基于计算机游戏的锻炼计划，针对脊髓损伤或中风患者的手动灵活性。

背景 许多患有影响上肢 (UE) 的神经肌肉损伤的成年人在精细运动技能方面存在缺陷 [1-3]。 涉及处理和操纵物体的灵巧性对于许多日常生活活动和社交生活来说是必不可少的。 这些活动需要对具有广泛物理特性和功能需求的物体进行操作，而这通常需要高精度。

约束诱导运动疗法 (CIMT [4-6]。 是恢复手臂功能的有前途的康复计划。 这些治疗方法强调，功能恢复反映了通过产生真实体验、集中注意力、模拟接近正常的运动和重复 12-14 获得的学习。患者、老龄化人口对康复服务的需求不断增加，以及经济和出行距离的压力。 为了克服这些挑战，我们需要可行且具有成本效益的方法来提高可访问性。 理想情况下，应该在社区中心并最终在患者家中提供有效的治疗计划。

除了增加可及性之外，还需要提高锻炼制度的合规性。 一种让来访者参与治疗的新兴方法是结合电脑游戏 [7-8]。

电脑游戏中的活动可以提供行为上的、生态上有效的和适应性的环境。 此外，他们还可以提供即时反馈以及电子记录，以评估和协助干预的进展。 一些游戏系统已用于上肢康复。 其中包括商业娱乐游戏系统，如 Wii [9]、Kinect [10]、Leaps 运动传感器 [11] 和配备传感器的手套 [12]。 这些游戏系统可以检测手臂段运动或手指运动——并且实时——运动信号用于控制虚拟化身/物体的位置和运动，或控制游戏手柄进行游戏。 然而，这些系统是有限的，因为它们不针对对象处理和操作。 因此，没有考虑在运动过程中保持物体稳定性以及检测和最小化运动物体的滑动所需的皮肤触觉感觉信息的感觉处理 [13, 14]。 创造提高大脑学习能力的体验至关重要，而对于手动灵巧性来说，最好的实现方式是通过引导和辅助重复执行精确的对象操作任务 [15]。

基于上述考虑，开发了一种基于计算机游戏的低成本康复平台，该平台将精细操作和粗略运动练习与“有趣”的计算机视频游戏活动相结合，适合患有后天性脑损伤和脊髓损伤的幼儿和成人 [16-19]。 指手功能的目标是将效用扩展到粗伸或运输运动之外，因为用手执行手动灵巧技能的能力是日常生活中不可或缺的一部分。

这个基于游戏的应用程序 [20, 21] 结合了运动学习的几个原则，包括目标导向的、针对特定任务的对象处理和操作训练、速度准确性、多感官刺激以及隐式反馈和性能知识。

运动操纵装置 (EMD) 大多数康复运动游戏系统都是被动系统，无法为运动范围有限或运动控制不佳的患者提供运动辅助）速度准确性。 因此，我们开发并试点测试了一种便携式、低成本的“康复操纵装置”(EMD)。 EMD 包括一个集成的控制器和电机，以产生可以协助基于游戏的练习所需的自愿运动的力量。 因此，它可以适应运动控制受限的患者和主动运动范围受限的患者。

EMD 由一个紧凑的一体式 3D 打印底盘组成，其中装有接口板、执行器、动力传动系和旋转驱动轴。 已经生产出各种不同形状和尺寸的 3D 打印“治疗”手柄，它们可以卡扣到 EMD 旋转驱动轴上。 这些旨在练习广泛的手动灵活性技能，包括 (a) 拇指/手指，(b) 手腕（伸展-弯曲），(c) 手腕尺桡偏斜，(d) 旋前-旋后，以及 (e)肘/肩功能。 光学编码器记录轴旋转。 EMD 轴的旋转（即相应的手柄运动）精确控制任何单轴计算机游戏的计算机光标或游戏精灵的运动。 在这方面，绝对轴旋转角度（光学编码器信号）将映射到显示器上的像素坐标。 Arduino Leonardo 微处理器用于连接 EMD 与计算机和游戏。 它被编程为读取光学编码器并产生光标控制（完整的鼠标仿真）。 Arduino Leonardo IDE 能够通过内置库充当鼠标。 以下鼠标控制参数是可配置的：(a) 游戏方向鼠标水平与垂直运动，(b) 工作范围，能够选择任何旋转角度范围并映射到全屏鼠标位置，即可以选择任何运动的主动运动范围（例如，根据患者的需要，从手腕中立到 10、20 或 30 度的伸展），以及 (c) 鼠标灵敏度，以调整在整个显示运动范围内移动鼠标所需的运动幅度。

