Program ćwiczeń oparty na grze komputerowej ukierunkowany na sprawność manualną dla osób z urazem rdzenia kręgowego lub udarem mózgu.

Tło Wielu dorosłych z zaburzeniami nerwowo-mięśniowymi dotyczącymi kończyny górnej (UE) ma deficyty w zakresie umiejętności motorycznych [1-3]. Sprawność manualna polegająca na posługiwaniu się przedmiotami i manipulowaniu nimi jest niezbędna w wielu czynnościach życia codziennego i społecznego. Czynności te wymagają manipulacji obiektami o szerokim zakresie właściwości fizycznych i wymagań funkcjonalnych, co często wymaga wysokiego stopnia precyzji.

Terapia ruchowa wywołana ograniczeniami (CIMT [4-6]. są obiecującymi programami rehabilitacji mającymi na celu przywrócenie funkcji ręka-ramię. W tych podejściach do leczenia podkreśla się, że odzyskiwanie funkcji odzwierciedla uczenie się osiągnięte poprzez generowanie rzeczywistych doświadczeń, skupianie uwagi, symulowanie ruchów zbliżonych do normalnych i powtarzanie. pacjentów, rosnące zapotrzebowanie na usługi rehabilitacyjne ze strony starzejącego się społeczeństwa, a także presja finansowa ORAZ związana z odległością dojazdu. Aby sprostać tym wyzwaniom, potrzebujemy wykonalnych i opłacalnych metod zwiększania dostępności. W idealnej sytuacji skuteczne programy terapeutyczne powinny być udostępniane w ośrodkach społecznych, a ostatecznie w domach pacjentów.

Oprócz zwiększenia dostępności istnieje potrzeba poprawy przestrzegania reżimów ćwiczeń. Pojawiającym się podejściem do angażowania klientów w terapię jest włączenie gier komputerowych [7-8].

Działania w grach komputerowych mogą zapewnić behawioralne, ekologiczne i adaptacyjne środowisko. Ponadto mogą zapewnić natychmiastową informację zwrotną, a także zapisy elektroniczne w celu oceny i pomocy w postępie interwencji. W rehabilitacji kończyny górnej zastosowano kilka systemów gier. Należą do nich komercyjne systemy gier rozrywkowych, takie jak Wii [9], Kinect [10], czujnik ruchu Leaps [11] oraz rękawice wyposażone w czujniki [12]. Te systemy do gier mogą wykrywać ruchy segmentów ramion lub palców - aw czasie rzeczywistym - sygnały ruchu są wykorzystywane do kontrolowania pozycji i ruchu wirtualnych awatarów/obiektów lub do sterowania paletką do gry. Jednak te systemy są ograniczone, ponieważ nie są ukierunkowane na obsługę i manipulację obiektami. Dlatego nie uwzględnia się sensorycznego przetwarzania informacji sensorycznych skóry, niezbędnych do utrzymania stabilności obiektu podczas ruchu oraz wykrywania i minimalizowania poślizgu poruszającego się obiektu [13, 14]. Kluczowe znaczenie ma tworzenie doświadczeń, które poprawiają zdolność mózgu do uczenia się, a dla sprawności manualnej najlepiej jest to osiągnąć poprzez wykonywanie precyzyjnych zadań z manipulacją obiektami poprzez powtarzanie kierowane i wspomagane [15].

W oparciu o powyższe rozważania opracowano tanią platformę rehabilitacyjną opartą na grach komputerowych, która łączy precyzyjne ćwiczenia manipulacyjne i ruchowe z „zabawnymi” grami komputerowymi odpowiednimi dla małych dzieci i dorosłych z nabytymi urazami mózgu i rdzenia kręgowego [16-19]. Funkcja palca-ręki miała na celu rozszerzenie użyteczności poza duże sięganie lub ruchy transportowe, ponieważ zdolność wykonywania umiejętności manualnych rąk jest bardzo integralną częścią codziennego życia.

W tej aplikacji opartej na grach uwzględniono kilka zasad uczenia się motorycznego [20, 21], które obejmują zorientowane na cel, specyficzne dla zadania szkolenie w zakresie obsługi i manipulacji przedmiotami, precyzję prędkości, stymulację multisensoryczną oraz niejawną informację zwrotną i wiedzę na temat wydajności.

