Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

פרוטוקול מובנה לשיקום משולבת משופרים תותבת בקרה: Case Study

Published: November 6, 2015 doi: 10.3791/52968
Automatic Translation
1,2, 3,4, 3,4, 1,5, 6, 3,4, 1,2
1Christian Doppler Laboratory for Restoration of Extremity Function, 2Department of Surgery, Division of Plastic and Reconstructive Surgery, Medical University of Vienna, 3Department of Neurorehabilitation Engineering, Bernstein Focus Neurotechnology Göttingen, 4University Medical Center Göttingen, Georg-August University, 5University of Applied Sciences FH Campus Wien, 6Research & Development, Otto Bock Healthcare Products GmbH

Abstract

התקדמות במערכות רובוטיות הביאו לתותבות לגפיים העליונים שיכול לייצר תנועות רב תכליתיים. עם זאת, מערכות המתוחכמות אלה דורשים קטועי גפיים גפיים העליונים ללמוד תוכניות שליטה מורכבות. לבני אדם יש את היכולת ללמוד תנועות חדשות באמצעות חיקוי ואסטרטגיות למידה אחרות. פרוטוקול זה מתאר שיטת שיקום מובנה, הכוללת חיקוי, חזרה, ולמידת חיזוק, ומטרתו להעריך אם שיטה זו יכולה לשפר את השליטה תותבת רב תכליתי. השאיר מתחת קטוע מרפק, עם 4 שנות ניסיון בשימוש תותב, לקח חלק במחקר מקרה זה. התותבת משמשת הייתה יד מיכלאנג'לו עם סיבוב פרק ​​כף יד, ותכונות הנוספות של כיפוף פרק כף יד והארכה, שאפשרו יותר שילובים של תנועות יד. ציון סאות'המפטון יד הערכת הנוהל של המשתתף שיפר 58-71 לאחר אימון מובנה. הדבר מצביע על כך פרוטוקול אימון מובנה של imitני, חזרה וחיזוק יכולים להיות תפקיד בלמידה לשלוט ביד תותבת חדשה. מחקר קליני גדול יותר אך נדרש כדי לתמוך בממצאים אלה.

Introduction

החלפת יד פונקציה בקטועי גפיים היא מאמץ קשה. תיאום תנועות ידיים מיומנים הוא לא יכולת מולדת, ולוקח שנות בני אדם ללמוד לפתח. 1-5 לאחר האובדן הטראומתי של יד, משכפלים את היכולת הזו באמצעות תותב היא לא משימה טריוויאלית ועשויה לדרוש תקופה של למידה מתמשכת .

עיצוב תותב ושיטות ממשק לשליטתם כפופים לחידושים טכנולוגיים מהירים, במטרה שליטה רב תכליתי באופן טבעי. 6 המורכבות של מערכות בקרה אלה מגדילים באופן משמעותי כדי לספק יותר פונקציות לקטועי גפיים. כדי להבטיח שליטה מדויקת של מערכות אלה, וכדי להפחית נטישה של טכנולוגיות חדשות, הכשרה נאותה צריכה להיות מבוססת. זה עשוי להיות מוצלח יותר אם היא מבוססת על אסטרטגיות למידה הטבועות 'קטועי הגפיים.

חזון יכול לשחק תפקיד חשוב בlearning של תנועות יד. מחקרים התנהגותיים הראו כי על ידי התבוננות בפעולותיהם של אחרים 7 או באמצעות רמזים חזותיים 8, אנשים כשירים ללמוד ולתאם את התנועות חדשות. באמצעות תהליך של התבוננות, הבנה וביצוע של פעולה שנצפתה, אנשים יכולים לחקות את מעשיהם של אחרים. רשתות בקליפת המוח ספציפיות, אשר עשוי לכלול מערכת המראה נוירון (MNS), הם האמינו בבסיס יכולת זו, וייתכן שיש להם תפקיד בשליטה על גפיים תותבים. 9-11

התפקיד של חיקוי עשוי לא רק להיות מוגבל לביצוע פעולות שכבר ראו, אבל יחד עם MNS, לאפשר הביצוע של תנועות שעדיין לא נצפו אבל להסיק מrepetoire המנוע של הצופה. 12 אכן, חיקוי אולי לא בהכרח להיות יכולת מולדת, אבל accruement של מיומנויות מוטוריות לאורך הזמן שיובילו לפעולות מנוסים ומתוחכמות. 13 strength של התבוננות פעולות, על פשוט לדמיין אותם, הוכח כדי לשפר את למידת משימות חדשות. 14 כך, חיקוי עשוי להיות גישה פרגמטית לקטועי גפי אימון, כראיות מצביעות עליו תהליך מכוון למטרה 15, עם היעד בהגדרת השיקום לאפשר תפקוד ידיים תותב שימושי.

