Summary

En strukturert rehabilitering protokoll for Forbedret Multifunksjonell Prosthetic Control: A Case Study

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

Fremskritt innen robotsystemer har resultert i proteser for den øvre lem som kan produsere multifunksjonelle bevegelser. Men disse avanserte systemer krever overekstremitet amputerte å lære kompliserte kontrollordninger. Mennesker har evnen til å lære nye bevegelser gjennom imitasjon og andre læringsstrategier. Denne protokollen beskriver en strukturert rehabilitering metode, som inkluderer imitasjon, repetisjon og forsterkning læring, og tar sikte på å vurdere om denne metoden kan forbedre multifunksjonelt protese kontroll. En venstre under albuen amputert, med 4 års erfaring innen protesebruk, deltok i denne undersøkelsen. Protesen brukte var en Michelangelo hånd med håndleddet rotasjon, og de ekstra funksjonene i håndleddet fleksjon og ekstensjon, som tillot flere kombinasjoner av håndbevegelser. Deltakerens Southampton Hånd Assessment Procedure poengsum forbedret 58-71 følgende strukturert trening. Dette tyder på at en strukturert trening protokoll fra ImItasjon, repetisjon og forsterkning kan ha en rolle i å lære å kontrollere en ny protese hånd. En større klinisk studie er imidlertid nødvendig for å støtte disse funnene.

Introduction

Bytte håndfunksjon i amputerte er en vanskelig oppgave. Koordinerende dyktige håndbevegelser er ikke en medfødt evne, og tar mennesker år for å lære å utvikle. På 1-5 Etter den traumatiske tapet av en hånd, replikere denne evnen ved protese hjelp er ikke en triviell oppgave, og kan kreve en periode med vedvarende læring .

Protese design og grensesnitt metoder for deres kontroll er utsatt for raske teknologiske nyvinninger, med mål om multifunksjonelle kontroll på en naturlig måte. 6 Kompleksiteten i disse kontrollsystemene øker vesentlig for å gi flere funksjoner for amputerte. For å sikre nøyaktig styring av disse systemene, og for å redusere oppgivelse av ny teknologi, må etableres tilstrekkelig opplæring. Dette vil trolig være mer vellykket hvis det er basert på de amputerte 'iboende læringsstrategier.

Vision kan spille en viktig rolle under learning av håndbevegelser. Adferdsstudier har vist at ved å observere andres handlinger 7 eller bruke visuelle signaler 8, funksjonsfriske individer lærer og koordinere nye bevegelser. Gjennom en prosess med observasjon, forståelse og gjennomføring av en observert handling, enkeltpersoner er i stand til å imitere handlingene til andre. Spesifikke kortikale nettverk, som kan omfatte et speil-neuron-systemet (MNS), antas å ligge til grunn av denne evne, og kan ha en rolle i å kontrollere kunstige lemmer. 9-11

Rollen imitasjon kan ikke bare være begrenset til å utføre handlinger som allerede har blitt sett, men sammen med de MNS, tillate kjøring av bevegelser som enda ikke er blitt observert, men ekstrapolert fra observatørens motor repetoire. 12 Ja, imitasjon kan ikke nødvendigvis være en medfødt evne, men en accruement av motoriske ferdigheter over tid som fører til erfarne og avanserte handlinger. 13 strength for å observere handlinger, over bare rett og slett forestille dem, har vist seg å forbedre lære nye oppgaver. 14 Dermed imitasjon kan være en pragmatisk tilnærming til trening amputerte, så tyder det et mål rettet prosess 15, med målet i rehabilitering innstillingen frigi nyttig protese håndfunksjon.

Rehabilitering studier har separat vist at visuelle signaler, for eksempel virtuelle simuleringer av en protese hånd, oppfordrer amputerte under opptrening. 16 I tillegg har bruken av repetisjon når utført på en sperret paradigme vist seg å muliggjøre rask læring av øvre-lem protese kontroll. 17 Mens virtuelle simuleringer har vist seg å være like effektiv som reell kontroll av protese hender i muliggjør sjonshemmet-kropp brukere å kontrollere myoelectric enheter, er 18 deres effekt på amputerte bruker standardiserte utfallsmål ikke klart. Til slutt, hvor protokoller for overekstremitet AMPUtering trening eksisterer, rollen av imitasjon i læring av protese kontroll er ikke eksplisitt diskutert. 19,20

Denne studien tar sikte på forståelse om bruk av imitasjon, i kombinasjon med repetisjon og forsterkning, har en positiv effekt på læring av multifunksjonelle protese kontroll som en del av et strukturert treningsprogram.

Presenteres her er en sak rapport av en transradial amputert som ble opplært til å bruke et multifunksjonelt protese hånd. Deltakeren hadde tidligere blitt vant til å operere tradisjonelle myoelectric proteser. Ved hjelp av visuelle signaler, både i form av imitasjon av en sunn demonstrator og så enkelt datamaskin visuell tilbakemelding, amputasjons raskt forbedret håndtering av sin nye enheten.

Protocol

Denne studien ble utført i samsvar med Helsinkideklarasjonen, som er godkjent av lokale forskningsetisk komité. Studien ble forklart i full detalj til deltakeren før oppstart, slik at deltakeren tid til å veie opp beslutningen om å frivillig å delta i studien, og bekrefte sin deltakelse ved informert, skriftlig samtykke. Merk: En mann, i alderen 27 år, deltok i studien. Deltakeren hadde normalt syn, ble en venstre under-albuen amputert, og var en erfaren bruker (4 år totalprotese bru…

Representative Results

Grunnlinjen SHAP ytelsen til deltakeren med sin daglige protese var 81 da målt ved kliniske personalet 8 måneder før testing. En SHAP poengsum på 100 tilsvarer fullbefarne håndfunksjon. 24 Deltakeren scoret en samlet SHAP score på 58 i løpet av naive økt med mer avanserte protese kontrollsystem. Men 3 måneder senere, og uten videre samhandling med det nye systemet, bortsett fra strukturert trening, oppnådde deltakeren en SHAP score på 71 med den samme avanserte system (tabell 2). <…

Discussion

Våre funn tyder på at deltakeren i denne studien at strukturert trening bidratt til å bedre kontrollen av et multifunksjonelt protese hånd i løpet av en enkelt økt. Den strukturert program som brukes her var en kombinasjon av imitasjon, repetisjon og forsterkning av håndbevegelser at deltakeren var ikke i stand til å fullføre med sin tradisjonelle protese hånd.

Selv om deltakeren scoret høyere med sin tradisjonelle protese i SHAP test, er det verdt å merke seg at han vanligvis ha…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker å takke Mr Hans Oppel og hans protese teknikere av Otto Bock Healthcare Products GmbH for produksjon av kontakten som brukes av deltakeren i denne studien. Denne studien ble støttet av European Research Council (ERC) via ERC Advanced Grant DEMOVE (No. 267888), den østerrikske rådet for forskning og teknologiutvikling, og den østerrikske føderale departementet for vitenskap, 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

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