Urządzenie Manipulandum do ćwiczeń (EMD) Większość systemów ćwiczeń rehabilitacyjnych do gier jest systemami pasywnymi i nie może zapewnić pomocy w poruszaniu się pacjentom z ograniczonym zakresem ruchu lub słabą kontrolą ruchu). W ten sposób opracowaliśmy i przetestowaliśmy pilotażowo przenośne, niedrogie „Urządzenie Rehabilitacyjne Manipulandum” (EMD). EMD zawiera zintegrowany kontroler i silnik do wytwarzania sił, które mogą wspomagać dobrowolne ruchy wymagane podczas ćwiczeń opartych na grach. Dlatego może pomieścić pacjentów z ograniczoną kontrolą ruchu i tych, którzy mają ograniczony aktywny zakres ruchu.

EMD składa się z kompaktowej, jednoczęściowej obudowy wydrukowanej w 3D, w której znajduje się płyta interfejsu, siłownik, układ napędowy i obrotowy wał napędowy. Wyprodukowano wiele uchwytów „terapeutycznych” wydrukowanych w 3D o różnych kształtach i rozmiarach, które można przymocować do obrotowego wału napędowego EMD. Są one przeznaczone do ćwiczenia szerokiego zakresu umiejętności manualnych obejmujących (a) kciuk/palec, (b) nadgarstek (wyprost-zgięcie), (c) odchylenie łokciowo-promieniowe nadgarstka, (d) pronację-supinację oraz (e) funkcje łokcia/ramienia. Enkoder optyczny rejestruje obrót wału. Obrót wału EMD (tj. Odpowiednie ruchy uchwytu) precyzyjnie kontroluje ruch kursora komputerowego lub duszka dowolnej gry komputerowej z pojedynczą osią. W związku z tym bezwzględny kąt obrotu wału (sygnał enkodera optycznego) zostanie odwzorowany na współrzędne pikseli na wyświetlaczu. Mikroprocesor Arduino Leonardo służy do łączenia EMD z komputerem i grami. Jest zaprogramowany do odczytu enkodera optycznego i sterowania kursorem (pełna emulacja myszy). Arduino Leonardo IDE może działać jako mysz za pośrednictwem wbudowanych bibliotek. Konfigurowalne są następujące parametry sterowania myszką: (a) orientacja gry pozioma vs pionowa ruch myszy, (b) zakres pracy, możliwość wyboru dowolnego zakresu kąta obrotu i mapowania do pozycji myszy pełnoekranowej, tj. aktywny zakres ruchu podczas ćwiczeń (np. od pozycji neutralnej nadgarstka do 10, 20 lub 30 stopni wyprostu w zależności od potrzeb pacjenta) oraz (c) czułość myszy w celu dostosowania amplitudy ruchu potrzebnej do przesunięcia myszy w pełnym zakresie ruchu wyświetlacza.

EMD jest zdolny do kilku wspomagających schematów sprzężenia zwrotnego siły. Jeden obejmuje prosty tryb jednokierunkowego pola siłowego, w tym przypadku stała siła jest przykładana do wału wyjściowego w jednym kierunku. (Wielkość i kierunek jest konfigurowalny). U wielu pacjentów funkcja palców i nadgarstków jest bardziej upośledzona w jednym kierunku ruchu, na przykład ograniczony wyprost palca i nadgarstka. Stąd niemożność ustawienia i otwarcia dłoni w celu uchwycenia przedmiotów o różnych średnicach. Pacjenci ci skorzystaliby ze wspomagania ruchu zapewnianego przez stałą siłę. Ruch w przeciwnym kierunku (np. zgięcie) otrzymałoby siłę oporu. Drugi schemat to bardziej zaawansowany schemat inteligentnego wspomagania sterowania w pętli zamkniętej, który wymaga komunikacji w czasie rzeczywistym między interfejsem EMD Arduino a specjalnie zbudowaną grą RTP [16, 17]. Jest to wymagane do określenia kierunku i wielkości siły wymaganej do obrócenia uchwytu i pomocy użytkownikowi w poruszaniu paletką do gry, aby pomyślnie oddziaływać z losową prezentacją obiektów docelowych gry. Ten zależny od kontekstu tryb wspomagania może wzmocnić nawet ograniczone i niewielkie dobrowolne ruchy osób poważnie dotkniętych chorobą, jednocześnie umożliwiając progresję ćwiczeń przy zwiększonym zapotrzebowaniu na ruch. Nawet w przypadkach, w których zakres ruchów jest niewielki, skalowanie i filtrowanie kontrolera w pętli zamkniętej pozwoli na lepsze przełożenie na większe ruchy i co ważne, dostępne nawet dla osób niepełnosprawnych, które inaczej nie byłyby w stanie skorzystać z tego typu systemu .

