Geliştirilmiş Çok Fonksiyonlu Protez Kontrolü için Yapılandırılmış Rehabilitasyon Protokolü: Bir Olgu Sunumu
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
Robotik sistemlerde ilerlemeler çok fonksiyonlu hareketleri üretebilir üst ekstremite için protezler sonuçlanmıştır. Ancak, bu karmaşık sistemler karmaşık kontrol şemaları öğrenmek için üst ekstremite amputasyon gerektirir. İnsanlar taklit ve diğer öğrenme stratejileri ile yeni hareketler öğrenmek için yeteneği var. Bu protokol taklit, tekrarlama ve takviye öğrenmeyi içerir ve bu yöntem çok fonksiyonlu protez kontrolünü artırmak eğer değerlendirmeyi amaçlar yapılandırılmış bir rehabilitasyon yöntemi açıklanır. Bir protez kullanım deneyimi 4 yıl ile, dirsek ampute altında bıraktı, bu vaka çalışmasında yer aldı. Kullanılan protez bilek rotasyon ile bir Michelangelo eli oldu, ve el hareketlerinin daha fazla kombinasyonları izin bilek fleksiyon ve uzatma eklenen özellikler. Katılımcının Southampton El Değerlendirme Prosedürü puanı yapılandırılmış eğitim aşağıdaki 71'e 58 yükseldi. Bu gösteriyor ki IMIT yapılandırılmış bir eğitim protokolüation, tekrarlama ve takviye yeni protez eliyle kontrol etmek öğrenmede bir role sahip olabilir. Daha büyük bir klinik çalışma, ancak bu bulguları desteklemek için gereklidir.
Introduction
Amputees el fonksiyonunu değiştirilmesi zor bir uğraştır. Çok yetenekli el hareketleri koordine doğuştan gelen bir yetenek değildir ve geliştirmek için öğrenme insanlar yıllar sürer. 1-5 bir elin travmatik kaybından sonra, protez yoluyla bu yetenek önemsiz bir görev değildir kopyalayan ve sürdürülebilir öğrenme süresi gerekebilir .
Protez tasarımı ve onların kontrolü için arabirim yöntemleri doğal bir şekilde çok fonksiyonlu kontrol amacı ile, hızlı teknolojik yenilikler tabidir. Bu kontrol sistemlerinin karmaşıklığı amputees daha işlevleri sağlamak için önemli ölçüde artar 6. Bu sistemlerin hassas kontrolünü sağlamak için, ve yeni teknolojilerin terk azaltmak için, yeterli eğitimi oluşturulması gerekmektedir. Bu amputees 'doğal öğrenme stratejileri dayalı ise daha başarılı olması muhtemeldir.
Vizyon le sırasında önemli bir rol oynayabilirel hareketlerinin tim. Davranış çalışmalar başkalarının 7 eylemlerini gözlemleyerek veya görsel ipuçları 8 kullanarak göstermiştir ki, güçlü kuvvetli bireyler öğrenmek ve yeni hareketlerini koordine. Gözlem, anlayış ve gözlemlenen eylem yürütme sürecinde, bireylerin diğerlerinin eylemlerini taklit edebiliyoruz. Bir ayna nöron sistemi (ANS) içerebilir Özgül kortikal ağlar, bu yeteneği yatan inanılan ve protez uzuvların kontrol edilmesinde bir role sahip olabilir. 9-11
Taklit rolü sadece zaten görülmüştür eylemleri yürütme ile sınırlı, ancak birlikte ANS, henüz gözlenen ancak gözlemcinin motorlu repetoire yola çıkılarak değil hareketlerin yürütülmesine izin olmayabilir. 12 Nitekim, taklit mutlaka olmayabilir Deneyimli ve sofistike eylemlere yol açan doğuştan gelen bir yetenek, ama zamanla motor becerileri bir Tahakkuk olacak. 13 stsadece sadece onları hayal üzerine, eylemleri gözlemlemek rength, yeni görevler öğrenmeyi geliştirmek için gösterilmiştir. 14 Böylece, taklit eğitim amputees pragmatik bir yaklaşım olabilir, delil rehabilitasyon ortamda hedefle, bir amaca yönelik süreç 15 o da anlaşılacağı gibi yararlı protez eli işlevini sağlayan.
Rehabilitasyon çalışmaları ayrı bir protez elin sanal simülasyonlar gibi görsel ipuçları, rehabilitasyon eğitimi sırasında amputasyon teşvik olduğunu göstermiştir. 16 Ayrıca, engellenen paradigma yapılan tekrarlama kullanımı üst ekstremite protez hızlı öğrenmeyi sağlamak için gösterilmiştir Sanal simülasyonlar myoelektrik cihazları kontrol etmek abled vücut kullanıcıları sağlayan protez eller gerçek kontrolü gibi eşit etkili olduğu kanıtlanmıştır 17 iken, kontrol. standardize sonuç ölçütleri kullanarak amputees 18 etkileri net değildir. Son olarak, nerede üst ekstremite ampu için protokollertation eğitimi protez kontrolü öğrenmede taklit rolü açıkça tartışılan değildir, vardır. 19,20
Taklit kullanımı tekrarı ve takviye ile birlikte, yapısal bir eğitim programının bir parçası olarak çok fonksiyonlu protez kontrol öğrenmeye üzerinde olumlu bir etkisi varsa bu çalışma anlayışı amaçlamaktadır.
Çok fonksiyonlu protez elini kullanmak için eğitilmiş bir transradiyal ampute bir olgu burada olduğunu sunulmuştur. Katılımcı, daha önce geleneksel myoelektrik protez işletim alışık olmuştu. Sağlıklı bir göstericinin taklit ve basit bir bilgisayar görsel geribildirim formunda hem görsel ipuçlarını kullanarak, ampute hızla onun yeni cihazın kullanım düzeldi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bulgularımız yapılandırılmış eğitim tek seansta çok fonksiyonlu protez elin kontrolünü iyileştirmek yardımcı olduğunu bu çalışmada katılımcı için öneririz. Burada kullanılan yapılandırılmış bir program katılımcısı onun geleneksel protez eliyle tamamlamak mümkün değildi taklit, tekrarlama ve el hareketlerinin takviye bir kombinasyon oldu.
Katılımcı Kadm testinde yaptığı geleneksel protezi ile yüksek puanlar da, o genellikle 15 aylık bir süre boyunc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar bu çalışmada katılımcı tarafından kullanılan soket üretimi için Mr Hans Oppel ve Otto Bock Healthcare Products GmbH yaptığı protez teknisyenleri teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışma mali ERC Advanced Grant DEMOVE aracılığı ile Avrupa Araştırma Konseyi (ERC) (No 267888), Araştırma ve Teknoloji Geliştirme Avusturya Konseyi ve Bilim, Araştırma ve Ekonomi Avusturya Federal Bakanlığı tarafından desteklenmiştir.
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).
