运动参数跟踪病人上肢机器人协助康复期间进展:一项观察性研究亚急性中风

文摘

背景。上肢机器人协助治疗(RT)提供密集的、重复的,和特定于任务的治疗,其疗效中风幸存者建立在文学。生物力学数据从机械设备已被广泛用于病人的评估,但很少有分析跟踪病人的进步在rt,这种回顾性研究的目标是分析内置运动的平面机器人末端执行器注册的数据评估电机复苏的时间进程和病人的工作空间探索能力。比较对象有轻微和严重的运动损伤也进行了。为此,运动平面机器人末端执行器已经记录的数据处理为研究汽车性能如何在RT执行点对点的轨迹不同的方向变化。方法。观察68年回顾性研究亚急性中风患者进行20日常会话的上肢RT InMotion 2.0 (Bionik实验室、美国):平面的点对点达到“根据需要帮助”的战略任务。下面的运动参数(KPs)计算为每个主题和为每一个点对点的轨迹在RT执行:运动精度、运动速度、峰值速度、数量和任务完成时间。的Wilcoxon符号秩测试是用于临床结果。弗里德曼的测试和事后。科诺菲尔的测试应用于KPs (Bonferroni调整)。二次数据分析进行了通过比较患者严重程度有不同的运动障碍。是水平的意义值< 0.05。结果。RT发作,运动是不准确和平滑,并显示更高次的执行比治疗结束时执行。KPs的时间进程的分析强调,RT似乎改善运动功能主要在第一次治疗:大多数KPs显示显著intersession差异在第一次5/10会议。之后,不再发生明显变化。执行动作的能力远离身体和从hemiparetic仍更具挑战性。数据分层显示的结果之间的显著差异科目有轻微和严重的运动障碍。结论。显著改善电机性能注册期间的上肢RT亚急性中风患者。结果取决于运动方向和运动障碍和铺平了道路优化医疗资源和设计病人个体化康复协议。

1。介绍

卒中后的恢复上肢运动障碍需要长时间的康复治疗,即使开始处于初期阶段,功能恢复的预后通常比下肢。肌肉的功能恢复过程需要复杂的集成活动涉及上肢近端和远端地区,和执行运动远离身体和从hemiparetic通常是相当具有挑战性的(1]。发表的研究表明,有一个高度可预测的结果不佳的回归孤立的胳膊或手的动作卒中后6个月的基础上Fugl-Meyer电动机分数(2,3]。此外,上肢功能障碍发生在多达85%的中风幸存者与一个重要的长期影响日常生活活动(ADLs)和生活质量4]。因为中风康复通常被描述为一个活跃的运动再学习的过程,运动任务重复和强度的治疗可以在康复起着重要的作用,因为他们促进神经可塑性和改善功能结果(5,6]。

机器人协助治疗(RT)能够提供高强度、重复性的,特定于任务的,互动的治疗上肢受损。此外,RT是安全的,可再生的,可定制的康复治疗促进运动学习(7- - - - - -9]。RT在改善卒中后运动的功效和功能结果,和可接受性是建立在文献[10- - - - - -13]。

临床研究在RT通常用传统方法评估患者的运动能力基于顺序测量尺度,这是管理病人在开始和结束的疗程(11]。然而,机械设备不仅提供一个辅助上肢动员,也包括传感器,在治疗期间收集生物力学数据与高水平的分辨率和精度(14,15]。因此,对康复机器人提供客观的内置数据可以用来获得主体的运动障碍相关措施。这些刺激措施允许定量和生态追踪病人的进步在一段时间内,提供临床医生更深入地了解如何组件的运动控制和协调改变每天的恢复(16- - - - - -18]。

