Datorspelsbaserat träningsprogram inriktat på manuell fingerfärdighet för personer med ryggmärgsskada eller stroke.

Bakgrund Många vuxna med neuromuskulära funktionsnedsättningar som påverkar den övre extremiteten (UE) har underskott i finmotorik [1-3]. Manuell skicklighet som involverar hantering och manipulering av föremål är avgörande för många dagliga aktiviteter och socialt liv. Dessa aktiviteter kräver manipulering av föremål med ett brett spektrum av fysiska egenskaper och funktionskrav som ofta kräver en hög grad av precision.

Tvångsinducerad rörelseterapi (CIMT [4-6]. lovar rehabiliteringsprogram för återställande av hand-armfunktion. Dessa behandlingsmetoder betonar att funktionell återhämtning återspeglar lärande som uppnåtts genom att generera verkliga upplevelser, applicera fokuserad uppmärksamhet, simulera nära normala rörelser och upprepning. patienter, ökande efterfrågan på rehabiliteringstjänster av en åldrande befolkning, såväl som ekonomiskt tryck OCH resavstånd. För att övervinna dessa utmaningar behöver vi genomförbara och kostnadseffektiva metoder för att öka tillgängligheten. Helst bör effektiva terapiprogram göras tillgängliga i kommunala centra och i slutändan i patienthem.

Förutom att öka tillgängligheten finns det ett behov av att förbättra efterlevnaden av träningsregimer. Ett framväxande tillvägagångssätt för att engagera klienter i terapi är att införliva datorspel [7-8].

Aktiviteter i datorspel kan ge en beteendemässig, ekologiskt giltig och adaptiv miljö. Dessutom kan de ge omedelbar feedback såväl som elektroniska register för att bedöma och hjälpa till med insatsernas fortskridande. Flera spelsystem har använts vid rehabilitering av den övre extremiteten. Dessa inkluderar kommersiella underhållningsspelsystem som Wii [9], Kinect [10], Leaps rörelsesensor [11] och sensorutrustade handskar [12]. Dessa spelsystem kan upptäcka armsegmentrörelser eller fingerrörelser - och i realtid - används rörelsesignalerna för att styra positionen och rörelsen för virtuella avatarer/objekt, eller för att styra en spelpaddel för spel. Dessa system är dock begränsade eftersom de inte är inriktade på objekthantering och -manipulation. Därför finns det ingen hänsyn till sensorisk bearbetning av hudtaktil sensorisk information som krävs för att bibehålla objektstabilitet under rörelse och för att upptäcka och minimera glidning av det rörliga objektet [13, 14]. Det är avgörande att skapa upplevelser som förbättrar hjärnans förmåga att lära, och för manuell fingerfärdighet uppnås detta bäst genom att utföra exakta objektmanipuleringsuppgifter genom guidad och assisterad upprepning [15].

Baserat på ovanstående överväganden utvecklades en billig datorspelsbaserad rehabiliteringsplattform som kombinerar finmanipulation och grova rörelseövningar med "roliga" dataspelsaktiviteter lämpliga för små barn och vuxna med förvärvade hjärn- och ryggmärgsskador [16-19). Finger-hand-funktionen var inriktad på att utöka användbarheten bortom grov räckvidd eller transportrörelser eftersom förmågan att utföra manuella färdigheter med händerna är mycket en integrerad del av vardagen.

Flera principer för motorisk inlärning ingår i denna spelbaserade applikation [20, 21] som inkluderar målorienterad, uppgiftsspecifik träning av objekthantering och manipulation, hastighetsnoggrannhet, multisensorisk stimulering och implicit feedback och kunskap om prestation.

Exercise Manipulandum Device (EMD) De flesta rehab träningsspelsystem är passiva system och kan inte ge rörelsehjälp för patienter med begränsad rörelseomfång eller dålig rörelsekontroll) hastighet-noggrannhet. Därför har vi utvecklat och pilottestat en portabel, billig "Rehabilitation Manipulandum Device" (EMD). EMD inkluderar en integrerad kontroller och motor för att producera krafter som kan hjälpa frivilliga rörelser som krävs under spelbaserade övningar. Därför kan den ta emot patienter med begränsad rörelsekontroll och de som har begränsat aktivt rörelseomfång.

