Abstract
Достижения в робототехнических систем привели протезов для верхней конечности, которые могут производить многофункциональные движения. Тем не менее, эти сложные системы требуют верхние конечности с ампутированными конечностями, чтобы узнать сложных схем управления. Люди имеют возможность выучить новые движения через подражание и других стратегий обучения. Этот протокол описывает метод реабилитации структурированный, который включает в себя имитацию, повторение, и обучение с подкреплением, и направлена на оценку, если этот метод может улучшить многофункциональный протез контроль. Левый локоть ниже ампутантов, с 4 лет опыта работы в ортопедической использования, приняли участие в этом исследовании. Протез был использован рука Микеланджело с вращением запястья, и добавленные особенности запястье сгибания и разгибания, которые позволили более комбинаций движений рук. Порядок Саутгемптон рук Оценка оценка участника улучшилось от 58 до 71 следующая структурированной подготовки. Это говорит о том, что структурированная подготовка протокола Imitвания, повторение и закрепление может иметь роль в изучении контролировать новый протез руки. Большее клиническое исследование, однако, требуется, чтобы поддержать эти выводы.
Introduction
Замена функции рук в ампутированными конечностями является сложной задачей. Координация высококвалифицированных движения рук не врожденная способность, и принимает людей лет обучения развиваться. 1-5 После травматического потере руки, тиражирование эту возможность, протезно средств не является тривиальной задачей и может потребовать период устойчивого обучения ,
Ортопедическая конструкция и интерфейсные методы их контроля, подвержены частым технологических инноваций, с целью многофункционального управления в естественным образом. 6 Сложность этих систем управления существенно возрастает, чтобы обеспечить больше функций для людей с ампутированными конечностями. Для обеспечения точного контроля таких систем, а также снизить отказ от новых технологий, должна быть установлена адекватная подготовка. Это, вероятно, будет более успешным, если оно основано на присущих стратегии Изучение людей с ампутированными конечностями.
Видение может играть важную роль во время леАрнинг движений руки. Поведенческие исследования показали, что, наблюдая за действиями других 7 или с помощью визуальных подсказок 8, трудоспособные люди учатся и координировать новые движения. В рамках процесса наблюдения, понимания и исполнения наблюдаемого действия, люди в состоянии подражать действиям других. Конкретные корковых сети, которые могут включать в себя систему зеркально-нейронной (MNS), как полагают, лежат в основе этой возможности, и может иметь роль в управлении протезами. 9-11
Роль подражания не может быть просто ограничена выполнением действия, которые уже были видны, но вместе с МНБ, разрешить выполнение движений, которые еще не наблюдались, но экстраполированных от автомобильного репертуар наблюдателя. 12 В самом деле, имитация не обязательно быть врожденной способностью, но накопительной двигательных навыков во времени, что приведет к опытных и изощренных действий. 13-йrength наблюдения действия, более просто воображая их, как было показано, улучшить качество обучения новые задачи. 14 Таким образом, имитация может быть прагматичный подход к подготовке людей с ампутированными конечностями, поскольку данные свидетельствуют, его цель направлена процесс 15, с целью в обстановке реабилитации стимулирующей полезную функцию протеза руки.
Исследования реабилитации Отдельно показано, что визуальные сигналы, такие как виртуальные моделирования протеза руки, поощрять ампутированными конечностями во время реабилитации обучения. 16 Кроме того, использование повторения, когда, проведенного в заблокированном парадигмы было показано, чтобы позволить быстрое изучение верхних конечностей протезов контроль. В то время как 17 виртуальных моделирования было доказано, чтобы быть столь же эффективным, как реальный контроль протезно руки в позволяя пользователям нарушениями здоровья тела, чтобы контролировать миоэлектрические устройств, 18 их влияние на людей с ампутированными конечностями, с использованием стандартизированных показателей исхода, не ясно. Наконец, где протоколы верхнего таблеток снабжено конечностейставление обучение существует, роль подражания в обучении ортопедической управления явно не обсуждается. 19,20
Это исследование направлено на понимание, если использование имитации, в сочетании с повторением и арматуры, оказывает положительное влияние на обучение многофункционального протезирования контроля в рамках структурированной программы обучения.
