكيد على صعوبة في التحول إلى وجهة متعددة الوظائف بعد أن اعتادوا ذلك لصاحب البدلة التقليدية بسبب الهبوط الحاد في الأداء الملحوظ في الدورة ساذجة. وكان من المتوقع، وهذا كما المسافة الفاصلة بين الأدلةuggests أن كفرد يتعلم المهارات الحركية الجديدة، فإنها تضع نموذجا الداخلي من الإجراءات التي يتم تنفيذها. 25 عندما يكون هناك شكل من أشكال الاضطراب في هذا النموذج الداخلي، مثل تغيير لبدلة جديدة تتطلب مدخلات جديدة للرقابة، وبعد آثار التعلم يستغرق بعض الوقت لتبديد بينما يتم إنشاء نموذج داخلي جديد. 26 ومع ذلك، سمحت جلسة واحدة من التدريب المنظم المشارك ليتفوق جهاز المعتاد له في بعض المهام عن طريق اختبار SHAP المطلوبة، وتصل في النتيجة الإجمالية بالقرب من التي حصلت مع الجهاز التقليدي. استخدام التدريب المنظم على النحو المبين في المادة 6 من البروتوكول قد يكون خطوة حاسمة قد مكنت المشاركين لتحقيق السيطرة يتقن.
تعلم مهمة جديدة لمبتوري الأطراف ومعقدة بسبب غياب المستقبلات العصبية حول المفاصل والعضلات التي تعتبر حساسة للتغيرات الموضعية وحركة 27 تساproprioceptors البريد تمكين البشر القادرين على العمل أن تعرف أين أيديهم فيما يتعلق أجسامهم دون استخدام البصر. 28 عندما فقد أحد أطرافه، يتم فقدان هذه proprioceptors، مما يؤدي رؤاهم للعب دور أقوى في السيطرة مما كانت عليه في الظروف العادية. مبتوري الأطراف يجب أن لا تتعلم فقط كيفية السيطرة على حركات اليد، ولكن أيضا يجب أن نفعل ذلك باستخدام جهاز الذي لا يقدم تعليقات أخرى من تلك التي يحصل عليها بصريا. وهذا يجعل عملية التعلم أكثر صعوبة.
على هذا النحو، يجب أي استراتيجيات التدريب التي تستخدم الأطراف الاصطناعية التي توفر أي عن طريق اللمس أو ردود الفعل المخصوص وضع التركيز على ردود الفعل البصري. في حالتنا، حاولنا القيام بذلك باستخدام تقليد الحركات المطلوبة. ويتمثل تعقيد التقليد وفقا لطبيعة وزعت عملية العصبية. 29،30 المناطق المنفصلة في أمامي، ويعتقد أن الفص الصدغي والجداري ليكون مسؤولا عن إدراك الحركة الغير 31،32 ثم دمجهذه المعلومات إلى الاستجابة الحركية المناسبة. 9،33،34 ومن المرجح أنه خلال تنمية المشارك في مرحلة البلوغ، وقبل البتر، والدوائر العصبية المطلوبة لأداء حركات اليد تعلمت أصبحت واضحة المعالم، لدرجة أن اليد الطبيعية وكانت حركات سريعة وغريزية. تشويه التشريح بعد البتر قد يطلب الدوائر العصبية الجديدة التي سيتم تشكيلها لتمكين السيطرة على طرفه الاصطناعية التقليدية. التحسن في SHAP يسجل هدفا بعد الدورة التدريبية تنظيما، تشير إلى أن هذه الدوائر العصبية كانت طيعة بما فيه الكفاية للتكيف مع استراتيجية جديدة لمراقبة الاصطناعية، على الرغم من عدم وجود الخبرة.
ومن الجدير بالذكر أن المشاركين علق بأن عملا من أعمال التقليد سمحت له أن تصور داخليا حركات اليد وتوليد تقلصات عضلية مناسبة. وجد هذا أكثر بديهية من مطابقة فقط تقلصات له إلى الممثلين، البصريستعقد على شاشة الكمبيوتر. ومن المعروف أيضا أن مبتوري الأطراف تفضل تعلم من المستخدمين الآخرين الاصطناعية. وكانت 11 الخوارزميات الجهاز والتحكم المستخدمة في هذه الدراسة كل من الرواية. على هذا النحو لم يكن هناك من مبتوري الأطراف من ذوي الخبرة السابقة ليكونوا بمثابة المتظاهرين. ومن ثم فإن التحسينات المستقبلية لهذا البروتوكول تستفيد من وجود مبتوري الأطراف ذوي الخبرة مما يدل على الإجراءات التي يتعين على منواله.
