Haptic-Enhanced虚拟现实系统精度的效果把握收购在中风康复

文摘

中风是长期残疾的主要原因,基于虚拟现实(VR),中风康复是有效提高动机和功能性能。虽然大部分的功能实现和掌握上肢功能恢复了,捏运动仍然受损后中风。在这项研究中,我们开发了一个haptic-enhanced VR系统模拟触觉捏任务帮助上肢的精细运动功能的恢复。我们招募了16个成年人与中风来验证这种新的虚拟现实系统的功效。每个病人收到30分钟VR 8周的每周训练3次。结果措施,Fugl-Meyer评估(FMA),测试Evaluant莱斯进行特级des人金(TEMPA),沃尔夫运动功能测试(WMFT),盒子和块测试(《)和Jamar测功机的控制,显示统计学意义进行预测后续测试和后续进展,表明该系统有效地促进精细运动功能恢复。此外,我们的证据表明,这个系统也有效的在某些困难的条件下如慢性中风阶段或coside病变和优势手(非惯用手受损)。系统可用性评估表明,参与者强烈想要继续使用这个虚拟系统的康复治疗。

1。介绍

中风是长期残疾的主要原因1高达76%的中风患者经历的上肢瘫痪发作(2]。虽然康复程序可以提高上肢功能的恢复,治疗干预措施的有效性通常不明显在上肢比下肢3];55% - -75%的中风幸存者继续体验功能限制上肢中风后3 - 6个月(4- - - - - -7]。在轻瘫的上肢功能恢复通常展品proximal-to-distal梯度,导致手功能还穷比手臂功能(8]。然而,上肢的功能恢复中风后的改进主要是由局部麻痹的手。Faria-Fortini et al。9)报道,在慢性中风患者,控制和压力强度比proximal-end力量与上肢功能。因此,努力改善手和手指的力量应该强调在康复计划。尽管中风幸存者往往恢复大部分的功能达到上肢和把握能力,捏的复苏技能在大多数病人仍然不完整。捏的动作代表一个重要的上肢运动技能(10,11],受损的压力大大影响了一个人的中风后灵巧。

关于电机的机制改进,最近的证据表明,高度重复和特定于任务的培训可能诱发皮层重组和提高汽车复苏。功能性磁共振成像(MRI)的基础研究表明虚拟现实训练系统诱导皮层重组在中风患者12,13]。仅仅重复简单的任务,在表演者的能力,然而,不太可能诱发神经可塑性和学习(14]。因此,面向任务的培训项目应该(1)充分挑战需要新的学习,(2)进步和最佳适应每个人的能力,和(3)足够刺激邀请积极参与。创造现实的和要求的实践环境,然而,通常是具有挑战性的,可以通过一个设施有限的金融资源。因此,虚拟现实(VR)提供了许多优点在康复的设置。VR可用于乏味重复的任务转变成迷人,功能,和具有挑战性的活动,任务的难度可以分级根据一个人的能力。立即通过提供技能培训和适当和准确性能通过视觉和听觉反馈奖励,虚拟康复练习任务(增加一个人的动机15]。

虽然众多的虚拟现实训练系统开发培训中风后上肢功能,只有少数系统设计再培训手功能(16- - - - - -20.]。此外,在虚拟现实系统开发培训手功能,一些设计过于复杂,临床使用(16- - - - - -18]。安装硬件也是技术挑战性和中风患者可能需要帮助穿上人工跟踪器,可以让这一过程耗时。此外,虚拟现实系统中使用的硬件,如触觉设备和人工跟踪手套,是昂贵的,这限制了使用这些系统在康复环境。此外,一些虚拟现实系统不包含触觉的感觉反馈(20.,21]。感觉反馈从日常任务的性能获得改善手功能是至关重要的。将触觉反馈纳入VR系统不仅使用户能够观察他们是如何操纵虚拟对象,还帮助他们体验真实的触觉在虚拟环境。此外,虚拟现实系统集成与触觉,提供用户本体感受的反馈可以帮助增强电动机控制和肌肉力量。

