SRT 中风的研究和治疗 2042 - 0056 2090 - 8105 Hindawi 10.1155 / 2017/3603860 3603860 研究文章 改善上肢功能和生活质量的舌头驱动外骨骼:一个试点研究量化中风康复 http://orcid.org/0000 - 0002 - 7046 - 9109 Housley 斯蒂芬·N。 1 2 吴 大卫 3 4 理查兹 金伯利 3 4 http://orcid.org/0000 - 0003 - 0463 - 1507 Belagaje 萨米尔 5 Ghovanloo Maysam 6 http://orcid.org/0000 - 0003 - 3869 - 9120 巴特勒 安德鲁·J。 1 3 4 7 Ishrat Tauheed 1 物理治疗学系 乔治亚州立大学 亚特兰大 遗传算法 美国 gsu.edu 2 学院应用生理学 乔治亚理工学院 亚特兰大 遗传算法 美国 gatech.edu 3 护理与健康学院的职业 乔治亚州立大学 亚特兰大 遗传算法 美国 gsu.edu 4 美国退伍军人事务部 亚特兰大康复卓越研发中心 迪凯特 遗传算法 美国 va.gov 5 医学院的 埃默里大学 亚特兰大 遗传算法 美国 emory.edu 6 电气和计算机工程学院 乔治亚理工学院 亚特兰大 遗传算法 美国 gatech.edu 7 神经科学研究所 联合中心先进的大脑成像 行为神经科学中心 乔治亚州立大学 亚特兰大 遗传算法 美国 gsu.edu 2017年 18 12 2017年 2017年 24 11 2016年 29日 04 2017年 13 11 2017年 18 12 2017年 2017年 版权©2017斯蒂芬·n·Housley et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

中风是一种全世界长期残疾的主要原因。许多幸存者经历上肢(问题)损伤康复的机会很少,二级缺乏自愿肌肉控制。我们开发了一个新颖的康复模式(TDS-HM)使用舌头驱动系统(TDS)来控制问题的机器人设备(导师:HM),而与交互式用户界面。在这项研究中,六个中风幸存者有中度到重度的问题缺陷完成15个两小时的会议TDS-HM培训在5周。参与者被指示移动局部麻痹的手臂,用舌头同步命令来跟踪一个目标波形在使用视觉反馈做出准确的动作。TDS-HM训练后,显著改善跟踪性能转化为改进的问题部分Fugl-Meyer汽车评估的活动范围,规模和中风的所有部分的得分的影响。回归建模发现日常训练时间减少的一个重要预测跟踪误差,表明存在一个潜在的剂量反应关系。这项初步研究的结果表明,TDS-HM系统可以引起显著改善中度到严重中风幸存者。这个试验研究初步洞察的体积治疗改善结果所需的时间。

 国家医学转化中心 UL1TR000454 1。背景

中风是长期残疾的主要原因之一( 1与795000人) 经历在美国每年中风( 2]。那些生存,80%经历重大的上肢运动损伤(问题)( 3要求长期康复恢复运动 受损的四肢( 4]。成功康复技术涉及密集、重复练习,积极参与参与目标导向和特定于任务的活动。

一个这样的方法需要使用机械设备协助提供的最佳剂量 治疗( 5]。康复技术的最新进展,包括机器人治疗(RT)、极大地 增加功能患者可以达到的水平。几项研究已经观察到的相同的结果 与机器人治疗或一对一的康复( 6- - - - - - 9]。这些研究的结果表明 RT提供可靠的、可再生的治疗,同时提供客观的运动学性能的措施 10]。这些技术引起大脑神经通路的变化,允许病人 通过改变和适应网络恢复功能( 11]。尽管有这些进展,预后 仍然贫困和治疗干预措施是有限的慢性中风幸存者那些拥有有限的活动范围的运动 12]。

许多符合技术要求参与者积极启动手运动前运动的机器人可以帮助完成任务。这要求限制了其适用性最中风幸存者受损。辅助技术,用于控制和修改中风幸存者的环境中,通常利用( 13)和临床重要的结果( 14),即使是最受损中风幸存者。然而,RT和辅助技术很少杂化利用的潜在添加剂的好处。

这样一个RT装置手导师™(HM)。HM设备被设计为个人与残留问题障碍。利用该装置的目的是改善运动活跃的范围(AROM)和强度的局部麻痹的四肢远端肌肉组织的卒中后患者的弱点。改善RT中风幸存者的适用性,在当前的研究中使用的机械设备与一个已知的界面上的辅助技术,它利用无线耳机,发现一个小的运动磁性示踪剂暂时坚持舌头(舌头驱动系统:TDS) [ 15]。混合TDS-HM系统鼓励用户主动把舌头轻瘫的手在使用同步命令驱动机器人装置的运动。然而,活跃的手腕和手的运动,没有必要驱动单元。TDS-HM装置提供了新的经验和学习,结合认知计划,时间,和增加困难通过computer-game-like培训项目运动学习和控制。在这个运动学习框架,技能习得可以被理解为practice-dependent减少运动和动态性能错误检测通过参与者的视觉和本体感受的感觉通道。

