Summary

En struktureret Rehabilitering Protokol for Forbedret multifunktionelle Prosthetic Control: et casestudie

Published: November 06, 2015
doi:

Summary

As prosthetic development moves towards the goal of natural control, harnessing amputees’ inherent ability to learn new motor skills may enable proficiency. This manuscript describes a structured rehabilitation protocol, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning strategies, for improved multifunctional prosthetic control.

Abstract

Fremskridt i robotsystemer har resulteret i proteser til overekstremiteterne, der kan producere multifunktionelle bevægelser. Men disse sofistikerede systemer kræver øvre lemmer amputerede til at lære komplekse kontrol ordninger. Mennesker har evnen til at lære nye bevægelser gennem imitation og andre læringsstrategier. Denne protokol beskriver en struktureret rehabilitering metode, som omfatter efterligning, gentagelse, og styrkelse læring, og har til formål at vurdere, om denne metode kan forbedre multifunktionelle protese kontrol. En venstre under albue amputeret, med 4 års erfaring i proteser brug, deltog i dette casestudie. Protesen anvendte var en Michelangelo hånd med håndleddet rotation og de tilføjede funktioner i håndled fleksion og ekstension, som tillod flere kombinationer af håndbevægelser. Deltagerens Southampton Hand Assessment Procedure score forbedret 58-71 efter struktureret træning. Dette antyder, at en struktureret uddannelse protokol IMITationer gentagelse og forstærkning kan spille en rolle i at lære at styre en ny protese hånd. En større klinisk studie er dog forpligtet til at understøtte disse resultater.

Introduction

Udskiftning af håndfunktion i amputerede er en vanskelig bestræbelse. Koordinering højtuddannede håndbevægelser er ikke en medfødt evne, og tager mennesker år at lære at udvikle sig. 1-5 Efter den traumatiske tab af en hånd, replikere denne kapacitet ved protetiske midler er ikke en triviel opgave, og kan kræve en periode med vedvarende læring .

Protese design og interface metoder til deres kontrol er underlagt hurtige teknologiske innovationer, med det mål at multifunktionelle kontrol på en naturlig måde. 6 kompleksiteten af disse kontrolsystemer øges væsentligt at give flere funktioner til amputerede. For at sikre en nøjagtig styring af disse systemer, og for at reducere opgivelse af nye teknologier, der skal etableres passende uddannelse. Dette vil sandsynligvis være mere vellykkede, hvis den er baseret på de amputerede 'iboende læringsstrategier.

Vision kan spille en vigtig rolle under leArning af håndbevægelser. Adfærdsmæssige undersøgelser har vist, at ved at observere andres handlinger 7 eller ved hjælp af visuelle referencer 8, raske individer lærer og koordinere nye bevægelser. Gennem en proces med observation, forståelse og udførelse af en observeret handling, individer er i stand til at efterligne andres handlinger. Specifikke kortikale netværk, som kan omfatte et spejl-neuron systemet (MNS), menes at ligge til grund denne evne, og kan have en rolle i at kontrollere proteser. 9-11

Den rolle, som imitation måske ikke være begrænset til at udføre handlinger, der allerede er set, men sammen med MNS, tillade udførelse af bevægelser, der endnu ikke er observeret, men ekstrapoleret fra observatørens motor repetoire. 12 Faktisk imitation kan ikke nødvendigvis være en medfødt evne, men en accruement af motoriske færdigheder over tid, der fører til erfarne og avancerede handlinger. 13 st, har vist rength for at observere handlinger over simpelthen forestille dem til at forbedre lære nye opgaver. 14 kan således efterligning være en pragmatisk tilgang til uddannelse amputerede, som tyder det et mål rettet proces 15, med målet i rehabilitering indstilling gøre det muligt for nyttige protese håndfunktion.

Rehabilitering undersøgelser har separat vist, at visuelle signaler, såsom virtuelle simuleringer af en protese hånd, opmuntre amputerede under genoptræning træning. 16. Derudover har vist brugen af gentagelse, når den udføres i en blokeret paradigme for at muliggøre hurtig indlæring af øverste lemmer protese kontrol. 17 Mens virtuelle simuleringer har vist sig at være lige så effektive som reel kontrol af proteser hænder muliggør abled-body-brugere at styre myoelektriske enheder, 18 deres effekt på amputerede hjælp standardiserede effektmål er ikke klart. Endelig når protokoller for øvre lemmer ampuførelse uddannelse findes, rolle imitation i indlæring af proteser kontrol ikke eksplicit diskuteret. 19,20

Denne undersøgelse sigter mod forståelse, hvis brugen af ​​imitation, i kombination med repetition og armering, har en positiv indvirkning på indlæring af multifunktionelle protese kontrol som led i et struktureret træningsprogram.

