Immersive Virtual Reality and Robotics for Upper Extremity Rehabilitation

要約

脳卒中患者は、可動性や日常活動が制限される上肢の障害を経験することがよくあります。
理学療法 (PT) は機能障害を改善する最も効果的な方法ですが、患者の PT 訓練への遵守率や参加率が低いことが大きな課題となっています。
これらの障壁を克服するには、PT における仮想現実 (VR) とロボット工学の組み合わせが有望です。
しかし、特に上肢リハビリテーションにおいて、VR とロボット工学を効果的に統合したシステムはほとんどありません。
この研究では、VR とロボット工学および肘関節の動きを分析するウェアラブル センサーを組み合わせた新しい仮想リハビリテーション ソリューションを紹介します。
このフレームワークは、運動機能障害の評価とリハビリテーションに使用される従来のロボット デバイス (KinArm) の機能も強化します。
提案された VR フレームワークの有効性と使いやすさを評価するために、パイロット ユーザー調査 (n = 16) が実施されました。
私たちは、参加者が 2 つの条件 (VR と VR KinArm) で 2 つのタスク (サークルとダイヤモンド) を実行する、双方向の反復測定実験デザインを使用しました。
タスク完了時間の条件の主効果に有意な差は観察されませんでした。
ただし、サークル課題とダイヤモンド課題の間では、正規化された間違いの数と記録された肘関節角度 (ウェアラブル スリーブ センサーからの抵抗変化値として取得) の両方に大きな差がありました。
さらに、システムの使いやすさ、タスクの負荷、提案された VR フレームワークにおけるプレゼンスについても報告します。
このシステムは、没入型の多感覚アプローチの潜在的な利点を実証し、家庭療法用途向けに、より費用対効果が高く、カスタマイズされた個別化された上肢ソリューションを開発する研究に将来の道を提供します。

要約(オリジナル)

Stroke patients often experience upper limb impairments that restrict their mobility and daily activities. Physical therapy (PT) is the most effective method to improve impairments, but low patient adherence and participation in PT exercises pose significant challenges. To overcome these barriers, a combination of virtual reality (VR) and robotics in PT is promising. However, few systems effectively integrate VR with robotics, especially for upper limb rehabilitation. This work introduces a new virtual rehabilitation solution that combines VR with robotics and a wearable sensor to analyze elbow joint movements. The framework also enhances the capabilities of a traditional robotic device (KinArm) used for motor dysfunction assessment and rehabilitation. A pilot user study (n = 16) was conducted to evaluate the effectiveness and usability of the proposed VR framework. We used a two-way repeated measures experimental design where participants performed two tasks (Circle and Diamond) with two conditions (VR and VR KinArm). We observed no significant differences in the main effect of conditions for task completion time. However, there were significant differences in both the normalized number of mistakes and recorded elbow joint angles (captured as resistance change values from the wearable sleeve sensor) between the Circle and Diamond tasks. Additionally, we report the system usability, task load, and presence in the proposed VR framework. This system demonstrates the potential advantages of an immersive, multi-sensory approach and provides future avenues for research in developing more cost-effective, tailored, and personalized upper limb solutions for home therapy applications.

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