מחקרי שיקום שבנפרד הראה כי רמזים חזותיים, כגון סימולציות וירטואליות של יד תותבת, לעודד קטועי גפיים במהלך אימון שיקום. 16 בנוסף, השימוש בחזרות כאשר נערכו בפרדיגמה חסומה הוכח מאפשרת למידה מהירה של תותב העליון איבר שליטה. 17 בעוד סימולציות וירטואליות הוכחו להיות יעיל באותה מידה כמו שליטה אמיתית של ידיים תותבות במאפשרים למשתמשי abled-גוף כדי לשלוט במכשירי myoelectric, 18 השפיעו על קטועי גפיים באמצעות מדדי תוצאה סטנדרטיים לא ברור. לבסוף, שבו פרוטוקולים לampu גפה העליונהאימון tation קיים, התפקיד של חיקוי בלמידה של שליטה תותבת לא נדון במפורש. 19,20

מחקר זה נועד בהבנה אם השימוש בחיקוי, בשילוב עם חזרה וחיזוק, יש השפעה חיובית על הלמידה של שליטה תותבת רב תכליתי, כחלק מתכנית הכשרה מובנית.

המוצג כאן הוא דו"ח מקרה של קטוע רגל transradial שהוכשר לשימוש ביד תותבת רב תכליתי. המשתתף שהתרגלו להפעלת תותבות myoelectric מסורתיות בעבר. באמצעות רמזים חזותיים, הן בצורה של חיקוי של מפגין בריא ומשוב חזותי מחשב פשוט כמו, קטוע הרגל השתפרה במהירות טיפול במכשיר החדש שלו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

מחקר זה בוצע בהתאם להצהרת הלסינקי, כפי שאושר על ידי ועדת האתיקה מחקר המקומית. המחקר הסביר בפירוט מלא למשתתף לפני התחילה, המאפשר למשתתף הזמן לשקול את ההחלטה לקחת מרצון חלק במחקר ולאשר את השתתפותו בהסכמה מדעת, בכתב.

הערה: אדם אחד, 27 שנים בגיל, לקחה חלק במחקר. היה משתתף ראייה נורמלית, היה השאיר קטוע רגל מתחת למרפק, והיה משתמש מנוסה (4 שנים כוללת שימוש תותב). לפני תחילת מחקר זה תותב הוא השתמש על בסיס יומי היה יד תותבת myoelectric 4 ערוץ עם סיבוב פרק ​​כף יד ל12-15 שעות ביום במשך 15 חודשים. יד ימינו של המשתתף בעבר משוחזר בניתוח, אבל לא הייתה לו ליקוי פיזי או נוירולוגיות אחרות.

עיצוב לימוד 1.

  1. לפצל את המחקר על שני מפגשים: na39; ve שימוש, ולהשתמש לאחר אימון מובנה.
    הערה: זה הוא לאפשר השוואת התוך נושא לפני ואחרי אימון בהתאמה.
  2. ודא ששני מפגשים אלה הם לפחות שלושה חודשים זה מזה, כדי להתייחס אליהם כעצמאי אחד מהשני.
  3. בתחילת שני המפגשים, להתאים אישית ושקע תותב למשתתף. ודא שהאלגוריתמים החומרה ושליטה תותבים תואמים את אלה המפורטים בסעיף חומרים של פרוטוקול זה. ודא שהמשתתף הוא לא תוכל להשתמש בתותבת המותאמת אישית בזמן שחלפו בין פגישה לפגישה.
  4. לאמן את המטופל על פי השלבים המפורטים במושב נאיבי וחתכים אימון מובנים של פרוטוקול זה. בתחילת כל אחד מהמפגשים האלה, לכייל את החומרה התותבת. השתמש בנתונים שנאספו לכיול שליטה בזמן אמת תותבת.
  5. לאחר הפגישה הנאיבית ואימון מובנה מלאות, להעריך את הרשות הפלסטיניתהביצועים של rticipant באמצעות מדד תוצאת סאות'המפטון יד הערכת הנוהל (shap). 23 השווה את ציוני shap למדד בסיס באמצעות התותבת של המשתתף הסטנדרטי (שהושגה לפני פגישות או אימון).