في حين أظهرت هذه الدراسة فائدة من التدريب المنظم، كان التصميم لا يكفي لتحديد ما إذا كان التقليد، والتكرار، وتعزيز أو مزيج من كل استراتيجيات التعلم الثلاث ساهم في قياس النتيجة النهائية. بدلا من ذلك، دراسة الحالة هذه تضع الأساس لمزيد من العمل لدراسة الدوائر العصبية المشاركة في الحد من الأطراف الصناعية المتقدمة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب تعلن أي المصالح المالية المتنافسة.
Acknowledgments
الكتاب أود أن أشكر السيد هانز لل oppel وله الفنيين الاصطناعية أوتو بوك منتجات الرعاية الصحية GmbH للتصنيع مأخذ المستخدمة من قبل المشاركين في هذه الدراسة. وأيد هذه الدراسة ماليا من قبل المجلس الأوروبي للبحوث (ERC) عن طريق هيئة الإنصاف والمصالحة المتقدم غرانت DEMOVE (رقم 267888)، ومجلس النمساوي للبحوث والتنمية التكنولوجية، والوزارة الاتحادية النمساوية للعلوم والبحوث والاقتصاد.
Materials
| 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 |
References
- Forssberg, H., Eliasson, A. C., Kinoshita, H., Johansson, R. S., Westling, G. Development of human precision grip. I: Basic coordination of force. Experimental Brain Research. 85 (2), 451-457 (1991).
- Forssberg, H., Kinoshita, H., Eliasson, A. C., Johansson, R. S., Westling, G., Gordon, A. M. Development of human precision grip. II. Anticipatory control of isometric forces targeted for object’s weight. Experimental Brain Research. 90 (2), 393-398 (1992).
- Gordon, A. M., Forssberg, H., Johansson, R. S., Eliasson, A. C., Westling, G. Development of human precision grip. III. Integration of visual size cues during the programming of isometric forces. Experimental Brain Research. 90 (2), 399-403 (1992).
- Forssberg, H., Eliasson, A. C., Kinoshita, H., Westling, G., Johansson, R. S. Development of human precision grip. IV. Tactile adaptation of isometric finger forces to the frictional condition. Experimental Brain Research. 104 (2), 323-330 (1995).
- Eliasson, A. C., et al. Development of human precision grip. V. anticipatory and triggered grip actions during sudden loading. Experimental Brain Research. 106 (3), 425-433 (1995).
- Roche, A. D., Rehbaum, H., Farina, D., Aszmann, O. C. Prosthetic Myoelectric Control Strategies A Clinical Perspective. Current Surgery Reports. 2 (44), (2014).
- Buccino, G., et al. Neural circuits underlying imitation learning of hand actions: An event-related fMRI study. Neuron. 42 (2), 323-334 (2004).
- Saunders, J. A., Knill, D. C. Humans use continuous visual feedback from the hand to control fast reaching movements. Experimental Brain Research. 152 (3), 341-352 (2003).
- Rizzolatti, G., Craighero, L.
- Maruishi, M., et al. Brain activation during manipulation of the myoelectric prosthetic hand: a functional magnetic resonance imaging study. NeuroImage. 21 (4), 1604-1611 (2004).
- Cusack, W. F., et al. A Neural activation differences in amputees during imitation of intact versus amputee movements. Frontiers in Human Neuroscience. 6 (June), 182 (2012).
- Vogt, S., Buccino, G., Wohlschläger, A. M., Canessa, N., Shah, J. N., Zilles, K., Eickhoff, S. B., Freund, H. J., Rizzolatti, G., Fink, G. R. Prefrontal involvement in imitation learning of hand actions: Effects and expertise. Neuroimage. 37 (4), 1371-1383 (2007).
- Gonzalez-Rosa, J. J., Natali, F., Tettamanti, A., Cursi, M., Velikova, S., Comi, G., Gatti, R., Leocani, L. Action observation and motor imagery in performance of complex movements: Evidence from EEG and kinematics analysis. Behavioural Brain Research. 281, 290-300 (2015).