Novint猎鹰™(Novint技术公司®、美国)22)是一个商业上可用的,具有成本效益的机器人手臂,作为触觉界面。通过生成力量展示3自由度,Novint猎鹰可以模拟复杂的力学和生产力量的感觉,用户认为是真实的。在这项研究中,我们使用dual-Novint猎鹰设备来创建一个新的触觉接口开发中风康复系统,模拟压力任务和加强手和手指来提高治疗的好处。我们的目标在这项研究中,(1)开发一种新型haptic-enhanced虚拟现实训练系统用于中风康复,(2)确定该系统的功效,和(3)检查系统的可用性。我们的假设是,提出虚拟现实系统集成触觉技术能够有效地提高精细运动功能。

2。方法和材料

2.1。Haptic-Enhanced虚拟现实系统

发展中实现三个子系统涉及到这里描述系统虚拟现实任务,触觉模拟,用户机器接口。系统体系结构如图1。基于任务导向治疗设计、虚拟现实任务是制定按压动作,以确保被要求完成每个任务,加强患者的手指。两个虚拟现实任务是使用3 d游戏引擎实现统一™(Technologies@我们统一),这是一个最先进的工具包用于开发3 d游戏部署在多个操作系统。第一个任务是一个“捏加强”任务,参与者被要求控制的一个虚拟框用2个手指,每个手指拇指+。参与者逐渐增加了捏力值,直到违约强度设置用于仿真实现。第二个任务是一个“压力和提升”任务,参与者被要求控制的一个虚拟盒子,两个手指(拇指+食指和拇指+中指),把加权框默认高度。提出系统2 Novint猎鹰设备运营协调模拟2指尖的触觉感知。在这两个任务,触觉模拟实施以这样一种方式,参与者认为表面的反作用力和/或盒子的重量。最多20秒被允许为每个审判。一系列的动态调整层次挑战也纳入两个虚拟现实任务,根据参与者的运动损伤的严重程度。 In this study, we designed a user-machine interface that separately linked two of the participants’ fingers with Novint Falcon, which allowed the participants to perform the pinch-skill tasks naturally, without exerting additional effort and to fully experience the effects of the haptic simulations. This user-machine interface is adaptable to various finger combinations.

2.2。研究参与者

我们招募了16个参与者由于中风轻偏瘫和运动障碍。参与者包括如果(1)他们首次hemiparetic中风记录在前2年;(2)他们得到了医生的诊断中风,证实了基于神经系统检查的结果和脑成像技术(MRI或计算机断层扫描(CT)扫描);(3)年龄在20到85年;(4)他们的近端影响一侧上肢Brunnstrom阶段族化合物;(5)他们没有认知功能障碍,用细微精神状态检查(MMSE≧20) (23];(6)他们愿意参与研究并签署知情同意书。我们排除了志愿者(1)生命体征不稳;(2)表现出不可逆的上肢受损的关节挛缩;(3)谁经历过手术、骨折、关节炎,或疼痛,可能影响上肢功能的恢复;(4)展出痉挛状态(> 2修改后的Ashworth规模);(5)不受控制的卒中后癫痫发作;曾有过心脏病发作和(6)在前面的3个月。台北荣民总医院的机构审查委员会,台湾,批准同意的过程。描述的参与者人口分布表1。

2.3。干预

一位有经验的职业治疗师监督haptics-based虚拟现实康复。参与者参加了30分钟复原中风会议三次每周八周,和所有参与者完成了24训练。为了避免疲劳,连续训练进行了24小时。每个虚拟现实训练练习涉及两个虚拟现实任务,pinch-strengthening, pinch-and-lift任务。pinch-strengthening任务进行20次使用拇指和手指。pinch-and-lift任务进行20次使用拇指和食指和拇指和中指。当执行虚拟现实任务,参与者坐在他们的前臂放在一个高度表,肩膀轻微的绑架,在90°弯曲肘部和前臂在一个中立的立场。每个尝试后,职业治疗师任务难度的增加根据参与者的能力。随着能力的增加,难度逐渐增加的水平。由职业治疗师进行临床评估,有3年以上经验的,他并没有参与治疗的患者。 Assessments were conducted three days before training (0 week), within three days after training (eight-week endpoint), and at a one-month follow-up session (12-week endpoint).

