Summary

Een gestructureerde Revalidatie Protocol voor betere Multifunctionele Prothetische controle: 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

Vooruitgang in robotsystemen hebben geresulteerd in prothesen voor de bovenste ledematen die multifunctionele bewegingen kan produceren. Echter, deze geavanceerde systemen vereisen bovenste ledematen geamputeerden om complexe controle regelingen leren. Mensen hebben de mogelijkheid om nieuwe bewegingen door middel van imitatie en andere leerstrategieën leren. Dit protocol beschrijft een gestructureerde revalidatie methode, die imitatie, herhaling, en versterking leren omvat, en heeft als doel om te beoordelen of deze methode multifunctionele prothese controle kan verbeteren. Een links hieronder elleboog geamputeerde, met 4 jaar ervaring in prothetische gebruik, nam deel aan deze case study. De prothese gebruikte was een Michelangelo hand met pols rotatie en de extra functies van de pols buigen en strekken, die meer combinaties van handbewegingen toegestaan. De deelnemer Southampton Hand Assessment Procedure score verbeterd 58-71 volgende gestructureerde training. Dit suggereert dat een gestructureerd protocol van IMITatie, herhaling en versterking kan een rol spelen bij het leren van een nieuwe prothese de hand regelen. Een groter klinisch onderzoek is echter nodig om deze bevindingen ondersteunen.

Introduction

Vervangen van handfunctie in geamputeerden is een moeilijke onderneming. Coördineren hoogopgeleide handbewegingen is niet een aangeboren vermogen, en neemt de mens jaren van het leren te ontwikkelen. 05/01 Na de traumatische verlies van een hand, het repliceren van deze mogelijkheid door prothetische middelen is geen sinecure en kan een periode van aanhoudende leren vereisen .

Prothetische ontwerp en de interface methodes voor hun controle zijn onderworpen aan snelle technologische innovaties, met als doel de multifunctionele controle op een natuurlijke wijze. 6 De complexiteit van deze systemen toeneemt aanzienlijk meer functies te bieden voor geamputeerden. Om een ​​nauwkeurige controle van deze systemen te waarborgen en om stopzetting van de nieuwe technologieën te verminderen, adequate opleiding moet worden vastgesteld. Dit is waarschijnlijk meer succesvol te zijn als deze is gebaseerd op inherente leerstrategieën de geamputeerden '.

Visie kan een belangrijke rol spelen tijdens leaarschuwing van handbewegingen. Behavioral studies hebben aangetoond dat door het observeren van de acties van anderen 7 of met behulp van visuele aanwijzingen 8, valide individuen leren en coördineren nieuwe bewegingen. Door een proces van observatie, begrijpen en uitvoeren van een waargenomen actie, individuen in staat zijn om de acties van anderen te imiteren. Specifieke corticale netwerken die een spiegel-neuron systeem (MNS) kan omvatten, wordt aangenomen dat dit vermogen ten grondslag liggen, en kunnen helpen beheersen protheses hebben. 9-11

De rol van imitatie zou niet alleen beperkt tot het uitvoeren van acties die al hebben gezien, maar samen met de MNS, zodat de uitvoering van bewegingen die nog niet zijn waargenomen, maar extrapolatie van de waarnemer motor repetoire. 12 Inderdaad, kan niet imitatie se zijn een aangeboren vermogen, maar een accruement van motorische vaardigheden in de tijd die leiden tot ervaren en geavanceerde acties. 13 strength observeren acties, dan ze gewoon gewoon verbeelden, is aangetoond dat het verbeteren van het leren van nieuwe taken. 14 Zo kan imitatie van een pragmatische aanpak van de opleiding geamputeerden zijn, als bewijs suggereert dat het een doelgericht proces 15, met het doel in de revalidatie-instelling van mogelijk bruikbare prothese handfunctie.

