Die Auswirkungen eines auf Augmented Reality basierenden Spiegelsystemtherapiesystems bei Patienten mit Schlaganfall

Ziel dieser Studie ist es, ein auf Augmented Reality basierendes Spiegeltherapiesystem, MirrARm, zu entwickeln, das auf sensorbasierten Tracking- und visuellen Reflexionsprinzipien basiert, und seine Auswirkungen auf die motorische Erholung der oberen Extremität sowie die funktionellen Aktivitätsniveaus bei Schlaganfallpatienten zu untersuchen.

In dieser Studie werden Personen mit Schlaganfall, die die Einschlusskriterien erfüllen, anhand einer Schichtung basierend auf Alter, Geschlecht und Fugl-Meyer-Upper-Extremity-Scores zufällig in zwei Gruppen eingeteilt. Die Gruppen sind die Augmented-Reality-basierte Spiegeltherapiegruppe (AR-MT) und die konventionelle Spiegeltherapiegruppe (C-MT). Alle Teilnehmer erhalten ein konventionelles Physiotherapietraining von 30 Minuten pro Sitzung, drei Tage pro Woche, über acht Wochen. Teilnehmer der AR-MT-Gruppe erhalten zusätzlich ein 30-minütiges Bewegungstraining mit dem MirrARm-System drei Tage pro Woche über acht Wochen, während Teilnehmer der C-MT-Gruppe ein Bewegungstraining mit konventioneller Spiegeltherapie für die gleiche Dauer und Häufigkeit erhalten.

In dieser Studie wird das auf Augmented Reality basierende Spiegeltherapietraining mit dem MirrARm-System durchgeführt. Das MirrARm-System besteht aus einem 27-Zoll-Computermonitor, einem Leap Motion Controller Bewegungserfassungssensor und einem Laptop. Der Monitor wird auf einem Arbeitstisch platziert und zeigt Bilder an, die vom angeschlossenen Laptop übertragen werden. Der Leap-Motion-Sensor wird ebenfalls mit dem Laptop verbunden und auf dem Tisch vor dem Monitor positioniert. Der Leap-Motion-Sensor wird verwendet, um die Handbewegungen der Teilnehmer in Echtzeit auf den Bildschirm zu übertragen. Durch seine Softwarefunktionen zeigt das MirrARm-System Bewegungen, die mit einer Hand ausgeführt werden, auf dem Bildschirm so an, als würden sie von der gegenüberliegenden Hand ausgeführt.

Die Softwareinfrastruktur des MirrARm-Systems wird mit der Unity 6.1-Spiel-Engine entwickelt. Die Handbewegungen der Teilnehmer werden mit hoher Präzision in einer dreidimensionalen Umgebung mithilfe der offiziellen Software Development Kits (SDKs) und Bibliotheken des Leap-Motion-Geräts verfolgt. Anwendungen werden mithilfe vorgefertigter oder angepasster Unity-Assets entworfen, die in einem dreidimensionalen Koordinatensystem in der Unity-Umgebung positioniert sind, und realistische physikalische Interaktionen werden durch Unitys NVIDIA PhysX-basierte Physik-Engine bereitgestellt. Der Betrieb der Anwendung wird über benutzerdefinierte MonoBehaviour-basierte Skripte gesteuert, die mit der Programmiersprache C# entwickelt wurden. Diese Skripte manipulieren dynamisch Transform-Komponenteneigenschaften von Szenenobjekten, einschließlich Position, Rotation und Skalierung; verarbeiten Benutzerinteraktionen über ereignisbasierte Trigger; und führen vordefinierte Funktionen innerhalb der Game Loop aus. Objekte, die physikalische Interaktion erfordern, erhalten Unitys Rigidbody-Komponente, um physikalische Eigenschaften wie Masse, Schwerkraft und Kollisionsreaktionen bereitzustellen, und Interaktionsbereiche werden mithilfe von Collider-Komponenten definiert.

Während der Trainingssitzungen mit dem MirrARm-System sitzen Schlaganfallpatienten auf einem stützenden Stuhl vor dem Bildschirm und führen die Aufgaben in gamifizierten therapeutischen Aktivitäten mit ihrer nicht betroffenen oberen Extremität aus, während sie diese Bewegungen auf dem Bildschirm beobachten, als würden sie von der betroffenen oberen Extremität ausgeführt.

Vier verschiedene Aktivitäten, die im MirrARm-System verwendet werden sollen, wurden von den Forschern basierend auf Bewegungen entworfen, die für die Funktionalität der oberen Extremität nach einem Schlaganfall als wichtig erachtet werden. Jede Aktivität wurde mit drei Schwierigkeitsgraden entworfen. Die Teilnehmer führen jeden Schwierigkeitsgrad für zwei Minuten aus, mit einer 30-sekündigen Ruhepause zwischen den Stufen. Die aufgabenorientierten Aktivitäten des MirrARm-Systems sind wie folgt:

• Würfelstapelaktivität (fokussiert auf Schulterhebung)
• Greifaktivität (fokussiert auf Ellenbogenstreckung)
• Supinations-Pronations-Aktivität
• Horizontale Ringaktivität (fokussiert auf Handgelenkstreckung)

Alle in die Studie eingeschlossenen Teilnehmer werden während der Interventionsperiode dreimal (Woche 0, Woche 4 und Woche 8) mithilfe primärer und sekundärer Ergebnisparameter von einem verblindeten Gutachter bewertet.

Alle statistischen Analysen der von den Teilnehmern erhaltenen Daten werden mit SPSS Version 27.0 (IBM Corp., Armonk, NY, USA) durchgeführt. Kontinuierliche Variablen werden als Mittelwert ± Standardabweichung angegeben, wenn die Annahme der Normalverteilung erfüllt ist, und als Median (Interquartilsbereich), wenn dies nicht der Fall ist. Kategoriale Variablen werden als Anzahl (N) und Prozent (%) angegeben. Annahmeprüfungen umfassen den Shapiro-Wilk-Test für Normalität, den Levene-Test für Varianzhomogenität und den Mauchly-Test für Sphärizität; bei Verletzung der Sphärizität wird die Greenhouse-Geisser-Korrektur angewendet. Wenn die Annahmen erfüllt sind, wird eine zweifaktorielle gemischte Varianzanalyse (2×3) für jeden Ergebnisparameter durchgeführt. Die Haupteinflüsse von Zeit und Gruppe sowie die Zeit × Gruppe-Interaktion werden getestet, und Mehrfachvergleiche werden mithilfe der Bonferroni-Korrektur durchgeführt. Effektgrößen werden als partielles Eta-Quadrat (η²p) mit 95 %-Konfidenzintervallen und einem Signifikanzniveau von p = 0,05 angegeben. Wenn die Annahmen nicht erfüllt sind, werden Veränderungen innerhalb der Gruppe über drei Zeitpunkte mithilfe des Friedman-Tests analysiert, gefolgt von Bonferroni-korrigierten paarweisen Wilcoxon-Tests bei Signifikanz. Vergleiche zwischen den Gruppen werden mithilfe des Mann-Whitney-U-Tests basierend auf Veränderungswerten über die Zeitpunkte durchgeführt. Nichtparametrische Ergebnisse werden mit Effektgrößen, 95 %-Konfidenzintervallen und einem Signifikanzniveau von p = 0,05 angegeben.