DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35092-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634108
تاريخ النشر: 2026-02-04
المؤلف: Ali KhalilianMotamed Bonab وآخرون
الموضوع الرئيسي: إعادة تأهيل السكتة الدماغية والتعافي
نظرة عامة
تبحث الدراسة في فعالية تدخلات الواقع الافتراضي الغامر (iVR) المعززة بتغذية حسية لمسية لتحسين التنسيق الحركي في بيئات إعادة التأهيل. تم تطوير سوار لمسي قابل للارتداء لتوفير تغذية مستمرة في الاتجاهات وتغذية لمسية اهتزازية أثناء مهام القبض والدوران. شملت الدراسة 12 مشاركًا صحيًا وتقييم جدوى أولي مع مريضين مصابين بسكتة دماغية، باستخدام مقاييس أداء موضوعية، واستجابات بيوميكانيكية، وتقييمات ذاتية. أشارت النتائج إلى أن التوجيه اللمسي حسّن بشكل كبير دقة الحركة، وقلل من التباين، وسهل التغييرات التكيفية في تنسيق العضلات، مما يشير إلى إمكانية أنظمة iVR المعززة باللمس لكل من إعادة التأهيل السريرية والمنزلية.
في الختام، تظهر النتائج أن التغذية الراجعة اللمسية متعددة الوسائط يمكن أن تعزز بشكل فعال الأداء الحركي في مهام إعادة تأهيل الأطراف العلوية ضمن بيئات الواقع الافتراضي الغامرة. أدى دمج الإشارات المستمرة واللمسية الاهتزازية إلى تحسين الدقة وتقليل التباين في المهام، إلى جانب أنماط تآزر مستقرة وتغيير في تنشيط العضلات. أشارت التقييمات الأولية مع مرضى السكتة الدماغية إلى قابلية استخدام النظام وراحته، مما يبرز وعده في تعزيز ممارسات إعادة التأهيل، لا سيما في البيئات المنزلية حيث يكون الإشراف على تنفيذ التمارين أمرًا حاسمًا.
الطرق
شمل البروتوكول التجريبي مشاركة المشاركين في لعبة واقع افتراضي غامر (iVR) تحت خمسة ظروف متميزة، والتي تختلف بناءً على نوع التغذية الراجعة المقدمة من سوار لمسي: القبض المستمر (GC)، القبض اللمسي الاهتزازي (GV)، الدوران المستمر (RC)، الدوران اللمسي الاهتزازي (RV)، وحالة أساسية بدون تغذية لمسية (NH). أكمل كل مشارك جميع الظروف في نفس اليوم بترتيب عشوائي. طوال المهام، كان بإمكان المشاركين مشاهدة حركات أيديهم الافتراضية في الوقت الحقيقي، مما يسهل التعديلات. تم تحديد الكشف الناجح عن القبض بناءً على عتبة إغلاق اليد المحددة مسبقًا، بينما كان سكب السائل خلال مرحلة الدوران يعتمد على الوصول إلى زاوية دوران محددة. تم استخدام إشارات بصرية، بما في ذلك شريط تقدم، لتوجيه المشاركين، خاصة في غياب التغذية الراجعة اللمسية.
قبل التجارب الرئيسية، خضع المشاركون لمرحلة تعارف مع إعداد الواقع الافتراضي، تلتها انقباضات إرادية قصوى (MVC) لتحديد إشارات تخطيط العضلات الأساسية (EMG). تضمنت كل حالة مرحلة تأقلم استمرت حوالي خمس دقائق، وبعد ذلك أكمل المشاركون تجربتين لكل حالة. لتقييم عبء العمل، ملأ المشاركون استبيان NASA-TLX بعد كل حالة. بالنسبة لمرضى السكتة الدماغية، كان التركيز على الجدوى بدلاً من جمع البيانات الكمية، مع وجود عملية تأقلم وتقييم مماثلة. كانت الجلسات تحت إشراف معالج إعادة تأهيل وشملت مقابلات شبه منظمة لجمع رؤى حول تصورات المشاركين حول الفائدة المحتملة للجهاز اللمسي في إعادة التأهيل، ومستويات الراحة، والتجربة العامة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم آثار التوجيه اللمسي خلال تمرين التقاط ووضع يتضمن الدوران، تم إجراؤه مع تسعة مشاركين أصحاء واثنين من المشاركين المصابين بسكتة دماغية. ركز التحليل على ثلاثة جوانب: مقاييس الأداء الموضوعية، والبيانات البيوميكانيكية المتعلقة بالتحكم الحركي، والتدابير الذاتية لعبء العمل وإدراك المستخدم. تم اختبار خمسة ظروف تجريبية: القبض المستمر (GC)، القبض المستمر بالإضافة إلى التغذية الراجعة اللمسية الاهتزازية (GV)، بدون تغذية لمسية (NH)، الدوران المستمر (RC)، والدوران المستمر بالإضافة إلى التغذية الراجعة اللمسية الاهتزازية (RV).