EMD 能够执行多种辅助力反馈方案。 一种包括简单的单向力场模式，在这种情况下，恒定的力沿一个方向施加到输出轴。 （大小和方向是可配置的）。 对于许多患者来说，手指和手腕的功能在一个运动方向上受损更大，例如手指和手腕伸展受限。 因此无法定位和张开手来抓取不同直径的物体。 这些患者将受益于恒力提供的运动辅助。 相反的运动方向（例如 屈曲）会受到阻力。 第二种方案是更先进的闭环智能辅助控制方案，这需要 EMD Arduino 接口和专用 RTP 游戏之间的实时通信 [16、17]。 这需要确定旋转手柄所需的力的方向和大小，并协助用户移动游戏手柄以成功地与随机呈现的游戏目标对象进行交互。 这种依赖于上下文的辅助模式甚至可以放大那些受到严重影响的人的有限和小的自愿运动，同时允许随着运动需求的增加而进行锻炼的机会。 即使对于运动范围很小的情况，闭环控制器的缩放和过滤也可以更好地转换为更大的运动，重要的是即使对于那些可能无法利用此类系统的残疾人来说也是如此.

EMD 可用作响应式 USB 即插即用电脑鼠标，这使得普通和现代电脑游戏可以作为个性化锻炼计划的一部分来使用和享受。 包含游戏元素旨在以挑战的形式为患者提供额外的动力，并以更愉快的方式鼓励他们进行乏味、重复的动作，而这些动作通常是康复过程的一部分。 具体的治疗价值可以从对象操作任务的类型以及计算机游戏的选择中得出。 不同的商业游戏需要不同水平的运动幅度、速度、准确性和重复性，并提供足够的多样性来吸引广泛的个人偏好。 定期更新和改进游戏和难度级别，以维持挑战并提供新体验，将促进维持兴趣和参与所需的心理反馈。 许多商用游戏也涉及多任务处理。 因此，这些任务还涉及关键的注意力、知觉和认知技能。 附录 1 显示了一些常见电脑游戏的列表和描述，这些游戏已经由几位患者（脑瘫儿童和成人脊髓损伤和中风患者）使用 EMD 进行了彻底测试。

目的：进行一项带有嵌入式定性分析的探索性随机临床试验 (RCT)； a) 评估 GAMING 系统的实施、可用性和可接受性，用于康复参加 First Step Wellness 中心的有氧健身和力量训练的脊髓和中风客户的手部灵巧性，b) 提供对有效性和效果大小的估计使用 GAMING 系统进行为期 10 周的干预。 这将提供指导未来全面 RCT 所需的信息。

临床试验将在两个“姐妹”中心进行 1。 温尼伯第一步健康中心 Shane Hartje，执行董事，shane@fswcwpg.ca 2，里贾纳第一步健康中心，执行董事 Owen Carlson.，info@fswcregina.ca 请参阅随附的 Shane Hartje 和 Owen Carlson 的合作信件。 这两个中心将配备 EMD 和 30 个现成的电脑视频游戏。 EMD 将包括几个可互换的 3D 打印手柄，以锻炼广泛的功能，包括拇指和手腕运动，以及涉及肘部和肩部运动组合的手臂运动。

该项目的博士后研究员 Anuprita Kanitkar 将对参加温尼伯 First Step 健康中心的脊髓损伤客户和中风客户进行探索性 RCT 并进行协调，并将在萨斯喀彻温省（每个站点 15 名客户）进行协调。

每个参与者每周将接受两次一小时的监督锻炼，持续 10 周。 实验组（XG）将收到； a) 实验性游戏干预 30 分钟，和 b) 他们通常的上肢运动范围和力量以及锻炼计划，持续 30 分钟。 主动控制组 (CG) 将在整个一小时的课程中接受他们通常的上肢运动范围力量练习。

我们预计需要 18 个月的时间才能招募到 32 名脊髓损伤患者和 32 名中风患者（即 每个站点 16 个。

此外，一旦他们完成 10 周的干预，我们就会向 CG 组的参与者提供基于游戏的锻炼计划。

纳入标准将包括：

1. 20-70岁，年
2. 中风或 SCI 后六个月 SCI 中风后少于两次
3. 掌指关节和指间关节主动伸展至少 10 度，手腕伸展 10 度，肘部和肩部主动屈伸至少 30 度。
4. 在标准计算机显示器上看到所需图像的足够视力。 E) 能够提供知情同意

排除标准将包括：

1. 过度痉挛（Ashworth 量表三级及以上）(11)，
2. 任何明显的认知障碍（蒙特利尔认知评估得分低于 25）(12)
3. 除测试前单次中风外的任何其他神经系统疾病。

每个参与者的初始锻炼方案将根据个人目标、损伤程度和功能状态来制定。 一个典型的会议将涉及； 4-5 个选定的对象操作任务，4-5 个不同的 EMD 手柄，以及几个电脑游戏。 这些任务代表了广泛的物理特性，需要不同的操作模式和功能需求。

每个 EMD 手柄游戏组合将以 2-3 分钟的间隔进行练习，并重复 2-3 次。 将指导参与者如何使用所需的手部和手臂部分动作执行各种任务，而不是用相关动作代替它们。 将根据以下游戏属性选择计算机游戏：a) 移动游戏手柄所需的移动幅度，b) 游戏速度，以​​及 c) 游戏精度要求。 许多便宜的街机式电脑游戏很容易在线获得，并且可以从 bigfishgames.com 等网站下载 （有关本研究中使用的计算机游戏列表，请参阅附录 5）。