Представлен клинический случай из transradial ампутантов, который был обучен использовать многофункциональный протез руки. Участник ранее привыкли к работе традиционные миоэлектрические протезы. Использование визуальных ключей, как в виде имитации здорового демонстратора и, как простой компьютерной визуальной обратной связи, без ноги быстро улучшена обработка его нового устройства.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Это исследование было проведено в соответствии с Хельсинкской декларацией, утвержденного местным комитетом по этике. Исследование было объяснено во всех деталях участнику до начала, что позволяет участнику время, чтобы взвесить решение добровольно принять участие в исследовании, и подтвердить свое участие по информированного письменного согласия.
Примечание: Один человек, в возрасте 27 лет, приняли участие в исследовании. Участник было нормальное зрение, был левый локоть ниже-ампутантов, и был опытного пользователя (всего 4 года использование протеза). Перед началом этого исследования он использовал протез на ежедневной основе было 4 канала миоэлектрический протез руки с вращением запястья на 12-15 ч в день в течение 15 месяцев. Правая рука участника ранее хирургическим реконструированы, но не было никакого другого физического или неврологические нарушения.
1. Дизайн исследования
- Сплит исследование в течение двух сессий: на39; ве использования, а также использовать следующие структурированной подготовки.
Примечание: Это позволит внутрирегиональной предметом сравнения до и после тренировки, соответственно. - Убедитесь, что эти две сессии по меньшей мере три месяца друг от друга, таким образом, должны рассматриваться как независимые друг от друга.
- В начале обеих сессий, подходят индивидуальные гнездо и протез для участника. Убедитесь, что протезы алгоритмы аппаратного и управления совпадают подробно в разделе материалов данного протокола. Убедитесь, что участник не в состоянии использовать настроенный протез за прошедший период между заседаниями.
- Поезд пациента в соответствии с шагами, описанными в наивного сессии и шаблоном тренировка этого протокола. В начале каждого из этих сессий, калибровки протез оборудования. Используйте собранные данные калибровки для реального времени протеза контроля.
- После того, как наивный сессии и структурированного занятия являются полными, оценить годовыхпроизводительность rticipant, используя процедуру Саутгемптон рук Оценка (ШАП) итоговый показатель. 23 Сравните оценки SHAP с базовым меры, используя стандартный протез участника (полученный, прежде чем либо учебных занятий).
2. Материалы
- Установите участника с заказного розетки. Прикрепите в продаже протез в соответствии с инструкциями изготовителя. Одета протез руки с компонентами прототипа, которые позволяют Actuated запястья сгибание, разгибание и вращение. Это позволяет участнику управлять руку с 3,5 степенями свободы (степеней свободы) (таблица 1).
Примечание: В этом эксперименте был использован ручной Микеланджело (См материалы Список). Другие терминальные устройства, способные запястья вращения, сгибания и разгибания, вместе со стандартными функциями захвата бы также целесообразно. - Запись сигналов ЭМГ с использованием восьми равноудаленно размещенные необработанный сигнал электродов вокруг пня,и бортовая система декодирования на частоте дискретизации 1000 Гц и оцифровывается с глубиной 10 бит. Выполните первоначальной фильтрации и усиления в самих электродов в соответствии со спецификациями поставщика. Используйте персональный компьютер (ПК) для проведения основной обработки, которая взаимодействует с оборудованием приобретения и управляет протезом через беспроводное соединение.
Примечание: В данном исследовании поверхности EMG электроды и на борту система декодирования (AxonBus) используется были из ОТТО БОКК. Другие производители подобных устройств также было бы уместно. Беспроводное соединение было с помощью Bluetooth, и также другие методы могут быть применены.