- Bekkering, H., Wohlschläger, A. M., Gattis, M. Imitation of gestures in children is goal-directed. The Quarterly Journal of Experimental Psychology. 53 (1), 153-164 (2000).
- Catmur, C., Walsh, V., Heyes, C. Associative sequence learning: the role of experience in the development of imitation and the mirror system. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 364 (1528), 2369-2380 (2009).
- Resnik, L., Etter, K., Klinger, S. L., Kambe, C. Using virtual reality environment to facilitate training with advanced upper-limb prosthesis. Journal of Rehabilitation Research and Development. 48 (6), 707-718 (2011).
- Bouwsema, H., van der Sluis, C. K., Bongers, R. M. The role of order of practice in learning to handle an upper-limb prosthesis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 89 (9), 1759-1764 (2008).
- Bouwsema, H., vander Sluis, C. K., Bongers, R. M. Learning to control opening and closing a myoelectric hand. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 91 (9), 1442-1446 (2010).
- Simon, A. M., Lock, B. A., Stubblefield, K. A. Patient training for functional use of pattern recognition-controlled prostheses. Journal of Prosthetics and Orthotics JPO. 24 (2), 56-64 (2012).
- Stubblefield, K. A., Miller, L. A., Lipschutz, R. D., Kuiken, T. A. Occupational therapy protocol for amputees with targeted muscle reinnervation. The Journal of Rehabilitation Research and Development. 46 (4), 481 (2009).
- Amsüss, S., Roche, A. D., Göbel, P., Graimann, B., Farina, D., Aszmann, O. C. Regaining high functional, multiple degrees of freedom hand control following bionic reconstruction. , MyoElectric Controls Symposium. (2014).
- Dosen, S., Muller, K. -R., Farina, D. Myoelectric Control of Artificial Limbs—Is There a Need to Change Focus [In the Spotlight]. IEEE Signal Processing Magazine. 29 (5), (2012).
- Amsuess, S., Gobel, P., Graimann, B., Farina, D. A Multi-Class Proportional Myocontrol Algorithm for Upper Limb Prosthesis Control: Validation in Real-Life Scenarios on Amputees. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : A Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 4320(c), 1-11 (2014).
- Light, C. M., Chappell, P. H., Kyberd, P. J. Establishing a Standardized Clinical Assessment Tool of Pathologic and Prosthetic Hand Function: Normative Data, Reliability, and Validity. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 83 (6), 776-783 (2002).
- Wolpert, D. M., Ghahramani, Z., Jordan, M. I. An internal model for sensorimotor integration. Science (New York, N.Y). 269 (5232), 1880-1882 (1995).
- Shadmehr, R., Mussa-Ivaldi, F. A. Adaptive representation of dynamics during learning of a motor task. The Journal of Neuroscience the Official Journal of the Society for Neuroscience. 14 (5 Pt 2), (1994).
- Hogervorst, T., Brand, R. A.
- Bosco, G., Poppele, R. E. Proprioception from a spinocerebellar perspective. Physiological Reviews. 81 (2), 539-568 (2001).
- Iacoboni, M., Molnar-Szakacs, I., Gallese, V., Buccino, G., Mazziotta, J. C. Grasping the intentions of others with one’s own mirror neuron system. PLoS Biology. 3 (3), 0529-0535 (2005).
- Williams, J. H. G., Whiten, A., Waiter, G. D., Pechey, S., Perrett, D. I. Cortical and subcortical mechanisms at the core of imitation. Social Neuroscience. 2 (1), 66-78 (2007).
- Allison, T., Puce, A., McCarthy, G. Social perception from visual cues: Role of the STS region. Trends in Cognitive Sciences. 4 (7), 267-278 (2000).
- Thompson, J. C., Hardee, J. E., Panayiotou, A., Crewther, D., Puce, A. Common and distinct brain activation to viewing dynamic sequences of face and hand movements. NeuroImage. 37 (3), 966-973 (2007).
- Binkofski, F., et al. A fronto-parietal circuit for object manipulation in man: Evidence from an fMRI-study. European Journal of Neuroscience. 11 (9), 3276-3286 (1999).
- Iacoboni, M.