أشارت النتائج إلى أن التوجيه اللمسي حسّن بشكل كبير مقاييس الأداء، خاصة مع الجمع بين التغذية الراجعة المستمرة واللمسية الاهتزازية (V). أظهر المشاركون انخفاضًا ملحوظًا في خطأ الوضع، محققين نسبة قبض أقرب إلى المرجع مع تغذية V (على سبيل المثال، المرحلة 3 – GV: $0.53 \pm 0.07$, CI = [0.48, 0.58]) مقارنة بـ NH (على سبيل المثال، المرحلة 3 – NF: $0.73 \pm 0.12$, CI = [0.63, 0.83], $p = 0.002$). بالإضافة إلى ذلك، كانت زاوية السكب المتوسطة أقرب بشكل كبير إلى المرجع في ظروف RV وRC مقارنة بـ NH، مما يبرز فعالية التغذية الراجعة اللمسية في توجيه الأفعال الحركية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية التوجيه اللمسي في تعزيز الدقة والاتساق في المهام الحركية، لا سيما في بيئات إعادة التأهيل.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير للتغذية الراجعة اللمسية على البيوميكانيكا والحركيات للمشاركين خلال مهام القبض والدوران. كشف تحليل الحركيات الحركية أن المشاركين قاموا بتعديل دوران الكتف وسرعات اليد استجابةً لظروف التغذية الراجعة المختلفة. على وجه الخصوص، خلال مهام القبض، أدت حالة التغذية الراجعة اللمسية الاهتزازية (GV) إلى انخفاض في نطاق حركة دوران الكتف (ROM) مقارنةً بحالة التغذية الراجعة المستمرة (GC)، مما يشير إلى استراتيجية حركة أكثر تحكمًا. بالإضافة إلى ذلك، تم الحفاظ على أنماط تنسيق العضلات إلى حد كبير عبر الظروف، على الرغم من أن المشاركين أظهروا نشاطًا أقل لعضلات المثني خلال مرحلة الإفراج في حالة GC، مما يشير إلى استجابة تكيفية للتغذية الراجعة المقدمة.
في سياق مهام الدوران، قللت التغذية الراجعة متعددة الوسائط (RV) بشكل كبير من دوران الكتف ونطاق حركة دوران المعصم مقارنةً بالظروف بدون لمسية، مما يشير إلى أن التغذية الراجعة اللمسية يمكن أن تعزز دقة تنفيذ الحركات. تشير النتائج إلى أنه بينما تعتبر كل من التغذية الراجعة المستمرة واللمسية الاهتزازية فعالة، قد تعزز الأخيرة استراتيجيات حركة أكثر اندفاعًا وثقة، كما يتضح من زيادة تسارع الساعد وتغيير أنماط تآزر العضلات. علاوة على ذلك، أشارت تقييمات إدراك المستخدم إلى أن المشاركين وجدوا التغذية الراجعة متعددة الوسائط أكثر قابلية للتفسير وموثوقية، مما يعزز الفكرة القائلة بأن التوجيه اللمسي يمكن أن يدعم بشكل فعال التعلم الحركي وإعادة التأهيل. أظهرت الدراسة التجريبية مع مرضى السكتة الدماغية الجدوى السريرية للنهج، حيث أعرب المشاركون عن استعدادهم لدمج الجهاز في برامج إعادة التأهيل الخاصة بهم، مما يبرز إمكانيته في تعزيز المهارات الحركية في البيئات السريرية.
