Dataspillbasert treningsprogram rettet mot manuell fingerferdighet for personer med ryggmargsskade eller hjerneslag.

Bakgrunn Mange voksne med nevromuskulære svekkelser som påvirker øvre ekstremitet (UE) har mangler i finmotorikk [1-3]. Manuell fingerferdighet som involverer håndtering og manipulering av gjenstander er avgjørende for mange daglige aktiviteter og sosialt liv. Disse aktivitetene krever manipulering av objekter med et bredt spekter av fysiske egenskaper og funksjonelle krav som ofte krever høy grad av presisjon.

Begrensningsindusert bevegelsesterapi (CIMT [4-6]. lover rehabiliteringsprogrammer for gjenoppretting av hånd-arm funksjon. Disse behandlingstilnærmingene understreker at funksjonell restitusjon reflekterer læring oppnådd gjennom å generere virkelige opplevelser, bruke fokusert oppmerksomhet, simulere nær normale bevegelser og repetisjon. pasienter, økende krav til rehabiliteringstjenester av en aldrende befolkning, samt økonomisk OG reiseavstandspress. For å overkomme disse utfordringene trenger vi gjennomførbare og kostnadseffektive metoder for å øke tilgjengeligheten. Ideelt sett bør effektive terapiprogrammer gjøres tilgjengelige i samfunnshus og til slutt i pasienthjem.

I tillegg til å øke tilgjengeligheten, er det behov for å forbedre etterlevelsen av treningsregimer. En fremvoksende tilnærming for å engasjere klienter i terapi er å inkorporere dataspill [7-8].

Aktiviteter i dataspill kan gi et atferdsmessig, økologisk gyldig og tilpasningsdyktig miljø. I tillegg kan de gi umiddelbar tilbakemelding samt elektroniske journaler for å vurdere og hjelpe til med progresjonen av intervensjoner. Flere spillsystemer har blitt brukt i rehabilitering av overekstremiteten. Disse inkluderer kommersielle underholdningsspillsystemer som Wii [9], Kinect [10], Leaps bevegelsessensor [11] og sensorutstyrte hansker [12]. Disse spillsystemene kan oppdage armsegmentbevegelser eller fingerbevegelser - og i sanntid - brukes bevegelsessignalene til å kontrollere posisjonen og bevegelsen til virtuelle avatarer/objekter, eller for å kontrollere en spillpadle for lek. Disse systemene er imidlertid begrenset, fordi de ikke er rettet mot objekthåndtering og -manipulering. Derfor er det ingen vurdering av sensorisk prosessering av hudfølbar sensorisk informasjon som kreves for å opprettholde objektstabilitet under bevegelse, og for å oppdage og minimere glidning av det bevegelige objektet [13, 14]. Det er avgjørende å skape opplevelser som forbedrer hjernens evne til å lære, og for manuell fingerferdighet oppnås dette best ved å utføre presise objektmanipulasjonsoppgaver gjennom veiledet og assistert repetisjon [15].

Basert på de ovennevnte betraktningene ble det utviklet en rimelig dataspillbasert rehabiliteringsplattform som kombinerer fine manipulasjons- og grovbevegelsesøvelser med "morsomme" dataspillaktiviteter som passer for små barn og voksne med ervervede hjerne- og ryggmargsskader [16-19). Finger-hånd-funksjonen var rettet mot å utvide nytten utover grov rekkevidde eller transportbevegelser, siden evnen til å utføre manuelle ferdigheter med hendene er i stor grad en integrert del av hverdagen.

Flere prinsipper for motorisk læring er inkorporert i denne spillbaserte applikasjonen [20, 21] som inkluderer målrettet, oppgavespesifikk trening av objekthåndtering og -manipulering, hastighetsnøyaktighet, multisensorisk stimulering og implisitt tilbakemelding og kunnskap om ytelse.

