Программа упражнений на основе компьютерных игр, ориентированная на ловкость рук для людей с травмой спинного мозга или инсультом.

Актуальность темы Многие взрослые с нервно-мышечными нарушениями, поражающими верхнюю конечность (ВЭ), имеют дефицит мелкой моторики [1-3]. Ловкость рук, связанная с обращением и манипулированием объектами, необходима для многих повседневных действий и социальной жизни. Эти действия требуют манипулирования объектами с широким спектром физических свойств и функциональных требований, которые часто требуют высокой степени точности.

Двигательная терапия, индуцированная ограничением (CIMT [4-6]. являются перспективными реабилитационными программами для восстановления функции кисти. Эти подходы к лечению подчеркивают, что функциональное восстановление отражает обучение, достигнутое посредством создания реальных переживаний, сосредоточения внимания, имитации движений, близких к нормальным, и повторения. пациентов, растущий спрос на реабилитационные услуги со стороны стареющего населения, а также финансовые трудности и проблемы с поездками. Чтобы преодолеть эти проблемы, нам нужны осуществимые и экономически эффективные методы повышения доступности. В идеале эффективные терапевтические программы должны быть доступны в общественных центрах и, в конечном счете, на дому у пациентов.

Помимо повышения доступности, необходимо улучшить соблюдение режимов упражнений. Новый подход к вовлечению клиентов в терапию заключается в использовании компьютерных игр [7-8].

Деятельность в компьютерных играх может обеспечить поведенческую, экологически значимую и адаптивную среду. Кроме того, они могут обеспечить немедленную обратную связь, а также электронные записи для оценки и помощи в развитии вмешательств. Несколько игровых систем использовались в реабилитации верхней конечности. К ним относятся коммерческие развлекательные игровые системы, такие как Wii [9], Kinect [10], датчик движения Leaps [11] и перчатки с датчиками [12]. Эти игровые системы могут обнаруживать движения сегментов руки или движения пальцев, а в режиме реального времени сигналы движения используются для управления положением и движением виртуальных аватаров/объектов или для управления игровой ракеткой во время игры. Однако эти системы ограничены, поскольку они не предназначены для обработки объектов и манипулирования ими. Поэтому не рассматривается сенсорная обработка кожно-тактильной сенсорной информации, необходимая для сохранения устойчивости объекта при движении, а также для обнаружения и минимизации скольжения движущегося объекта [13, 14]. Крайне важно создавать опыт, который улучшает способность мозга к обучению, а для ловкости рук это лучше всего достигается путем выполнения точных задач по манипулированию объектами посредством управляемого и вспомогательного повторения [15].

Основываясь на вышеизложенных соображениях, была разработана недорогая реабилитационная платформа на основе компьютерных игр, которая сочетает в себе упражнения на тонкие манипуляции и грубые движения с «веселыми» компьютерными видеоиграми, подходящими для маленьких детей и взрослых с приобретенными травмами головного и спинного мозга [16-19]. Функция пальцевой руки была нацелена на то, чтобы расширить полезность, выходящую за рамки грубого дотягивания или транспортных движений, поскольку способность выполнять навыки ловкости рук является неотъемлемой частью повседневной жизни.

В это приложение, основанное на игре, включены несколько принципов моторного обучения [20, 21], которые включают целенаправленное, ориентированное на конкретные задачи обучение работе с объектами и манипулированию ими, точность скорости, мультисенсорную стимуляцию, а также имплицитную обратную связь и знание производительности.

Упражнение Manipulandum Device (EMD) Большинство реабилитационных игровых систем для упражнений являются пассивными системами и не могут обеспечить помощь в движении для пациентов с ограниченным диапазоном движений или плохим контролем движения (скорость-точность). Таким образом, мы разработали и испытали портативное недорогое «реабилитационное устройство манипуландума» (EMD). EMD включает в себя встроенный контроллер и двигатель для создания усилий, которые могут помочь произвольным движениям, необходимым во время игровых упражнений. Таким образом, в нем могут разместиться пациенты с ограниченным контролем движений и те, у кого ограничен активный диапазон движений.