EMD består av ett kompakt 3D-tryckt chassi i ett stycke som rymmer gränssnittskortet, ställdonet, drivlinan och den roterande drivaxeln. En mängd olika 3D-printade "terapi"-handtag av olika former och storlekar har tagits fram som Snap-On till EMD roterande drivaxel. Dessa är utformade för att träna ett brett spektrum av manuell skicklighet som involverar (a) tumme/finger, (b) handled (extension-flexion), (c) handleds ulnar-radiell avvikelse, (d) pronation-supination och (e) armbågs-/axelfunktioner. En optisk kodare registrerar axelrotation. Rotationen av EMD-axeln (d.v.s. respektive handtagsrörelser) kontrollerar exakt rörelsen av en datormarkör eller spelsprite i vilket datorspel som helst med en axel. I detta avseende kommer den absoluta axelrotationsvinkeln (optisk kodarsignal) att mappas till pixelkoordinater på displayen. En Arduino Leonardo mikroprocessor används för att koppla EMD till datorn och spelen. Den är programmerad att läsa den optiska kodaren och producera markörkontroll (full musemulering). Arduino Leonardo IDE kan fungera som en mus via de inbyggda biblioteken. Följande muskontrollparametrar är konfigurerbara: (a) spelorientering mus horisontell vs vertikal rörelse, (b) arbetsområde, möjlighet att välja valfritt rotationsvinkelområde och mappa till helskärmsmusposition, dvs. det kommer att vara möjligt att välja vilken som helst aktivt rörelseomfång för träning (t.ex. från handledsneutral till 10, 20 eller 30 graders förlängning beroende på patientens behov), och (c) muskänslighet för att justera rörelseamplituden som behövs för att förflytta musen genom ett fullständigt rörelseomfång.

EMD är kapabel till flera återkopplingssystem för hjälpkraft. Den ena inkluderar en enkel enkelriktad kraftfältsmod, i detta fall appliceras en konstant kraft på den utgående axeln i en riktning. (Magnitud och riktning är konfigurerbar). För många patienter är finger- och handledsfunktionen mer nedsatt i en rörelseriktning, till exempel begränsad finger- och handledsförlängning. Alltså oförmåga att placera och öppna handen för att greppa föremål med olika diametrar. Dessa patienter skulle dra nytta av rörelsehjälp som tillhandahålls av en konstant styrka. Den motsatta rörelseriktningen (t.ex. flexion) skulle få en resistiv kraft. Ett andra schema är ett mer avancerat sluten-loop, smart assisterande kontrollschema som kräver realtidskommunikation mellan EMD Arduino-gränssnittet och ett specialbyggt RTP-spel [16, 17]. Detta krävs för att bestämma riktningen och storleken på kraften som krävs för att rotera handtaget och hjälpa användaren att flytta spelpaddeln för att framgångsrikt interagera med den slumpmässiga presentationen av spelmålobjekt. Detta kontextberoende hjälpmedelsläge kan förstärka även begränsade och små frivilliga rörelser hos de svårt drabbade, samtidigt som det ger möjligheter till en progression av träningen med ökade krav på rörelsekrav. Även i fall där rörelseomfånget är litet, kommer skalning och filtrering av styrenheten med sluten slinga att möjliggöra översättning till större rörelser bättre och viktigare även för personer med funktionshinder som kanske inte har kunnat dra nytta av denna typ av system annars. .