在卒中后上肢RT,内置的措施被广泛用于定量评估病人的(19- - - - - -38],他们被分为运动学参数、动力学参数和neuromechanical参数(16]。最近的一项评估Tran et al。39]相关的运动学参数(KPs)的国际分类功能,残疾和健康(ICF)域。KPs已经中度相关的临床结果的措施(15,20.,24和他们的有效性和可靠性40- - - - - -42]。然而,大多数已发表的研究采用KPs评估病人的状态只在开始和结束的时候疗程(19- - - - - -24,26,35- - - - - -37]。然而,康复机器人注册数据在每个会话的RT,从而使电动机的日常跟踪性能(16- - - - - -18]。一些研究提出数学方法建模的时间演化期间KPs RT (25,28- - - - - -30.,32- - - - - -34,38],它的目的是深入了解功能和生理机制恢复的时间进程。这些模型都是基于整个末端执行器运动轨迹的分析,尽管它是由一系列点对点运动在工作中有不同的方向。据我们所知,只有Panarese et al。30.]分析了submovements,每在一个不同的方向,发现电机复苏direction-dependent。其他已发表的研究旨在了解内置运动措施是否可以使用在临床实践中优化RT(卒中后的长度27,31日]。在这个程度上,Mazzoleni et al。27]分析了KPs注册25个亚急性中风科目在RT与平面机器人末端执行器,发现运动学显著提高在第一次治疗,10后,发生了高原^th会话。这些研究结果证实在同一组的后续研究亚急性慢性中风患者和12(12日31日]。这些结果是令人鼓舞的虽然是招募的患者数量限制,和KPs的分析没有调查经济复苏是否依赖于运动的方向。因此,进一步的研究需要更多的中风患者为了理解如何利用机器人运动学数据设备在临床实践中优化和个性化RT。

这项回顾性研究的目标是分析内置运动的平面机器人末端执行器注册的数据评估电机复苏的时间进程和病人的工作空间探索能力。为此,运动平面机器人末端执行器已经记录的数据处理为研究汽车性能如何执行点对点的轨迹在沿不同方向变化的比较对象有轻微和严重的运动损伤也进行了。这项研究的结果可以帮助临床医生优化卒中后上肢RT疗法的长度和方向的点对点运动需要更多的强化训练。

2。材料和方法

2.1。学科和临床评估

数据库的观察进行了回顾性研究271名住院病人进行上肢RT InMotion 2.0机器人(美国Bionik实验室、水城、MA)的圣拉斐尔Pisana IRCCS罗马2011年1月至2017年12月。

入选标准为病人选择年龄在18岁到80岁,第一个事件的单边hemiparetic中风、亚急性阶段(RT内开始 天卒中后),上肢Chedoke-McMaster 2和5之间的分数,和RT 20会话。

排除标准是双边障碍、慢性阶段,RT不到20个交易日,RT中断连续超过3天,存在其他严重疾病,不完整的数据在数据库中。

以下人口数据从电子医疗记录中提取:年龄、性别、病因学、行程位置和距离急性事件。

以下临床评估初注册(T1)最后(T2)疗程:修改Barthel指数(BI),这是一个衡量ADLs和描绘了一个病人的独立程度的任何援助;Motricity受损的上肢指数(MIul),评估手臂运动障碍和范围从0到10043]。这些临床结果措施通常是作为常规临床评估。病人的隐私被确定每个记录保存在数据库中通过一个独特的字母数字代码。

2.2。道德的考虑

2012年3月以来,意大利数据保护机构(每la Garante protezione一些蒂personali)宣布IRCCS(史di Ricovero e看台Carattere Scientifico-Institute科研和医疗)可以执行回顾研究没有当地伦理委员会批准,(44)因为只有一个正式的沟通是必要的。这样的沟通已经注册的伦理委员会IRCCS罗马圣拉斐尔Pisana(日期:22/02/2017;编号:06/17)放弃的需要参与者的同意。

2.3。机器人协助治疗

所有科目进行20日常会话的使用InMotion2上肢RT系统(Bionik实验室、水城、马、美国),这是一个针对机器人装置为神经系统应用程序设计的。主题的手臂放置在一个支持连接到机器人末端执行器,执行eight-direction平面点对点达到“根据需要帮助”的战略任务。我们跟着Franceschini et al . 2018的方法45]。