3. Алгоритм управления
- Использование алгоритма управления, которая обеспечивает одновременное и пропорциональное управление протез на нескольких степеней свободы. 21 Алгоритм, используемый в данном исследовании, было решение в два этапа изготовления парадигму, так что зависит от контекста оценки движения было возможно.
- По обучения системы, который содержит все управляемые одиночные степенями движения, запись входящего электромиограмма (EMG).
- На первом этапе, оценки внутренней информацию о размерах целевого движения на основе расстояния Махаланобиса вновь рассчитанной функций ЭМГ вектора из обучающих данных. Примите решение относительно того, был ли намерение пользователя, чтобы выполнить тонкую 1 степенями свободы или грубый одновременно 2-DoF движение.
Примечание: Махаланобиса расстояние художественном вектора х в классе я с классом в виду вектор М я и ковариационная матрица Σ я рассчитывается как:
Как описано в Amsuess др вновь вычисляется вектор характеристик отображается на высокой пространстве и Махаланобиса расстоянии преобразованной точки к любой из точек подготовленных класса принимается в качестве меры для новизны. 21 эмпирическиопределенного порога на такое расстояние дает решение для новизны (2-DOF) или нет (1-DOF). - На втором этапе, на основе предыдущего решения, использовать один из двух параллельных оценок - одна из которых касается последовательных движений (SEQ-Е) и других транспортно одновременных движений (SIM-E) - для обеспечения управляющих сигналов для протеза.
Примечание: Последовательность-Е, в сущности, пропорционально оценки (т.е., сила мышечных сокращений), основанный на общих пространственных структур (CSP) 21, в то время как на SIM Е является линейной регрессор, который одновременно управляет 2 степени свободы запястья.
4. Software Framework
Примечание: рамки программного обеспечения, используемого в данном исследовании позволили обработки связи между протеза аппаратного и встроенного алгоритма управления. Он также предложил визуально средств поддержки обучения, необходимые для максимизации участника подготовки.
- Отображение среднеквадратичное (RMS) в ЕСигналы MG собирали из 8 эквидистантно размещенных электродов в виде полярных координатах амплитуды ЭМГ в зависимости от расположения электродов. Это визуальная обратная связь позволяет легко мониторинг пространственного распределения ЭМГ в поперечной плоскости предплечья. Использование такую установку, каждый из движений пользователя может, таким образом, вызвать особый характер 22 в полярных координатах, которые затем могут быть сохранены и использованы для подготовки к повторяемости определенного жеста.
Примечание: база позволяет сбор данных ЭМГ в стандартной манере распознавания 23 для каждого из ЭМГ каналам RMS более 40 мс рассчитывается.
в результате наблюдений для каждого ансамбля окне. - Для начальной калибровки собирать максимальное долгосрочные произвольного сокращения (MLVC) значения для каждого предназначено движение. Подскажите участника с помощью рук демонстратора, чтобы выполнитьжелаемый движение, давая вокальные и визуальные инструкции в течение 5 сек.
- После калибровки представить участника с набором трапециевидных сигналов. Эти профили содержат сила плато набор на 30%, 60% и 90% от калиброванного максимума.
- В каждом испытании, поручить участник направить красную указатель вдоль кия путем модуляции уровня силовое посещение движения (рисунок 1). Вертикальное положение указателя соответствует суммарных значений RMS во всех восьми каналов. Установите длительность судебного разбирательства до 5 сек с интервалом плато, соответствующее средней 3 сек.
5. Заседание Наивный
Примечание: Во время наивной тренировке, участник не было никакого опыта протеза схемы управления, используемого в этом исследовании.