EMD fungerar som en lyhörd USB plug and play datormus och detta gör att vanliga och moderna datorspel kan användas och avnjutas som en del av ett personligt träningsprogram. Införandet av ett spelelement är tänkt att ge extra motivation för patienterna i form av en utmaning och ett roligare sätt att uppmuntra dem att följa tråkiga, repetitiva rörelser som ofta är en del av rehabiliteringsprocessen. Specifikt terapeutiskt värde kan härledas från både typerna av objektmanipuleringsuppgifter, såväl som valet av datorspel. Olika kommersiella spel kräver olika nivåer av rörelseamplitud, hastigheter, noggrannhet och upprepning och erbjuder tillräcklig mångfald för att tilltala ett brett spektrum av individuella preferenser. Att uppdatera och utveckla spelen och svårighetsnivåerna regelbundet, för att upprätthålla utmaningen och ge nya upplevelser, kommer att underlätta den psykologiska feedback som krävs för att behålla intresset och deltagandet. Många kommersiellt tillgängliga spel involverar också multi-tasking. Därför engagerar uppgifterna också viktiga uppmärksamhetsförmåga, perceptuella och kognitiva färdigheter. I bilaga 1 visas en lista och beskrivning av vanliga datorspel som är noggrant testade med EMD av flera patienter (barn med cerebral pares och vuxna ryggmärgsskadade och strokepatienter).

Mål: Att genomföra en explorativ randomiserad klinisk prövning (RCT) med inbäddad kvalitativ analys för att; a) utvärdera implementeringen, användbarheten och acceptansen av GAMING-systemet för rehabilitering av manuell fingerfärdighet hos ryggmärgs- och strokeklienter som går på First Step Wellness Center för konditionsträning och styrketräning, b) ge en uppskattning av effektiviteten och effektstorleken av en 10 veckor lång intervention med hjälp av GAMING-systemet. Detta kommer att ge den information som behövs för att styra en framtida fullskalig RCT.

Den kliniska prövningen kommer att genomföras vid två "syster" "center 1. First Step Wellness Center i Winnipeg Shane Hartje, verkställande direktör, shane@fswcwpg.ca 2, First Step Wellness Center i Regina, verkställande direktör Owen Carlson., info@fswcregina.ca Se bifogade samarbetsbrev från Shane Hartje och Owen Carlson. De två centren kommer att förses med EMD och 30 lätt tillgängliga datorspel. EMD kommer att inkludera flera utbytbara 3D-tryckta handtag för att utöva ett brett utbud av funktioner, inklusive tum-finger- och handledsrörelser, såväl som armrörelser som involverar en kombination av armbågs- och axelrörelser.

Anuprita Kanitkar, Post Doc-stipendiat för detta projekt, kommer att genomföra och koordinera den utforskande RCT på ryggmärgsskadade klienter och strokeklienter som går på First Step Wellness Center i Winnipeg och kommer att koordinera detsamma i Saskatchewan (15 klienter på varje plats).

Varje deltagare kommer att få två, en timmes övervakade träningspass varje vecka i 10 veckor. Experimentgruppen (XG) kommer att få; a) den experimentella spelbaserade interventionen i 30 minuter, och b) deras vanliga rörelseomfång för de övre extremiteterna och styrka och träningsprogram, i 30 minuter. Den aktiva kontrollgruppen (CG) kommer att få sina vanliga övre extremiteter av rörelsestyrkeövningar under hela entimmespasset.

Vi förväntar oss att det kommer att ta 18 månader att rekrytera 32 ryggmärgsskadade och 32 strokeklienter (dvs. 16 på varje plats.

Dessutom skulle vi erbjuda det spelbaserade träningsprogrammet till deltagare i CG-gruppen när de har avslutat sin 10 veckor långa intervention.

Inklusionskriterier inkluderar:

1. Ålder 20-70, år
2. sex månader efter en stroke eller SCI Mindre än två hör efter en stroke av SCI
3. Aktivt sträcka ut minst tio grader vid metakarpofalangeala och interfalangeala lederna, sträcka tio grader vid handleden och haft minst 30 graders aktiv flexion-extension av armbåge och axel.
4. Tillräcklig syn för att se de bilder som krävs på en vanlig datorskärm. E) Kunna ge informerat samtycke

Uteslutningskriterier inkluderar:

1. överdriven spasticitet (grad tre och högre på Ashworth-skalan) (11),
2. någon betydande kognitiv funktionsnedsättning (Montreal Cognitive Assessment får mindre än 25) (12)
3. Alla andra neurologiska störningar med undantag för en enstaka stroke före testning.