Revalidatie studies afzonderlijk aangetoond dat visuele aanwijzingen, zoals virtuele simulatie van een handprothese stimuleren geamputeerden tijdens de revalidatie training. 16 Voorts is gebleken de toepassing van herhaling die geschiedt in een geblokkeerde paradigma rapid learning bovenste extremiteit prothetische inschakelen controle. 17 Terwijl virtuele simulaties zijn bewezen even effectief als echte controle van de prothetische handen waardoor valide lichaam gebruikers myoelektrische apparaten te bedienen zijn, 18 hun effect op geamputeerden met behulp van gestandaardiseerde uitkomstmaten is niet duidelijk. Tot slot, waar de protocollen voor de bovenste ledematen AMPUtatie training bestaan, de rol van imitatie in het leren van prothetische controle wordt niet expliciet besproken. 19,20

Deze studie richt zich op het begrijpen als het gebruik van imitatie, in combinatie met herhaling en versterking, heeft een positieve invloed op het leren van multifunctionele prothese controle als onderdeel van een gestructureerd programma.

Hierin gepresenteerd is een case report van een transradial geamputeerde die werd opgeleid om een ​​multifunctionele prothese hand te gebruiken. De deelnemer had eerder gewend aan werken traditionele myoelektrische prothesen geworden. Met behulp van visuele signalen, zowel in de vorm van imitatie van een gezonde demonstrator en zo eenvoudig computer visuele feedback, de geamputeerde snel verbeterde verwerking van zijn nieuwe apparaat.

Protocol

Deze studie werd uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki worden uitgevoerd, zoals goedgekeurd door de lokale ethische commissie. De studie werd uitgelegd in detail aan de deelnemer voor aanvang, waardoor de deelnemer de tijd af te wegen de beslissing om vrijwillig deel te nemen aan het onderzoek en bevestigt zijn deelname door geïnformeerde, schriftelijke toestemming. Opmerking: Een man, 27 jaar oud, namen deel aan de studie. De deelnemer had een normaal zicht, werd een…

Representative Results

De basislijn SHAP uitvoering van de deelnemer met zijn dagelijkse prothese 81, gemeten door de klinische staf 8 maanden voorafgaand aan het testen. Een SHAP score van 100 vertegenwoordigt valide handfunctie. 24 De deelnemer scoorde een algemene SHAP score van 58 tijdens de naïeve sessie met de meer geavanceerde prothese controlesysteem. Echter, 3 maanden later en zonder verdere interactie met het nieuwe systeem, naast het gestructureerd, de deelnemer bereikte een SHAP score van 71 met hetzelfde geavanceerde …

Discussion

Onze bevindingen suggereren dat de deelnemer in deze studie dat de gestructureerde opleiding geholpen verbetering van de bestrijding van een multifunctionele prothese hand tijdens een enkele sessie. De gestructureerde programma hier gebruikt was een combinatie van imitatie, herhaling en versterking van handbewegingen dat de deelnemer niet in staat was om te voltooien met zijn traditionele handprothese.

Hoewel de deelnemer hoger scoorden met zijn traditionele prothese in de SHAP test, is het …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen de heer Hans Oppel en zijn prothetische technici van Otto Bock Healthcare Products GmbH bedanken voor het vervaardigen van de socket die door de deelnemer in deze studie. Dit onderzoek werd financieel ondersteund door de European Research Council (ERC) via de ERC Advanced Grant DEMOVE (No. 267.888), de Oostenrijkse Raad voor onderzoek en technologische ontwikkeling, en het Oostenrijkse ministerie van Wetenschap, Onderzoek & Economie.