EMD działa jak responsywna mysz komputerowa typu plug and play USB, co umożliwia korzystanie z popularnych i nowoczesnych gier komputerowych w ramach spersonalizowanego programu ćwiczeń. Włączenie elementu gry ma na celu zapewnienie pacjentom dodatkowej motywacji w postaci wyzwania i przyjemniejszego sposobu na zachęcenie ich do wykonywania żmudnych, powtarzalnych ruchów, które często są częścią procesu rehabilitacji. Specyficzną wartość terapeutyczną można wyprowadzić zarówno z rodzajów zadań związanych z manipulacją przedmiotami, jak i z wyboru gry komputerowej. Różne gry komercyjne wymagają różnych poziomów amplitudy ruchu, prędkości, dokładności i powtarzalności oraz oferują wystarczającą różnorodność, aby odwoływać się do szerokiego zakresu indywidualnych preferencji. Regularne aktualizowanie i rozwijanie gier i poziomów trudności, aby sprostać wyzwaniu i zapewnić nowe doświadczenia, ułatwi psychologiczną informację zwrotną wymaganą do utrzymania zainteresowania i uczestnictwa. Wiele gier dostępnych na rynku wymaga również wielozadaniowości. W związku z tym zadania angażują również kluczowe umiejętności uwagi, percepcji i poznawcze. Dodatek 1 zawiera listę i opis popularnych gier komputerowych, które zostały dokładnie przetestowane z EMD przez kilku pacjentów (dzieci z porażeniem mózgowym i dorośli po urazie rdzenia kręgowego oraz pacjenci po udarze mózgu).

Cel: Przeprowadzenie eksploracyjnego randomizowanego badania klinicznego (RCT) z wbudowaną analizą jakościową; a) ocenić wdrożenie, użyteczność i akceptowalność systemu GAMING do rehabilitacji sprawności manualnej pacjentów po rdzeniu kręgowym i po udarze mózgu, którzy uczęszczają do centrum First Step Wellness na trening Cardio fitness i siłowy, b) oszacować skuteczność i wielkość efektu 10-tygodniowa interwencja z wykorzystaniem systemu GAMING. Dostarczy to informacji potrzebnych do kierowania przyszłym RCT na pełną skalę.

Badanie kliniczne będzie prowadzone w dwóch „siostrzanych” ośrodkach 1. Centrum odnowy biologicznej First Step w Winnipeg Shane Hartje, dyrektor wykonawczy, shane@fswcwpg.ca 2, centrum odnowy biologicznej First Step w Regina, dyrektor wykonawczy Owen Carlson., info@fswcregina.ca Zobacz załączone listy współpracy od Shane'a Hartje i Owena Carlsona. Oba ośrodki zostaną wyposażone w EMD i 30 ogólnodostępnych komputerowych gier wideo. EMD będzie zawierał kilka wymiennych uchwytów wydrukowanych w 3D do wykonywania szerokiego zakresu funkcji, w tym ruchów kciuka i nadgarstka, a także ruchów ramion, które obejmują kombinację ruchów łokcia i barku.

Anuprita Kanitkar, stypendystka Post Doc w tym projekcie, przeprowadzi i będzie koordynować eksploracyjne RCT na klientach po urazie rdzenia kręgowego i pacjentach z udarem, uczęszczających do First Step Wellness Center w Winnipeg i będzie koordynować to samo w Saskatchewan (15 klientów w każdym ośrodku).

Każdy uczestnik otrzyma dwie godzinne sesje ćwiczeń pod nadzorem każdego tygodnia przez 10 tygodni. Grupa eksperymentalna (XG) otrzyma; a) eksperymentalna interwencja oparta na grze przez 30 minut oraz b) zwykły zakres ruchu i siły kończyn górnych oraz program ćwiczeń przez 30 minut. Aktywna grupa kontrolna (CG) otrzyma zwykły zakres ćwiczeń siły ruchu kończyn górnych przez całą jednogodzinną sesję.

Oczekujemy, że rekrutacja 32 pacjentów z urazami rdzenia kręgowego i 32 pacjentów po udarze zajmie 18 miesięcy (tj. 16 w każdym miejscu.

Ponadto oferowalibyśmy program ćwiczeń oparty na grach uczestnikom grupy CG po zakończeniu 10-tygodniowej interwencji.

