Computerspielbasiertes Übungsprogramm zur manuellen Geschicklichkeit für Menschen mit Rückenmarksverletzung oder Schlaganfall.

Hintergrund Viele Erwachsene mit neuromuskulären Beeinträchtigungen der oberen Extremität (UE) haben Defizite in der Feinmotorik [1-3]. Manuelle Geschicklichkeit bei der Handhabung und Manipulation von Objekten ist für viele Aktivitäten des täglichen Lebens und des sozialen Lebens unerlässlich. Diese Tätigkeiten erfordern die Manipulation von Objekten mit einem breiten Spektrum an physikalischen Eigenschaften und funktionellen Anforderungen, die oft ein hohes Maß an Präzision erfordern.

Zwangsinduzierte Bewegungstherapie (CIMT [4-6]. sind vielversprechende Rehabilitationsprogramme zur Wiederherstellung der Hand-Arm-Funktion. Diese Behandlungsansätze betonen, dass die funktionelle Erholung das Lernen widerspiegelt, das durch das Generieren realer Erfahrungen, das Anwenden fokussierter Aufmerksamkeit, das Simulieren nahezu normaler Bewegungen und das Wiederholen erreicht wird Patienten, steigende Nachfrage nach Rehabilitationsdiensten durch eine alternde Bevölkerung sowie finanzieller UND Reiseentfernungsdruck. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, brauchen wir praktikable und kostengünstige Methoden zur Verbesserung der Zugänglichkeit. Idealerweise sollten wirksame Therapieprogramme in Gemeindezentren und schließlich in Patientenwohnungen zur Verfügung gestellt werden.

Zusätzlich zur Verbesserung der Zugänglichkeit besteht die Notwendigkeit, die Einhaltung von Übungsprogrammen zu verbessern. Ein aufkommender Ansatz, um Klienten in die Therapie einzubeziehen, ist die Einbeziehung von Computerspielen [7-8].

Aktivitäten in Computerspielen können eine verhaltensbezogene, ökologisch gültige und adaptive Umgebung bieten. Darüber hinaus können sie sofortiges Feedback sowie elektronische Aufzeichnungen liefern, um den Fortschritt der Interventionen zu bewerten und zu unterstützen. Mehrere Spielsysteme wurden bei der Rehabilitation der oberen Extremität verwendet. Dazu gehören kommerzielle Unterhaltungsspielsysteme wie Wii [9], Kinect [10], Leaps-Bewegungssensor [11] und mit Sensoren ausgestattete Handschuhe [12]. Diese Spielsysteme können Armsegmentbewegungen oder Fingerbewegungen erkennen – und in Echtzeit – werden die Bewegungssignale verwendet, um die Position und Bewegung von virtuellen Avataren/Objekten zu steuern oder um ein Spielpaddel zum Spielen zu steuern. Diese Systeme sind jedoch begrenzt, da sie nicht auf die Objekthandhabung und -manipulation abzielen. Daher wird die sensorische Verarbeitung von taktilen sensorischen Hautinformationen nicht berücksichtigt, die erforderlich ist, um die Objektstabilität während der Bewegung aufrechtzuerhalten und das Rutschen des sich bewegenden Objekts zu erkennen und zu minimieren [13, 14]. Es ist entscheidend, Erfahrungen zu schaffen, die die Lernfähigkeit des Gehirns verbessern, und für die manuelle Geschicklichkeit wird dies am besten erreicht, indem präzise Objektmanipulationsaufgaben durch geführte und unterstützte Wiederholung ausgeführt werden [15].

Basierend auf den obigen Überlegungen wurde eine kostengünstige computerspielbasierte Rehabilitationsplattform entwickelt, die Feinmanipulation und grobe Bewegungsübungen mit "lustigen" Computervideospielaktivitäten kombiniert, die für kleine Kinder und Erwachsene mit erworbenen Hirn- und Rückenmarksverletzungen geeignet sind [16-19). Die Finger-Hand-Funktion zielte darauf ab, den Nutzen über grobe Greif- oder Transportbewegungen hinaus zu erweitern, da die Fähigkeit, manuelle Geschicklichkeitsfähigkeiten mit den Händen auszuführen, ein wesentlicher Bestandteil des täglichen Lebens ist.