2. חומרים

  1. התאם את המשתתף עם שקע שהותקן. צרף תותב זמינה מסחרי על פי הוראות יצרן. לצייד את היד התותבת עם רכיבי אב טיפוס המאפשרים כיפוף שורש כף יד מופעל ב, הרחבה וסיבוב. זה מאפשר למשתתף לשלוט ביד עם 3.5 דרגות חופש (DoFs) (טבלת 1).
    הערה: בניסוי זה יד מיכלאנג'לו (ראו רשימת חומרים) הייתה בשימוש. מכשירים אחרים מסוף מסוגלים פרק כף יד סיבוב, כיפוף והארכה, יחד עם פונקציות אחיזה סטנדרטית יהיו מתאימים גם.
  2. אותות EMG רשומות באמצעות שמונה אלקטרודות אות גלם להציב נפתח במרווחים שווים סביב הגדם,ומערכת על לוח פענוח בקצב הדגימה של 1000 הרץ ודיגיטלי עם עומק 10 ביט. לבצע סינון והגברה הראשוניים בתוך אלקטרודות עצמם על פי המפרט של הספק. להשתמש במחשב אישי (PC) לנהל את העיבוד המרכזי, אשר מתקשר עם חומרת רכישה ושולט התותבות באמצעות חיבור אלחוטי.
    הערה: במחקר זה אלקטרודות EMG פני השטח ומערכת על לוח הפענוח (AxonBus) השתמשה היו מאוטו בוק. יצרנים אחרים של מכשירים דומים יהיו מתאימים גם. החיבור האלחוטי היה באמצעות Bluetooth, וגם יכולות להיות מיושמות שיטות אחרות.

3. בקרת אלגוריתם

  1. השתמש באלגוריתם בקרה המספק שליטה תותבת בו זמנית ומידתית על פני DoFs מרובה. 21 האלגוריתם השתמש במחקר זה היה החלטת שני שלבי ביצוע הפרדיגמה, כך שהערכת התנועה תלוית קשר הייתה אפשרית.
  2. על הכשרת מערכת, המכילה את כל תנועות DoF היחידה לשליטה, להקליט electromyogram הנכנס (EMG).
  3. בשלב הראשון, להעריך מידע ממדי פנימי של התנועה נועדה מבוססת על מרחק מלנוביס של וקטור תכונת EMG מחושב חדש מנתוני אימון. לקבל החלטה באשר לשאלה האם בכוונתו של המשתמש הייתה לבצע 1-DoF קנס או תנועת 2-DoF גס בו זמנית.
    הערה: מרחק מלנוביס של x וקטור תכונה לכיתה אני עם המעמד מתכוון וקטור μ אני ומטריצת שונות משותפת i Σ מחושבת:
    משוואת 1
    כפי שתואר בAmsuess et al, וקטור התכונה מחושב החדש ממופה למרחב ממדי הגבוה ומרחק מלנוביס של הנקודה הפכה לאחד מנקודות המעמד המאומנים נלקח כמדד לחידוש. 21 באופן אמפיריסף נחוש מרחק שנותן את ההחלטה לחידוש (2-עומק שדה) או לא (1-עומק שדה).
  4. בשלב השני, המבוסס על ההחלטה הקודמת, השתמש באחת משני אומדנים מקבילים - אחד העוסק בתנועות רציפות (SEQ-E) ותנועות האחרות הטיפול בו זמנית (SIM-E) - כדי לספק את אותות בקרה לתותבת.
    הערה: SEQ-E הוא במהות אומדן יחסי (כלומר, הכוח של התכווצויות שרירים) המבוסס על דפוסים משותפים מרחבית (CSP) 21, ואילו ה- SIM-E הוא regressor ליניארי, אשר בו זמנית מנווט 2 DoFs של שורש כף היד.

Framework 4. תוכנה

הערה: מסגרת התוכנה המשמשת בטיפול זה המחקר אפשר לתקשורת בין החומרה התותבת ואלגוריתם הבקרה המוטבעת. כמו כן, מוצעים כלי אימון חזותי תומכים דרושים למקסם את אימון משתתף.