Kryteria włączenia będą obejmować:

1. Wiek 20-70 lat
2. sześć miesięcy po udarze lub SCI Mniej niż dwa miesiące po udarze SCI
3. Aktywnie wyprostuj co najmniej 10 stopni w stawach śródręczno-paliczkowych i międzypaliczkowych, wyprostuj 10 stopni w nadgarstku i wykonaj co najmniej 30 stopni aktywnego wyprostu zgięcia łokcia i barku.
4. Odpowiedni wzrok, aby zobaczyć wymagane obrazy na standardowym monitorze komputera. E) Zdolność do wyrażenia świadomej zgody

Kryteria wykluczenia będą obejmować:

1. nadmierna spastyczność (stopień trzeci i wyższy w skali Ashwortha) (11),
2. jakiekolwiek znaczące upośledzenie funkcji poznawczych (Montreal Cognitive Assessment daje mniej niż 25 punktów) (12)
3. Wszelkie inne zaburzenia neurologiczne z wyjątkiem pojedynczego udaru przed badaniem.

Wstępny protokół ćwiczeń dla każdego uczestnika zostanie ustalony na podstawie zarówno indywidualnych celów, stopnia upośledzenia, jak i stanu funkcjonalnego. Typowa sesja obejmuje; 4-5 wybranych zadań manipulacji obiektami, 4-5 różnych uchwytów EMD i kilka gier komputerowych. Zadania te reprezentują szeroki zakres właściwości fizycznych wymagających różnych sposobów manipulacji i wymagań funkcjonalnych.

Każdą kombinację EMD z uchwytem do gry należy ćwiczyć przez 2-3 minuty i powtarzać 2-3 razy. Uczestnicy zostaną poinstruowani, jak wykonywać różne zadania z pożądanymi ruchami segmentu ręki i ramienia i nie zastępować ich ruchami powiązanymi. Gry komputerowe zostaną wybrane na podstawie następujących właściwości gry: a) amplituda ruchu wymagana do poruszenia paletką do gry, b) szybkość gry, oraz c) wymagana precyzja gry. Wiele niedrogich gier komputerowych w stylu arkadowym jest łatwo dostępnych online i można je pobrać ze stron internetowych, takich jak bigfishgames.com (w Załączniku 5 znajduje się lista gier komputerowych wykorzystanych w niniejszym badaniu).

Następujące funkcje zadań EMD i manipulacji obiektami oraz rodzaje gier komputerowych zostaną zaktualizowane jako tolerowane, aby zwiększyć wyzwanie i udoskonalić program ćwiczeń. W celu zwiększenia fizycznych wymagań zadań wykorzystano obiekty o różnych rozmiarach, kształcie, ciężarze i tarciu powierzchni. Zwiększono szybkość gry, a następnie precyzję ruchu (rozmiar obiektów docelowych i wiosła do gry) (tj. związek dokładności prędkości). Amplituda ruchu została zwiększona poprzez dostosowanie czułości myszy. Trudność zadania zostanie również dostosowana poprzez zwiększenie sił wspomagających i oporowych przykładanych do uchwytów EMD. Postęp osiągnięto również za pomocą różnych komercyjnych wideo komputerowych

Aktywna grupa kontrolna (CG) będzie kontynuować zwykły program rozciągania, zakresu ruchu i treningu siłowego, zgodnie z zaleceniami personelu szkoleniowego w centrum odnowy biologicznej First Step.

Analiza ilościowa Następujące miary wyniku zostaną uzyskane przed i po interwencji

1. Zdolności motoryczne kończyn górnych będą mierzone za pomocą testu funkcji motorycznych Wolfa (WMFT) [22]. Uczestnicy zostaną poproszeni o jak najszybsze wykonanie 15 zadań WMFT. Czas potrzebny na wykonanie każdego zadania zostanie odnotowany. Jakość ruchu każdego zadania została również oceniona przy użyciu skali porządkowej od 0 do 5, gdzie 0 oznacza brak wykonania w ogóle, a pięć oznacza wykonanie z normalnym ruchem. Ostateczne wyniki WMFT były; (a) całkowity czas potrzebny na wykonanie 15 zadań oraz (b) zsumowane oceny jakości ruchu z 15 zadań.

2. Oparta na grze komputerowej ocena sprawności manualnej kończyn górnych (CUE). Patrz odnośniki 16, 17, 23, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat procedur testowych, analizy danych i niezawodności. Mysz IB zostanie przymocowana do kilku obiektów testowych o różnych właściwościach fizycznych i wymaganiach anatomicznych. Wszystkie zadania związane z manipulacją wymagały kontaktu palec-kciuk lub powierzchni palmera dłoni i obejmowały różne kombinacje precyzyjnych ruchów nadgarstka, łokcia i barku... Obejmuje to toczenie cylindra i piłki nożnej do przodu i do tyłu; Obracanie kubka do kawy za pomocą pronacji-supinacji; zadania precyzyjnej rotacji całej dłoni i 2 palców... Oprogramowanie RTP oblicza kilka miar wyników wydajności w oparciu o procedury analizy wielu zdarzeń z modułu gry Motor Skill. Na przykład, dla sesji gry trwającej dwie minuty i przy czasie trwania wydarzenia gry ustawionym na dwie sekundy, pacjent wykonałby 60 odpowiedzi ruchowych w grze 30 w każdym kierunku. W przypadku niniejszego badania miernikiem sprawności manualnej będzie:

   a) Współczynnik sukcesu lub średnia osiąganych celów z kilku wydarzeń w grze, b) Czas rozpoczęcia ruchu, c), wielkość Błędów ruchu, d) Zmienność ruchu i spójność obliczona na podstawie kilku powtarzających się reakcji na ruch w grze, oraz f) Inne zostaną opracowane i zweryfikowane przez kurs na Post Doc.

Analiza jakościowa

Po zakończeniu 10-tygodniowego programu ćwiczeń wszyscy uczestnicy zostaną zaproszeni na rozmowę kwalifikacyjną. Wszystkim uczestnikom zostaną zadane następujące pytania otwarte, a ich odpowiedzi zostaną zapisane:

1. Kiedy zgodziłeś się wziąć udział, jaką miałeś nadzieję, że skorzystasz z programu terapeutycznego?
2. Czy były rzeczy w grze lub programie ćwiczeń, które ci się podobały i rzeczy, które ci się nie podobały?
3. Co sądzisz o grach komputerowych, w które cię poproszono? Czy podobała ci się gra? Czy były gry, które Ci się nie podobały?
4. Czy czułeś, że ten program terapii Ci pomógł?
5. Czy gdybyś otrzymał odpowiednie ustawienia, kontynuowałbyś te ćwiczenia? Uczestnicy będą zachęcani do opisywania i wyjaśniania swoich pomysłów, przemyśleń, opinii i osobistych doświadczeń. Do interpretacji tematycznej wykorzystano analityczne ramy opisu interpretacyjnego [24, 25].

Wszystkie wywiady zostaną nagrane na taśmę audio, a następnie przepisane na formę pisemną. Przetłumaczone transkrypcje zostaną odczytane przez Anupritę Kanitkar, która zajmie się systemem kodowania, parafrazując, uogólniając i streszczając pisemne transkrypcje każdego wywiadu. Drugi asystent badacza przeanalizował zakodowane dane i zidentyfikował wszelkie dodatkowe unikalne odpowiedzi i kody. Dwaj recenzenci spotkają się, aby porównać swoje analizy i rozstrzygnąć nieporozumienia w ostatecznym systemie kodu zorganizowanym w ostateczne tematy i podtematy [.

Analiza statystyczna Normalność danych zostanie sprawdzona za pomocą testu Shapiro-Wilka. SS S, MB W. Analiza testu wariancji dla normalności. Biometria. 1965;67(337):52.

Wpływ interakcji Czas (przed interwencją i po niej), Grupa (eksperymentalna i kontrolna) oraz Czas*Grupa na wyniki testu funkcji motorycznych Wolfa i wyniki CUE zostaną ocenione przy użyciu modelu mieszanego ANOVA z powtarzanymi pomiarami. Poziom istotności zostanie ustalony na 0,05, a analiza statystyczna zostanie przeprowadzona przy użyciu SPSS (wersja 24) (SPSS Science, Chicago).

Niestandardowa symulacja komputerowa zostanie wykorzystana do obliczenia mocy statystycznej dla modeli z powtarzanymi pomiarami, przy czym obecne dane badawcze dostarczają szacunków wielkości efektu leczenia. Zastosowany zostanie liniowy model efektów mieszanych z losowymi przecięciami i zostanie wygenerowanych 128 zestawów danych z losowo generowanymi obserwacjami dla każdej kombinacji wielkości próby, liczby wizyt i wielkości efektu. We wszystkich symulacjach przyjęto, że przydział leczenia do interwencji eksperymentalnej i aktywnego ramienia kontrolnego wynosi 1:1 (zrównoważony projekt). Każdy zestaw danych zostanie przeanalizowany za pomocą liniowego modelu mieszanego z interakcją grupa, czas i czas*grupa. Moc zostanie obliczona jako ułamek modeli ze znaczącym (p < 0,05) terminem interakcji Czas*Grupa, który określa ilościowo różnicę nachyleń między dwiema grupami w czasie. Do przeprowadzenia symulacji zostanie wykorzystany SAS PROX MIXED w wersji 9.4. Znaczące wyniki są odpowiednio zasilane na poziomie 80% dla obserwowanych rozmiarów efektu Czas*Grupa.