Programma di esercizi basato su giochi per computer mirato alla destrezza manuale per le persone con lesioni al midollo spinale o ictus.

Sfondo Molti adulti con menomazioni neuromuscolari che interessano l'arto superiore (UE) hanno deficit nelle capacità motorie fini [1-3]. La destrezza manuale che coinvolge la manipolazione e la manipolazione di oggetti è essenziale per molte attività della vita quotidiana e della vita sociale. Queste attività richiedono la manipolazione di oggetti con un'ampia gamma di proprietà fisiche e requisiti funzionali che spesso richiedono un alto grado di precisione.

Terapia del movimento indotta da vincoli (CIMT [4-6]. sono promettenti programmi di riabilitazione per il ripristino della funzione mano-braccio. Questi approcci terapeutici sottolineano che il recupero funzionale riflette l'apprendimento ottenuto attraverso la generazione di esperienze reali, l'applicazione di attenzione focalizzata, la simulazione di movimenti quasi normali e la ripetizione pazienti, crescenti richieste di servizi riabilitativi da parte di una popolazione che invecchia, nonché pressioni finanziarie E relative alle distanze di viaggio. Per superare queste sfide, abbiamo bisogno di metodi fattibili ed economici per aumentare l'accessibilità. Idealmente, programmi terapeutici efficaci dovrebbero essere resi disponibili nei centri comunitari e, in ultima analisi, nelle case dei pazienti.

Oltre ad aumentare l'accessibilità, è necessario migliorare la conformità dei regimi di esercizio. Un approccio emergente per coinvolgere i clienti nella terapia consiste nell'incorporare giochi per computer [7-8].

Le attività nei giochi per computer possono fornire un ambiente comportamentale, ecologicamente valido e adattivo. Inoltre, possono fornire un feedback immediato e registrazioni elettroniche per valutare e assistere nella progressione degli interventi. Diversi sistemi di gioco sono stati utilizzati nella riabilitazione dell'arto superiore. Questi includono sistemi di gioco di intrattenimento commerciale come Wii [9], Kinect [10], sensore di movimento Leaps [11] e guanti dotati di sensore [12]. Questi sistemi di gioco sono in grado di rilevare i movimenti dei segmenti del braccio o delle dita e, in tempo reale, i segnali di movimento vengono utilizzati per controllare la posizione e il movimento di avatar/oggetti virtuali o per controllare una paletta di gioco per il gioco. Tuttavia, questi sistemi sono limitati, perché non mirano alla manipolazione e alla manipolazione degli oggetti. Pertanto, non viene presa in considerazione l'elaborazione sensoriale delle informazioni sensoriali tattili della pelle necessarie per mantenere la stabilità dell'oggetto durante il movimento e per rilevare e ridurre al minimo lo scivolamento dell'oggetto in movimento [13, 14]. È fondamentale creare esperienze che migliorino la capacità del cervello di apprendere e, per la destrezza manuale, ciò si ottiene al meglio eseguendo precisi compiti di manipolazione degli oggetti attraverso la ripetizione guidata e assistita [15].

Sulla base delle considerazioni di cui sopra, è stata sviluppata una piattaforma riabilitativa basata su giochi per computer a basso costo che combina esercizi di manipolazione fine e movimenti grossolani con attività di videogiochi per computer "divertenti" adatte a bambini e adulti con lesioni acquisite al cervello e al midollo spinale [16-19]. La funzione dito-mano è stata mirata a estendere l'utilità oltre i movimenti grossolani di spostamento o di trasporto, poiché la capacità di eseguire abilità di destrezza manuale con le mani è parte integrante della vita di tutti i giorni.

Diversi principi di apprendimento motorio sono incorporati in questa applicazione basata sul gioco [20, 21] che include l'addestramento orientato all'obiettivo e specifico per il compito di manipolazione e manipolazione degli oggetti, precisione della velocità, stimolazione multisensoriale e feedback implicito e conoscenza delle prestazioni.