  1. הצג את השורש מתכוון מרובע (RMS) של Eאותות MG נאספו מ8 אלקטרודות המונחות נפתח במרווחים שווים בצורה של עלילה קוטבית של משרעת EMG כפונקציה של מיקום האלקטרודה. משוב חזותי זה מאפשר מעקב קל של הפריסה המרחבית של EMG במישור הרוחבי של הזרוע. באמצעות התקנה כזה, כל אחד מהתנועות של המשתמש יכול לעורר בכך דפוס מובהק 22 בעלילה הקוטבית, אשר לאחר מכן ניתן לשמור ולהשתמש בהם כדי להכשיר לדירות של מחווה הספציפית.
    הערה: המסגרת מאפשרת איסוף נתונים EMG באופן זיהוי תבניות הסטנדרטי 23 לכל אחד מערוצי EMG RMS מעל 40 אלפיות שני מחושב כ.
    משוואה 2
    וכתוצאה מכך תצפיות לכל חלון הרכב.
  2. לכיול ראשוני לאסוף את ההתכווצות וולונטרית ערכי הטווח ארוך המקסימאלי (MLVC) עבור כל מיועדים תנועה. תנחה את המשתתף באמצעות ידו של המפגין לבצעהתנועה הרצויה תוך מתן הוראות קוליות וחזותיות במשך 5 שניות.
  3. לאחר כיול, להציג את המשתתף עם סט של רמזי טרפז. פרופילי כוח אלה מכילים סט מישורים על 30%, 60% ו -90% מהמקסימום המכויל.
  4. בתוך כל משפט, להורות למשתתף לנווט את המצביע האדום לאורך האות על ידי ויסות רמת הכוח של התנועה תתבקש (איור 1). המיקום האנכי של המצביע תואם את ערכי RMS סיכמו בכל שמונת הערוצים. הגדר את משך המשפט עד 5 שניות עם מרווח רמה מקביל ל3 שניות האמצע.

5. נאיבי מושב

הערה: במהלך האימון הנאיבי, המשתתף לא היה ניסיון קודם של תכנית הבקרה התותבת שימשה במחקר זה.

  1. אל תיתן למשתתף כל הכשרה קלינית רשמית, אלא רק להורות 8 פעולות של איבר שיורי, אשר אחד מהם הוא מצב מנוחה,יאפשר שליטה של ​​יעד חזותי על מסך מחשב. משימות אלה דומות לאלה המשמשים בזיהוי תבניות קלאסיות מתקרב לשליטה תותבת 23, ולשיטות אלה משתתפים במחקר זה היו כ -60 שעות של ניסיון קודם.
  2. הצג את התנועות הנדרשות על מסך במונחים של טקסט ותמונה סטטית ואילו הבאים רמז חזותי (איור 1).
  3. הראה את המשתתף דפוסיו EMG ההפעלה, שמתאים לשמונה מגרשים ספציפיים וייחודיים קוטביים (איור 2).
  4. השתמש בהוראות קוליות לעודד את המשתתף לבצע את הרמז החזותי. הוראות קוליות אלה חייבים להיות זהות אם משתמשים בו באימון המובנה.
  5. חזור על המשימות שלוש פעמים עם עמדות זרוע שונות (נרגע, הגיע בחזית, והגיע לרוחב) כדי לשפר את הכשרת מערכת. זכור כי יש 8 פעולות שונות ושלוש רמות כוח, פעם אחת את כל עמדות הזרוע מכוסות,קלט הכשרת מערכת מסכם לסך הכל של 72 דגימות בודדות.
  6. ברגע מלא, לאפשר למשתתף ההזדמנות לתרגל שליטה בזמן אמת לפני שסיימתי את הערכת תוצאת shap.
  7. ודא משתתף אין גישה לאלגוריתמים תותב ושליטה אישית מעבר לסוף הפגישה הנאיבית.