Exercise Manipulandum Device (EMD) De fleste rehab-treningsspillsystemer er passive system og kan ikke gi bevegelsesassistanse for pasienter med begrenset bevegelsesområde eller dårlig bevegelseskontroll) hastighet-nøyaktighet. Dermed har vi utviklet og pilottestet en bærbar, rimelig "Rehabilitation Manipulandum Device" (EMD). EMD inkluderer en integrert kontroller og motor for å produsere krefter som kan hjelpe frivillige bevegelser som kreves under spillbaserte øvelser. Derfor kan den romme pasienter med begrenset bevegelseskontroll og de som har begrenset aktivt bevegelsesområde.

EMD består av et kompakt, 3D-trykt chassis i ett stykke som rommer grensesnittkortet, aktuatoren, drivverket og den roterende drivakselen. En rekke 3D-printede "terapi"-håndtak i forskjellige former og størrelser er produsert som festes til EMD-rotasjonsakselen. Disse er designet for å øve på et bredt spekter av manuell fingerferdighet som involverer (a) tommel/finger, (b) håndledd (ekstensjon-fleksjon), (c) ulnar-radial avvik i håndleddet, (d) pronasjon-supinasjon og (e) albue/skulder funksjoner. En optisk koder registrerer akselrotasjon. Rotasjonen av EMD-akselen (dvs. respektive håndtaksbevegelser) kontrollerer nøyaktig bevegelsen til en datamarkør eller spillsprite for et enkelt akse dataspill. I denne forbindelse vil den absolutte akselrotasjonsvinkelen (optisk kodersignal) kartlegges til pikselkoordinater på skjermen. En Arduino Leonardo mikroprosessor brukes til å koble EMD til datamaskinen og spillene. Den er programmert til å lese den optiske koderen og produsere markørkontroll (full museemulering). Arduino Leonardo IDE er i stand til å fungere som en mus via de innebygde bibliotekene. Følgende musekontrollparametere kan konfigureres: (a) spillorientering mus horisontal vs vertikal bevegelse, (b) arbeidsområde, mulighet til å velge et hvilket som helst rotasjonsvinkelområde og kartlegge til fullskjerms museposisjon, dvs. det vil være mulig å velge hvilken som helst aktivt bevegelsesområde for trening (f.eks. fra håndleddsnøytral til 10, 20 eller 30 graders ekstensjon avhengig av pasientens behov), og (c) musefølsomhet for å justere bevegelsesamplituden som er nødvendig for å bevege musen gjennom hele skjermens bevegelsesområde.

EMD er i stand til flere hjelpestyrketilbakemeldingsordninger. Den ene inkluderer en enkel ensrettet kraftfeltmodus, i dette tilfellet påføres en konstant kraft på utgangsakselen i én retning. (Størrelse og retning kan konfigureres). For mange pasienter er finger- og håndleddfunksjonen mer svekket i én bevegelsesretning, for eksempel begrenset finger- og håndleddsforlengelse. Dermed manglende evne til å plassere og åpne hånden for å gripe gjenstander med varierende diameter. Disse pasientene ville dra nytte av bevegelseshjelpen gitt av en konstant styrke. Den motsatte bevegelsesretningen (f.eks. fleksjon) vil motta en motstandskraft. Et annet opplegg er et mer avansert lukket sløyfe, smart hjelpekontrollopplegg som krever sanntidskommunikasjon mellom EMD Arduino-grensesnittet og et spesialbygd RTP-spill [16, 17]. Dette er nødvendig for å bestemme retningen og størrelsen på kraften som kreves for å rotere håndtaket og hjelpe brukeren med å flytte spillepadlen for å lykkes med den tilfeldige presentasjonen av spillmålobjekter. Denne kontekstavhengige hjelpemodusen kan forsterke selv begrensede og små frivillige bevegelser for de som er alvorlig rammet, samtidig som den gir mulighet for en progresjon av treningen med økt krav til bevegelseskrav. Selv i tilfeller der bevegelsesområdet er lite, vil skalering og filtrering av den lukkede sløyfekontrolleren tillate oversettelse til større bevegelser bedre og viktigere tilgjengelig selv for funksjonshemmede som kanskje ikke har vært i stand til å dra nytte av denne typen system ellers .