2.4。测量

Fugl-Meyer评估(FMA) [24展示他们的手和手腕部分是用来评估运动障碍(最大得分= 24)。测量上肢功能,我们使用了沃尔夫运动功能测试(WMFT) [25)功能四项需要远端控制(把铅笔,把纸夹,堆栈检查程序,钥匙在锁;max = 20)和测试Evaluant莱斯进行特级des人金(TEMPA) [26)功能四项包括远端控制(理解:处理硬币,捡起,和移动小物体;精密的精细运动运动:处理硬币,捡起,和移动小物体;−12 ~ 0)。盒子和模块测试(《)[27)是用来评估手灵巧度以块的数量从一方转移到下一个。强度是衡量使用手持测(JAMAR [28])。系统可用性是通过用户的技术验收评估问卷(29日- - - - - -31日),包括维度的实用性,方便使用,打算使用,而且好玩。问卷中的每一项被评为5分李克特量表使用。最后,运动学和动力学数据记录为两个指尖使用三维位置和力量。

2.5。分析方法

统计分析是进行大量的临床测量进行预测,后续测试,后续为了调查提出系统的功效。Wilcoxon等级和测试应用于配对样本的统计分析。统计工具SPSS™是用来执行统计分析。

3所示。结果

3.1。临床措施

功效是用来确定一个干预产生预期的结果在理想的实验室(通常)环境或环境。调查提出系统的功效,预备考试的成绩和期末测验的临床测量进行了分析(表2)。结果表明,菲利普-马萨的进展显著,TEMPA, WMFT,该剧,JAMAR(所有 ),进展率分数的34%,12%,18%,24%,和34%,分别。此外,我们分析了预备考试的分数和后续测试来评估培训获得的保留使用这里介绍的虚拟现实系统(表3);这些结果也表明在菲利普-马萨显著进展,TEMPA,该剧,JAMAR,成绩进步了30%,8%,19%,和24%,分别。虽然不显著( ),WMFT意味着后续测试的分数高于进行预测,与进展率是6%。

参与者在这个研究中被分成组根据他们的条件,以便使用VR系统的影响可能与每个条件的调查。首先,参与者分组根据第一次中风发生以来的持续时间:急性,0 - 3个月( );亚急性,4 - 6个月( );和慢性7个月( )。每组临床测量获得的结果进行预测,后续测试,后续呈现在图2。急性期组的参与者显示显著的进步从预备考试分数在菲利普-马萨期末测验,TEMPA,基础体温,和他们进一步显示统计学意义保存的训练效果进行预测,后续在菲利普-马萨,该剧,JAMAR。参与者在亚急性阶段显示显著进步从菲利普-马萨预备考试期末测验的分数,TEMPA, WMFT JAMAR,而参与者在慢性阶段显示统计学意义,该剧在后续测试和后续进展进行预测。第二,参与者分组根据病变和手的主导地位,这要么是coside(左和右或左和右)或交替侧(左、右或左和右)和被表示为同侧(SS)和不同侧(DS),分别(SS: ;DS: )。每组临床测量获得的结果进行预测,后续测试,后续呈现在图3。在DS集团重大进展从预备考试测验后的观察在所有5个措施,而在党卫军集团取得显著进展中确定,该剧在后续测试和后续关于预备考试。

