脊髄損傷または脳卒中患者の手先の器用さを対象としたコンピュータ ゲーム ベースの運動プログラム。

背景 上肢 (UE) に影響を与える神経筋障害を持つ多くの成人は、細かい運動能力に欠陥があります [1-3]。 物体の取り扱いや操作を含む手先の器用さは、多くの日常生活活動や社会生活に不可欠です。 これらの活動では、幅広い物理的特性と機能的要求を伴うオブジェクトの操作が必要であり、高度な精度が必要になることがよくあります。

拘束運動療法 (CIMT [4-6]。 手腕機能の回復のための有望なリハビリテーション プログラムです。 これらの治療アプローチは、機能回復が、実際の経験の生成、焦点を絞った注意の適用、通常に近い動きのシミュレート、および繰り返しを通じて達成された学習を反映していることを強調しています。人口の高齢化によるリハビリテーションサービスの需要の増加、および経済的および移動距離の圧力。 これらの課題を克服するには、アクセシビリティを向上させるための実現可能で費用対効果の高い方法が必要です。 理想的には、効果的な治療プログラムが地域センターで利用可能になり、最終的には患者の家で利用できるようになる必要があります。

アクセシビリティの向上に加えて、運動体制の遵守を改善する必要があります。 クライエントをセラピーに参加させる新たなアプローチは、コンピュータゲームを組み込むことです[7-8]。

コンピュータゲームでの活動は、行動的で、生態学的に有効で、適応性のある環境を提供できます。 さらに、介入の進行を評価および支援するための電子記録だけでなく、即時のフィードバックも提供できます。 上肢のリハビリテーションには、いくつかのゲームシステムが使用されています。 これらには、Wii [9]、Kinect [10]、Leaps モーション センサー [11]、センサー付きグローブ es [12] などの商用エンターテイメント ゲーム システムが含まれます。 これらのゲーム システムは、腕の部分の動きや指の動きを検出することができ、リアルタイムで動きの信号を使用して、仮想アバター/オブジェクトの位置と動きを制御したり、プレイ用のゲーム パドルを制御したりします。 ただし、これらのシステムはオブジェクトの処理と操作を対象としていないため、制限があります。 そのため、移動中の物体の安定性を維持し、移動物体の滑りを検出して最小化するために必要な皮膚触覚情報の感覚処理については考慮されていません [13, 14]。 脳の学習能力を向上させる経験を生み出すことは非常に重要であり、手先の器用さの場合、これは、ガイド付きおよびアシスト付きの繰り返しを通じて正確なオブジェクト操作タスクを実行することによって最もよく達成されます [15]。

上記の考慮事項に基づいて、低コストのコンピュータ ゲーム ベースのリハビリテーション プラットフォームが開発されました。これは、後天的な脳および脊髄損傷を有する幼児および成人に適した「楽しい」コンピュータ ビデオ ゲーム活動と、細かいマニピュレーションおよび大まかな動きのエクササイズを組み合わせたものです [16-19]。 手で手先の器用さのスキルを実行する能力は日常生活の不可欠な部分であるため、指の手の機能は、大まかなリーチまたは輸送の動きを超えて有用性を拡張することを目的としていました.

このゲームベースのアプリケーション [20, 21] には、運動学習のいくつかの原則が組み込まれています。これには、オブジェクトの取り扱いと操作の目標指向のタスク固有のトレーニング、速度精度、多感覚刺激、暗黙のフィードバックとパフォーマンスの知識が含まれます。

エクササイズ マニピュランダム デバイス (EMD) ほとんどのリハビリ エクササイズ ゲーム システムは受動的なシステムであり、動きの範囲が限られている患者や動きの制御が不十分な患者には、速度の精度が低い患者の動きを支援することはできません。 そこで、ポータブルで低コストの「リハビリテーション マニプランダム デバイス」(EMD) を開発し、パイロット テストを行いました。 EMDには、ゲームベースのエクササイズ中に必要な随意運動を支援できる力を生成するための統合コントローラーとモーターが含まれています。 したがって、動きの制御が制限されている患者や、アクティブな可動範囲が制限されている患者に対応できます。