Dispositivo manipulandum per esercizi (EMD) La maggior parte dei sistemi di gioco per esercizi di riabilitazione sono sistemi passivi e non possono fornire assistenza al movimento per i pazienti con un raggio di movimento limitato o un controllo della velocità insufficiente. Così abbiamo sviluppato e testato un pilota portatile, a basso costo "Rehabilitation Manipulandum Device" (EMD). L'EMD include un controller e un motore integrati per produrre forze che possono assistere i movimenti volontari richiesti durante gli esercizi basati sul gioco. Pertanto, può accogliere pazienti con controllo del movimento limitato e coloro che hanno un raggio di movimento attivo limitato.

L'EMD è costituito da un telaio compatto stampato in 3D in un unico pezzo che ospita la scheda di interfaccia, l'attuatore, il gruppo propulsore e l'albero motore rotante. È stata prodotta una varietà di maniglie "terapeutiche" stampate in 3D di diverse forme e dimensioni che si agganciano all'albero di trasmissione rotante EMD. Questi sono progettati per praticare un'ampia gamma di abilità di destrezza manuale che coinvolgono (a) pollice/dito, (b) polso (estensione-flessione), (c) deviazione ulno-radiale del polso, (d) pronazione-supinazione e (e) funzioni gomito/spalla. Un codificatore ottico registra la rotazione dell'albero. La rotazione dell'albero EMD (ovvero i rispettivi movimenti della maniglia) controlla con precisione il movimento di un cursore del computer o dello sprite di gioco di qualsiasi gioco per computer a singolo asse. A questo proposito, l'angolo di rotazione assoluto dell'albero (segnale dell'encoder ottico) verrà mappato alle coordinate dei pixel sul display. Un microprocessore Arduino Leonardo viene utilizzato per interfacciare l'EMD con il computer e i giochi. È programmato per leggere l'encoder ottico e produrre il controllo del cursore (emulazione completa del mouse). L'IDE di Arduino Leonardo è in grado di fungere da mouse tramite le librerie integrate. I seguenti parametri di controllo del mouse sono configurabili: (a) orientamento del gioco movimento del mouse orizzontale vs verticale, (b) intervallo di lavoro, possibilità di selezionare qualsiasi intervallo di angolo di rotazione e mappatura alla posizione del mouse a schermo intero, ovvero sarà possibile selezionare qualsiasi raggio di movimento attivo per l'esercizio (ad es. dal polso neutro a 10, 20 o 30 gradi di estensione a seconda delle esigenze del paziente) e (c) sensibilità del mouse per regolare l'ampiezza del movimento necessaria per spostare il mouse attraverso un raggio di movimento completo del display.

L'EMD è in grado di eseguire diversi schemi di force feedback assistivi. Uno include una semplice modalità di campo di forza unidirezionale in questo caso una forza costante viene applicata all'albero di uscita in una direzione. (La grandezza e la direzione è configurabile). Per molti pazienti, la funzione delle dita e delle scritture è più compromessa in una direzione di movimento, ad esempio un'estensione limitata delle dita e del polso. Quindi incapacità di posizionare e aprire la mano per afferrare oggetti di diametro variabile. Questi pazienti trarrebbero beneficio dall'assistenza al movimento fornita da una forza costante. La direzione di movimento opposta (ad es. flessione) riceverebbe una forza resistiva. Un secondo schema è uno schema di controllo assistivo intelligente a circuito chiuso più avanzato che richiede comunicazioni in tempo reale tra l'interfaccia EMD Arduino e un gioco RTP appositamente costruito [16, 17]. Ciò è necessario per determinare la direzione e l'entità della forza richiesta per ruotare la maniglia e assistere l'utente nel muovere la paletta del gioco per interagire con successo con la presentazione casuale degli oggetti del bersaglio del gioco. Questa modalità assistiva dipendente dal contesto può amplificare anche i movimenti volontari limitati e piccoli delle persone gravemente colpite, consentendo allo stesso tempo opportunità per una progressione dell'esercizio con una maggiore richiesta di requisiti di movimento. Anche per i casi in cui la gamma di movimenti è ridotta, il ridimensionamento e il filtraggio del controller a circuito chiuso consentiranno la traduzione in movimenti più ampi meglio e soprattutto accessibili anche per le persone con disabilità che altrimenti potrebbero non essere state in grado di sfruttare questo tipo di sistema .