EMD 的以下特征和对象操作任务以及计算机游戏类型将根据容忍度进行更新，以增加挑战并推进锻炼计划。 使用不同大小、形状、重量和表面摩擦力的物体来增加任务的体力需求。 游戏速度和移动精度（目标物体和游戏手柄的大小）都增加了（即。 速度精度关系）。 通过调整鼠标灵敏度增加运动幅度。 任务难度也将通过增加施加到 EMD 手柄的辅助力和阻力来调整。 通过使用各种商业计算机视频也取得了进展

主动控制组 (CG) 将继续按照 First Step Wellness 中心的培训人员制定的常规伸展运动、运动范围和力量训练计划。

定量分析 干预前后将获得以下结果指标

1. 上肢运动能力将通过 Wolf 运动功能测试 (WMFT) [22] 进行测量。 参与者将被要求尽快完成 WMFT 的 15 项任务。 完成每项任务所花费的时间将被记录下来。 每个任务的运动质量也使用 0 到 5 的顺序量表进行分级，其中 0 表示根本没有执行，5 表示执行正常运动。 最终的 WMFT 分数是； (a) 15 项任务所花费的总时间和 (b) 15 项任务的总运动质量等级。

2. 基于计算机游戏的上肢 (CUE) 评估手的灵巧性。 有关测试程序、数据分析和可靠性的详细信息，请参见参考文献 16、17、23。 IB 鼠标将固定在多个具有不同物理特性和解剖学要求的测试对象上。 所有操作任务都需要手指-拇指或手掌表面接触，并涉及精确手腕、肘部和肩部运动的各种组合…… 这包括向前和向后滚动圆柱体和足球；使用旋前-旋后旋转咖啡杯；整只手和2指精细旋转任务... RTP 软件根据运动技能游戏模块的多事件分析程序计算多个性能结果度量。 作为示例，对于两分钟的游戏时段并且游戏事件持续时间设置为两秒，则患者30在每个方向上将做出60个游戏运动响应。 对于目前的研究结果，手灵巧度的测量将包括：

   a) 几个游戏事件的成功率或目标达到平均值，b) 动作开始时间 c) 动作错误的大小，d) 从几个重复的游戏动作响应计算出的动作变化和一致性，以及 f) 其他将在博士后课程。

定性分析

完成为期 10 周的锻炼计划后，将邀请所有参与者参加面试。 将向所有参与者提出以下开放式问题，并记录他们的回答：

1. 当您同意参加时，您希望如何从治疗计划中获益？
2. 您喜欢和不喜欢的游戏或锻炼计划有哪些方面？
3. 您如何看待要求您玩的电脑游戏？ 你喜欢这个游戏吗？ 有没有你不喜欢的游戏？
4. 你觉得这个治疗计划对你有帮助吗？
5. 如果为您提供了正确的设置，您会继续这些练习吗？ 将鼓励参与者描述和解释他们的想法、想法、观点和个人经历。 解释性描述的分析框架被用于主题解释[24, 25]。

所有访谈都将被录音，然后转录成书面格式。 翻译的成绩单将由 Anuprita Kanitkar 阅读，他将通过解释、归纳和抽象每次采访的书面成绩单来编码系统。 第二位研究员助理仔细检查了编码数据并确定了任何其他独特的响应和代码。 两位审稿人将开会比较他们的分析，并解决组织成最终主题和子主题的最终代码系统中的分歧 [。

统计分析数据的正态性将使用 Shapiro-Wilk 测试进行检查。 SS S，MB W。 正态性方差检验分析。 生物识别。 1965 年；67(337)：52。

时间（干预前到干预后）、组（实验和控制）和时间*组相互作用对 Wolf 运动功能测试分数和 CUE 结果测量的影响将使用具有重复测量的混合模型方差分析进行评估。 显着性水平将设置为 0.05，并将使用 SPSS（第 24 版）（SPSS Science，Chicago）进行统计分析。

自定义计算机模拟将用于计算重复测量模型的统计功效，目前的研究数据提供治疗效果大小的估计。 将使用随机截距线性混合效应模型，并针对样本量、访问次数和效应量的每种组合生成 128 个具有随机生成的观察值的数据集。 对于所有模拟，假设实验干预和主动控制臂的治疗分配为 1:1（平衡设计）。 每个数据集将通过具有组、时间和时间*组交互作用的线性混合模型进行分析。 功效将计算为具有显着 (p < 0.05) 时间*组相互作用项的模型的分数，该项量化两组之间的斜率随时间的差异。 SAS PROX MIXED 9.4 版将用于执行模拟。 对于观察到的时间*组效应大小，显着结果在 80% 时具有足够的功效。