In diese spielbasierte Anwendung [20, 21] sind mehrere Prinzipien des motorischen Lernens integriert, darunter zielorientiertes, aufgabenspezifisches Training der Objekthandhabung und -manipulation, Geschwindigkeitsgenauigkeit, multisensorische Stimulation sowie implizites Feedback und Leistungswissen.

Exercise Manipulandum Device (EMD) Die meisten Reha-Übungsspielsysteme sind passive Systeme und können Patienten mit eingeschränkter Bewegungsfreiheit oder schlechter Bewegungskontrolle (Geschwindigkeitsgenauigkeit) keine Bewegungsunterstützung bieten. Daher haben wir ein tragbares, kostengünstiges "Rehabilitation Manipulandum Device" (EMD) entwickelt und im Pilotversuch getestet. Das EMD enthält einen integrierten Controller und Motor, um Kräfte zu erzeugen, die freiwillige Bewegungen unterstützen können, die während spielbasierter Übungen erforderlich sind. Daher kann es Patienten mit eingeschränkter Bewegungskontrolle und solchen mit eingeschränktem aktivem Bewegungsbereich entgegenkommen.

Das EMD besteht aus einem kompakten, einteiligen 3D-gedruckten Chassis, das die Schnittstellenplatine, den Aktuator, den Antriebsstrang und die Drehantriebswelle beherbergt. Es wurde eine Vielzahl von 3D-gedruckten „Therapie“-Griffen in verschiedenen Formen und Größen hergestellt, die auf die EMD-Drehantriebswelle aufgesteckt werden. Diese sind darauf ausgelegt, ein breites Spektrum an manuellen Geschicklichkeitsfähigkeiten zu üben, die (a) Daumen/Finger, (b) Handgelenk (Extension-Flexion), (c) Ulnar-Radial-Abweichung des Handgelenks, (d) Pronation-Supination und (e) Ellbogen-/Schulterfunktionen. Ein optischer Encoder erfasst die Rotation der Welle. Die Drehung der EMD-Welle (d. h. entsprechende Griffbewegungen) steuert präzise die Bewegung eines Computercursors oder Spiel-Sprites eines beliebigen einachsigen Computerspiels. Dabei wird der absolute Drehwinkel der Welle (Signal des optischen Encoders) auf Pixelkoordinaten auf dem Display abgebildet. Ein Arduino Leonardo-Mikroprozessor wird verwendet, um das EMD mit dem Computer und den Spielen zu verbinden. Es ist so programmiert, dass es den optischen Encoder liest und die Cursorsteuerung erzeugt (vollständige Mausemulation). Die Arduino Leonardo IDE kann über die integrierten Bibliotheken als Maus fungieren. Die folgenden Maussteuerungsparameter sind konfigurierbar: (a) Spielausrichtung der Maus, horizontale vs. vertikale Bewegung, (b) Arbeitsbereich, Fähigkeit zur Auswahl eines beliebigen Rotationswinkelbereichs und Abbildung auf die Vollbild-Mausposition, d. h. es ist möglich, eine beliebige auszuwählen aktiver Bewegungsbereich für Übungen (z. B. von Handgelenk neutral bis 10, 20 oder 30 Grad Streckung, je nach Patientenbedarf) und (c) Mausempfindlichkeit zur Anpassung der Bewegungsamplitude, die erforderlich ist, um die Maus über einen vollen Bewegungsbereich der Anzeige zu bewegen.