6. אימון מובנה

  1. שלושה חודשים לאחר הפגישה הנאיבית, לבצע אימון מובנה.
  2. מבנה הישיבה בשלבים הבאים הורה (איור 3):
    1. לחיקוי, להורות למשתתף לישירות לחקות שמונה פעולות הרצויות (טבלה 1) שבוצעה על ידי המפגין בזמן אמת. לבצע כל פעולה במשך 3 שניות.
    2. לחזרה, לשאול המשתתף לחזור על הפעולה שכבר חיקתה 10 פעמים, כך שכל פעולה מתבצעת במשך 30 שניות.
    3. לsys חיזוק והמחשבאימון TEM, לשאול המשתתף עכשיו לעסוק עם המשוב החזותי של המחשב, זה בדיוק אותו הדבר כמו ההתקנה המושב נאיבי. ודא שאין הבדל בין שני סעיפים אלה.
    4. לשליטה תותבת, לשאול המשתתף לתרגל שליטה בזמן אמת של התותבת המותאמת אישית לפני שהשלמת את הערכת התוצאות.
  3. במהלך חיקוי, להושיב את המשתתף בזווית של 45 מעלות מהמפגין ולספק עם נוף מלא ובלא ההפרעה של ידו של המפגין בצד הפגוע של משתתף התאמה בכל הפעולות (איור 4). אין רמזים חזותיים ממסך מחשב צריכים להיות זמינים למשתתף בשלב זה.
  4. לחזרה, במהלך הפעולות של המשתתף, יש לי המפגין לבחון את פעילות EMG המתאימה כפי שהוא מיוצג על ידי חלקות הקוטב של כל תנועה (איור 4). ברגע שהמפגין קבע כי שנתי ההשכלהלא יכול לייצר דפוסי הפעלת EMG ייחודיים ודיר לכל תנועה, לשאול את המשתתף לחזור על הפעולות במשך 30 שניות ללא כל רמזים חזותיים.
    שים לב: יש כולל של 8 פעולות ייחודיות - שבע מהם (פרונציה שורש כף יד / סופינציה, כיפוף פרק כף יד / הרחבה, יד פתוחה, אחיזת מפתח וקמצוץ בסדר) דורשות הפעלת שרירים, ושמיני להיות שום פעולה שמייצגת מצב רגוע ויציב.
  5. לאחר הכשרת מערכת מחשב חיזוק ו, להציג את המשתתף עם משוב חזותי של שמונת מעשיו, בדיוק כפי שראה בפגישה הנאיבית, שמתאימה לשמונת מגרשי קוטב ייחודיים וספציפיים על מסך המחשב (איור 3). לביצועי מנגינה, לשאול את המשתתף לבצע את הפעולות בזמן צפייה בחלקות קוטב בזמן אמת עם שכבות תנועה נרשמו ללחזק את הלמידה, בדרך כלל בין 2-4 ניסיונות לכל תנועה. ברגע שבטוח המשתתף אז יכול להשלים את אותו משימות שהיו Perf ormed בפגישה הנאיבית.

7. תותבת בקרה

  1. השתמש בערכות נתונים הכשרה מכל מפגש לכייל ולהתאים את התותבת לשליטה בזמן אמת.
  2. בתחילה, רק לאפשר למשתתף לשלוט תותבות על ידי שליטה יחסית רציפה, כלומר, תנועה אחת בכל פעם, עם המהירות של המכשיר הפרופורציונלי לרמות של התכווצויות שרירים.
  3. ברגע שכל אחד משמונה הפעולות מבוצעות באופן חזרתי ואמין, לעבור את ערכת השליטה לשליטה יחסית ובו זמנית, ומאפשר תנועה יותר מאחד של שורש כף היד בכל פעם.
  4. יש משימות פשוטות בפועל משתתף, כגון להרים בקבוק והנחית אותו בצד שלה (2 ניסיונות מספיקים). לאפשר תקופה של מנוחה לפני שהערכת התוצאות מתבצעת. במקרה של מחקר זה, 2 שעות של מנוחה לפגישה הנאיבית, ו24 שעות של מנוחה למושב המובנה.
itle "> 8. מדידת תוצאות