EMD は、インターフェース ボード、アクチュエータ、パワー トレイン、ロータリー ドライブ シャフトを収容するコンパクトな一体型 3D プリント シャーシで構成されています。 EMDロータリードライブシャフトにスナップオンする、さまざまな形状とサイズのさまざまな3Dプリント「治療」ハンドルが製造されています。 これらは、(a) 親指/指、(b) 手首 (伸展-屈曲)、(c) 手首の尺骨-橈骨偏位、(d) 回内-回外、および (e) を含む幅広い手先の器用さのスキルを練習するように設計されています。肘/肩の機能。 光学式エンコーダーがシャフトの回転を記録します。 EMD シャフトの回転 (つまり、それぞれのハンドルの動き) は、任意の 1 軸コンピューター ゲームのコンピューター カーソルまたはゲーム スプライトの動きを正確に制御します。 この点に関して、絶対シャフト回転角度 (光学エンコーダ信号) は、ディスプレイ上のピクセル座標にマッピングされます。 Arduino Leonardo マイクロプロセッサを使用して、EMD をコンピュータおよびゲームと接続します。 光学エンコーダーを読み取り、カーソル制御 (完全なマウス エミュレーション) を生成するようにプログラムされています。 Arduino Leonardo IDE は、組み込みライブラリを介してマウスとして機能することができます。 次のマウス コントロール パラメータを設定できます。(a) ゲーム プレイの向き、マウスの水平方向と垂直方向の動き、(b) 動作範囲、任意の回転角度範囲を選択し、フル スクリーンのマウス位置にマップする機能。運動のためのアクティブな可動範囲 (例えば、患者のニーズに応じて、手首のニュートラルから 10、20、または 30 度の伸展まで)、および (c) マウスの感度を調整して、ディスプレイの可動範囲全体にわたってマウスを動かすのに必要な動きの振幅を調整します。

EMD は、いくつかのアシスト フォース フィードバック スキームが可能です。 1 つは単純な単方向力場モードを含み、この場合、一定の力が出力シャフトに一方向に加えられます。 (大きさと方向は設定可能です)。 多くの患者にとって、指と手首の機能は、たとえば指と手首の伸展が制限されるなど、一方向の動きでより損なわれます。 したがって、さまざまな直径の物体をつかむために手を配置して開くことができません。 これらの患者は、一定の力によって提供される運動補助の恩恵を受けるでしょう。 反対の移動方向 (例: 屈曲）は抵抗力を受けます。 2 つ目の方式は、より高度なクローズド ループのスマート支援制御方式であり、これには EMD Arduino インターフェイスと専用の RTP ゲームとの間のリアルタイム通信が必要です [16、17]。 これは、ハンドルを回転させるために必要な力の方向と大きさを決定し、ユーザーがゲーム パドルを動かして、ゲーム ターゲット オブジェクトのランダムな表示とうまくやり取りできるようにするために必要です。 このコンテキスト依存の支援モードは、深刻な影響を受けた人々の限定された小さな自発的な動きでさえも増幅することができ、運動要件の増加に伴う運動の進行の機会を可能にします. 動きの範囲がわずかな場合でも、クローズド ループ コントローラーのスケーリングとフィルタリングにより、より大きな動きへの変換が可能になり、重要なことに、他の方法ではこのタイプのシステムを利用できなかった障害のある人でもアクセスしやすくなります。 .

EMD は、応答性の高い USB プラグ アンド プレイ コンピューター マウスとして機能し、これにより、一般的で最新のコンピューター ゲームを使用して、パーソナライズされたエクササイズ プログラムの一部として楽しむことができます。 ゲーム要素を含めることは、患者に挑戦という形でさらなるモチベーションを提供し、しばしばリハビリテーションプロセスの一部である退屈で反復的な動きに従うことを奨励するより楽しい手段を提供することを目的としています. 特定の治療上の価値は、オブジェクト操作タスクのタイプとコンピューターゲームの選択の両方から導き出すことができます。 さまざまな商用ゲームには、さまざまなレベルの動きの振幅、速度、正確さ、繰り返しが必要であり、幅広い個人の好みにアピールするのに十分な多様性を提供します。 ゲームと難易度を定期的に更新して進歩させ、挑戦を維持し、新しい経験を提供することで、関心と参加を維持するために必要な心理的フィードバックが促進されます。 市販のゲームの多くには、マルチタスクも含まれています。 したがって、タスクは重要な注意力、知覚力、認知力も必要とします。 付録 1 は、数人の患者 (脳性麻痺の子供、成人の脊髄損傷者、および脳卒中患者) によって EMD で徹底的にテストされた一般的なコンピューター ゲームのリストと説明を示しています。

目的: 定性分析を組み込んだ探索的ランダム化臨床試験 (RCT) を実施する。 a) カーディオ フィットネスおよび筋力トレーニングのためのファースト ステップ ウェルネス センターに通っている脊髄および脳卒中クライアントの手先の器用さのリハビリテーションのための GAMING システムの実装、有用性および受容性を評価する、b) の有効性および効果サイズの推定値を提供するGAMING システムを使用した 10 週間の介入。 これにより、将来の本格的な RCT を指示するために必要な情報が提供されます。