Das EMD ist in der Lage, mehrere unterstützende Force-Feedback-Schemata auszuführen. Einer enthält einen Modus mit einem einfachen unidirektionalen Kraftfeld, in diesem Fall wird eine konstante Kraft in einer Richtung auf die Ausgangswelle ausgeübt. (Größe und Richtung sind konfigurierbar). Bei vielen Patienten ist die Finger- und Schriftfunktion in einer Bewegungsrichtung stärker beeinträchtigt, z. B. eingeschränkte Finger- und Handgelenkstreckung. Daher die Unfähigkeit, die Hand zu positionieren und zu öffnen, um Objekte mit unterschiedlichen Durchmessern zu greifen. Diese Patienten würden von der Bewegungsunterstützung durch eine konstante Kraft profitieren. Die entgegengesetzte Bewegungsrichtung (z. Flexion) würde eine Widerstandskraft erhalten. Ein zweites Schema ist ein fortschrittlicheres, intelligentes Hilfssteuerungsschema mit geschlossenem Regelkreis, das eine Echtzeitkommunikation zwischen der EMD-Arduino-Schnittstelle und einem speziell entwickelten RTP-Spiel erfordert [16, 17]. Dies ist erforderlich, um die Richtung und Größe der Kraft zu bestimmen, die zum Drehen des Griffs erforderlich ist, und um den Benutzer beim Bewegen des Spielpaddels zu unterstützen, um erfolgreich mit der zufälligen Präsentation von Spielzielobjekten zu interagieren. Dieser kontextabhängige Assistenzmodus kann selbst begrenzte und kleine willkürliche Bewegungen von Schwerbetroffenen verstärken und gleichzeitig Möglichkeiten für eine Trainingsprogression mit erhöhten Anforderungen an die Bewegungsanforderungen bieten. Selbst in Fällen, in denen der Bewegungsbereich gering ist, ermöglicht das Skalieren und Filtern des Closed-Loop-Reglers eine bessere Übersetzung in größere Bewegungen und ist vor allem für Menschen mit Behinderungen zugänglich, die sonst möglicherweise nicht in der Lage gewesen wären, diese Art von System zu nutzen .

Die EMD fungiert als reaktionsschnelle USB-Plug-and-Play-Computermaus, wodurch gängige und moderne Computerspiele als Teil eines personalisierten Trainingsprogramms verwendet und genossen werden können. Die Einbeziehung eines Spielelements soll den Patienten eine zusätzliche Motivation in Form einer Herausforderung und ein angenehmeres Mittel bieten, um sie zu ermutigen, mühsamen, sich wiederholenden Bewegungen zu folgen, die oft Teil des Rehabilitationsprozesses sind. Sowohl aus der Art der Objektmanipulationsaufgaben als auch aus der Wahl des Computerspiels lässt sich ein spezifischer therapeutischer Wert ableiten. Verschiedene kommerzielle Spiele erfordern unterschiedliche Bewegungsamplituden, -geschwindigkeiten, -genauigkeit und -wiederholungen und bieten eine ausreichende Vielfalt, um ein breites Spektrum individueller Vorlieben anzusprechen. Die regelmäßige Aktualisierung und Verbesserung der Spiele und Schwierigkeitsgrade, um die Herausforderung aufrechtzuerhalten und neue Erfahrungen zu bieten, erleichtert das psychologische Feedback, das erforderlich ist, um Interesse und Teilnahme aufrechtzuerhalten. Viele im Handel erhältliche Spiele beinhalten auch Multitasking. Daher beschäftigen die Aufgaben auch wichtige Aufmerksamkeits-, Wahrnehmungs- und kognitive Fähigkeiten. Anhang 1 enthält eine Liste und Beschreibung gängiger Computerspiele, die von mehreren Patienten (Kindern mit Zerebralparese und Erwachsenen mit Rückenmarksverletzungen und Schlaganfallpatienten) gründlich mit dem EMD getestet wurden.

Ziel: Durchführung einer explorativen randomisierten klinischen Studie (RCT) mit eingebetteter qualitativer Analyse; a) Bewertung der Implementierung, Verwendbarkeit und Akzeptanz des GAMING-Systems zur Rehabilitation der manuellen Geschicklichkeit von Rückenmarks- und Schlaganfallpatienten, die das First Step Wellness Center für Cardio-Fitness- und Krafttraining besuchen, b) Bereitstellung einer Schätzung der Wirksamkeit und Effektgröße von eine 10-wöchige Intervention mit dem GAMING-System. Dies wird die Informationen liefern, die benötigt werden, um eine zukünftige RCT in vollem Umfang zu leiten.