L'EMD funziona come un mouse per computer plug and play USB reattivo e questo consente di utilizzare e godere di giochi per computer comuni e moderni come parte di un programma di esercizi personalizzato. L'inclusione di un elemento di gioco ha lo scopo di fornire una motivazione aggiuntiva ai pazienti sotto forma di una sfida e un mezzo più divertente per incoraggiarli a seguire movimenti noiosi e ripetitivi che spesso fanno parte del processo di riabilitazione. Il valore terapeutico specifico può essere derivato da entrambi i tipi di attività di manipolazione degli oggetti, nonché dalla scelta del gioco per computer. Diversi giochi commerciali richiedono diversi livelli di ampiezza di movimento, velocità, precisione e ripetizione e offrono una diversità sufficiente per attrarre un'ampia gamma di preferenze individuali. Aggiornare e progredire regolarmente nei giochi e nei livelli di difficoltà, per sostenere la sfida e fornire nuove esperienze, faciliterà il feedback psicologico necessario per mantenere l'interesse e la partecipazione. Molti giochi disponibili in commercio implicano anche il multitasking. Quindi, i compiti coinvolgono anche abilità attenzionali, percettive e cognitive chiave. L'Appendice 1 mostra un elenco e una descrizione dei comuni giochi per computer che sono stati accuratamente testati con l'EMD da diversi pazienti (bambini con paralisi cerebrale e pazienti adulti con lesioni del midollo spinale e ictus).

Obiettivo: condurre uno studio clinico esplorativo randomizzato (RCT) con analisi qualitativa incorporata; a) valutare l'implementazione, l'usabilità e l'accettabilità del sistema GAMING per la riabilitazione della destrezza manuale del midollo spinale e pazienti colpiti da ictus che frequentano il centro benessere First Step per il cardio fitness e l'allenamento della forza, b) fornire una stima dell'efficacia e della dimensione dell'effetto di un intervento di 10 settimane utilizzando il sistema GAMING. Ciò fornirà le informazioni necessarie per dirigere un futuro RCT su vasta scala.

La sperimentazione clinica sarà condotta presso due centri "fratelli" 1. Centro benessere First Step a Winnipeg Shane Hartje, direttore esecutivo, shane@fswcwpg.ca 2, Centro benessere First Step a Regina, direttore esecutivo Owen Carlson., info@fswcregina.ca Vedi lettere di collaborazione allegate da Shane Hartje e Owen Carlson. I due centri saranno dotati dell'EMD e di 30 videogiochi per computer facilmente reperibili. L'EMD includerà diverse impugnature stampate in 3D intercambiabili per esercitare un'ampia gamma di funzioni, inclusi movimenti del pollice e del polso, nonché movimenti del braccio che comportano una combinazione di movimenti del gomito e della spalla.

Anuprita Kanitkar, borsista Post Doc per questo progetto, condurrà e coordinerà l'RCT esplorativo su clienti con lesioni al midollo spinale e pazienti con ictus che frequentano il First Step Wellness Center a Winnipeg e coordinerà lo stesso a Saskatchewan (15 clienti per ogni sito).

Ogni partecipante riceverà due sessioni di esercizi supervisionati di un'ora ogni settimana per 10 settimane. Il gruppo sperimentale (XG) riceverà; a) l'intervento sperimentale basato sul gioco per 30 minuti, e b) il loro normale range di movimento e forza degli arti superiori e programma di esercizi, per 30 min. Il gruppo di controllo attivo (CG) riceverà la consueta gamma di esercizi per la forza del movimento degli arti superiori per l'intera sessione di un'ora.

Prevediamo che ci vorranno 18 mesi per reclutare 32 pazienti con lesioni al midollo spinale e 32 colpiti da ictus (ad es. 16 in ogni sito.

Inoltre offriremmo il programma di esercizi basato sul gioco ai partecipanti del gruppo CG una volta che hanno completato il loro intervento di 10 settimane.