EMD состоит из компактного моноблочного шасси, напечатанного на 3D-принтере, в котором размещены интерфейсная плата, привод, силовая передача и вращающийся приводной вал. Было изготовлено множество напечатанных на 3D-принтере «терапевтических» рукояток разных форм и размеров, которые прикрепляются к вращающемуся приводному валу EMD. Они предназначены для отработки широкого спектра навыков ловкости рук, включая (а) большой / указательный палец, (б) запястье (разгибание-сгибание), (в) локтевое-лучевое отклонение запястья, (г) пронация-супинация и (д) локтевые/плечевые функции. Оптический энкодер регистрирует вращение вала. Вращение вала EMD (то есть соответствующие движения рукоятки) точно управляет движением компьютерного курсора или игрового спрайта любой компьютерной игры с одной осью. При этом абсолютный угол поворота вала (сигнал оптического энкодера) будет отображаться в координатах пикселя на дисплее. Микропроцессор Arduino Leonardo используется для взаимодействия EMD с компьютером и играми. Он запрограммирован на считывание оптического энкодера и управление курсором (полная эмуляция мыши). Arduino Leonardo IDE может работать как мышь с помощью встроенных библиотек. Настраиваются следующие параметры управления мышью: (а) игровая ориентация мыши по горизонтали и вертикали, (б) рабочий диапазон, возможность выбора любого диапазона угла поворота и сопоставление с полноэкранным положением мыши, т.е. активный диапазон движения для упражнений (например, от нейтрального положения запястья до 10, 20 или 30 градусов разгибания в зависимости от потребностей пациента) и (c) чувствительность мыши для регулировки амплитуды движения, необходимой для перемещения мыши по полному отображаемому диапазону движения.

EMD поддерживает несколько вспомогательных схем силовой обратной связи. Один включает режим простого однонаправленного силового поля, в этом случае к выходному валу прикладывается постоянная сила в одном направлении. (Величина и направление настраиваются). У многих пациентов функция пальцев и запястий более нарушена в одном направлении движения, например, ограничено разгибание пальцев и запястий. Таким образом, неспособность расположить и разжать руку, чтобы схватить предметы разного диаметра. Эти пациенты выиграют от помощи движения, обеспечиваемой постоянной силой. Противоположное направление движения (например, изгиб) получит силу сопротивления. Вторая схема представляет собой более продвинутую схему интеллектуального вспомогательного управления с обратной связью, для которой требуется связь в реальном времени между интерфейсом EMD Arduino и специально созданной игрой RTP [16, 17]. Это необходимо для определения направления и величины силы, необходимой для поворота рукоятки, и помогает пользователю перемещать игровую ракетку, чтобы успешно взаимодействовать со случайным представлением игровых целевых объектов. Этот контекстно-зависимый вспомогательный режим может усиливать даже ограниченные и небольшие произвольные движения у тяжело пострадавших, в то же время предоставляя возможности для прогрессирования упражнений с повышенными требованиями к движению. Даже в тех случаях, когда диапазон движений невелик, масштабирование и фильтрация контроллера с обратной связью позволит лучше преобразовывать более крупные движения и, что важно, доступно даже для людей с ограниченными возможностями, которые, возможно, не смогли бы воспользоваться преимуществами этого типа системы в противном случае. .

EMD функционирует как гибкая компьютерная мышь USB plug and play, что позволяет использовать обычные и современные компьютерные игры и наслаждаться ими как частью персонализированной программы упражнений. Включение игрового элемента предназначено для обеспечения дополнительной мотивации пациентов в виде задачи и более приятного способа побудить их выполнять утомительные, повторяющиеся движения, которые часто являются частью процесса реабилитации. Конкретная терапевтическая ценность может быть получена как из типов задач манипулирования объектами, так и из выбора компьютерной игры. Различные коммерческие игры требуют различных уровней амплитуды движения, скорости, точности и повторения и предлагают достаточное разнообразие, чтобы соответствовать широкому диапазону индивидуальных предпочтений. Регулярное обновление и улучшение игр и уровней сложности, чтобы выдержать испытание и предоставить новые впечатления, облегчит психологическую обратную связь, необходимую для поддержания интереса и участия. Многие имеющиеся в продаже игры также предполагают многозадачность. Следовательно, задачи также задействуют ключевые навыки внимания, восприятия и познания. В Приложении 1 приведен список и описание распространенных компьютерных игр, которые были тщательно протестированы с помощью EMD на нескольких пациентах (детях с ДЦП и взрослых с травмами спинного мозга и больных, перенесших инсульт).

Цель: провести предварительное рандомизированное клиническое исследование (РКИ) со встроенным качественным анализом; а) оценить внедрение, удобство использования и приемлемость системы GAMING для реабилитации ловкости рук пациентов со спинным мозгом и пациентов, перенесших инсульт, которые посещают оздоровительный центр First Step для кардиофитнеса и силовых тренировок, б) дать оценку эффективности и размера эффекта 10-недельное вмешательство с использованием системы GAMING. Это предоставит информацию, необходимую для руководства будущим полномасштабным РКИ.