- Не дать участнику никакого формального клиническое обучение, но только проинструктировать, что 8 действия культи, один из которых является состояние покоя,позволяет управлять визуальным цели на экране компьютера. Эти задачи аналогичны тем, которые используются в классической распознавания подходит для контроля протеза 23, и для тех методов участником в данном исследовании была примерно 60 ч опыта.
- Дисплей необходимые движения на экране с точки зрения текста и изображения, а статического после визуального сигнала (рис 1).
- Покажите свои картины участнику активации ЭМГ, которые соответствуют восьми конкретных и уникальных полярных участков (рисунок 2).
- Используйте звуковые инструкции, чтобы поощрять участников следовать визуальный сигнал. Эти звуковые инструкции должны быть идентичны, если используется в структурированной тренировки.
- Повторите задач три раза при различных положениях рычага (расслабился, достигнув в передней, достигнув в поперечнике), чтобы повысить подготовку системы. Имейте в виду, что есть 8 различных действий и три уровня силы, когда-то все позиции рук покрыты,Система обучения ввода подводит к общей сложности 72 отдельных образцов.
- После завершения позволить участнику возможность практиковать контроль в режиме реального времени до завершения оценки итогового SHAP.
- Убедитесь, что участник не имеет доступа к специализированных протеза и алгоритмов управления после конца наивного сессии.
6. структурированного занятия
- Через три месяца после наивной сессии, выполнить структурированный тренинг.
- Структура сессию в следующих шагов упорядоченных (рисунок 3):
- Для имитации, поручить участнику непосредственно подражать желаемых восемь действий (Таблица 1) осуществляется демонстратора в режиме реального времени. Выполнить каждое действие в течение 3 сек.
- Для повторения, попросите участников повторить действие, которое было имитировали 10 раз, так что каждое действие выполняется в течение 30 сек.
- Для армирования и компьютерных SYSма обучения, попросите участника Теперь заниматься с визуальной обратной связи компьютера, то есть точно так же, как настройка наивного сессии. Убедитесь, что нет разницы между этими двумя секциями.
- Для протезирования контроля, попросите участников на практике контроль в режиме реального времени настроенного протеза до завершения оценки итогового.
- Во время имитации, место участника под углом 45 ° от демонстратора и обеспечить полный и беспрепятственный обзор стороны демонстратора в совпадающим с пораженной стороне участника во время всех действий (рисунок 4). Нет визуальные подсказки с экрана компьютера не должны быть доступны для участника в это время.
- Для повторения, во время действий участника, есть демонстратор наблюдать соответствующий EMG деятельность в лице полярных участков каждого движения (рис 4). После того, как демонстратор определил, что participanт может производить уникальные и повторяющиеся узоры активации ЭМГ для каждого движения, попросите участников повторить действия на 30 сек без каких-либо визуальных подсказок.
Примечание: Есть в общей сложности 8 уникальных действий - семь из них (запястье пронации / супинации, запястья сгибании / разгибании, руки открыты, ключ захвата и хорошо щепотку), требующих активации мышц, и восьмой не будучи никаких действий, которая представляет собой устойчивый расслабленное состояние. - После армирования и компьютерной системы обучения, представить участнику с визуальной обратной связи из восьми действий, точно так, как было замечено в наивной сессии, которые соответствуют восьми уникальных и специфических полярных участков на экране компьютера (рис 3). Для настройки производительности, попросите участника выполнять действия во время просмотра в режиме реального времени полярные участки с записанными накладками движения, чтобы укрепить обучения, как правило, между 2-4 попыток для каждого движения. После того, как уверенно участник может заполнить те же самые задачи, которые были перфорация ormed в наивной сессии.
7. Протезирование управления
- Используйте наборы обучающих данных из каждой сессии для калибровки и регулировки протеза для реального контроля времени.
- Первоначально только позволит участник контролировать протезы путем последовательного пропорционального управления, т.е. одним движением одновременно, со скоростью устройства пропорциональна уровней мышечных сокращений.