Materials

Michelangelo Hand Otto Bock Healthcare Products GmbH, A 8E500=L-M
AxonRotation Otto Bock Healthcare Products GmbH, A 9S503
Wrist Flexor Otto Bock Healthcare Products GmbH, A  – prototype unit
AxonMaster Otto Bock Healthcare Products GmbH, A 13E500
Electrode Otto Bock Healthcare Products GmbH, A 13E200=50AC
ScissorFenceElectrodeCarrier Otto Bock Healthcare Products GmbH, A  – prototype unit
Acquisition Software Otto Bock Healthcare Products GmbH, A  – prototype unit
Carbon shaft Otto Bock Healthcare Products GmbH, A  – prototype unit

References

  1. Forssberg, H., Eliasson, A. C., Kinoshita, H., Johansson, R. S., Westling, G. Development of human precision grip. I: Basic coordination of force. Experimental Brain Research. 85 (2), 451-457 (1991).
  2. Forssberg, H., Kinoshita, H., Eliasson, A. C., Johansson, R. S., Westling, G., Gordon, A. M. Development of human precision grip. II. Anticipatory control of isometric forces targeted for object’s weight. Experimental Brain Research. 90 (2), 393-398 (1992).
  3. Gordon, A. M., Forssberg, H., Johansson, R. S., Eliasson, A. C., Westling, G. Development of human precision grip. III. Integration of visual size cues during the programming of isometric forces. Experimental Brain Research. 90 (2), 399-403 (1992).
  4. Forssberg, H., Eliasson, A. C., Kinoshita, H., Westling, G., Johansson, R. S. Development of human precision grip. IV. Tactile adaptation of isometric finger forces to the frictional condition. Experimental Brain Research. 104 (2), 323-330 (1995).
  5. Eliasson, A. C., et al. Development of human precision grip. V. anticipatory and triggered grip actions during sudden loading. Experimental Brain Research. 106 (3), 425-433 (1995).
  6. Roche, A. D., Rehbaum, H., Farina, D., Aszmann, O. C. Prosthetic Myoelectric Control Strategies A Clinical Perspective. Current Surgery Reports. 2 (44), (2014).
  7. Buccino, G., et al. Neural circuits underlying imitation learning of hand actions: An event-related fMRI study. Neuron. 42 (2), 323-334 (2004).
  8. Saunders, J. A., Knill, D. C. Humans use continuous visual feedback from the hand to control fast reaching movements. Experimental Brain Research. 152 (3), 341-352 (2003).
  9. Rizzolatti, G., Craighero, L. The mirror-neuron system. Annual Review of Neuroscience. 27, 169-192 (2004).
  10. Maruishi, M., et al. Brain activation during manipulation of the myoelectric prosthetic hand: a functional magnetic resonance imaging study. NeuroImage. 21 (4), 1604-1611 (2004).
  11. Cusack, W. F., et al. A Neural activation differences in amputees during imitation of intact versus amputee movements. Frontiers in Human Neuroscience. 6 (June), 182 (2012).
  12. Vogt, S., Buccino, G., Wohlschläger, A. M., Canessa, N., Shah, J. N., Zilles, K., Eickhoff, S. B., Freund, H. J., Rizzolatti, G., Fink, G. R. Prefrontal involvement in imitation learning of hand actions: Effects and expertise. Neuroimage. 37 (4), 1371-1383 (2007).
  13. Gonzalez-Rosa, J. J., Natali, F., Tettamanti, A., Cursi, M., Velikova, S., Comi, G., Gatti, R., Leocani, L. Action observation and motor imagery in performance of complex movements: Evidence from EEG and kinematics analysis. Behavioural Brain Research. 281, 290-300 (2015).
  14. Bekkering, H., Wohlschläger, A. M., Gattis, M. Imitation of gestures in children is goal-directed. The Quarterly Journal of Experimental Psychology. 53 (1), 153-164 (2000).
  15. Catmur, C., Walsh, V., Heyes, C. Associative sequence learning: the role of experience in the development of imitation and the mirror system. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 364 (1528), 2369-2380 (2009).