  1. להעריך תפקוד גפיים עליון הגלובלי הן באימונים והנאיביים מובנים באמצעות shap, העוקב אחר יד ותפקוד גפיים העליון קשורה קשר הדוק לפעולות יומיומיות (ADLs). המשימות שבוצעו בshap כוללות אור מניפולציה וחפצים כבדים, כמו גם משימות של הליגה נגד השמצה כגון חיתוך אובייקט עם כפתורי סכין או בעוכריו. Shap אומת להערכה של תפקוד ידי פתולוגי והתותב. 24
    הערה: מדידה זו נבחרה כמשתתף במחקר זה היה במעקב שיגרתי עם מדד תוצאה זו על ידי צוות הקליני שלו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ביצועי shap הבסיס של המשתתף עם תותבתו היומית היו 81 כאשר נמדדו על ידי צוות הקליני 8 חודשים לפני הבדיקה. ציון shap של 100 מייצג תפקוד ידיים כשיר. 24 משתתפים קלע ציון shap כולל של 58 במהלך הפגישה הנאיבית עם מערכת הבקרה התותבת מתקדמת יותר. עם זאת, 3 חודשים מאוחר יותר וללא כל אינטראקציה נוספת עם המערכת החדשה, מלבד האימון המובנה, המשתתף השיג ציון של 71 shap עם אותה המערכת המתקדמת (טבלה 2).

כאשר ציון shap הכולל נשבר מטה לתוך הערכת פרופיל תפקודית, זה היה ציין כי המשתתף ביצע היטב בכל הקבוצות הפונקציונליות (כוח, קצה, אחיזה כדורית, לרוחב ולהארכה), פרט לאחיזת חצובה. עם זאת, השיפור שנצפה הגדול ביותר הייתה בתקופת הארכה, פונקציה שערכת השליטה החדשה ותותב הניתנות תוך מסורתותותבת אל לא עשתה (איור 5). ייתכן שזה גם תרם לשיפור באחיזה כדורית, שהיה טוב יותר לאחר האימון המובנה מהבסיס או הפגישה הנאיבית. בנוסף תנועות ADL מורכבות, שבו מעורבות תנועות משולבות של שורש כף היד ויד, כמו כד וקרטון יוצקות הוצאו להורג הטוב ביותר לאחר האימון המובנה באמצעות מערכת התותבת המתקדמת.

איור 1
איור 1. דוגמא של רמזים חזותיים המשמשים לחיזוק משתתף והכשרת מערכת. פרופיל היעד הכחול מייצג את הרמה הרצויה של התכווצות EMG מיוצרת בתנועה מסוימת. הקו האדום מייצג את מאמצי המעקב של המשתתף. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של fi זהדמות.

איור 2
איור 2. הפרופילים לתנועות הפעילים, המכונה קוטב-חלקות, של התנועות בודדות המיוצרות על ידי המשתתף במהלך משימת החיקוי. אלה התחזקו במהלך אימון מערכת וסופו של דבר משמשים לשליטה על היד התותבת. שים לב, כי מנוחה או לא-תנועה נחשבת פעולה ייחודית, ובתור שכזו אינה מייצרת שכבה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. סכמטי זה מייצג את האימון המובנה. המשתתף נצפה לראשונה וחיקה את מעשיו של מפגין. לפני הצפייה הייביצועים של כגרפים על מסך מחשב, הוא חזר על התנועות למדו ללא משוב חזותי. התנועות למדו תוגברו על ידי התכווצויות שרירי התאמה לדפוסי EMG נרשמו, ולאחר מכן השתמשו כדי להכשיר אלגוריתמי הבקרה של המערכת, שאפשרו שליטה תותבת רב תכליתי.

איור 4
איור 4. התקנה ניסיונית במהלך האימון המובנה. הייתה משתתף תצוגה מלאה ובלא הפרעה של יד השמאל של המפגין במהלך חיקוי. בשלב החזרות, המפגין היה נותן הוראה קולית כדי להבטיח התנועות של המשתתף תאמו את ההתכווצויות מיוצרות בשלב החיקוי. לבסוף, במהלך אימון במערכת, התנועות תוגברו באמצעות רמזים חזותיים שהוצגו על מסך המחשב לשני המשתתף והמפגין.


איור 5. התפלגות ציוני shap כוללים בין, קו הבסיס (BL) הפגישה הנאיבית (NS) והמושב המובנה אימון (STS). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

פונקציה תותבת הפנטום לימב Motion
כִּפּוּן סיבוב שורש כף יד פנימה עם אצבעות רגועות לחלוטין
גִבּוּן סיבוב שורש כף יד כלפי חוץ עם אצבעות רגועות לחלוטין
כֶּפֶף סטיית גמדי
סיומת הארכת פרק כף יד
אחיזת כף יד Addu אגודלction מעט חוצה בדיעבד לכיוון גב היד
קמצוץ פיין אופוזיציה של אגודל לשלוש האצבעות הראשונות, הרחבה קלה של האצבע הקטנה
יד פתוחה פתיחה של היד עם דגש על הארכת שלוש הספרות האמצעית
אין תנועה הרפיה מלאה של היד ושורש כף היד

פונקציות תותבות טבלת 1. רצוי ממופות לתנועות פנטום, שהמשתתף היה מסוגל לדמיין וביצוע עם האנטומיה שנותרה לו.