3.2。同步的运动学和动力学数据解释的行为

运动学数据(位置3 d)和动态数据(3 d)两个指尖沿着同样的时间轴同步复合行为划分为几个monobehavioral阶段促进他们的解释。样本数据集收购,而参与者执行两个虚拟现实任务呈现在图4。在pinch-strengthening任务,两个monobehavioral阶段被发现(图4(一))。开始第一阶段任务的开始和结束时,两个手指同时接触目标多维数据集和反应部队被认为是水平的。在这一点上,第二阶段开始,参与者逐渐增加两根手指的力量,直到这个试验所需的强度。在pinch-and-lift任务,三个monobehavioral阶段被发现(图4 (b))。第一阶段是类似于pinch-strengthening任务第一阶段。在第二阶段,参与者逐渐增加压力强度提高摩擦应用和克服立方体重量以提升目标多维数据集,这是第二阶段的结束。而经历的反应力和多维数据集的重量在第三阶段,参与者逐渐向上移动目标多维数据集,直到达到所需的高度设置在这个实验中。

3.3。系统可用性

系统可用性评估的结果,以四维空间,都高于4.0分(表4),这表明参与者认为这个系统是有用的,好玩的,易于使用,他们强烈想继续使用这个虚拟现实系统在康复。

4所示。讨论

这个系统的关键因素解决haptic-enhanced仿真与虚拟现实任务集成促进精细运动康复。我们集中在三个问题进行研究:(1)是什么类型的触觉系统提出之前支持精细运动康复?这是否解决系统的类型小说;(2)如何触觉系统适用于上肢协调工作时和虚拟现实吗?该处理触觉技术如何应用于本研究可能更有效地比以前已经应用的精细运动康复;和(3)现有的触觉系统的成本,支持精细运动康复?这解决了系统开发的这项研究是否有潜力成为广泛应用于诊所。

关于类型的触觉系统用于精细运动康复在先前的研究中,提出了不同的触觉系统,力感觉提供了使用气动手套(32,33),一只手外骨骼(16,34,35),全面太阳神机器人外骨骼(35- - - - - -37),一个cable-enabled手套33),或一个手持笔38]。相比之下,在这些研究中使用的设计,我们的设计系统和包括虚拟现实任务是新颖独特的,因为设计集成双机器人手臂需要2手指工作同步(即。,the dual robot arms worked coordinately), and therefore the pinch task had to be completed precisely. Regarding the manner in which haptic systems are applied to the upper extremity while working with VR, 3 conditions can be identified in previous studies: (1) no haptics (pure VR) [39];(2)触觉技术应用于臂(35- - - - - -37];和(3)触觉技术应用到手指或手32- - - - - -35,38]。如果没有触觉技术应用(39),取得显著进展报道FMA评分的中风患者在急性期特别。然而,我们的研究结果显示,FMA评分显著进展的患者在所有3阶段:急性( )、亚急性( )和慢性( );因此,该系统具有力感觉似乎更有效治疗中风的数量比之前的所有阶段系统。在案件中,触觉是应用于手臂,在一项研究(36在报道WMFT),统计上显著的进展,但在我们的研究中获得的研究缺乏其他测量。另一项研究[37]报道WMFT和《生活中没有重大进展,但我们在研究中测量这些分数的重大进展。基于这些结果,我们得出这样的结论:一个系统的触觉技术应用于手指可能更有效的使用时的精细运动康复,与系统相比,触觉技术仅应用于手臂。最后,对触觉技术被应用于手或手指,先前的研究使用外骨骼手(16,34,35和一个手持外骨骼38]报道形式的描述性统计结果。然而,一项研究[32]报道重大进展在菲利普-马萨和《分数,同意我们的研究的结果。与上述研究相比,这项研究的结果提供了有力的证据(FMA显著进展,TEMPA WMFT,基础体温,和JARMAR)支持认为触觉技术应用于手指,在这里给出系统的情况下,可能会更有效的使用时比触觉技术应用于精细运动康复的手臂。关于费用的问题,这里介绍的触觉系统成本不到500美元,这远远低于成本的系统用于研究前款所列。此外,机器人手臂Novint猎鹰是一种现成的产品,可以从众多的零售商购买。因此,我们的新虚拟现实系统可以比其他系统更广泛地用于诊所甚至在以家庭为基础的应用程序。