符合运动学习的原则( 16),训练学习者必须不断挑战,设备性能的基础上再增加难度水平。TDS-HM启用个人很少或根本没有活跃的手运动参与模式的治疗,有可能改变大脑的神经通路( 17]。

理论构建支撑TDS-HM将增强的概念结构和功能恢复依赖于干预旨在调节神经活动在大脑感觉运动区域促进活动依赖性神经可塑性的变化( 18]。慢性活动调制,短期、依赖性活动的大脑信号可以被转移到新途径和可能绕过现有的传播受损组织( 19- - - - - - 24]。此外,手臂肌肉优先单方面的支配,而舌头肌肉双边的支配。这对我们的工作很重要,因为即使是在严重的中风,手臂功能严重受损,舌头的肌肉保持不变(除了尾脑干病变)。

重叠广泛皮质表示已被确认的手和舌头的运动皮层( 25]。这两个地区是高度相互关联的功能,参与同步激活在独立的手和舌头运动( 26, 27]。进一步的区域互联互通 发生在个人患有幻肢疼痛,deafferented显示广泛的皮质活动的手表示有目的的嘴唇和嘴的动作时( 28]。这些数据 还建议广泛功能重组发生的嘴唇和嘴巴区域皮质的手 地区传入神经阻滞。其他数据地形变化的感觉运动的主旨 皮层将舌头的运动表象转化为该地区的手 29日]。

电动机任务充当司机神经可塑性变化。舌头,小说语言运动的任务 培训已经证明人类和非人类的模型驱动神经可塑性的变化,改变 被观察到在干预后24小时( 30., 31日]。Boudreau等人推测,这些短期的变化出现在人类可能启动和传播的长期神经可塑性变化 结构重组所需的神经回路( 31日]。

在本试验研究,我们的目标是改善上肢功能和患者的生活质量 中度到重度损伤舌头驱动机器人外骨骼。我们预计,允许有问题障碍的中风幸存者同步使用舌头控制问题机器设备将授权他们发挥更积极的作用在治疗鼓励学习,结合认知计划,时间,和增加困难。我们假设30小时的TDS-HM训练 提高电机性能跟踪运动学,减少运动损伤问题,改善生活质量。此外,我们将调查之间的剂量-反应关系日常训练和运动跟踪性能。

 2。方法 2.1。参与者

志愿者年龄在18岁和85有中度到重度的单边缺血性或出血性卒中发生前3-36个月内招募。中度中风被定义为21-50和严重中风被定义为0-20 Fugl-Meyer电机的上肢部分评估(FMA /问题)( 32, 33]。入选标准包括持续轻偏瘫的分数运动手臂上的1 - 3项美国国立卫生研究院卒中量表( 34和重大障碍,限制他们的日常生活活动(ADL)。那些临床重要组成精神状态在三天内登记,严重的接受或表达性失语,任何弱点或减少舌头的感觉由标准脑神经临床测试,hemispatial忽视或分数> 2的修改Ashworth规模被排除在外。此外,由于机器人康复的物理性质,那些重要的问题在任何关节屈曲挛缩不允许手导师设备上安全、适当的设置,显示分数> 2的修改Ashworth规模( 35),被排除在外。

干预前,所有的参与者被告知研究和任何相关的潜在风险。然后参与者签署知情同意制度审查委员会批准乔治亚州立大学(Ref H13510)。总共六个中风幸存者( 60.8 ± 11.6 岁(平均±SD)单方面问题轻偏瘫而导致的中风( 21 ± 9.26 卒中后个月(平均±SD)满足入选标准,参加试点研究。中风幸存者没有参加正式的康复活动,参与本研究;然而,参与者被鼓励来维持他们的正常活动。

 2.2。手的导师

手的导师(HM)设备设计与卒中后问题障碍供个人使用。利用该装置的目的是改善关节活动度(ROM)的远端肌肉和力量轻偏瘫患者和软弱的肢体轻瘫的高度密集,特定于任务,和互动练习 36, 37]。从先前的临床试验结果表明,利用HM改善自我功能手使用和健康相关的生活质量的措施( 9, 38, 39),而最近的一次家庭telerehabilitation干预发现,HM的使用结果在统计学和临床意义问题的改善临床结果的措施( 40]。进一步说,最近的一次大规模、个随机对照试验发现,HM成功在问题产生显著改善电动机结果亚急性中风幸存者在相似水平传统康复( 41]。HM的独特之处在于设计,它提供了针对老鼠的手腕,大多数其他机器人的干预措施在哪里启动步骤。

 2.3。舌头驱动系统

舌头驱动系统(TDS)是一种无线辅助技术开发允许高水平脊髓损伤患者驱动电动轮椅( 42]。TDS利用舌头的自愿的运动来让用户来控制他们的环境,完全独立地说话的能力( 15, 43),只要求用户能够把舌头移到用户定义的位置反复和持续 44]。TDS利用无线耳机的扩展位置磁传感器的脸上用于跟踪小磁性示踪剂(直径5毫米,1.1毫米厚),暂时粘附近用户的的舌尖,口服胶(PeriAcryl GluStitch Inc .,罗伯茨,佤邦)。口腔内舌头的位置变化导致磁场的变化。此信息可以拴在命令发送无线PC访问电脑或其他辅助技术。