Det initiala träningsprotokollet för varje deltagare kommer att fastställas baserat på både de individuella målen, graden av funktionsnedsättning och funktionsstatus. En typisk session kommer att involvera; 4-5 utvalda objektmanipuleringsuppgifter, 4-5 olika EMD-handtag och flera datorspel. Dessa uppgifter representerar ett brett spektrum av fysiska egenskaper som kräver olika manipulationssätt och funktionskrav.

Varje kombination av EMD-handtag och spel kommer att tränas i 2-3 minuters intervaller och upprepas 2-3 gånger. Deltagarna kommer att instrueras om hur de ska utföra de olika uppgifterna med önskade hand- och armsegmentrörelser och att inte ersätta dem med tillhörande rörelser. Dataspel kommer att väljas baserat på följande spelegenskaper: a) rörelseamplitud som krävs för att flytta spelpaddeln, b) spelhastighet och c) krav på spelprecision. Många billiga datorspel i arkadstil är lätt tillgängliga online och kan laddas ner från webbplatser som bigfishgames.com (Se bilaga 5 för en lista över datorspel som används i denna studie).

Följande funktioner i EMD och objektmanipuleringsuppgifter och typer av datorspel kommer att uppdateras som tolereras för att öka utmaningen och utveckla träningsprogrammet. Föremål med olika storlek formvikt och ytfriktion användes för att öka de fysiska kraven på uppgifterna. Spelhastigheten och rörelseprecisionen (storleken på målobjekt och spelpaddel) ökades (dvs. Hastighetsnoggrannhetsförhållande). Rörelseamplituden ökades genom att justera muskänsligheten. Uppgiftssvårigheten kommer också att justeras genom att öka de hjälp- och motståndskrafter som appliceras på EMD-handtagen. Framsteg uppnåddes också genom att använda en mängd olika kommersiella datorvideor

Aktiv kontrollgrupp (CG) kommer att fortsätta med sitt vanliga träningsprogram för stretching, rörelseomfång och styrketräning enligt träningspersonalen på First Step Wellness Center.

Kvantitativ analys Följande resultatmått kommer att erhållas före och efter intervention

1. Övre extremiteters motoriska förmåga kommer att mätas med Wolfs motorfunktionstest (WMFT) [22]. Deltagarna kommer att uppmanas att slutföra 15 uppgifter i WMFT så snabbt som möjligt. Den tid det tar att slutföra varje uppgift kommer att registreras. Rörelsekvaliteten för varje uppgift betygsattes också med hjälp av en ordningsskala från 0 till 5, där 0 indikerar att de inte presterade alls, och fem indikerar utförda med normal rörelse. De slutliga WMFT-resultaten var; (a) den totala tiden som tagits för de 15 uppgifterna och (b) De summerade rörelsekvalitetsgraderna för de 15 uppgifterna.

2. Dataspelsbaserad upper extremity (CUE) bedömning av manuell fingerfärdighet. Se referenserna 16, 17, 23 för detaljer om testprocedurer, dataanalys och tillförlitlighet. IB-musen kommer att fästas vid flera testobjekt med olika fysikaliska egenskaper och anatomiska krav. Alla manipulationsuppgifter krävde ytkontakt med finger-tummen eller handflatan och involverade olika kombinationer av precisionsrörelser för handled, armbåge och axel... Detta inkluderar att rulla en cylinder och en fotboll framåt och bakåt; Rotera en kaffemugg med pronation-supination; hel hand och 2-fingrar fin precisionsrotationsuppgifter... RTP-mjukvaran beräknar flera resultatmått för prestanda baserat på analysprocedurer för flera händelser från spelmodulen Motor Skill. Som ett exempel, för en spelsession på två minuter och med spelhändelsens varaktighet inställd på två sekunder, skulle det finnas 60 spelrörelsesvar gjorda av patienten 30 i varje riktning. För den aktuella studiens resultat kommer mått på manuell skicklighet att inkludera:

   a) Framgångsfrekvens eller måluppfyllelsemedelvärde för flera spelhändelser, b) Starttid för rörelse c), storleken på rörelsefel, d) Rörelsevariation och konsistens beräknad från flera upprepade spelrörelsesvar, och f) Andra kommer att utvecklas och valideras över kursen till Post Doc.

Kvalitativ analys

Efter avslutat 10-veckors träningsprogram kommer alla deltagare att bjudas in att delta i en intervju. Följande öppna frågor kommer att ställas till alla deltagare, och deras svar registrerades:

1. När du tackade ja till att delta, hur hoppades du att du skulle ha nytta av terapiprogrammet?
2. Fanns det saker med spelet eller träningsprogrammet du gillade och saker du inte gillade?
3. Vad tyckte du om datorspelen som du blev ombedd att spela? Gillade du spelet? Fanns det spel som du inte gillade?
4. Kände du att det här terapiprogrammet hjälpte dig?
5. Om du fick rätt inställningar, skulle du fortsätta med dessa övningar? Deltagarna kommer att uppmuntras att beskriva och förklara sina idéer, tankar, åsikter och personliga erfarenheter. Den analytiska ramen för tolkningsbeskrivning användes för tematisk tolkning [24, 25].

Alla intervjuer kommer att spelas in på ljud och sedan transkriberas till skriftligt format. Översatta utskrifter kommer att läsas av Anuprita Kanitkar som tar hand om kodsystemet genom att parafrasera, generalisera och abstrahera de skriftliga utskrifterna från varje intervju. En andra forskarassistent granskade de kodade uppgifterna och identifierade eventuella ytterligare unika svar och koder. De två granskarna kommer att träffas för att jämföra sina analyser och för att lösa meningsskiljaktigheter i ett slutgiltigt kodsystem organiserat i slutliga teman och underteman [.

Statistisk analys Datans normalitet kommer att kontrolleras med Shapiro-Wilk-testet. SS S, MB W. En analys av varianstest för normalitet. Biometrika. 1965;67(337):52.

Effekterna av tid (före-till post-intervention), grupp (experimentell och kontroll) och tid*grupp-interaktion på Wolf Motor Function Test-resultat och CUE-resultatmått kommer att utvärderas med hjälp av en blandad modell ANOVA med upprepade mätningar. Signifikansnivån kommer att sättas till 0,05 och statistisk analys kommer att utföras med SPSS (version 24) (SPSS Science, Chicago).

En anpassad datorsimulering kommer att användas för att beräkna statistisk effekt för modellerna med upprepade mätningar, med nuvarande studiedata som ger uppskattningar av behandlingseffektstorlekarna. En linjär modell med blandade effekter med slumpmässiga interceptor kommer att användas och 128 datauppsättningar med slumpmässigt genererade observationer kommer att genereras för varje kombination av urvalsstorlek, antal besök och effektstorlek. För alla simuleringar antogs behandlingsallokeringen för experimentell intervention och aktiv kontrollarm vara 1:1 (balanserad design). Varje datamängd kommer att analyseras av en linjär blandad modell med en grupp, tid och Time*Group interaktion. Effekt kommer att beräknas som andelen modeller med en signifikant (p < 0,05) Tid*Gruppinteraktionsterm som kvantifierar skillnaden i lutningar mellan de två grupperna över tiden. SAS PROX MIXED version 9.4 kommer att användas för att utföra simuleringarna. Signifikanta resultat är tillräckligt drivna på 80 % för de observerade storlekarna Tid*Gruppeffekter.