  16. Resnik, L., Etter, K., Klinger, S. L., Kambe, C. Using virtual reality environment to facilitate training with advanced upper-limb prosthesis. Journal of Rehabilitation Research and Development. 48 (6), 707-718 (2011).
  17. Bouwsema, H., van der Sluis, C. K., Bongers, R. M. The role of order of practice in learning to handle an upper-limb prosthesis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 89 (9), 1759-1764 (2008).
  18. Bouwsema, H., vander Sluis, C. K., Bongers, R. M. Learning to control opening and closing a myoelectric hand. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 91 (9), 1442-1446 (2010).
  19. Simon, A. M., Lock, B. A., Stubblefield, K. A. Patient training for functional use of pattern recognition-controlled prostheses. Journal of Prosthetics and Orthotics JPO. 24 (2), 56-64 (2012).
  20. Stubblefield, K. A., Miller, L. A., Lipschutz, R. D., Kuiken, T. A. Occupational therapy protocol for amputees with targeted muscle reinnervation. The Journal of Rehabilitation Research and Development. 46 (4), 481 (2009).
  21. Amsüss, S., Roche, A. D., Göbel, P., Graimann, B., Farina, D., Aszmann, O. C. Regaining high functional, multiple degrees of freedom hand control following bionic reconstruction. , (2014).
  22. Dosen, S., Muller, K. -. R., Farina, D. Myoelectric Control of Artificial Limbs—Is There a Need to Change Focus [In the Spotlight]. IEEE Signal Processing Magazine. 29 (5), (2012).
  23. Amsuess, S., Gobel, P., Graimann, B., Farina, D. A Multi-Class Proportional Myocontrol Algorithm for Upper Limb Prosthesis Control: Validation in Real-Life Scenarios on Amputees. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : A Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 4320(c), 1-11 (2014).
  24. Light, C. M., Chappell, P. H., Kyberd, P. J. Establishing a Standardized Clinical Assessment Tool of Pathologic and Prosthetic Hand Function: Normative Data, Reliability, and Validity. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 83 (6), 776-783 (2002).
  25. Wolpert, D. M., Ghahramani, Z., Jordan, M. I. An internal model for sensorimotor integration. Science (New York, N.Y). 269 (5232), 1880-1882 (1995).
  26. Shadmehr, R., Mussa-Ivaldi, F. A. Adaptive representation of dynamics during learning of a motor task. The Journal of Neuroscience the Official Journal of the Society for Neuroscience. 14 (5 Pt 2), (1994).
  27. Hogervorst, T., Brand, R. A. Mechanoreceptors in joint function. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 80 (9), 1365-1378 (1998).
  28. Bosco, G., Poppele, R. E. Proprioception from a spinocerebellar perspective. Physiological Reviews. 81 (2), 539-568 (2001).
  29. Iacoboni, M., Molnar-Szakacs, I., Gallese, V., Buccino, G., Mazziotta, J. C. Grasping the intentions of others with one’s own mirror neuron system. PLoS Biology. 3 (3), 0529-0535 (2005).
  30. Williams, J. H. G., Whiten, A., Waiter, G. D., Pechey, S., Perrett, D. I. Cortical and subcortical mechanisms at the core of imitation. Social Neuroscience. 2 (1), 66-78 (2007).
  31. Allison, T., Puce, A., McCarthy, G. Social perception from visual cues: Role of the STS region. Trends in Cognitive Sciences. 4 (7), 267-278 (2000).
  32. Thompson, J. C., Hardee, J. E., Panayiotou, A., Crewther, D., Puce, A. Common and distinct brain activation to viewing dynamic sequences of face and hand movements. NeuroImage. 37 (3), 966-973 (2007).
  33. Binkofski, F., et al. A fronto-parietal circuit for object manipulation in man: Evidence from an fMRI-study. European Journal of Neuroscience. 11 (9), 3276-3286 (1999).
  34. Iacoboni, M. Cortical Mechanisms of Human Imitation. Science. 286 (5449), 2526-2528 (1999).

Play Video

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

View Video