- После каждой из восьми действия выполняются в воспроизводимом и надежным образом переключать схему управления пропорциональной и одновременным контролем, могут иметь более одного движение руки одновременно.
- Имейте участником практики простые задачи, такие как собирание бутылку и укладки его на бок (2 попытки достаточно). Разрешить период отдыха перед оценка результат выполняется. В случае этого исследования, 2 ч отдыха для наивных сессии и 24 ч отдыха для структурированной сессии.
- Оценка глобального верхних конечностей и в наивных и структурированных учебных сессий с использованием SHAP, которая контролирует руку и функции верхней конечности тесно связаны с повседневной деятельности (ADLS). Задачи, выполняемые в SHAP включают манипул легкие и тяжелые предметы, а также задачи ADL, такие как резка объект с ножом или Отмена кнопок. ШАП была утверждена для оценки патологического и протезирования функции руки. 24
Примечание: Это измерение было выбрано, как это было обычно следуют участник в данном исследовании с этой итоговом меры по своей клинической команды.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Производительность базового SHAP участника с его повседневной протез 81 при измерении медицинским персоналом 8 месяцев до начала испытаний. Счет ШАП 100 представляет трудоспособный функцию рук. 24 Участник набрал общий балл SHAP из 58 во время наивной сессии с более продвинутой системой управления протез. Тем не менее, спустя 3 месяца и без дальнейшего взаимодействия с новой системой, в стороне от структурированной подготовки, участник достиг счет SHAP 71 с той же передовой системы (таблица 2).
Когда общая оценка ШАП был разбит на функциональной оценки профиля, было отмечено, что участник выполнил хорошо во всех функциональных групп (сферическая, власть, совет, боковой и расширение ГРАСП), для штатива рук, кроме. Тем не менее, крупнейший наблюдаемое улучшение было во время расширения, функция, что новая схема управления и протез при условии, в то время как его традицииаль протез не (Рисунок 5). Это может также способствовали улучшению сферической рук, которая была лучше после структурированной учебной сессии, чем базового или наивного сессии. Кроме того сложные ADL движения, в котором участвовали комбинированных движений запястья и руки, как кувшин и коробку заливки были выполнены лучше после структурированной учебной сессии использованием передовых протезно системы.
Рисунок 1. Пример визуальных сигналов, используемых для армирования участника и подготовки системы. Синий целевой профиль представляет собой желаемый уровень ЭМГ сокращения производства в течение определенного движения. Красная линия представляет отслеживания усилия участника. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенное Fiфигура.
Рисунок 2. Профили для активных движений, упоминается как полярный-участков, отдельных движений, производимых участника во время задачи имитации. Они были усилены во время тренировки системы и в конечном счете используется для управления протезом руки. Пожалуйста, отметить, что отдых или нет-движение считается уникальным действием, и, как таковой, не производят наложение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Эта схема представляет собой структурированную тренировку. Участник впервые наблюдали и подражали действия демонстратора. Перед просмотром приветс производительность в виде графиков на экране компьютера, он повторил выученные движения, не визуальной обратной связи. Ученые движения были усилены путем сопоставления мышечные сокращения записанных шаблонов ЭМГ, а затем используется для обучения алгоритмов управления системы, что позволило многофункциональный протез контроль.
Рисунок 4. Схема экспериментальной установки во структурированной учебной сессии. Участник был полный и беспрепятственный обзор левой стороны демонстратора во время имитации. Во время повторения фазы, демонстратор даст звуковой инструкцию для обеспечения движения Участника соответствует схватки, производимые на этапе имитационного. Наконец, во время обучения системы, движения были усилены с помощью визуальных подсказок, которые были выбраны на экране компьютера как к участнику и демонстратора.
Рисунок 5. Распределение общих оценок SHAP между, базовый (BL) наивный сессия (NS) и структурированный тренинг (СТС). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Ортопедическая Функция | Призрачный Член движения |
| Пронация | Вращение наручные внутрь с полностью расслабленными пальцами |
| Супинация | Вращение наручные наружу с полностью расслабленными пальцами |
| Сгибание | Отклонение локтевого |
| Расширение | Расширение наручные |
| Ладонный сцепление | Thumb Аддуие немного пересечения задней к задней части руки |
| Изысканные щепотка | Оппозиция пальца на первых трех пальцев, небольшое расширение мизинец |
| Рука открыта | Открытие руку с упором на расширение средних трех цифр |
| Нет движения | Полное расслабление кисти и запястья |
Таблица 1. Желаемый протезирования функции, отображенные на фантомных конечностей движений, которые участник был способен визуализировать и выполнять с его оставшейся анатомии.
| Абстрактные объекты | |||||||
| BL | Н.С. | СТС | BL | Н.С. | СТС | ||
| Свет Сфера | 2.46 | 2.66 | 2.5 Тяжелая Сфера | 3.25 | 4.78 | 2.1 | |
| Свет треноги | 2.35 | 3.56 | 2.78 | Тяжелая Штатив | 2.44 | 3.53 | 2.5 |
| Индикатор питания | 2.41 | 3.25 | 2.28 | Тяжелая питания | 2.41 | 3.22 | 2.72 |
| Свет Боковая * | 4.72 | 2.81 | 4.97 | Тяжелая Боковая | 5.1 | 5.31 | 5.22 |
| Свет Совет | 2.25 | 2.88 | 2.53 | Тяжелая Совет | 3.1 | 4.47 | 2.22 |
| Свет Расширение | 1.96 | 3.88 | 2.37 | Тяжелая Расширение | 2.9 | 4.88 | 2.59 |
| Повседневной деятельности | |||||||
| BL | Н.С. | СТС | BL | Н.С. | СТС | ||
| Монеты | 17.81 | 22.25 | 21.53 | Полное Jar | 3.13 | 10.37 | 3.75 |
| Кнопка Совет | 8.25 | 35,2 | 27.06 | Пусто Олово | 2.53 | 4.15 | 2.82 |
| Резка | 18.15 | 27.47 | 25.59 | Лоток Лифт | 3.97 | 7,25 | 5.5 |
| Листать | 8.18 | 11.97 | 5.19 | Ключ | 4.82 | 9.25 | 6.03 |
| Крышка фляги | 2.93 | 3.3 | 2.38 | Застежка-молния | 4.83 | 10.59 | 7,31 |
| Кувшин для разлива | 10.16 | 8.93 | Отвертка | 10.1 | 25.31 | 15.31 | |
| Коробка Заливка | 11 | 11.35 | 9.72 | Дверная ручка | 2.24 | 3.53 | 2.75 |
| ШАП оценка | 81 | 58 | 71 | ||||
Таблица 2. Результаты SHAP для участника во время наивной сессии (NS), а затем структурированной учебной сессии (ГНС) через 3 месяца, по сравнению с его исходным уровнем (BL). * Участник только хуже света боковой задачу в структурированном обучения сессия по сравнению с наивной сессии. Общая оценка ШАП вне 100.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Наши результаты показывают, для участника в этом исследовании, что структурированная подготовка помогла улучшить контроль многофункционального протезирования руки во время одной сессии. Структурированная программа, используемая здесь было сочетание имитационного, повторения и подкрепления движений рук, что участник не в состоянии завершить его традиционной протеза руки.
Хотя участник набрал больше его традиционной протеза в тесте SHAP, стоит отметить, что он, как правило, носили это устройство между 12-15 ч в сутки в течение 15 месяцев. Как документально счетом базовый SHAP, ясно, что он узнал и привыкли к его традиционной протеза после очень долгого периода обучения. Трудность в переключении на многофункциональном стороны после того, настолько привыкли к его традиционной протеза было подчеркнуто резким падением производительности, наблюдаемой в наивной сессии. Это было ожидать, так как доказательств Suggests, что в качестве индивидуального узнает новые двигательные навыки, они развивают внутренний модель действиях. 25 Когда есть некоторая форма возмущения в этой внутренней модели, такие как изменение к новому протезу требует новых управляющих входов, после эффектов Обучение занять некоторое время, чтобы рассеять в то время как новая внутренняя модель создана. 26 Тем не менее, один сеанс структурированной подготовки позволило участника превзойти его обычный прием в некоторые из задач, запрашиваемых теста SHAP, и добраться на общий счет близко к полученным с традиционными устройства. Использование структурированной подготовки, как указано в разделе 6 протокола может быть важным шагом, который может быть включен участника для достижения опытным управления.
Обучение новую задачу для людей с ампутированными конечностями осложняется отсутствием рецепторов нервных вокруг суставов и в мышцах, которые чувствительны к позиционным и движения изменений. 27 Фесе проприорецепторы включить трудоспособных людей, чтобы знать, где их руки по отношению к их тела без использования зрения. 28 Когда конечность потеряла эти проприорецепторы теряются, что приводит видение, чтобы играть более активную роль в контроле, чем в нормальных условиях. Инвалиды должны не только заново учиться управлять движениями рук, но также должны сделать это, используя устройство, которое не дает обратную связь кроме того, что получаются визуально. Это делает процесс обучения более сложным.
Таким образом, любые учебные стратегии, которые используют протезы, которые не дают тактильные или проприоцептивной обратной связи должны поставить акцент на визуальной обратной связи. В нашем случае, мы попытались сделать это, используя имитацию желаемых движений. Сложность подражания примере распределенной природы нервной процесса. 29,30 отдельных регионов в лобной, височной и теменной долей, как полагают, отвечает за восприятие движения других 31,32 и затем интегрируяэта информация в соответствующей двигательной реакции. 9,33,34 Вполне вероятно, что в ходе развития участника в зрелом возрасте, и до ампутации, нервной схемы, необходимые для выполнения узнали движения рук стала четко определены, так что естественно рука движения были быстро и инстинктивно. Искажение анатомии после ампутации, возможно, потребуются новые нейронные цепи, который будет сформирован для того, чтобы контроль над своей традиционной протеза конечности. Улучшение SHAP забить после структурированной учебной сессии, предполагает, что эти нейронные цепи были достаточно гибкими, чтобы адаптироваться к новой стратегии управления протезом, несмотря на отсутствие опыта.
Стоит отметить, что участник отметил, что акт имитации позволила ему внутренне визуализировать движения рук и генерировать соответствующие мышечные сокращения. Он это более интуитивно, чем исключительно соответствие его сокращения визуальной представи нашлиния на экране компьютера. Известно также, что инвалиды предпочитают учиться у других протезов пользователей. 11 Устройство и алгоритмы управления, используемые в этом исследовании, были и роман. Как таковых не было предыдущие опытные ампутированными конечностями, которые могли бы выступать в качестве демонстрантов. Будущие улучшения этого протокола, таким образом, извлечь выгоду из наличия опытный ампутантов демонстрации действия для подражания.
Хотя это исследование показало преимущество структурированной подготовки, дизайн не был достаточно, чтобы определить вклад имитация, повторение, усиление или сочетание всех трех стратегий обучения в итоговом меры. Вместо этого, это исследование закладывает основу для дальнейшей работы, чтобы изучить нейронную схему, участвующих в передовых протезно контроля.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют никакого конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить г-на Ханса Оппель и его протезно техников Otto Bock Healthcare Products GmbH для изготовления сокета, используемого участника в данном исследовании. Это исследование при финансовой поддержке Европейского исследовательского совета (ERC) через ERC Advanced Грант DEMOVE (№ 267888), австрийский совет по исследованиям и технологическому развитию, и австрийского федерального министерства науки, исследований и экономики.
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.