Клинические испытания будут проводиться в двух «сестринских» центрах 1. Оздоровительный центр First Step в Виннипеге Шейн Хартье, исполнительный директор, shane@fswcwpg.ca 2, Оздоровительный центр First Step в Реджайне, исполнительный директор Оуэн Карлсон, info@fswcregina.ca См. прилагаемые письма о сотрудничестве от Шейна Хартье и Оуэна Карлсона. Оба центра будут обеспечены EMD и 30 легкодоступными компьютерными видеоиграми. EMD будет включать в себя несколько взаимозаменяемых 3D-печатных рукояток для выполнения широкого спектра функций, включая движения большого пальца и запястья, а также движения рук, включающие комбинацию движений локтя и плеча.

Ануприта Каниткар, постдокторант этого проекта, будет проводить и координировать исследовательское РКИ с участием клиентов с травмами спинного мозга и пациентов, перенесших инсульт, посещающих оздоровительный центр First Step в Виннипеге, а также будет координировать то же самое в Саскачеване (15 клиентов в каждом центре).

Каждый участник будет получать два одночасовых занятия под наблюдением каждую неделю в течение 10 недель. Экспериментальная группа (XG) получит; а) экспериментальное игровое вмешательство в течение 30 минут, и б) их обычный диапазон движения верхних конечностей, сила и программа упражнений в течение 30 минут. Активная контрольная группа (CG) получит свой обычный диапазон силовых упражнений для верхних конечностей в течение всего одночасового занятия.

Мы ожидаем, что потребуется 18 месяцев, чтобы набрать 32 пациента с травмами спинного мозга и 32 клиента, перенесших инсульт (т. 16 на каждом сайте.

Кроме того, мы предлагаем игровую программу упражнений участникам группы CG после того, как они завершат свое 10-недельное вмешательство.

Критерии включения будут включать:

1. Возраст 20-70 лет
2. шесть месяцев после инсульта или ТСМ Менее двух сердечных сокращений после инсульта ТСМ
3. Активно разгибаться не менее чем на десять градусов в пястно-фаланговых и межфаланговых суставах, разгибаться на десять градусов в запястье и иметь не менее 30 градусов активного сгибания-разгибания в локтевом и плечевом суставах.
4. Достаточное зрение, чтобы увидеть необходимые изображения на стандартном мониторе компьютера. E) Возможность дать информированное согласие

Критерии исключения будут включать:

1. чрезмерная спастичность (третья степень и выше по шкале Эшворта) (11),
2. любые значительные когнитивные нарушения (Монреальская когнитивная оценка менее 25 баллов) (12)
3. Любое другое неврологическое расстройство, за исключением единичного инсульта до обследования.

Первоначальный протокол упражнений для каждого участника будет установлен на основе как индивидуальных целей, так и уровня нарушений и функционального состояния. Типичная сессия будет включать в себя; 4-5 заданий на манипулирование выбранными предметами, 4-5 разных манипуляторов EMD и несколько компьютерных игр. Эти задачи представляют широкий спектр физических свойств, требующих различных способов манипулирования и функциональных требований.

Каждая комбинация EMD ручка-игра будет отрабатываться с 2-3-минутными интервалами и повторяться 2-3 раза. Участники будут проинструктированы о том, как выполнять различные задачи с желаемыми движениями кисти и сегмента руки и не заменять их соответствующими движениями. Компьютерные игры будут выбираться на основе следующих характеристик игры: а) амплитуда движения, необходимая для перемещения игровой ракетки, б) скорость игры и в) требования к точности игры. Многие недорогие компьютерные игры в стиле аркад легко доступны в Интернете и могут быть загружены с таких веб-сайтов, как bigfishgames.com. (см. Приложение 5 для списка компьютерных игр, использованных в настоящем исследовании).

Следующие особенности задач EMD и манипулирования объектами, а также типы компьютерных игр будут обновлены по мере допустимости, чтобы усложнить задачу и усовершенствовать программу упражнений. Объекты с разным размером, весом формы и поверхностным трением использовались для увеличения физических требований к задачам. Скорость игры, а затем и точность движения (размер целевых объектов и игрового манипулятора) были увеличены (т.е. Соотношение точности скорости). Амплитуда движения была увеличена за счет регулировки чувствительности мыши. Сложность задачи также будет регулироваться за счет увеличения вспомогательных сил и сил сопротивления, прикладываемых к рукояткам EMD. Прогресс также был достигнут за счет использования различных коммерческих компьютерных видео.

Группа активного контроля (CG) продолжит свою обычную программу растяжки, диапазона движений и силовых тренировок, установленную инструкторами в оздоровительном центре First Step.

Количественный анализ Следующие показатели результатов будут получены до и после вмешательства.