每个任务涉及训练不同的肌肉的协同效应,将末端执行器从一个中心目标8外围目标,等距的半径0.14米周长,反之亦然(图1)。视觉生物反馈是来自监视器放置在前面的话题。每个会话的时间是固定的45分钟,如发表临床研究卒中后上肢RT用同样的设备上(12,20.,35,45]。重复的数量每个会话的计划如下:(i)的一系列16辅助顺时针重复每个目标(训练),16(2)一系列无助的顺时针方向重复每个目标(记录1),(3)3系320年协助顺时针重复(适应性),和(iv)一系列16无助的顺时针重复每个目标(记录2)。然而,由于重复的数量记录1和2系列取决于患者的残余上肢的能力,并不是所有患者都能执行所有计划无助的重复。

每一个错过了会议检索和受试者无法检索会话,或中断治疗连续超过三天,被排除在研究之外。

此外,所有患者接受传统的物理治疗根据标准化亚急性中风患者的康复协议IRCCS圣拉斐尔Pisana在罗马。以下治疗方法提供了高级理疗师:辅助拉伸,肩膀和手臂的运动,和功能实现的任务。

2.4。运动参数

在机器人末端执行器的运动数据记录记录1和2系列的采样频率200赫兹。受试者使用的机器人hemiparetic上肢,末端执行器的位置随着时间的推移已经表达了对参考系统与病变侧(图一致2)。

我们处理数据的第二个无助的顺时针的重复记录2系列,用MATLAB®程序定制。然后,我们downsampled数据,考虑到1^圣,5^th,10^th,15^th,20^th会话RT和我们计算以下KPs的轨迹从中央周边的目标:运动精度(MovAc),移动速度(女士),峰值速度(nPS),任务完成时间(TCT)。这些KPs描述功能的能力27,29日)和ICF的代表是两个不同的域(39]:MovAc、女士和nPS在身体机能和结构域,而TCT属于“活动”。KPs计算在这个研究中被视为“性能指标评估运动通过假设正常的质量达到连续动作,准确,平滑,相当快(17,18]。

MovAc是测量精度:该值为0,如果轨迹是完全在一条直线连接的目标。它计算的平均绝对值的最小距离点的实际路径旅行的主题(即理想。、直线连接目标)。

女士已经计算的离散速度信号(),()在和轴,分别(参考坐标系如图2)的合成速度的平均值飞机: 在哪里是样品的数量为每个轨迹。

nPS是指标用于评估运动的平滑在中风患者24):低nPS值来源于一些加速和减速,即。光滑的运动。nPS被定义为合速度峰值的数量:

TCT所需的时间进行每一个点对点的轨迹从中央外围一个目标。

因此,KP值计算为每个主题和为每一个点对点的轨迹在1执行^圣,5^th,10^th,15^th,20^thRT的会话。

电动机复苏的时间进程研究了考虑点对点的轨迹从中央的目标描绘在图的四个主要目标2。由于参考系统是符合损伤方面,每个目标对应于特定的解剖联合运动(表1)。因此,认为是点对点的轨迹描述不同的肌肉参与协同效应达到任务的执行(46,47]。

病人的工作空间探索能力,即。,the capacity to execute movements towards all peripheral targets, were described at T1 (1^圣会话)和T2 (20^th之间的会话):KPs平均,正常化最大最小值(0值)和价值(1),和极图中描述。

二次数据分析已由患者对运动损伤的严重程度在基线,MIul评估。最近的一项研究对预测结果与相同的机器人上肢RT后(45)发现,亚急性中风患者MIul得分高于48 T1有更高的概率增加独立ADLs T2。出于这个原因,患者分为两组:轻度运动障碍患者 )和那些有严重运动障碍( )在T1。组间比较每个点对点轨迹进行了在1执行^圣,5^th,10^th,15^th,20^thRT的会话。

2.5。统计数据

描述性统计是为了计算正确解释样本的特征。数据被表示为频率(相对比例),平均值和标准偏差(SD)和中间值和四分位范围分类(差),连续的,分别和序数变量。

Wilcoxon符号秩测试是用来发现显著差异在临床变量顺序。检测intrasubject KPs的差异在时间的康复期间,运用非参数repetitive-dependent测量测试(弗里德曼测试)。科诺菲尔的测试是用于事后分析定位会话之间的显著差异。Bonferroni调整是申请多个比较。的Mann-Whitney测试是用来比较KPs(为每个运动方向和RT会话)的主题与轻度运动障碍( 在T1)的严重损伤患者获得 在T1)。