除了参与者的整体结果讨论到目前为止,我们收集结果后将参与者分成组根据各种选择条件比较的影响使用系统内组织或团体之间在特定条件下。第一个条件选择的第一个打击以来的持续时间中风。从临床的角度来看,进展在中风急性期被认为是更明显比其他阶段,因为自然痊愈。这赞同我们的结果,因为我们发现统计上显著的进步从预备考试除了WMFT后续测试和后续的所有措施。相比之下,进步在慢性阶段通常被认为是不太明显比其他阶段。然而,《生活大爆炸》这一研究获得的结果表明,统计上显著的进展发生在慢性阶段的后续测试和后续进行预测。5临床措施中,该剧被认为是最相关的函数,因此我们的研究结果表明,该系统可以促进精细运动功能的恢复在中风患者慢性阶段。第二个条件是病变的组合和惯用手。临床、进步通常被认为是更明确病变方面明显不同于手的一侧优势比如果双方是相同的,因为轻瘫的一边是一样的惯用手侧中风前表现出优越的功能。同意我们的结果因为显著进展进行预测后续测试被确认在所有措施。 Conversely, progress may not be readily discernible if the lesion side is the same as the side of hand dominance. However, our results showed statistically significant progress in BBT scores from pretest to both posttest and follow-up when the lesion side was the same as the hand-dominance side. This result indicates that the proposed system may contribute to the progress of fine motor function in patients with lesion and hand dominance on the same side.

也根据我们的结果,我们得出这样的结论:使用该系统具有触觉模拟直接用于手指和重复练习捏的任务可能是有效的治疗一个病人与慢性中风等恶劣条件下阶段或coside病变和主导地位。16个中风患者招募本临床试验已完成24 30分钟训练没有投诉,系统没有出现严重技术挫折,表明康复系统可以有效地、安全地使用。提出系统的参与者接受分数很高,所有参与者和访谈证实了他们接受这项新技术应用于中风康复。参与者之一是忧虑紧张当首次执行虚拟现实任务,但显示增加信心在注意到进步。另一个参与者报告成为完全从事任务和注意疼痛少任务期间,因为大量的注意力是致力于享受虚拟现实的游戏。

这项研究的一个限制是,参与者的数量(16)在临床试验招募小;因此,本文中给出的初步结果必须由执行临床试验进一步验证了相对更大的规模。此外,本研究设计的铰链在2机器人手臂的功能,如最大力量输出,工作区域,和有限的自由度,可以开发的任务的多样性。

5。结论和未来的研究

在这篇文章中,我们已经描述了一个小说haptic-enhanced VR系统具有触觉模拟开发促进卒中后长期复苏的上肢运动功能。临床试验使用这个系统执行的结果表明,所有临床措施检查(菲利普-马萨,TEMPA,菲利普-马萨,该剧,JAMAR)表现出显著进步,表明该系统有效地促进精细运动康复。具体地说,这里给出的结果表明,这种新的虚拟现实系统也有效治疗某些恶劣的条件,如慢性中风阶段和coside病变和主导地位。通过同步运动学和动力学数据,显然是解释各种行为阶段。此外,系统可用性的措施表明,参与调查的强烈意愿继续使用该系统在康复。在未来的工作中,临床试验比这里描述的一个可以用来验证本研究的初步结果。此外,繁荣富裕的运动学和动力学数据聚集在临床试验可以使用先进的计算技术分析开发新的评估方法。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突,关于这篇文章的出版。

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