 2.4。混合TDS-HM干预

混合TDS-HM系统界面的可穿戴TDS HM,这三个离散的命令(向右,左,和中性)由舌头的运动提供援助与手腕扩展和弯曲的机械设备。综上所述,TDS-HM系统允许用户使用活跃的手腕运动结合tongue-derived援助来跟踪目标导向目标波形呈现在电脑屏幕上。跟踪性能定量评估是目标和观测位置之间的大小差异在各种培训模式。这个概念进一步描述的部分 2.7。所选择的训练要求参与者导航sin,三角形,和随机矩形波形通过同步手腕运动和舌头的命令。参与者被要求不断尝试活跃的手腕运动机器人装置同时发出相应的命令用舌头来跟踪波形。然而,活动手腕或手的动作不是必需的。参与者很少或根本没有主动控制能够准确地跟踪波形完全由TDS命令。

 2.5。培训协议/实验设计

干预是控制频率(每周2小时,3次)和时间(5周)。参与者被要求完成一个RT与TDS-HM的共有15个两小时的会议。训练强度是每周3次与所有15个交易日连续5周内完成。这种培训模式选择允许参与者聚合共30小时的治疗,一个阈值的客观功能改进通常发生( 45]。第一个训练之前,初步驯化期被允许以确保参与者理解练习和设备安装(图 1)。所有会话被授权监督物理治疗师(KR)在使用TDS-HM训练。

试验装置。顶部中心,图形用户界面(GUI),参与者在游戏训练的看法。底部中心,手导师(HM)装置戴在右上肢轻瘫的。离开,健康志愿者与TDS耳机贴在头上。磁传感器定位双边捕捉最大口腔领域。右下角,小磁性示踪剂用于控制HM设备。与红色安全按钮底部中心,HM控制器用于立即停止训练。

在训练期间,参与者坐在一个直立的位置的22′′电脑显示器。参与者穿着外部TDS耳机,和一个小磁性示踪剂在参与者的舌头使用口服胶PeriAcryl (GluStitch Inc .罗伯茨,佤邦)。嗯然后在参与者的局部麻痹的手臂和手肘和手腕定位在90°弯曲和前臂扶手。参与者的主动和被动的手腕的活动范围测量goniometrically [ 46)校准HM设备的灵敏度(获得)。没有支持水平的近端,以便参与者可以自由位置和移动他们的上臂。可能的补偿躯干运动或异常的手腕动作是由物理治疗师手动监控和预防监督治疗。

每个15训练期间,一系列的校准完成,以确保发布的命令的准确性TDS系统。尽管详细描述(描述的TDS校准之前一直 42),简要总结的过程需要参与者,在训练之前,与图形用户界面(GUI)来定义三个离散的和可再生的指挥位置(上,下,左,和中性)在三秒钟的时间间隔(图 2)。校准使用主成分分析(PCA)提取相关特征的三种定义命令。这些命令为每个位置,重复10次,12个变量向量是用来计算特征值和特征向量的提取和三维intraoral空间。然后三个最大特征向量与特征值选择建立一个特征矩阵,用于确定当参与者与舌头发出一个命令。这个过程通常需要10分钟才能完成。随着参与者变得更加舒适与校准过程校准时间减少。

Pretraining校准。Pretraining图形用户界面(GUI)显示了虚拟的3 d表示磁性示踪,连接到用户的舌头,口腔空间。主成分分析(PCA)空间由转换向量,确定独特的舌头位置在三维空间。

成功的校准后,参与者被要求把轻瘫的问题,用舌头同步命令,为了复制目标运动模式显示在监视器上。目标和观测到的运动是向参与者解释。参与者被指示,在训练中,他们跟踪目标,用手腕角度反馈(图 3),使他们的动作尽可能准确(即。,lowest root mean squared error (RMSE)), duplicating the goal movement pattern. Participants completed three sets, consisting of approximately six to eleven trials of sine, triangle, and random rectangle waveforms (40 seconds), in order, lasting four–seven minutes each. A short rest period of up to five minutes was allowed between each set to prevent muscle fatigue (Figure 4)。每个会话后,TDS耳机和HM机械设备被移除。然后监督治疗师协助磁性示踪剂的去除。

视觉反馈给参与者的例子。活跃罗(粉色区)代表运动的参与者的大小能够意志地移动她或他的手腕。舌头驱动系统(TDS)罗,舌头控制可以命令HM,可用的部分是罗的中风幸存者不能自愿行动。垂直粉红色错误代表TDS罗上方和下方中风幸存者活跃的罗强调了黄色和红色区域代表部分跟踪波形的中风幸存者将只使用手和舌头和手,分别。

通过研究参与者流。参与者识别基于纳入和排除标准,然后通过电话筛选研究的临床医生。基线评估和设备培训完成后首次访问研究。每个15训练期间,参与者完成了三组,由大约六到十一试验sin,三角形,长方形和随机波形(40秒),持久four-seven每分钟。一段短暂的休息五分钟被允许每组之间,以防止肌肉疲劳。

 2.6。临床结果的措施

Preassessments所有参与者的所有结果措施前一周内完成训练,和postassessments后一周完成最后一次训练。评估结果被推迟在训练的日子里减少疲劳的干扰。

主动(AROM)和被动(舞会)手腕的运动范围扩展测量goniometrically, Norkin标准化的和白色的 46]。测量AROM和舞会的手腕弯曲和扩展评估每个日常训练之前校准HM敏感性(获得)。占设备重量和手臂和设备之间的物理相互作用,舞会和AROM措施当参与者HM戴上完成。

狼运动功能测试(WMFT)决定执行15日常任务所需的时间和每一个问题。功能项范围在水平的困难,要求第一首单曲和近端关节运动和进步相结合共同涉及远端肢体的运动。WMFT已经验证了使用急性慢性中风幸存者( 47- - - - - - 49]。

菲利普-马萨/问题规模是33-item测试与每一项得分三分等级分类,卒中后运动功能和恢复措施 32]。分数范围从0到66(正常功能) 50]。菲利普-马萨/问题是一种可靠和有效的工具测量问题障碍后中风( 51]。

中风的影响规模(SIS)库存是一个全方位的健康状态。stroke-specific,自我报告测量由59项,分布在8个不同领域研究力量,手功能,流动性,日常生活的活动,情感、记忆、沟通、和社会参与( 52)以及新假设的物理集群( 53]。

 2.7。机器人的结果的措施

HM运动收集的数据是用来评估电机性能。评估的手和手腕运动控制训练期间,RMSE被用来确定参与者的密切跟随目标通过计算目标之间的区别和观察到的跟踪性能。一致的RMSE下降随着时间的显示更准确的跟踪和运动学习( 54, 55]。TDS-HM使用报告的总和日常使用时间(分钟)设备五周期间。整个RMSE对于一个给定的会话的块是使用以下公式计算: (1) R 米 年代 E o v e r 一个 l l = ∑ 我 = 1 n y ^ 我 - - - - - - y 我 2 n 。

2.8。数据分析

观察和目标跟踪性能记录(50赫兹采样率),在每个治疗,转移到一个定制的Microsoft Access数据库。RMSE波形跟踪误差,评估,计算每个治疗的第一正弦波形,通过比较观察到跟踪目标跟踪,在哪里 y 我 跟踪和观察吗 y ^ 我 是目标跟踪。RMSE计算完成了采样长度大约相同的块(前5分钟)的审判。抽样方法选择减少疲劳性能的影响后重复训练发作( 56]和减弱的经验依赖可塑性在cortical-cerebellar cortical-striatal和神经系统在快速学习阶段( 57]。每一块被丢弃的第一40秒占初始气动泵灌装和允许参与者达到稳态跟踪性能。剩下的时间块用于分析。

 2.9。统计分析

数据与数据输入表单检查的准确性和表达手段,中位数,SDs,范围计算使用Microsoft Excel。总时间为每个波形提取使用Microsoft Access数据库和计算在Excel中。所有剩余使用SPSS分析完成,22 (、IBM、纽约Armonk)版本。从基线受损的手]/问题,WMFT和SIS域分数比相应的估计的最小值临床重要的区别(MCID)在慢性中风这些措施( 58- - - - - - 62年]。功能的变化结果分数使用成对从基线进行了分析 t测试。线性混合效应模型被用来评估时间的影响跟踪性能(RMSE)从基线的变化。时间×RMSE主要感兴趣的互动。线性混合效应模型被选为了适应重复措施设计而不是在假设所有数据点之间的独立性。一个自回归秩序1 (AR(1))结构被选中,是因为它没有指定,观察之间的协方差相同的参与者必须相等,但可能会增加延迟( 63年]。这些方法被选中,是因为他们能更好地适应缺失的数据点的情况下,个体参与者并没有完成所有或postassessment 15训练。利用线性回归模型来确定关联的强度训练时间(分钟/天)和RMSE跟踪性能。重要性水平是和所有测试2-tailed等于0.05。

 2.10。样本大小的计算和评估影响的大小

由于性质的初步研究,未来的样本量计算没有进行。估计效果是用于确定影响TDS-HM对提高电机性能跟踪,问题功能,以及预处理和postintervention之间问题障碍。数据输入到效应大小计算器G ∗ 权力(3.1.9.2版)( 64年]。效应值被指定为科恩的 d = μ 1 - - - - - - μ 2 / σ 预处理和postmeans被定义为 μ 1 和 μ 2 分别和汇集标准差 σ( 65年]。尺度效应被重新投入到G ∗ 力量完成后验能力分析为未来的研究提供样本容量的估计( 64年]。

 3所示。结果

图 4显示了流程的参与者通过每个阶段的研究。六个中风幸存者( 60.8 ± 11.6 岁(平均±SD)与问题轻偏瘫造成单侧大脑中动脉(MCA)领土梗塞( 21 ± 9.26 卒中后个月(平均±SD)满足入选标准,参加试点研究。所有六个参与者显示中度到重度的问题障碍 ( 25.7 ± 14.9 ) 菲利普-马萨/问题[ 32, 33次要的皮质脊髓束梗塞。没有出现脑干梗塞或多个血管领土。整体TDS-HM训练是安全的和良好的耐受性。没有不良事件发生。基线特征包括人口统计信息、共病情况,病变特征,展示在表和披露的药物 1。

参与者的基线特征。

基线特征 参与者 ( n = 6 )
平均年龄在入学年(SD) 60.8 (11.6)
性别F和M n(%) 2和4 (66.67)
意思是在几个月以来中风(SD) 21日(9.26)
对轻偏瘫(%) 3 (50)
右手主导(%) 6 (100)
不完整的数据(%) 1 (16.67)
基线FMA /问题(SD) 25.67 (14.88)
中风的病因 缺血性(P1)
缺血性中风,收到tPA和血栓切除术(P2)
出血性(P3)
缺血性(P4)
缺血性与出血性转换(P5)
缺血性(P6)
中风的位置 左皮层下MCA领土(P1)
对皮质MCA领土与皮层下保留(P2)
右基底神经节(P3)
左皮质MCA领土与皮层下保留(P4)
左基底神经节(P5),
对皮质MCA领土(P6)

P:参与者;tPA:组织纤溶酶原激活物;MCA:大脑中动脉;线性回归模型探索初步剂量反应关系RMSE正弦波和日常练习时间为所有参与者。

五个中风幸存者参与者完成了试点研究,包括15天的TDS-HM训练训练5周。一位与会者退出10天后TDS-HM培训由于时间安排的冲突和缺乏动力。然而,这个参与者完成所有postintervention结果衡量评估所以他/她的数据包含在所有分析。临床结果措施手段和SD参与者在基线和postintervention展示在表 2。

临床结果的措施。

结果测量 基线(SD) Postintervention (SD) 从基线平均差(%) 95%可信区间 p价值
RMSE 17.40 (3.89) 8.20 (2.06) 9.20 (52.87) 2.87到11.36 0.007 ∗
WMFT
总 5.29 (3.14) 5.13 (2.63) −0.161 (3.02) −1.72到1.39 0.801
任务在120年代不完整 5.71 (5.71) 5.43 (6.13) 0.28 (5.03) −0.59到1.17 0.457
UE-Fugl-Meyer 25.67 (14.88) 31.17 (18.35) 5.5 (21.43)__ −0.00329到11.00 0.05 ∗
的活动范围
活跃的 16.33 (22.36) 25.5 (27.58) 9.17 (56.15) −1.99到20.32 0.088
被动 53.50 (18.72) 69.83 (17.89) 16.33 (30.52) 1.81到30.85 0.034 ∗
中风的影响规模
手 30.00 (27.02) 36.67 (24.01) 6.67 (22.23) −31.12到44.46 0.669
诽谤联盟 65.00 (29.37) 70.42 (28.13) 5.42 (8.34) −8.99到19.83 0.378
流动性 70.83 (35.08) 73.61 (31.17) 2.78 (3.92) −4.82到10.38 0.39
参与者 43.23 (20.77) 47.40 (16.34) 4.16 (9.65) −9.23到17.55 0.46
强度 45.83 (26.42) 57.29 (20.70) 11.46 (25)__ 1.80到21.11 0.028 ∗
物理 57.89 (27.23) 63.54 (25.35) 5.65 (9.76) −4.17到15.48 0.199

缩写。RMSE:根均方误差;WMFT:沃尔夫运动功能测试; p ∗ ≤ 0.05 ;__达到了之前验证MCID;线性回归模型探索初步剂量反应关系RMSE正弦波和日常练习时间为所有参与者。

 3.1。临床结果的措施

所有临床评估postintervention显示改善的研究(表 2)。结束的时候TDS-HM干预(星期6),参与者平均提高5.5点(21.43%)]/问题的规模 ( p = 0.05 ) 实现之前验证MCID[4.25和7.25点之间 62年),表明临床显著改善。平均而言,参与者显示显著改善手腕舞会(+ 30.52%, p = 0.034 )和温和的,不重要的改进(+ 56.15%, p = 0.088 )在手腕AROM postintervention评估。温和,不重要的(+ 3.02%, p = 0.801 )改进观察意味着WMFT演出时间,与一位与会者无法执行任何WMFT任务在基线或postintervention评估(数据未显示)。参与者的自我生活质量的措施显示改进跨所有域的姐姐,与临床(+ 11.46分)和统计学意义 ( p = 0.028 ) 指出改进领域的力量。

 3.2。机器人的结果的措施

总结的机器人展示在表结果的措施 3。在15天的干预,两个严重受损的参与者(P5、P6基线FMA /问题分数4和20日resp。) ( 33)无法完成规定的每日剂量的训练,我们定义为三组。这些参与者只能完成一套培训波形的多数天(> 10天),经常(> 6天)只能完成一套,正弦波形的训练。此外,这两个参与者并没有持续参与剩余的三角形和矩形波形的训练。因此,总设备使用时间对这两个人是低于预期。控制的不同总设备使用和有限的接触不同的波形,正弦波形被选为所有机器人跟踪误差测量结果分析。正弦波是初始波形参与者完成了每个干预会话,每个参与者被暴露在每个训练日至少一个正弦波形,因此衰减经验依赖的发生在cortical-cerebellar和cortical-striatal神经系统可塑性在快速学习阶段( 57]。

总培训设备使用在几分钟内所有波形(SD)。

的意思是 P1 P2 P3 P4 P5 P6
使用(分钟)
第一天 17.75 (7.54) 19.22 23.23 15.60 28.66 11.36 8.41
第二天 26.48 (18.17) 16.78 40.70 39.06 47.80 8.75 5.80
第三天 26.55 (22.65) 16.51 30.13 44.41 60.08 4.02 4.16
第四天 31.17 (20.70) 15.53 33.00 50.01 59.38 24.32 4.77
第五天 34.00 (23.47) 24.20 31.04 59.48 64.60 20.33 4.37
一天6 25.15 (19.45) 18.89 30.17 61.02 20.97 15.41 4.45
第七天 28.85 (24.63) 20.73 34.37 75.09 22.08 16.39 4.41
第八天 22.42 (13.15) 21.02 28.54 42.56 24.95 13.16 4.32
天9 21.88 (12.48) 20.67 28.81 40.03 24.82 12.36 4.55
第十天 23.31 (12.89) 20.77 29.59 44.18 24.78 12.22 8.34
天11 22.07 (14.91) 23.44 29.78 43.15 24.57 11.49 NA
天12 22.61 (14.99) 24.38 30.37 43.19 25.86 11.88 NA
天13 23.41 (15.42) 24.43 32.54 43.84 27.36 12.30 NA
第14天 23.46 (15.24) 27.15 31.22 43.32 27.04 12.04 NA
一天15 22.74 (15.05) 23.32 32.42 42.89 25.43 12.36 NA

P:参与者;N / A:不适用;线性回归模型探索初步剂量反应关系RMSE正弦波和日常练习时间为所有参与者。

(总 371.86 ± 228.79 分钟)和日常( 24.79 ± 16.39 min)的意思是设备使用报告所有波形占总培训完成曝光。探索剂量和时间的交互性能(RMSE),进一步独立正弦波形的分析是必需的。意思是正弦波的培训时间( 133.84 ± 67.85 分钟)大型参与者之间的差异,从46.95到233.14分钟。每日正弦波形训练也大大不同参与者之间(3.19到24.98分钟)。

初步前/ postanalysis跟踪性能的变化揭示了重要的适度降低(52.87%, p = 0.007 )在跟踪误差(RMSE)在所有参与者中,表明改进的跟踪性能与TDS-HM干预(图 5)。第一和第二轮廓图 5目前平均跟踪性能一个40秒正弦波形在最初和最终TDS-HM训练科目。两个轮廓,目标和观察跟踪性能是由蓝色和红色线,分别与错误 ( y ^ 我 - - - - - - y 我 ) 阴影所代表的灰色地带。减少跟踪误差可以清楚地观察到两者之间的轮廓显示改善参与者的能力准确地跟踪目标波形发生在15 TDS-HM训练。

意味着跟踪性能。意味着从第一个训练跟踪性能的最后一次训练。固体蓝色线表示目标正弦波形。固体红线表示跟踪观察。灰色阴影区域表示跟踪误差。

进一步重复措施分析,利用线性混合效应模型,没有发现显著的影响从干预时间RMSE跟踪性能, f ( 14日,59岁 ) = 1.246, p = 0.268 。线性回归建模、检查培训时间和跟踪性能之间的关系在所有参与者中,发现增加训练时间减少的一个重要预测RMSE跟踪误差( β =−0.473 = 0.006)(图 6(a))。

初步RMSE剂量反应关系和日常正弦波练习时间。线性回归模型探索初步剂量反应关系RMSE正弦波和日常练习时间为所有参与者。

 4所示。讨论

这项初步研究旨在评估的影响结合机器人康复设备(HM)和一个名为舌头驱动系统的辅助技术来提高功能和中风幸存者的生活质量。TDS和HM系统被选为了同步激活的舌头和手在大脑皮层运动区。我们假设30小时的TDS-HM培训将提高电机性能跟踪运动学,转移到降低问题障碍。

研究表明,中等至严重影响中风幸存者(就是明证低意味着招生FMA /问题分数)可以安全可行的参与活动,练习使用TDS长期重复的任务。运动损伤问题减少治疗期间,就是明证显著改善在菲利普-马萨/问题分数和舞会。温和,不重要的改善AROM被观察到。平均而言,参与者能够在较短的时间内完成WMFT测试和能够成功完成更多任务完成后TDS-HM培训;然而,这些变化并不代表临床或统计上显著的改进。此外,这些初步数据表明,TDS-HM干预有可能引起生活质量的改善措施在所有的物理维度SIS为中度和严重中风幸存者。所有参与者经历减少跟踪误差,表明提高电动机的性能发生与TDS-HM训练后。虽然当占重复措施设计,无意义的改善跟踪错误发生,我们认为改善波形跟踪转移到临床显著改善问题函数中风幸存者的参与者。在协议与先前的整合工作Lohse et al。 5]调查治疗时间和运动剂量反应关系改善,我们的回归建模表明,每日治疗时间的延长电机性能改进的一个重要预测对于大多数科目。

尽管先前的研究支持FMA /问题和WMFT分数建构效度的相关问题( 49, 66年),我们的研究结果表明不同变化postintervention评估两者之间的措施。意味着改善FMA /问题TDS-HM干预后得分(5.5)类似于与先前的RT的变化研究,2.5到5.3 ( 67年- - - - - - 70年),而达到临床和统计学意义,而无意义的 ( p = 0.801 ) WMFT变化意味着演出时间没有达到临床意义中看到以前的RT研究[ 41, 60]。这种差异可能部分是由于参与者的能力。WMFT可能不敏感,我们严重中风幸存者由于地板任务难度的影响( 66年, 71年]。探索性分析去除最严重的两个参与者揭示全面改善WMFT性能(3%对10%),呈现更大的积极趋势MCID 19%。作为替代WMFT,未来的研究可能会利用机器人运动学数据监控级和峰值的变化手腕的活动范围。监测数据在整个课程的后续TDS-HM干预可能提供更敏感的措施能够检测受损严重的中风幸存者的变化。必须指出尽管HM能够检测运动的变化程度,还有待观察,如果检测变化大小导致临床上有意义的函数的变化。

缺乏临时措施在中风康复研究之前一直讨论作为一个混杂的问题,限制剂量反应调查( 72年]。我们相信日常RMSE跟踪数据的包含提供可靠的、可量化的电机性能的措施。进一步说,这些数据可以实现在trial-by-trial的基础上,提供初步了解剂量反应关系,雇佣RMSE跟踪数据。尽管重复措施分析没有检测到显著的影响时间RMSE,只要扫一眼预处理和postintervention结果表明适度巨大差异存在的治疗。减少RMSE几天内出现的初始治疗的训练和坚持到最后,这些结果给未来的研究可能进一步调查了解剂量反应超出了15天培训调查在这个研究。

尽管先前的研究已经表明,更多的治疗提供了增量效益在行为结果( 73年Dromerick等人所做的),工作表明,高剂量治疗显示显著减少改善在90天 74年)相比,低剂量治疗。这可能越来越多的证据表明一个“倒U”型曲线,过多或过少治疗导致更糟糕的结果。这种差异在文献中强调了未满足的需要康复工具来监控计量和性能优化的康复模式的“倒U”曲线的顶点。

以前的机器人治疗研究已经确定了有限的好处RT培训时间(低 7, 75年, 76年]。因此,本试验研究旨在提供30小时的TDS-HM培训提供一个干预剂量,与其他研究是一致的,是为了积极影响功能和减少损伤( 7, 75年]。尽管TDS-HM培训目标30小时,总平均TDS-HM培训时间为371.86岁(范围53.58 - 687.83)分钟5周期间。这是一个131%的差异,并远低于先前报道大多数RT研究[ 6, 41, 67年, 70年, 77年]。可以说,TDS-HM培训时间可能已经开始。多相计量记录在当前的研究中可能还有助于改进AROM中观察到的大小。协助解释研究结果,探索性的分析个人中风幸存者的AROM数据显示四个AROM参与者演示了改进的。探索性分析表明TDS-HM干预可能引起中风幸存者的最大改善AROM适度赤字,一个主题在汇集数据不明显。

虽然低平均培训时间必须考虑这个试点研究的限制,这一趋势是朝着改善电机性能和减少功能障碍。趋势显示承诺,当考虑到自然痊愈的混杂效应可能没有造成显著提高慢性中风幸存者的电动机,不活跃在其它治疗干预措施( 78年, 79年]。它也必须考虑,本研究的结果代表效益递减的存在后达到最大有效剂量( 74年]。另外,考虑到低平均培训时间,似乎更有可能中风幸存者没有达到最大有效剂量之前完成TDS-HM干预。确定的最佳剂量治疗中风后的强度和时机仍有待回答。

另一种解释为什么一些pre / postassessments没有达到意义可能是初步研究缺乏足够的权力来检测任何重大影响,即使他们存在,这是合理的考虑到小样本大小。尽管如此,所有措施显示积极的趋势,与几个措施显示温和的手段之间的巨大差异,因此利用当前结果的估计效果,未来的研究似乎是合理的。未来的研究涉及TDS-HM干预并检查前/ RMSE(科恩的后效 d = 2.957 )要求一个α4参与者每组设置0.05和80%的力量。那些使用菲利普-马萨/问题(科恩等一个结果 d= 0.331),舞会(科恩 d= 0.892),AROM(科恩 d= 0.367),姐姐域(科恩的力量 d= 0.486),姐姐的手域(科恩 d61年= 0.261)需要74,12日,36岁,分别和每组118例。这些样本量估计代表所需的最小数量的参与者是我们计算敏感效应大小。

虽然我们做了相当大的努力设计一个良好的研究,有一些限制。首先,尽管目标治疗时间最初设置为30小时超过5周,大的异质性在参与者的能力受损的参与者从达到30个小时的治疗剂量。第二,一个小组研究设计与多个时间点,而不是两群随机对照试验,使用。研究没有安慰剂或随机对照组可能让我们的结果许多可能的解释和解释。第三,由于不同的曝光和缺乏three-waveform试验随机化,只包含在分析正弦波形,波形暴露的限制了效用超出了最初的正弦波。最后,尽管初步剂量反应关系可能被观察到,各种复杂的相互作用在15天治疗剂量干预需要谨慎的解释。

未来的研究涉及TDS-HM将解决异构培训体积保持训练剂量不变在整个干预。监控累计培训时间和允许的会话数量增加或减少,以适应文献支持30小时推荐问题康复( 45),将确保在参与者和实验组剂量匹配。随机化波形接触在未来将允许包含所有波形分析。

虽然已经观察到,每日治疗时间的延长电机性能改进的一个重要预测( 5),调查潜在的“倒U”剂量反应曲线代表的存在收益递减后最大有效剂量未来的研究提出了一个有趣的工程解决方案利用RMSE跟踪性能。未来TDS-HM研究将实现一种新颖的基于软件的监控系统,不断提供了参与者的回顾RMSE对于一个给定的时间段。重复,大偏差RMSE可能发挥作用在客观地确定需要休息休息。如果这一趋势继续下去,任务失败可能发生显示的最大有效剂量的TDS-HM培训。

虽然机器人治疗很少实施严重中风幸存者由于缺乏自主运动( 80年),未来的研究涉及TDS-HM将包括与惰性TDS dose-matched HM对照组。我们希望这种比较将阐明添加剂效益同步舌头和手的动作对严重中风幸存者。此外,未来的工作还将探索的理论构造地形重组在舌头和手的运动皮质功能和结构神经成像技术( 81年, 82年]。

 5。结论

这项初步研究的结果是有前途的,证明TDS-HM系统可能是一个可行的选择对于那些有中风幸存下来没有自愿的运动问题。数据从这个初步研究表明TDS-HM可以引起临床和统计学意义的改进,减少问题障碍在中等至严重受损的中风幸存者。这些数据更显著的总培训时间相对较低时,与以前的RT研究相比,被认为是。这个试点研究还提供了初步洞察体积改善结果所需的治疗时间使用这个设备。我们也认识到这一初步研究的局限性,并鼓励TDS-HM干预提供触觉和视觉反馈鼓励中风幸存者的运动控制问题,中风康复和启动神经可塑性的一个核心组件。观察到的结果提供了重要的见解对杂化的潜在使用机器人治疗和辅助技术利用添加剂效果和治疗的影响在人无法参与独立的机器人治疗。

 缩写 嗯:

手的导师

 TDS:

舌头驱动系统

 TDS-HM:

混合的舌头驱动系统和手导师干预

 问题:

上肢

 RT:

机器人治疗

 AROM:

活跃的活动范围

 舞会:

被动的活动范围

 分布:

日常生活活动

 RMSE:

均方根误差

 菲利普-马萨/问题:

上肢Fugl-Meyer汽车评估的一部分

 WMFT:

沃尔夫运动功能测试

 姐姐:

中风的影响规模

 AR (1):

一阶自回归

 MCID:

最小的临床重要的区别

 GUI:

图形用户界面

 主成分分析:

主成分分析

 MCA:

大脑中动脉

 网膜症:

非胰岛素依赖型糖尿病

 ASA:

阿斯匹林

 tPA:

组织纤溶酶原激活物。

 数据访问

数据集支持本文的结论FigShare存储库中可用 https://figshare.com/s/8d5a9a29057629a529d2和 https://figshare.com/s/d54f97b79dd0e05231bd。

 伦理批准

参与者的同意是乔治亚州立大学的机构审查委员会批准(Ref H13510)。

 同意

干预前,所有的参与者被告知研究和任何相关的潜在风险。然后参与者签署知情同意。

 信息披露

内容是完全的责任作者,并不一定代表官方的资助者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 作者的贡献

安德鲁·j·巴特勒和Maysam Ghovanloo参与的设计研究。吴振伟斯蒂芬•n . Housley和安德鲁·j·巴特勒收集和分析所有数据,起草了手稿。所有作者贡献的解释结果。所有作者手稿编辑。所有作者阅读和批准最终的手稿。

 确认

支持的工作是国家医学转化中心下的国家健康研究所(NIH)奖。UL1TR000454。

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