对于所有统计分析,值被设定为值< 0.05和软件SPSS 20.0版(美国SPSS Inc .,芝加哥,2004)。

3所示。结果

从271例患者,68年开始hemiparetic缺血性和出血性中风科目符合入选标准,并招募了研究中(图3)。的平均年龄为65.28岁(SD 12.71年),23例(33.82%)患者女性,21例(30.88%)受试者受中风在右边。表2显示了样例在基线的人口学特征和临床分数在T1和T2 (BI和MIul)。RT的末尾,临床结果显示增加ADLs和轻瘫的上肢运动功能:在Wilcoxon符号秩检验证明显著改善BI (值< 0.001)和MIul (值< 0.001)分数,按照RT在中风幸存者的功效进行了研究11,12]。

弗里德曼的非参数repetitive-dependent测量测试(测试)被应用于每一个点对点的轨迹和为每个KP。分析并没有显示出显著的差异总体MovAc所有运动方向的变化。相反,明显的时间差异被发现在女士运动对目标( ; 值< 0.001),B ( ; 值< 0.001),C ( ; 值< 0.001)、D ( ; 值< 0.001)。一个类似的结果是获得nPS:目标( ; 值< 0.001),B ( ; 值< 0.001),C ( ; 值< 0.001)、D ( ; 值< 0.001)。同样,整个时间减少TCT是重要的运动方向:目标( ; 值< 0.001),B ( ; 值< 0.001),C ( ; 值< 0.001)、D ( ; 值< 0.001)。

这些数据4- - - - - -7显示每个KP(平均值和SDs)获得的点对点的轨迹(A, B, C, D)执行的1 68例^圣,5^th,10^th,15^th,20^th会话的rt intersession差异的统计分析显示相应的表示值,获得与事后科诺菲尔的测试(Bonferroni调整)。在RT (1^圣会话),所有的点对点运动的特点是弯曲的轨迹(意味着MovAc )(意味着nPS与不同的子运动 )执行较低的平均速度(平均女士 )和高的执行时间(平均TCT )。治疗结束时,数据明显不同:意味着MovAc ,意味着nPS ,女士的意思是在 ,和平均TCT在 。

MovAc(图4)代表(低精度值代表直运动)的轨迹,降低治疗过程中。这种行为是明显的在所有的运动方向,对目标任务的一个重要趋势c的任务涉及到肘部延伸和肩膀(即内部旋转运动。达到目标)的特点是高MovAc值在1^圣( )在20^th会话( )。轨迹向目标C有显著减少后的MovAc 10^th会话,值是持续的。平均MovAv从运动方向获得0.03的1^圣0.023米的会话,10^th0.018米的会话和20^th会话。达到的目标C注册一个平均值MovAc 0.026米的1^圣0.019米的会话,10^th0.017米的会话和20^th会话。数据从轨迹转向目标D的特征是一个意味着MovAc 0.026米的1^圣0.017米的会话,10^th0.016米的会话和20^th会话。运动对目标A、B和D没有重大intersession MovAc的变化。

女士(图5)增加在所有运动方向沿后的平均速度显著改变5^th会话和值在后续维护。类似于MovAc,女士强调低性能的任务涉及到肘部扩展和肩膀内部旋转(即。,达到目标)显示最低的速度(平均女士0.06 m / s, 0.084 m / s, 0.084 m / s的1^圣,10^th,20^th会议,分别)。剩下的任务后几乎增加了一倍的移动速度5^th随着时间的推移会话等价值依然存在。例如,目标B的意思是女士为0.073 m / s, 0.010 m / s, 0.011 m / s的1^圣,10^th,20^th分别会话。1之间的重大intersession变化注册^圣会话和以下的所有运动的方向。

nPs(图6)代表平滑(低价值代表高平滑度)的轨迹运动方向也将下降。因此,病人往往有明显减少submovements rt,例如,期间的平均数字峰值运动对目标1的6.23^圣会话,4.00十^th会话,和3.25的20倍^th会议后沿高原趋势5^th会话中对目标任务,B和C。

