פרוטוקול מובנה לשיקום משולבת משופרים תותבת בקרה: Case Study
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
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.
Protocol
Representative Results
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.
<p class="jove_content" style=";text-align:right;directi…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. The mirror-neuron system. Annual Review of Neuroscience. 27, 169-192 (2004).
- 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. , (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. Mechanoreceptors in joint function. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 80 (9), 1365-1378 (1998).
- 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. Cortical Mechanisms of Human Imitation. Science. 286 (5449), 2526-2528 (1999).