Die klinische Studie wird an zwei „Schwester“-Zentren durchgeführt 1. First Step Wellness Center in Winnipeg Shane Hartje, Geschäftsführer, shane@fswcwpg.ca 2, First Step Wellness Center in Regina, Geschäftsführer Owen Carlson, info@fswcregina.ca Siehe beigefügte Kooperationsschreiben von Shane Hartje und Owen Carlson. Die beiden Zentren werden mit dem EMD und 30 leicht erhältlichen Computervideospielen ausgestattet. Das EMD wird mehrere austauschbare 3D-gedruckte Griffe enthalten, um eine breite Palette von Funktionen auszuüben, darunter Daumen-Finger- und Handgelenkbewegungen sowie Armbewegungen, die eine Kombination aus Ellbogen- und Schulterbewegungen beinhalten.

Anuprita Kanitkar, Post-Doc-Stipendiatin für dieses Projekt, wird die explorative RCT zu Patienten mit Rückenmarksverletzungen und Schlaganfallpatienten, die das First Step Wellness Center in Winnipeg besuchen, durchführen und koordinieren und dasselbe in Saskatchewan koordinieren (15 Patienten an jedem Standort).

Jeder Teilnehmer erhält 10 Wochen lang jede Woche zwei einstündige betreute Übungseinheiten. Die Versuchsgruppe (XG) erhält; a) die experimentelle spielbasierte Intervention für 30 Minuten, und b) ihr üblicher Bewegungsumfang der oberen Extremitäten und ihr Kraft- und Trainingsprogramm für 30 Minuten. Die aktive Kontrollgruppe (CG) erhält während der gesamten einstündigen Sitzung ihre üblichen Bewegungskraftübungen für die oberen Extremitäten.

Wir gehen davon aus, dass es 18 Monate dauern wird, 32 Rückenmarksverletzte und 32 Schlaganfallpatienten (d.h. 16 an jedem Standort.

Darüber hinaus würden wir den Teilnehmern der CG-Gruppe das spielbasierte Übungsprogramm anbieten, sobald sie ihre 10-wöchige Intervention abgeschlossen haben.

Zu den Aufnahmekriterien gehören:

1. Alter 20-70, Jahr
2. sechs Monate nach einem Schlaganfall oder SCI Weniger als zwei Hören nach einem Schlaganfall mit SCI
3. Aktive Streckung um mindestens 10 Grad an den Metacarpophalangeal- und Interphalangealgelenken, Streckung um 10 Grad am Handgelenk und mindestens 30 Grad aktive Beugung-Streckung des Ellbogens und der Schulter.
4. Ausreichendes Sehvermögen, um die erforderlichen Bilder auf einem Standard-Computermonitor zu sehen. E) In der Lage, eine Einverständniserklärung abzugeben

Zu den Ausschlusskriterien gehören:

1. übermäßige Spastik (Grad drei und höher auf der Ashworth-Skala) (11),
2. jede signifikante kognitive Beeinträchtigung (Montreal Cognitive Assessment Scores weniger als 25) (12)
3. Jede andere neurologische Störung mit Ausnahme eines einzelnen Schlaganfalls vor dem Test.

Das anfängliche Übungsprotokoll für jeden Teilnehmer wird basierend auf den individuellen Zielen, dem Grad der Beeinträchtigung und dem Funktionsstatus erstellt. Eine typische Sitzung beinhaltet: 4-5 ausgewählte Objektmanipulationsaufgaben, 4-5 verschiedene EMD-Handles und mehrere Computerspiele. Diese Aufgaben stellen ein breites Spektrum physikalischer Eigenschaften dar, die unterschiedliche Manipulationsmodi und funktionelle Anforderungen erfordern.

Jede EMD Griff-Spiel-Kombination wird in 2-3 Minuten Intervallen geübt und 2-3 mal wiederholt. Die Teilnehmer werden angewiesen, die verschiedenen Aufgaben mit den gewünschten Hand- und Armsegmentbewegungen auszuführen und sie nicht durch zugehörige Bewegungen zu ersetzen. Computerspiele werden auf der Grundlage der folgenden Spieleigenschaften ausgewählt: a) Bewegungsamplitude, die zum Bewegen des Spielpaddels erforderlich ist, b) Spielgeschwindigkeit und c) Anforderung an die Spielpräzision. Viele preiswerte Computerspiele im Arcade-Stil sind online verfügbar und können von Websites wie bigfishgames.com heruntergeladen werden (Siehe Anhang 5 für eine Liste der Computerspiele, die in der vorliegenden Studie verwendet wurden).