臨床試験は、2 つの「姉妹」センターで実施されます。 ウィニペグのファースト ステップ ウェルネス センター Shane Hartje、エグゼクティブ ディレクター、shane@fswcwpg.ca 2、レジーナのファースト ステップ ウェルネス センター、エグゼクティブ ディレクター、オーウェン カールソン、info@fswcregina.ca Shane Hartje と Owen Carlson から添付されたコラボレーションの手紙を参照してください。 2 つのセンターには、EMD と、すぐに利用できる 30 のコンピュータ ビデオ ゲームが提供されます。 EMDには、親指と手首の動き、肘と肩の動きを組み合わせた腕の動きなど、幅広い機能を実行するための交換可能な3Dプリントハンドルがいくつか含まれています。

このプロジェクトのポスドク フェローである Anuprita Kanitkar は、ウィニペグの First Step Wellness Center に通う脊髄損傷患者と脳卒中患者の探索的 RCT を実施および調整し、サスカチュワン州 (各サイトで 15 人の患者) で同じことを調整します。

各参加者は、10 週間、毎週 2 回、1 時間の監視付きエクササイズ セッションを受けます。 実験グループ (XG) が受け取ります。 a) 実験的なゲームベースの介入を 30 分間、b) 通常の上肢の可動域と筋力および運動プログラムを 30 分間。 アクティブ コントロール グループ (CG) は、1 時間のセッション全体で、通常の上肢可動範囲の筋力トレーニングを受けます。

32 名の脊髄損傷者と 32 名の脳卒中患者 (すなわち、 各サイト16台。

さらに、CG グループの参加者が 10 週間の介入を完了したら、ゲームベースのエクササイズ プログラムを提供します。

包含基準には以下が含まれます。

1. 年齢 20 ～ 70 歳
2. 脳卒中または SCI の 6 か月後 SCI の脳卒中後の聴力が 2 回未満
3. 中手指節関節と指節間関節を少なくとも 10 度積極的に伸ばし、手首を 10 度伸ばし、肘と肩を少なくとも 30 度積極的に屈曲伸展させます。
4. 標準的なコンピューター モニターで必要な画像を見るのに十分な視力。 E) インフォームドコンセントを提供できる

除外基準には以下が含まれます。

1. 過度の痙性（アッシュワーススケールでグレード3以上）（11）、
2. 重大な認知障害（モントリオール認知評価スコアが25未満）（12）
3. -テスト前の単一の脳卒中を除く他の神経障害。

各参加者の最初の運動プロトコルは、個々の目標、障害のレベル、および機能状態の両方に基づいて確立されます。 典型的なセッションには以下が含まれます。 4 ～ 5 個の選択されたオブジェクト操作タスク、4 ～ 5 個の異なる EMD ハンドル、およびいくつかのコンピューター ゲーム。 これらのタスクは、さまざまな操作モードと機能的要求を必要とする幅広い物理的特性を表しています。

各 EMD ハンドル ゲームの組み合わせは、2 ～ 3 分間隔で練習され、2 ～ 3 回繰り返されます。 参加者は、希望する手と腕のセグメントの動きでさまざまなタスクを実行する方法と、それらを関連する動きに置き換えないように指示されます。 コンピュータ ゲームは、次のゲームの特性に基づいて選択されます。a) ゲーム パドルを動かすために必要な動きの振幅、b) ゲームの速度、および c) ゲームの正確さの要件。 多くの安価なアーケード スタイルのコンピュータ ゲームはオンラインで簡単に入手でき、bigfishgames.com などの Web サイトからダウンロードできます。 (本研究で使用したコンピュータ ゲームのリストについては、付録 5 を参照してください)。

EMD の次の機能、オブジェクト操作タスク、およびコンピューター ゲームの種類は、許容範囲内で更新され、課題を増やして運動プログラムを進めます。 タスクの物理的要求を高めるために、さまざまなサイズ、形状、重量、および表面摩擦を持つオブジェクトが使用されました。 ゲーム速度と移動精度 (ターゲット オブジェクトとゲーム パドルのサイズ) が増加しました (つまり、 速度精度関係）。 マウスの感度を調整することにより、動きの振幅が増加しました。 タスクの難易度は、EMD ハンドルに適用される補助力と抵抗力を増やすことによっても調整されます。 さまざまな商用コンピュータ ビデオを使用して進行も実現しました。

アクティブ コントロール グループ (CG) は、ファースト ステップ ウェルネス センターのトレーニング スタッフが設定した通常のストレッチ、可動域、および筋力トレーニング プログラムを継続します。