EMD fungerer som en responsiv USB plug and play-datamus, og dette gjør at vanlige og moderne dataspill kan brukes og nytes som en del av et personlig treningsprogram. Inkludering av et spilleelement er ment å gi ekstra motivasjon for pasientene i form av en utfordring og en morsommere måte å oppmuntre dem til å følge kjedelige, repeterende bevegelser som ofte er en del av rehabiliteringsprosessen. Spesifikk terapeutisk verdi kan utledes fra Både typene objektmanipulasjonsoppgaver, samt valg av dataspill. Ulike kommersielle spill krever ulike nivåer av bevegelsesamplitude, hastigheter, nøyaktighet og repetisjon og tilbyr tilstrekkelig mangfold til å appellere til et bredt spekter av individuelle preferanser. Å oppdatere og utvikle spillene og vanskelighetsnivåene regelmessig, for å opprettholde utfordringen og gi nye opplevelser, vil lette den psykologiske tilbakemeldingen som kreves for å opprettholde interesse og deltakelse. Mange kommersielt tilgjengelige spill involverer også multi-tasking. Derfor engasjerer oppgavene også sentrale oppmerksomhets-, perseptuelle og kognitive ferdigheter. Vedlegg 1 viser en liste og beskrivelse av vanlige dataspill som er grundig testet med EMD av flere pasienter (barn med cerebral parese og voksne ryggmargsskadde og slagpasienter).

Mål: Å gjennomføre en eksplorativ randomisert klinisk studie (RCT) med innebygd kvalitativ analyse for å; a) evaluere implementeringen, brukbarheten og akseptabiliteten av GAMING-systemet for rehabilitering av manuell fingerferdighet hos ryggmargs- og slagklienter som går på First Step Wellness-senter for kondisjons- og styrketrening, b) gi et estimat av effektiviteten og effektstørrelsen til en 10 ukers intervensjon ved bruk av GAMING-systemet. Dette vil gi informasjonen som trengs for å lede en fremtidig fullskala RCT.

Den kliniske studien vil bli utført ved to "søster" "sentre 1. First Step Wellness Center i Winnipeg Shane Hartje, administrerende direktør, shane@fswcwpg.ca 2, First Step Wellness Center i Regina, administrerende direktør Owen Carlson., info@fswcregina.ca Se samarbeidsbrev vedlagt fra Shane Hartje og Owen Carlson. De to sentrene vil bli utstyrt med EMD og 30 lett tilgjengelige dataspill. EMD vil inkludere flere utskiftbare 3D-trykte håndtak for å utøve et bredt spekter av funksjoner, inkludert tommel-finger- og håndleddsbevegelser, samt armbevegelser som involverer en kombinasjon av albue- og skulderbevegelser.

Anuprita Kanitkar, Post Doc-stipendiat for dette prosjektet, vil gjennomføre og koordinere den utforskende RCT på ryggmargsskadede klienter og slagklienter som deltar på First Step Wellness Center i Winnipeg og vil koordinere det samme i Saskatchewan (15 klienter på hvert sted).

Hver deltaker vil motta to, en-times veilede treningsøkter hver uke i 10 uker. Forsøksgruppen (XG) vil motta; a) den eksperimentelle spillbaserte intervensjonen i 30 minutter, og b) deres vanlige bevegelsesområde for øvre ekstremiteter og styrke og treningsprogram, i 30 minutter. Den aktive kontrollgruppen (CG) vil motta sine vanlige øvre ekstremiteter med bevegelsesstyrkeøvelser for hele en times økt.

Vi forventer at det vil ta 18 måneder å rekruttere 32 ryggmargsskadde og 32 slagklienter (dvs. 16 på hvert sted.

I tillegg vil vi tilby det spillbaserte treningsprogrammet til deltakere i CG-gruppen når de har fullført sin 10 ukers intervensjon.