Die folgenden Merkmale der EMD- und Objektmanipulationsaufgaben und Arten von Computerspielen werden nach Bedarf aktualisiert, um die Herausforderung zu erhöhen und das Übungsprogramm voranzubringen. Objekte mit unterschiedlicher Größe, Form, Gewicht und Oberflächenreibung wurden verwendet, um die körperlichen Anforderungen der Aufgaben zu erhöhen. Die Spielgeschwindigkeit und dann die Bewegungspräzision (Größe der Zielobjekte und des Spielpaddels) wurden erhöht (d.h. Geschwindigkeits-Genauigkeits-Beziehung). Die Bewegungsamplitude wurde durch Anpassen der Mausempfindlichkeit erhöht. Die Aufgabenschwierigkeit wird auch angepasst, indem die Hilfs- und Widerstandskräfte erhöht werden, die auf die EMD-Griffe ausgeübt werden. Der Fortschritt wurde auch durch die Verwendung einer Vielzahl von kommerziellen Computervideos erreicht

Die aktive Kontrollgruppe (CG) wird mit ihrem üblichen Dehnungs-, Bewegungs- und Krafttrainingsprogramm fortfahren, wie es vom Schulungspersonal des First Step Wellness Centers festgelegt wurde.

Quantitative Analyse Die folgenden Ergebnismessungen werden vor und nach der Intervention erhalten

1. Die motorischen Fähigkeiten der oberen Extremitäten werden mit dem Wolf Motor Function Test (WMFT) [22] gemessen. Die Teilnehmer werden gebeten, so schnell wie möglich 15 Aufgaben des WMFT zu erledigen. Die Zeit, die benötigt wird, um jede Aufgabe zu erledigen, wird aufgezeichnet. Die Bewegungsqualität jeder Aufgabe wurde auch unter Verwendung einer Ordnungsskala von 0 bis 5 bewertet, wobei 0 bedeutet, dass überhaupt keine Leistung erbracht wurde, und fünf anzeigt, dass die Bewegung mit normaler Bewegung durchgeführt wurde. Die endgültigen WMFT-Ergebnisse waren; (a) die für die 15 Aufgaben benötigte Gesamtzeit und (b) die summierten Bewegungsqualitätsgrade der 15 Aufgaben.

2. Computerspielbasierte Beurteilung der manuellen Geschicklichkeit der oberen Extremitäten (CUE). Siehe Referenzen 16, 17, 23 für Details der Testverfahren, Datenanalyse und Zuverlässigkeit. Die IB-Maus wird an mehreren Testobjekten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und anatomischen Anforderungen befestigt. Alle Manipulationsaufgaben erforderten Finger-Daumen- oder Handflächenkontakte und beinhalteten verschiedene Kombinationen von präzisen Handgelenk-, Ellbogen- und Schulterbewegungen ... Dazu gehört das Vorwärts- und Rückwärtsrollen eines Zylinders und eines Fußballs; Drehen einer Kaffeetasse mit Pronation-Supination; Ganzhand- und 2-Finger-Feinpräzisionsrotationsaufgaben ... Die RTP-Software berechnet mehrere Leistungsergebnismaße basierend auf Multiereignis-Analyseverfahren aus dem Motorik-Spielmodul. Beispielsweise würden für eine Spielsitzung von zwei Minuten und mit einer auf zwei Sekunden eingestellten Spielereignisdauer 60 Spielbewegungsreaktionen durch den Patienten 30 in jede Richtung erfolgen. Für das vorliegende Studienergebnis umfasst die Messung der manuellen Geschicklichkeit:

   a) Erfolgsrate oder Zielerreichungsdurchschnitt mehrerer Spielereignisse, b) Beginn der Bewegung, c) Ausmaß der Bewegungsfehler, d) Bewegungsvariation und -konsistenz, berechnet aus mehreren wiederholten Spielbewegungsreaktionen, und f) Andere werden entwickelt und validiert der Kurs zum Post Doc.