אובייקטים מופשטים
BL NS STS BL NS STS
אור כדור 2.46 2.66 2.5 כבד כדור 3.25 4.78 2.1
אור חצובה 2.35 3.56 2.78 כבד חצובה 2.44 3.53 2.5
כוח אור 2.41 3.25 2.28 כוח כבד 2.41 3.22 2.72
אור לרוחב * 4.72 2.81 4.97 כבד לרוחב 5.1 5.31 5.22
טיפ אור 2.25 2.88 2.53 טיפ כבד 3.1 4.47 2.22
הארכת אור 1.96 3.88 2.37 הארכה כבדה 2.9 4.88 2.59
פעולות היומיום
BL NS STS BL NS STS
מטבעות 17.81 22.25 21.53 צנצנת מלאה 3.13 10.37 3.75
מועצת כפתור 8.25 35.2 27.06 פח ריק 2.53 4.15 2.82
חיתוך 18.15 27.47 25.59 הרם את מגש 3.97 7.25 5.5
מפנה עמוד 8.18 11.97 5.19 מפתח 4.82 9.25 6.03
מכסה צנצנת 2.93 3.3 2.38 מיקוד 4.83 10.59 7.31
כד מזיגה 10.16 8.93 מברג 10.1 25.31 15.31
קרטון למילוי 11 11.35 9.72 ידית הדלת 2.24 3.53 2.75
ציון shap 81 58 71

תוצאות טבלה 2. shap למשתתף במהלך הפגישה הנאיבית (NS), ואחריו האימון המובנה (STS) 3 חודשים מאוחר יותר, בהשוואה לתחילת מחקרו (BL). * משתתפים underperformed רק משימה לרוחב האור באימון המובנה פגישה בהשוואה לפגישה הנאיבית. הציון הכולל הוא shap מתוך 100.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הממצאים שלנו מציעים למשתתף במחקר זה שאימון מובנה עזר לשפר את השליטה של ​​יד תותבת רב תכליתי במושב אחד. התכנית מובנית המשמשת כאן הייתה שילוב של חיקוי, חזרה וחיזוק של תנועות ידיים שהמשתתף לא היה מסוגל להשלים עם היד התותבת המסורתית שלו.

למרות המשתתף קבל ציונים גבוהים יותר עם התותבת המסורתית שלו במבחן shap, ראוי לציין שהוא בדרך כלל לבש מכשיר שבין 12-15 שעות ביום על פני תקופה של 15 חודשים. כפי שתועד על ידי ציון shap הבסיס, ברור שהוא למד והתרגל לתותבת המסורתית שלו לאחר תקופה ארוכה מאוד למידה. הקושי במעבר לרב תכליתי יד לאחר שהתרגל כל כך לתותבת המסורתית שלו הודגש על ידי הירידה החדה בביצועים נצפו בפגישה הנאיבית. זה היה צפוי, כראיה זהuggests שכפרט לומד מיומנויות מוטוריות חדשות, הם מפתחים מודל פנימי של הפעולות שבוצע. 25 כאשר יש צורה כלשהי של הפרעה במודל פנימי זה, כגון שינוי לתותבת חדשה הדורש תשומות שליטה חדשות, לאחר השפעות של למידה תיקח קצת זמן כדי להפיג בעוד מודל פנימי חדש נוצר. 26 עם זאת, פגישה אחת של אימון מובנה אפשרה המשתתף להכות המכשיר הרגיל שלו בחלק מהמשימות שהתבקשו על ידי בדיקת shap, ולהגיע על ציון כולל קרובה ל שהושג עם המכשיר המסורתי. השימוש באימונים מובנים כפי שתואר בסעיף 6 לפרוטוקול עשוי להיות הצעד הקריטי שאולי אפשר למשתתף להשיג שליטה מיומנת.