I criteri di inclusione includeranno:

1. Età 20-70, anno
2. sei mesi dopo un ictus o una LM Meno di due mesi dopo un ictus di LM
3. Estendere attivamente di almeno dieci gradi alle articolazioni metacarpo-falangee e interfalangee, estendere di dieci gradi al polso e avere almeno 30 gradi di flessione-estensione attiva del gomito e della spalla.
4. Visione adeguata per vedere le immagini richieste su un monitor di computer standard. E) In grado di fornire il consenso informato

I criteri di esclusione includeranno:

1. spasticità eccessiva (grado tre e superiore sulla scala Ashworth) (11),
2. qualsiasi deterioramento cognitivo significativo (punteggi di Montreal Cognitive Assessment inferiori a 25) (12)
3. Qualsiasi altro disturbo neurologico ad eccezione di un singolo ictus prima del test.

Il protocollo di esercizio iniziale per ciascun partecipante sarà stabilito in base sia agli obiettivi individuali, al livello di compromissione e allo stato funzionale. Una sessione tipica coinvolgerà; 4-5 attività di manipolazione di oggetti selezionati, 4-5 diverse maniglie EMD e diversi giochi per computer. Questi compiti rappresentano un'ampia gamma di proprietà fisiche che richiedono diverse modalità di manipolazione e requisiti funzionali.

Ogni combinazione EMD handle-game verrà praticata per intervalli di 2-3 minuti e ripetuta 2-3 volte. I partecipanti verranno istruiti su come eseguire i vari compiti con i movimenti desiderati del segmento della mano e del braccio e non sostituirli con movimenti associati. I giochi per computer saranno scelti in base alle seguenti proprietà del gioco: a) ampiezza di movimento richiesta per muovere la paletta del gioco, b) velocità del gioco e c) requisiti di precisione del gioco. Molti giochi per computer in stile arcade economici sono prontamente disponibili online e possono essere scaricati da siti Web come bigfishgames.com (vedi Appendice 5 per un elenco di giochi per computer utilizzati nel presente studio).

Le seguenti funzionalità dell'EMD e le attività di manipolazione degli oggetti e i tipi di giochi per computer verranno aggiornati come tollerati per aumentare la sfida e far progredire il programma di esercizi. Sono stati utilizzati oggetti con dimensioni, forma, peso e attrito superficiale diversi per aumentare le esigenze fisiche dei compiti. La velocità di gioco e quindi la precisione del movimento (dimensioni degli oggetti bersaglio e della paletta del gioco) sono state aumentate (ad es. Rapporto di precisione della velocità). L'ampiezza del movimento è stata aumentata regolando la sensibilità del mouse. Anche la difficoltà del compito verrà regolata aumentando le forze assistive e resistive applicate alle impugnature EMD. La progressione è stata ottenuta anche utilizzando una varietà di video per computer commerciali

Il gruppo di controllo attivo (CG) continuerà con il consueto programma di stretching, range di movimento e allenamento della forza come stabilito dal personale di formazione presso il centro benessere First Step.

Analisi quantitativa Le seguenti misure di esito saranno ottenute prima e dopo l'intervento

1. L'abilità motoria degli arti superiori sarà misurata mediante il Wolf Motor Function Test (WMFT) [22]. Ai partecipanti verrà chiesto di completare 15 attività del WMFT il più rapidamente possibile. Il tempo impiegato per completare ogni attività verrà registrato. Anche la qualità del movimento di ciascun compito è stata valutata utilizzando una scala ordinale da 0 a 5, dove 0 indica che non ha funzionato affatto e cinque indica che è stato eseguito con movimento normale. I punteggi finali WMFT erano; (a) il tempo totale impiegato per i 15 compiti e (b) la somma dei gradi di qualità del movimento dei 15 compiti.

2. Valutazione dell'estremità superiore (CUE) basata su giochi per computer della destrezza manuale. Vedere i riferimenti 16, 17, 23 per i dettagli delle procedure di test, l'analisi dei dati e l'affidabilità. Il topo IB sarà fissato a diversi oggetti di prova con diverse proprietà fisiche e requisiti anatomici. Tutte le attività di manipolazione richiedevano contatti superficiali dito-pollice o palmo della mano e comportavano varie combinazioni di movimenti di precisione del polso, del gomito e della spalla... Ciò include far rotolare avanti e indietro un cilindro e un pallone da calcio; Ruotare una tazza da caffè usando la pronazione-supinazione; compiti di rotazione di precisione a mano intera e a 2 dita... Il software RTP calcola diverse misure dei risultati delle prestazioni basate su procedure di analisi multi-evento dal modulo di gioco Motor Skill. Ad esempio, per una sessione di gioco di due minuti e con la durata dell'evento di gioco impostata su due secondi, ci sarebbero 60 risposte di movimento di gioco effettuate dal paziente 30 in ciascuna direzione. Per il presente studio, la misura dei risultati della destrezza manuale includerà:

   a) Tasso di successo o media del raggiungimento dell'obiettivo di diversi eventi di gioco, b) Tempo di inizio del movimento c), entità degli errori di movimento, d) Variazione e coerenza del movimento calcolate da diverse risposte di movimento di gioco ripetute, e f) Altri saranno sviluppati e convalidati nel corso il corso al Post Doc.

Analisi qualitativa

Al termine del programma di esercizi di 10 settimane, tutti i partecipanti saranno invitati a prendere parte a un colloquio. Le seguenti domande a risposta aperta saranno poste a tutti i partecipanti e le loro risposte sono state registrate:

1. Quando hai accettato di partecipare, in che modo speravi di beneficiare del programma di terapia?
2. C'erano cose del gioco o del programma di esercizi che ti piacevano e cose che non ti piacevano?
3. Cosa ne pensi dei giochi per computer che ti è stato chiesto di giocare? Ti è piaciuto il gioco? Ci sono giochi che non ti piacciono?
4. Hai sentito che questo programma di terapia ti ha aiutato?
5. Se ti venissero fornite le impostazioni giuste, continueresti con questi esercizi? I partecipanti saranno incoraggiati a descrivere e spiegare le proprie idee, pensieri, opinioni ed esperienze personali. Il quadro analitico della descrizione interpretativa è stato utilizzato per l'interpretazione tematica [24, 25].

Tutte le interviste saranno audioregistrate e successivamente trascritte in un formato scritto. Le trascrizioni tradotte saranno lette da Anuprita Kanitkar che definirà il sistema di codifica parafrasando, generalizzando e astraendo le trascrizioni scritte di ogni intervista. Un secondo assistente ricercatore ha esaminato i dati codificati e ha identificato eventuali risposte e codici univoci aggiuntivi. I due revisori si incontreranno per confrontare le loro analisi e per risolvere i disaccordi in un sistema di codici finale organizzato in temi e sottotemi finali [.

Analisi statistica La normalità dei dati sarà verificata mediante il test di Shapiro-Wilk. SS S, MB W. Un test di analisi della varianza per la normalità. Biometria. 1965;67(337):52.

Gli effetti dell'interazione Tempo (da pre a post-intervento), Gruppo (sperimentale e di controllo) e Tempo*Gruppo sui punteggi del Wolf Motor Function Test e sulle misure dei risultati CUE saranno valutati utilizzando un modello misto ANOVA con misure ripetute. Il livello di significatività sarà fissato a 0,05 e l'analisi statistica sarà condotta utilizzando SPSS (Versione 24) (SPSS Science, Chicago).

Verrà utilizzata una simulazione al computer personalizzata per calcolare la potenza statistica per i modelli di misure ripetute, con i dati del presente studio che forniscono stime delle dimensioni dell'effetto del trattamento. Verrà utilizzato un modello a effetti misti lineari con intercettazioni casuali e verranno generati 128 set di dati con osservazioni generate casualmente per ciascuna combinazione di dimensione del campione, numero di visite e dimensione dell'effetto. Per tutte le simulazioni, si è ipotizzato che l'allocazione del trattamento per l'intervento sperimentale e il braccio di controllo attivo fosse 1:1 (design bilanciato). Ogni set di dati sarà analizzato da un modello misto lineare con un'interazione di gruppo, tempo e tempo*gruppo. La potenza sarà calcolata come la frazione di modelli con un termine di interazione Tempo*Gruppo significativo (p < 0.05) che quantifica la differenza di pendenza tra i due gruppi nel tempo. SAS PROX MIXED versione 9.4 verrà utilizzato per eseguire le simulazioni. I risultati significativi sono adeguatamente potenziati all'80% per le dimensioni dell'effetto Time*Group osservate.