运动对目标C显示10后平滑度的一个重要变化^th会话。

类似的减少在演化TCT值,在对目标轨迹的特征是更高次的执行在每一个会话。具体来说,意味着从运动方向获得TCT时6.93秒1^圣会话,4.55年代的10所示^th3.58秒的会话和20^th会话。在所有的运动方向,事后intersession分析显示1之间的显著差异^圣会话和以下的。

图8描述了病人的工作空间探索技巧T1(红线)和T2(黑线)。每个点的极坐标图代表正常化KP的平均值对8运动方向。在T1,对目标轨迹MovAc显示值最高,nPs, TCT,女士的最低价值数据显示汽车改进后RT对所有目标的轨迹。在T2, MovAc仍向高目标(0.25),而在其他方向大约是0.08。增加到最大值女士在所有轨迹,除了一个朝着目标,年底速度RT是别人的一半。nPS与TCT减少所有的点对点的轨迹,虽然运动对目标A和C保留更高的值也在T2。

二级数据分析将样本分成2组与标准基于T1下的运动障碍:37名患者 ,和31名患者 。

严重患者上肢运动障碍( )显示高值MovAc的点对点的轨迹和RT会话(平均MovAc 0.022米的1^圣0.023米的会话,10^th0.020米的会话和20^th比患者会话) (平均0.020米的MovAc 1^圣0.015米的会话,10^th0.011米的会话和20^th会话)。重要的群际MovAc注册差异运动对目标( ; 值B = 0.003)和目标( ; 在15个值= 0.003)^th会话,向目标20 C^th会话( ; 值= 0.005),对目标D和1^圣( ; 值= 0.013),10^th( ; 值= 0.002),15^th( ; 值= 0.005),20^th( ; 值< 0.001)。

主题与 执行比同龄人更快的轨迹(女士高值) 。显著的组间差异被发现在所有会话运动对目标( ; 值< 0.001),1^圣会话问路B ( ; 值= 0.02)和C ( ; 值= 0.03),10^th会话问路B ( ; 值= 0.03)和D ( ; 值= 0.03)。

峰的数量的合速度总是高集团与更严重的损伤。在主题 ,对目标轨迹的平均数量的峰值的6.45 1^圣会话,2.84十^th会话,和3.59的20倍^th会话的rt,科目 ,nPs向目标1的4.29^圣会话,2.47十^th会话,和2.31的20倍^th会话的rt Mann-Whitney测试显示显著差异运动目标(1^圣会话: , 值= 0.01;5^th会话: , 值= 0.02;15^th会话: , 值< 0.001),B (1^圣会话: , 值= 0.02;5^th会话: , 值= 0.04;10^th会话: , 值= 0.04),C (5^th会话: , 值= 0.01;10^th会话: , 值< 0.001;15^th会话: , 值= 0.01)和D (1^圣会话: , 值= 0.0003)。

TCT值确认其他KPs的趋势:受试者有严重的上肢损伤有显著的更高的时间比对象和轻微缺陷的执行。组间分析显示显著差异运动目标(1^圣会话: , 值= 0.04;15^th会话: , 值< 0.001),B (5^th会话: , 值= 0.02;10^th会话: , 值= 0.03;15^th会话: , 值= 0.04),C (1^圣会话: , 值= 0.02;5^th会话: , 值= 0.03;10^th会话: , 值= 0.001;15^th会话: , 值= 0.01;20.^th会话: , 值= 0.04)和D (1^圣会话: , 值= 0.0003;10^th会话: , 值= 0.01;15^th会话: , 值= 0.007;20.^th会话: , 值= 0.0027)。

4所示。讨论

运动学数据记录由一个平面机器人末端执行器在68年的RT亚急性中风患者处理评估电机复苏的时间进程和病人的空间探索能力。一组KPs,代表电机性能,计算,他们对时间的变化和运动方向进行分析。

数据分析表明,RT导致显著改善运动组件上电机的性能。改变运动的运动学描述了精度,速度,平滑度和时间的执行电机的任务。

RT发作,点对点的轨迹是不准确和平滑,并显示更高次的执行比治疗结束时执行。这些发现与研究协议(25,27,29日,31日]KPs运动恢复的变化有关,注册一个提高KPs期间的待遇。

KPs的时间进程的分析强调,RT似乎改善运动功能主要在第一次治疗:大多数KPs显示显著intersession差异在第一次5/10会议。之后,不再发生明显变化。类似的结果在研究发现了数量有限的中风患者(27,31日]。

不同运动方向的描述性分析显示,执行运动远离身体的能力(目标)和从hemiparetic(目标B)最初是有限的:这些运动精度低、速度、平滑,和更高的执行时间与运动对身体(目标C)和对hemiparetic端(D)目标。在治疗结束时,工作区成功恢复,尽管运动涉及肘部扩展和肩膀内部旋转(目标)仍相当具有挑战性。按照类似的研究结果是发动机恢复中风患者(1,46)和RT (7,11,30.),表明不同的机制负责恢复运动对不同的目标位置,同意研究电动机协同效应在中风幸存者30.,47]。

数据分层的结果证明,在T1,大多数KPs明显不同(MovAc目标D;女士,目标A, B, C;nPs,目标A, B, D;TCT,目标,C, D)。期间RT,这种差异坚持只有在对目标轨迹(MS, nPs), C (TCT)和D (MovAc TCT)。两组患者没有注册任何其他KPs显著差异。

本研究提出了一些局限性,值得讨论。首先,参考规范KPs的值都不能用于健康受试者和中风患者进行常规治疗上肢。其次,研究了平面机器人末端执行器,而3 d为上肢外骨骼装置RT是商用。第三,MovAc值可能会影响样品的数量的轨迹和正常到达系统的弯曲行为的运动(48]:它可以证明差异,统计结果,MovAc和其他KPs之间。最后,这项研究回顾;因此,它没有评估临床和运动的影响长期RT(> 20次),不包括后续评估。然而,由于最近的一项研究在长期临床疗效(6个月)后上肢RT亚急性中风患者发现改进临床观察治疗持续时间结束时13),我们相信在KPs也可以注意到这样的趋势。

研究议程应包括收集参考规范值,高级算法分析的运动的实现在RT,和最近发布的调查设备对3 d上肢康复。

5。结论

对中风康复机器人系统可能被视为一种工具有双重目的:(i)训练患者assist-as-needed方法和(2)协助临床医生计划和个性化的康复治疗。获得的结果通过分析从68年亚急性中风患者运动数据显示显著改善电动机的性能在第一个5 - 10次rt,此外,经济复苏为每个运动方向是不同的。这样的结果是按照文献主题(27,31日,34]。

未来的研究在更大样本的主题可能突出的患者可能受益的临床特点上肢RT,此外,KPs的更详细的分析计算在第一个会话中RT可能有助于优化医疗资源和生态方法设计病人个体化康复协议。

数据可用性

作者可以将数据发送给请求它的人。

附加分

同意出版。所有作者给他们同意出版的手稿。

伦理批准

2012年3月以来,意大利数据保护机构(每la Garante protezione一些蒂personali)宣布IRCCS(史di Ricovero e看台Carattere Scientifico-Institute科研和医疗)可以执行回顾研究没有当地伦理委员会批准,因为只有一个正式的沟通是必要的。这样的沟通已经注册的伦理委员会IRCCS罗马圣拉斐尔Pisana(日期:22/02/2017;编号:06/17)放弃的需要参与者的同意。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突存在。

作者的贡献

镁、SM、FP和MF构思的设计工作。MG和FI获得数据。毫克,SM和马构思算法和分析数据。所有作者的贡献在解释数据的工作。毫克,SP, SM和MF起草了手稿。FP、AG)和DG修订它至关重要的知识内容。所有作者阅读和批准了最终版本的手稿。

确认

本项目部分由卫生部(ricerca corrente)。

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