למידת משימה חדשה לקטועי גפיים מסובכים על ידי היעדר קולטני עצב סביב המפרקים ובשרירים שהם רגישים לשינויים במיקום ותנועה. 27 thesproprioceptors הדואר לאפשר לבני אדם כשירים לדעת איפה הידיים שלהם ביחס לגופם ללא שימוש במראה. 28 כאשר איבר אבוד, proprioceptors אלה הולכים לאיבוד, מוביל חזון לשחק תפקיד חזק בשליטה מאשר בתנאים רגילים. קטועי גפיים אסור ללמוד מחדש רק איך לשלוט בתנועות ידיים, אבל גם צריך לעשות זאת באמצעות מכשיר המספק משוב לא אחר מאשר זו המתקבלת מבחינה ויזואלית. זה הופך את תהליך הלמידה קשה יותר.

ככזה, כל אסטרטגיות אימון המשתמשות בתותבות המספקות לא מישוש או משוב פרופריוצפטיבי חייבות לשים דגש על משוב חזותי. במקרה שלנו, שבו ניסה לעשות זאת באמצעות חיקוי של התנועות הרצויות. המורכבות של חיקוי מודגמת על ידי הטבע חילק של התהליך העצבי. 29,30 אזורים נפרדים בחזיתית, הם האמינו אונות הטמפורלית והקודקודית להיות אחראי על תפיסת התנועה של אחרים 31,32 ולאחר מכן שילובמידע זה לתגובה מוטורית מתאימה. 9,33,34 סביר להניח כי במהלך הפיתוח של המשתתף לבגרות, ולפני הקטיעה, המעגלים העצביים הנדרשים לביצוע תנועות יד למדו שהופכות מוגדר, עד כדי כך שטבעית יד תנועות היו מהירות ואינסטינקטיביות. העיוות של האנטומיה הבאה הקטיעה אולי נדרשה מעגלים עצביים חדשים שיקומו כדי לאפשר שליטה של ​​האיבר התותב המסורתי שלו. השיפור בshap להבקיע הבא אימון המובנה, מצביע על כך שהמעגלים העצביים אלה היו נזיל מספיק כדי להתאים לאסטרטגית השליטה התותבת החדשה, למרות חוסר ניסיונו.

ראוי לציין כי המשתתפים בתגובה, כי מעשה החיקוי אפשר לו לחזות פנימי תנועות ידיים וליצור התכווצויות שרירים המתאימות. הוא מצא את זה יותר אינטואיטיבי מאשר רק התאמת התכווצויותיו הפיצו נציגים חזותייםמשא על גבי מסך מחשב. ידועים גם כי קטועי גפיים מעדיפים ללמוד ממשתמשים תותבים אחרים. 11 אלגוריתמי המכשיר ושליטה בשימוש במחקר זה היו שני הרומן. ככזה לא היו קטועי גפיים מנוסים קודמים שיכול לפעול כמפגינים. שיפורים עתידיים לפרוטוקול זה היו וכך להפיק תועלת שיש קטוע רגל מנוסה מדגימה פעולות לחיקוי.

בעוד מחקר זה הראה היתרון של אימון מובנה, העיצוב לא היה מספיק כדי לקבוע אם חיקוי, חזרה, חיזוק או השילוב של כל שלוש אסטרטגיות למידה תרם למדד התוצאה הסופי. במקום זאת, מחקר מקרה זה מניח את היסודות לעבודה נוספת כדי לבחון את המעגלים העצביים מעורבים בשליטה תותבת מתקדמת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים שום אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

המחברים מבקשים להודות מר האנס Oppel וטכנאים התותבים של אוטו בוק מוצרי בריאות GmbH לייצור השקע המשמש את המשתתף במחקר זה. מחקר זה נתמך כלכלית על ידי המועצה האירופית למחקר (ERC) באמצעות ERC מתקדם גרנט DEMOVE (מס '267,888), המועצה האוסטרית למחקר ופיתוח טכנולוגיה, והמשרד הפדרלי האוסטרי למדע, מחקר וכלכלה.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. , MyoElectric Controls Symposium. (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).

Tags

התנהגות גיליון 105 שיקום תותבות עליון איבר קטוע רגל שליטה חיקוי יד
פרוטוקול מובנה לשיקום משולבת משופרים תותבת בקרה: Case Study
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Roche, A. D., Vujaklija, I.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter