Summary

En strukturerad rehabilitering protokoll för förbättrad multifunktionella Prosthetic Kontroll: En studie

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

Framsteg inom robotsystem har resulterat i proteser för övre extremiteterna som kan producera multifunktionella rörelser. Dessa sofistikerade system kräver övre extremiteten amputerade att lära sig komplexa styrscheman. Människan har förmågan att lära sig nya rörelser genom imitation och andra inlärningsstrategier. Detta protokoll beskriver en strukturerad rehabiliteringsmetod, som omfattar imitation, upprepning och förstärkning lärande och syftar till att bedöma om denna metod kan förbättra multifunktionella protes kontroll. En vänster under armbågen amputee, med 4 års erfarenhet av protes bruk, deltog i denna fallstudie. Protesen som användes var en Michelangelo hand med handleden rotation och de nya funktionerna i handleden böjning och sträckning, vilket gjorde fler kombinationer av handrörelser. Deltagarens Southampton Hand Assessment Procedure poäng förbättrades 58-71 efter strukturerad utbildning. Detta tyder på att en strukturerad utbildning protokoll IMITation, upprepning och förstärkning kan ha en roll i att lära sig att styra en ny protes hand. En större klinisk studie dock krävs för att stödja dessa fynd.

Introduction

Byte av handfunktion i amputerade är en svår strävan. Samordna högutbildade handrörelser inte är en medfödd förmåga, och tar människor år att lära sig att utvecklas. 1-5 Efter den traumatiska förlusten av en hand, replikerar denna förmåga genom protes medel är inte en trivial uppgift och kan kräva en period av ihållande inlärning .

Prosthetic design och gränssnitt metoder för deras kontroll är föremål för snabba tekniska innovationer, med målet att multifunktionella kontroll på ett naturligt sätt. 6 komplexiteten hos dessa styrsystem ökar kraftigt för att ge fler funktioner för amputerade. För att säkerställa en noggrann kontroll av dessa system, och för att minska övergivande av ny teknik behöver adekvat utbildning upprättas. Detta kommer sannolikt att bli mer framgångsrik om den bygger på Amputees inneboende inlärningsstrategier.

Vision kan spela en viktig roll under learning av handrörelser. Beteendestudier har visat att genom att observera andras handlingar 7 eller med hjälp av visuella ledtrådar 8, arbetsföra individer lär och samordna nya rörelser. Genom en process av observation, förståelse och genomförande av en observerad handling, individerna kan imitera andras handlingar. Specifika kortikala nätverk, vilket kan innefatta en spegel neuron systemet (MNS), tros ligga bakom denna förmåga, och kan ha en roll i att kontrollera proteser. 9-11

Den roll som imitation kan inte bara begränsas till att utföra åtgärder som redan har sett, men tillsammans med MNS, underlätta genomförandet av rörelser som ännu inte har observerats, men extrapolerats från observatörens motor repetoire. 12 I själva verket, imitation kanske inte nödvändigtvis vara en medfödd förmåga, men en accruement av motorik med tiden som leder till erfarna och sofistikerade åtgärder. 13 strength att observera åtgärder, över helt enkelt föreställa dem, har visat sig förbättra lära sig nya arbetsuppgifter. 14 Således kan imitation vara en pragmatisk inställning till utbildning amputerade, som tyder på en målinriktad process 15, med målet i inställningen rehabilitering att göra det möjligt användbar proteshandfunktion.

Rehabiliterings studier har separat visat att visuella ledtrådar, såsom virtuella simuleringar av en handprotes, uppmuntra amputerade under rehabiliteringsträning. 16 Dessutom har användningen av upprepning när bedrivs i en blockerad paradigm visat att möjliggöra snabb inlärning av övre extremiteterna protes kontroll. 17 Även om virtuella simuleringar har visat sig vara lika effektiva som verklig kontroll av handproteser för att möjliggöra abled kropps användare att kontrollera myoelektriska enheter, är inte klart 18 deras effekt på amputerade som använder standardiserade resultatmått. Slutligen, där protokoll för övre extremiteterna ampution utbildning finns, roll imitation i inlärning av protes kontroll inte uttryckligen diskuteras. 19,20

Denna studie syftar till att förstå om användningen av imitation, i kombination med upprepning och förstärkning, har en positiv inverkan på inlärningen av multifunktionella protes kontroll som en del av ett strukturerat utbildningsprogram.

Presenteras här är en fallbeskrivning av en transradial amputerad som tränades att använda en multifunktionell protes hand. Deltagaren hade tidigare blivit vana vid att driva traditionella myoelektriska proteser. Med hjälp av visuella referenser, både i form av imitation av en sund demonstrant och så enkel dator visuell feedback, den amputerade snabbt förbättrad hantering av sin nya enheten.

Protocol

Denna studie genomfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen, som har godkänts av den lokala forskningsetisk kommitté. Studien förklarades i detalj till deltagaren före påbörjandet, vilket gör deltagaren tid att väga upp beslutet att frivilligt delta i studien och bekräfta hans deltagande informeras skriftligt medgivande. Obs: En man, i åldern 27 år, deltog i studien. Deltagaren hade normal syn, var en vänster nedanför armbågen amputerad, och var en erfaren användare (4 ?…

Representative Results

Baslinjen SHAP prestanda deltagaren med sin dagliga protes var 81 vid mätning av den kliniska personalen 8 månader före testning. En SHAP poäng 100 representerar arbetsföra handfunktion. 24 deltagare gjorde en total SHAP poäng 58 under den naiva session med mer avancerade protes styrsystem. Emellertid 3 månader senare och utan vidare interaktion med det nya systemet, bortsett från den strukturerade träning, deltagaren uppnått en SHAP poäng av 71 med samma avancerade systemet (tabell 2).</st…

Discussion

Våra fynd talar för deltagaren i denna studie som strukturerad utbildning bidragit till att förbättra kontrollen av en multifunktionell handprotes under en enda session. Den strukturerade program som används här var en kombination av imitation, upprepning och förstärkning av handrörelser att deltagaren inte kunde slutföra med hans traditionella proteshanden.

Även deltagaren gjorde högre med sin traditionella protes i SHAP testet, är det värt att notera att han hade typiskt den …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna vill tacka Hans Oppel och hans protes tekniker av Otto Bock Healthcare Products GmbH för att tillverka uttag som används av deltagaren i denna studie. Denna studie ekonomiskt stöd från Europeiska forskningsrådet (ERC) via ERC Advanced Grant DEMOVE (nr 267888), den österrikiska rådet för forskning och teknisk utveckling, och det österrikiska förbundsministeriet för vetenskap, forskning och ekonomi.

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

Riferimenti

  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).
check_url/it/52968?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
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