Inkluderingskriterier vil omfatte:

1. Alder 20-70, år
2. seks måneder etter et slag eller SCI Mindre enn to hører etter et hjerneslag av SCI
3. Aktivt forlenge minst ti grader ved metacarpophalangeal og interfalangeale ledd, forlenge ti grader ved håndleddet og hatt minst 30 grader aktiv fleksjon-ekstensjon av albue og skulder.
4. Tilstrekkelig syn for å se de nødvendige bildene på en standard dataskjerm. E) Kunne gi informert samtykke

Ekskluderingskriterier vil omfatte:

1. overdreven spastisitet (grad tre og høyere på Ashworth-skalaen) (11),
2. noen betydelig kognitiv svikt (Montreal Cognitive Assessment skårer mindre enn 25) (12)
3. Enhver annen nevrologisk lidelse med unntak av et enkelt slag før testing.

Den første treningsprotokollen for hver deltaker vil bli etablert basert på både de individuelle målene, nivået av svekkelse og funksjonsstatus. En typisk økt vil innebære; 4-5 utvalgte objektmanipuleringsoppgaver, 4-5 forskjellige EMD-håndtak, og flere dataspill. Disse oppgavene representerer et bredt spekter av fysiske egenskaper som krever ulike manipulasjonsmåter og funksjonelle krav.

Hver EMD-håndtak-spillkombinasjon vil bli øvd i 2-3 minutters intervaller og gjentas 2-3 ganger. Deltakerne vil bli instruert i hvordan de skal utføre de ulike oppgavene med de ønskede hånd- og armsegmentbevegelsene og ikke erstatte dem med tilhørende bevegelser. Dataspill vil bli valgt basert på følgende spillegenskaper: a) bevegelsesamplitude som kreves for å bevege spillepadlen, b) spillhastighet og c) krav til spillpresisjon. Mange rimelige dataspill i arkadestil er lett tilgjengelige på nettet og kan lastes ned fra nettsteder som bigfishgames.com (se vedlegg 5 for en liste over dataspill brukt i denne studien).

Følgende funksjoner i EMD og objektmanipulasjonsoppgaver og typer dataspill vil bli oppdatert som tolerert for å øke utfordringen og fremdriften i treningsprogrammet. Gjenstander med forskjellig størrelse formvekt og overflatefriksjon ble brukt for å øke de fysiske kravene til oppgavene. Spillhastigheten og deretter bevegelsespresisjonen (størrelsen på målobjektene og viltpadlen) ble økt (dvs. Hastighetsnøyaktighetsforhold). Bevegelsesamplitude ble økt ved å justere musens følsomhet. Oppgavevanskeligheten vil også bli justert ved å øke hjelpe- og motstandskreftene som påføres EMD-håndtakene. Progresjon ble også oppnådd ved å bruke en rekke kommersielle datavideoer

Aktiv kontrollgruppe (CG) vil fortsette med sitt vanlige treningsprogram for strekk, bevegelsesutslag og styrketrening som er fastsatt av treningspersonalet ved First Step Wellness-senteret.

Kvantitativ analyse Følgende utfallsmål vil bli oppnådd før og etter intervensjon

1. Overekstremitets motoriske evne vil bli målt ved Wolf motor funksjonstest (WMFT) [22]. Deltakerne vil bli bedt om å fullføre 15 oppgaver i WMFT så raskt som mulig. Tiden det tar å fullføre hver oppgave vil bli registrert. Bevegelseskvaliteten for hver oppgave ble også gradert ved å bruke en ordinalskala fra 0 til 5, der 0 indikerer at de ikke presterte i det hele tatt, og fem indikerer utført med normal bevegelse. De endelige WMFT-resultatene var; (a) den totale tiden det tar for de 15 oppgavene og (b) De summerte bevegelseskvalitetskarakterene for de 15 oppgavene.

2. Dataspillbasert øvre ekstremitet (CUE) vurdering av manuell fingerferdighet. Se referansene 16, 17, 23 for detaljer om testprosedyrene, dataanalyse og pålitelighet. IB-musen vil bli festet til flere testobjekter med ulike fysiske egenskaper og anatomiske krav. Alle manipulasjonsoppgaver krevde kontakt med finger-tommel- eller håndflateoverflaten, og involverte ulike kombinasjoner av presisjonsbevegelser av håndledd, albue og skulder... Dette inkluderer å rulle en sylinder og en fotball forover og bakover; Rotere et kaffekrus ved hjelp av pronasjon-supinasjon; helhånds- og 2-fingre fine presisjonsrotasjonsoppgaver... RTP-programvaren beregner flere ytelsesresultatmål basert på analyseprosedyrer for flere hendelser fra spillmodulen Motor Skill. Som et eksempel, for en spilløkt på to minutter og med spillbegivenhetens varighet satt til to sekunder, vil det være 60 spillbevegelsesresponser utført av pasienten 30 i hver retning. For den nåværende studiens utfall vil mål på manuell fingerferdighet inkludere:

   a) Suksessrate eller måloppnåelse gjennomsnitt for flere spillhendelser, b) Bevegelsesstarttid c), omfanget av bevegelsesfeil, d) Bevegelsesvariasjon og konsistens beregnet fra flere gjentatte spillbevegelsesresponser, og f) Andre vil bli utviklet og validert over kurset til Post Doc.

Kvalitativ analyse

Etter fullført 10-ukers treningsprogram vil alle deltakere bli invitert til å delta i et intervju. Følgende åpne spørsmål vil bli stilt til alle deltakerne, og deres svar ble registrert:

1. Da du takket ja til å delta, hvordan håpet du at du ville ha nytte av terapiprogrammet?
2. Var det ting ved spillet eller treningsprogrammet du likte og ting du ikke likte?
3. Hva syntes du om dataspillene du ble bedt om å spille? Likte du spillet? Var det spill du ikke likte?
4. Følte du at dette terapiprogrammet hjalp deg?
5. Hvis du fikk de riktige innstillingene, ville du fortsette med disse øvelsene? Deltakerne vil bli oppfordret til å beskrive og forklare sine ideer, tanker, meninger og personlige erfaringer. Det analytiske rammeverket for tolkningsbeskrivelse ble brukt til tematisk tolkning [24, 25].

Alle intervjuer vil bli tatt opp på lydbånd og senere transkribert til skriftlig format. Oversatte transkripsjoner vil bli lest av Anuprita Kanitkar som vil kodesystemet ved å parafrasere, generalisere og abstrahere de skriftlige transkripsjonene fra hvert intervju. En annen forskerassistent gransket de kodede dataene og identifiserte eventuelle ekstra unike svar og koder. De to anmelderne vil møtes for å sammenligne sine analyser og for å løse uenigheter i et endelig kodesystem organisert i endelige temaer og undertemaer [.

Statistisk analyse Normaliteten til dataene vil bli kontrollert ved hjelp av Shapiro-Wilk-testen. SS S, MB W. En variansanalyse for normalitet. Biometrika. 1965;67(337):52.

Effektene av Tid (før-til-post-intervensjon), Gruppe (eksperimentell og kontroll) og Tid*Gruppe-interaksjon på Wolf Motor Function Test-resultatene og CUE-utfallsmålene vil bli evaluert ved å bruke en blandet modell ANOVA med gjentatte mål. Signifikansnivået settes til 0,05 og statistisk analyse vil bli utført ved bruk av SPSS (versjon 24) (SPSS Science, Chicago).

En tilpasset datasimulering vil bli brukt for å beregne statistisk kraft for modellene med gjentatte tiltak, med de nåværende studiedataene som gir estimater av behandlingseffektstørrelsene. En lineær blandede effektmodell med tilfeldig avskjæring vil bli brukt og 128 datasett med tilfeldig genererte observasjoner vil bli generert for hver kombinasjon av utvalgsstørrelse, antall besøk og effektstørrelse. For alle simuleringer ble behandlingstildelingen for eksperimentell intervensjon og aktiv kontrollarm antatt å være 1:1 (balansert design). Hvert datasett vil bli analysert av en lineær blandet modell med en gruppe, tid og tid*gruppeinteraksjon. Effekt vil bli beregnet som brøkdelen av modeller med en signifikant (p < 0,05) Tid*Gruppeinteraksjonsledd som kvantifiserer forskjellen i helninger mellom de to gruppene over tid. SAS PROX MIXED versjon 9.4 vil bli brukt til å utføre simuleringene. Signifikante resultater er tilstrekkelig drevet ved 80 % for de observerte effektstørrelsene Tid*Gruppe.