定量分析 以下のアウトカム指標は、介入前後に取得されます

1. 上肢の運動能力は、Wolf motor function test (WMFT) [22] によって測定されます。 参加者は、WMFT の 15 のタスクをできるだけ早く完了するよう求められます。 各タスクを完了するのにかかった時間が記録されます。 各タスクの動作の質も、0 から 5 の序数スケールを使用して等級付けされました。0 はまったく実行されなかったことを示し、5 は通常の動作で実行されたことを示します。 最終的な WMFT スコアは次のとおりです。 (a) 15 のタスクに要した合計時間、および (b) 15 のタスクの移動品質グレードの合計。

2. 手先の器用さのコンピューター ゲーム ベースの上肢 (CUE) 評価。 テスト手順、データ分析、および信頼性の詳細については、参考文献 16、17、23 を参照してください。 IB マウスは、物理的特性と解剖学的要求が異なるいくつかのテスト オブジェクトに固定されます。 すべてのマニピュレーション タスクには、指と親指または手のひらの表面接触が必要であり、手首、肘、肩の精密な動きのさまざまな組み合わせが必要でした... これには、円柱とサッカー ボールを前後に転がすことが含まれます。プロネーション-サピネーションを使用してコーヒーマグを回転させます。手全体と 2 本指の精密な回転タスク... RTP ソフトウェアは、Motor Skill ゲーム モジュールからのマルチイベント分析手順に基づいて、いくつかのパフォーマンス結果測定値を計算します。 一例として、ゲームセッションが２分間で、ゲームイベント持続時間が２秒に設定されている場合、患者３０によって各方向に６０回のゲーム運動応答がなされる。 手先の器用さの現在の研究結果の測定には、次のものが含まれます。

   a) いくつかのゲームイベントの成功率または目標達成の平均 b) 動きの開始時間 c) 動きのエラーの大きさ d) いくつかの繰り返されるゲームの動きの応答から計算された動きの変動と一貫性ポスドクへのコース。

定性分析

10 週間の運動プログラムが完了すると、すべての参加者はインタビューに参加するよう招待されます。 以下の自由回答形式の質問がすべての参加者に尋ねられ、その回答が記録されました。

1. 参加に同意したとき、治療プログラムからどのような恩恵を受けることを望みましたか?
2. ゲームや運動プログラムについて、好きなところや嫌いなところはありましたか?
3. プレイを求められたコンピューターゲームについてどう思いましたか? ゲームは楽しかったですか？ 楽しめなかったゲームはありましたか?
4. このセラピープログラムは役に立ったと感じましたか?
5. 適切な設定が提供された場合、これらの演習を続行しますか? 参加者は、自分の考え、考え、意見、および個人的な経験を説明し、説明することが奨励されます。 解釈的記述の分析的枠組みは、主題の解釈に使用された [24, 25]。

すべてのインタビューは録音され、後で書面形式に書き起こされます。 翻訳されたトランスクリプトは、各インタビューの書かれたトランスクリプトを言い換え、一般化、および要約することによってコーディング システムを行う Anuprita Kanitkar によって読まれます。 別の研究助手がコード化されたデータを精査し、追加の固有の応答とコードを特定しました。 2 人のレビュー担当者は、分析を比較し、最終的なテーマとサブテーマに編成された最終的なコード システムの不一致を解決するために集まります [.

統計分析 データの正規性は、Shapiro-Wilk 検定を使用してチェックされます。 SS S、MB W. 正規性の分散検定の分析。 バイオメトリカ。 1965;67(337):52.

時間 (介入前から介入後)、グループ (実験および対照)、および時間*グループの相互作用がオオカミ運動機能テストのスコアおよび CUE 結果測定値に及ぼす影響は、混合モデル ANOVA を使用して反復測定で評価されます。 有意水準は 0.05 に設定され、SPSS (バージョン 24) (SPSS Science、シカゴ) を使用して統計分析が行われます。

カスタムコンピューターシミュレーションを使用して、反復測定モデルの統計的検出力を計算し、現在の研究データを使用して治療効果サイズの推定値を提供します。 ランダム切片線形混合効果モデルが使用され、ランダムに生成された観測値を含む 128 個のデータセットが、サンプル サイズ、訪問回数、および効果サイズの組み合わせごとに生成されます。 すべてのシミュレーションで、実験的介入と実薬対照群の治療割り当ては 1:1 (バランスの取れたデザイン) と仮定されました。 各データセットは、グループ、時間、および時間*グループの相互作用を持つ線形混合モデルによって分析されます。 検出力は、時間の経過に伴う 2 つのグループ間の勾配の差を定量化する有意な (p < 0.05) Time*Group 相互作用項を持つモデルの割合として計算されます。 シミュレーションの実行には、SAS PROX MIXED バージョン 9.4 が使用されます。 有意な結果は、観測された Time*Group 効果サイズの 80% で適切に強化されています。