Præsenteret heri er en case-rapport om en transradial amputeret der var uddannet til at bruge en multifunktionel protese hånd. Deltageren havde tidligere vænnet sig til at drive traditionelle myoelektriske proteser. Ved hjælp af visuelle referencer, både i form af efterligning af en sund demonstrant og så enkel computer visuel feedback, amputationspatienten hurtigt forbedret håndtering af sin nye enhed.

Protocol

Denne undersøgelse blev gennemført i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen, som er godkendt af den lokale videnskabsetiske komité. Undersøgelsen blev forklaret i detaljer til deltageren før påbegyndelse, så deltageren tiden at afveje beslutningen til frivilligt at deltage i undersøgelsen, og bekræft hans deltagelse ved informeret, skriftlig tilladelse. Bemærk: En mand, i alderen 27 år, deltog i undersøgelsen. Deltageren havde normalt syn, blev en venstre under-albue amputere…

Representative Results

Baseline shap ydeevne deltageren med sin daglige protese var 81 målt ved det kliniske personale 8 måneder før testning. En shap score på 100 repræsenterer raske og rørige håndfunktion. 24 Deltageren scoret en samlet shap score på 58 under den naive session med de mere avancerede protese kontrolsystem. Men 3 måneder senere og uden yderligere interaktion med det nye system, bortset fra den strukturerede træning, deltageren opnået en shap score på 71 med den samme avancerede system (tabel 2)….

Discussion

Vores resultater tyder på, for deltageren i denne undersøgelse, at struktureret træning bidraget til at forbedre kontrollen med en multifunktionel protese hånden under en enkelt session. Den strukturerede program her anvendte var en kombination af efterligning, gentagelse og styrkelse af håndbevægelser at deltageren ikke var i stand til at fuldføre sin traditionelle protese hånd.

Selv deltageren scorede højere med sin traditionelle protese i Shap testen, er det værd at bemærke, at…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne takke Hans Oppel og hans proteser teknikere af Otto Bock Healthcare Products GmbH til fremstilling af soklen, der anvendes af deltageren i denne undersøgelse. Denne undersøgelse blev støttet af Det Europæiske Forskningsråd (ERC) via ERC Advanced Grant DEMOVE (nr 267888), den østrigske Råd for forskning og teknologisk udvikling, og det østrigske ministerium for videnskab, forskning og økonomi.

Materials

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Roche, A. D., Rehbaum, H., Farina, D., Aszmann, O. C. Prosthetic Myoelectric Control Strategies A Clinical Perspective. Current Surgery Reports. 2 (44), (2014).
  7. Buccino, G., et al. Neural circuits underlying imitation learning of hand actions: An event-related fMRI study. Neuron. 42 (2), 323-334 (2004).
  8. 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).
  9. Rizzolatti, G., Craighero, L. The mirror-neuron system. Annual Review of Neuroscience. 27, 169-192 (2004).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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. , (2014).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Wolpert, D. M., Ghahramani, Z., Jordan, M. I. An internal model for sensorimotor integration. Science (New York, N.Y). 269 (5232), 1880-1882 (1995).
  26. 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).
  27. Hogervorst, T., Brand, R. A. Mechanoreceptors in joint function. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 80 (9), 1365-1378 (1998).
  28. Bosco, G., Poppele, R. E. Proprioception from a spinocerebellar perspective. Physiological Reviews. 81 (2), 539-568 (2001).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Iacoboni, M. Cortical Mechanisms of Human Imitation. Science. 286 (5449), 2526-2528 (1999).

Play Video

Cite This Article
Roche, A. D., Vujaklija, I., Amsüss, S., Sturma, A., Göbel, P., Farina, D., Aszmann, O. C. A Structured Rehabilitation Protocol for Improved Multifunctional Prosthetic Control: A Case Study. J. Vis. Exp. (105), e52968, doi:10.3791/52968 (2015).

View Video