Qualitative Analyse

Nach Abschluss des 10-wöchigen Übungsprogramms werden alle Teilnehmer zu einem Vorstellungsgespräch eingeladen. Die folgenden offenen Fragen werden allen Teilnehmern gestellt und ihre Antworten aufgezeichnet:

1. Als Sie Ihrer Teilnahme zugestimmt haben, wie hofften Sie, dass Sie von dem Therapieprogramm profitieren würden?
2. Gab es Dinge an dem Spiel oder Trainingsprogramm, die Ihnen gefallen haben und Dinge, die Ihnen nicht gefallen haben?
3. Was dachten Sie über die Computerspiele, die Sie spielen sollten? Hat dir das Spiel gefallen? Gab es Spiele, die Ihnen nicht gefallen haben?
4. Hatten Sie das Gefühl, dass Ihnen dieses Therapieprogramm geholfen hat?
5. Wenn Sie die richtigen Einstellungen hätten, würden Sie mit diesen Übungen fortfahren? Die Teilnehmer werden ermutigt, ihre Ideen, Gedanken, Meinungen und persönlichen Erfahrungen zu beschreiben und zu erklären. Für die thematische Interpretation wurde der analytische Rahmen der interpretativen Beschreibung verwendet [24, 25].

Alle Interviews werden auf Tonband aufgezeichnet und später in ein schriftliches Format transkribiert. Übersetzte Transkripte werden von Anuprita Kanitkar gelesen, die das Kodierungssystem durch Paraphrasieren, Verallgemeinern und Abstrahieren der schriftlichen Transkripte jedes Interviews übernimmt. Ein zweiter Forschungsassistent untersuchte die codierten Daten und identifizierte alle zusätzlichen eindeutigen Antworten und Codes. Die beiden Gutachter werden sich treffen, um ihre Analysen zu vergleichen und Meinungsverschiedenheiten in einem endgültigen Codesystem zu lösen, das in abschließende Themen und Unterthemen gegliedert ist [.

Statistische Analyse Die Normalität der Daten wird mit dem Shapiro-Wilk-Test überprüft. SS-S, MB-W. Eine Analyse des Varianztests für Normalität. Biometrika. 1965;67(337):52.

Die Auswirkungen von Zeit (vor bis nach der Intervention), Gruppe (experimentell und Kontrolle) und Zeit*Gruppe-Interaktion auf die Ergebnisse des Wolf-Motorfunktionstests und die CUE-Ergebnismaße werden unter Verwendung einer gemischten Modell-ANOVA mit wiederholten Messungen bewertet. Das Signifikanzniveau wird auf 0,05 festgelegt und die statistische Analyse wird mit SPSS (Version 24) (SPSS Science, Chicago) durchgeführt.

Eine benutzerdefinierte Computersimulation wird verwendet, um die statistische Aussagekraft für die Modelle mit wiederholten Messungen zu berechnen, wobei die vorliegenden Studiendaten Schätzungen der Behandlungseffektgrößen liefern. Es wird ein Random-Intercepts-Linear-Mixed-Effects-Modell verwendet und 128 Datensätze mit zufällig generierten Beobachtungen werden für jede Kombination aus Stichprobengröße, Anzahl der Besuche und Effektgröße generiert. Für alle Simulationen wurde die Behandlungszuordnung für experimentelle Intervention und aktiven Kontrollarm als 1:1 angenommen (ausgewogenes Design). Jeder Datensatz wird durch ein lineares gemischtes Modell mit einer Gruppen-, Zeit- und Zeit*Gruppen-Interaktion analysiert. Die Leistung wird als Anteil der Modelle mit einem signifikanten (p < 0,05) Zeit*Gruppen-Interaktionsterm berechnet, der den Unterschied in den Steigungen zwischen den beiden Gruppen im Laufe der Zeit quantifiziert. SAS PROX MIXED Version 9.4 wird verwendet, um die Simulationen durchzuführen. Signifikante Ergebnisse werden bei 80 % für die beobachteten Zeit*Gruppen-Effektgrößen angemessen unterstützt.