1. Двигательная способность верхних конечностей будет измеряться с помощью теста двигательной функции Вольфа (WMFT) [22]. Участникам будет предложено как можно быстрее выполнить 15 заданий WMFT. Время, затраченное на выполнение каждой задачи, фиксируется. Качество движения каждого задания также оценивалось с использованием порядковой шкалы от 0 до 5, где 0 означает, что не выполнялось вообще, а пять указывает на то, что выполнялось с нормальным движением. Окончательные оценки WMFT были следующими: (а) общее время, затраченное на выполнение 15 заданий, и (б) суммарные оценки качества движения по 15 заданиям.

2. Оценка ловкости рук на основе компьютерной игры для верхних конечностей (CUE). См. ссылки 16, 17, 23 для получения подробной информации о процедурах испытаний, анализе данных и надежности. Мышь IB будет прикреплена к нескольким тестовым объектам с различными физическими свойствами и анатомическими требованиями. Все манипуляционные задачи требовали контакта пальцев с поверхностью ладони или ладони и включали в себя различные комбинации точных движений запястья, локтя и плеча... Это включает в себя катание цилиндра и футбольного мяча вперед и назад; Вращение кофейной кружки с помощью пронации-супинации; задачи точного вращения всей рукой и двумя пальцами... Программное обеспечение RTP вычисляет несколько показателей производительности на основе процедур анализа нескольких событий из игрового модуля Motor Skill. В качестве примера, для игрового сеанса продолжительностью две минуты и с продолжительностью игрового события, установленной на две секунды, пациент может совершить 30 игровых движений в 60 ответных реакциях в каждом направлении. Для данного исследования результат измерения ловкости рук будет включать:

   a) показатель успешности или среднее достижение цели для нескольких игровых событий, b) время начала движения, c) величина ошибок движения, d) изменчивость и согласованность движений, рассчитанные на основе нескольких повторяющихся реакций движения в игре, и f) другие будут разработаны и проверены в течение курс на Post Doc.

Качественный анализ

По завершении 10-недельной программы упражнений все участники будут приглашены на собеседование. Всем участникам будут заданы следующие открытые вопросы, и их ответы будут записаны:

1. Когда вы согласились участвовать, как вы надеялись, что программа терапии принесет вам пользу?
2. Что вам понравилось в игре или программе упражнений, а что нет?
3. Что вы думаете о компьютерных играх, в которые вас просили поиграть? Вам понравилась игра? Были ли игры, которые вам не понравились?
4. Считаете ли вы, что эта терапевтическая программа помогла вам?
5. Если бы вам предоставили правильные настройки, продолжили бы вы выполнять эти упражнения? Участникам будет предложено описать и объяснить свои идеи, мысли, мнения и личный опыт. Аналитическая основа интерпретационного описания использовалась для тематической интерпретации [24, 25].

Все интервью будут записаны на аудиокассеты, а затем переведены в письменный формат. Переведенные стенограммы будут прочитаны Анупритой Каниткар, которая будет кодировать систему, перефразируя, обобщая и реферируя письменные стенограммы каждого интервью. Второй ассистент исследователя тщательно изучил закодированные данные и определил любые дополнительные уникальные ответы и коды. Два рецензента встретятся, чтобы сравнить свои анализы и разрешить разногласия в окончательной кодовой системе, организованной в окончательные темы и подтемы [.

Статистический анализ. Нормальность данных будет проверяться с помощью теста Шапиро-Уилка. СС С, МБ В. Дисперсионный тест на нормальность. Биометрика. 1965;67(337):52.

Влияние времени (до и после вмешательства), группы (экспериментальная и контрольная) и взаимодействия «время*группа» на результаты теста моторной функции Вольфа и показатели результатов CUE будут оцениваться с использованием смешанной модели ANOVA с повторными измерениями. Уровень значимости будет установлен на уровне 0,05, а статистический анализ будет проводиться с использованием SPSS (версия 24) (SPSS Science, Чикаго).

Специальное компьютерное моделирование будет использоваться для расчета статистической мощности моделей с повторными измерениями, при этом данные настоящего исследования дают оценки размеров эффекта лечения. Будет использоваться линейная модель смешанных эффектов со случайными перехватами, и для каждой комбинации размера выборки, количества посещений и размера эффекта будет создано 128 наборов данных со случайно сгенерированными наблюдениями. Для всех моделей предполагалось, что распределение лечения для экспериментального вмешательства и группы активного контроля составляет 1:1 (сбалансированный план). Каждый набор данных будет проанализирован линейной смешанной моделью с взаимодействием группы, времени и времени*группы. Мощность будет рассчитываться как доля моделей со значимым (p < 0,05) фактором взаимодействия Время*Группа, который количественно определяет разницу наклонов между двумя группами во времени. Для моделирования будет использоваться SAS PROX MIXED версии 9.4. Значимые результаты имеют достаточную мощность при 80% для наблюдаемых размеров эффекта Time*Group.