القيود
تقدم هذه الدراسة عدة قيود يجب الاعتراف بها عند تفسير نتائجها. أولاً، أدت تعقيدات إعداد التجربة إلى حجم عينة محدود من اثني عشر مشاركًا صحيًا فقط، وشملت التقييمات السريرية مريضين فقط مصابين بسكتة دماغية. يحد هذا الحجم الصغير من إمكانية تعميم النتائج، لا سيما في سياقات إعادة التأهيل. علاوة على ذلك، اعتمد التقييم السريري فقط على التغذية الراجعة الذاتية دون تضمين بيانات حركية أو أداء، والتي يمكن أن توفر مقياسًا أكثر موضوعية للفعالية.
بالإضافة إلى ذلك، تم قياس إدراك المستخدم من خلال استبيان مخصص غير موثق، مما قد يعيق قابلية المقارنة مع دراسات أخرى تستخدم أدوات موحدة. لم تقارن الدراسة نهج التوجيه اللمسي مع طرق بديلة مثل الإشارات البصرية أو السمعية، مما يحد من الاستنتاجات المتعلقة بفعاليته النسبية. أجريت الدراسة في بيئة مختبرية محكومة، وركزت على حركتين محددتين للأطراف العلوية—القبض والدوران—مما يترك أسئلة حول التأثيرات طويلة الأمد، وقابلية التطبيق على مجموعة واسعة من المهام الحركية، وقابلية الاستخدام في البيئات المنزلية غير الخاضعة للإشراف للتحقيقات المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35092-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634108
Publication Date: 2026-02-04
Author(s): Ali KhalilianMotamed Bonab et al.
Primary Topic: Stroke Rehabilitation and Recovery
Overview
The research investigates the efficacy of immersive Virtual Reality (iVR) interventions augmented with tactile sensory feedback for enhancing motor coordination in rehabilitation settings. A wearable haptic armband was developed to provide directional continuous and vibrotactile feedback during grasping and pronosupination tasks. The study involved 12 healthy subjects and a preliminary feasibility assessment with two stroke patients, utilizing objective performance metrics, biomechanical responses, and subjective evaluations. Results indicated that haptic guidance significantly improved movement precision, reduced variability, and facilitated adaptive changes in muscle coordination, suggesting the potential of haptic-enriched iVR systems for both clinical and home-based rehabilitation.
In conclusion, the findings demonstrate that multimodal haptic feedback can effectively enhance motor performance in upper-limb rehabilitation tasks within immersive VR environments. The integration of continuous and vibrotactile cues led to improved precision and reduced variability in tasks, alongside stable synergy patterns and altered muscle activation. Preliminary evaluations with stroke patients indicated the system’s usability and comfort, highlighting its promise for advancing rehabilitation practices, particularly in home settings where supervision of exercise execution is crucial.
Methods
The experimental protocol involved participants engaging in an immersive virtual reality (iVR) game under five distinct conditions, which varied based on the type of feedback provided by a haptic armband: grasping continuous (GC), grasping vibrotactile (GV), rolling continuous (RC), rolling vibrotactile (RV), and a baseline condition with no haptic feedback (NH). Each participant completed all conditions on the same day in a randomized order. Throughout the tasks, participants could view their virtual hand movements in real-time, facilitating adjustments. Successful grasp detection was based on a predefined hand closure threshold, while liquid pouring during the pronosupination phase was contingent upon reaching a specific pronation angle. Visual cues, including a progress bar, were employed to guide participants, particularly in the absence of haptic feedback.
Prior to the main trials, participants underwent a familiarization phase with the VR setup, followed by maximum voluntary contractions (MVC) to establish baseline electromyography (EMG) signals. Each condition included an acclimation phase lasting approximately five minutes, after which participants completed two trials per condition. To assess workload, participants filled out the NASA-TLX questionnaire after each condition. For stroke patients, the focus was on feasibility rather than quantitative data collection, with a similar acclimation and assessment process in place. Sessions were supervised by a rehabilitation therapist and included semi-structured interviews to gather insights on the participants’ perceptions of the haptic device’s potential utility in rehabilitation, comfort levels, and overall experience.
Results
In this study, the effects of haptic guidance were evaluated during a pick-and-place exercise involving pronosupination, conducted with nine healthy subjects and two stroke participants. The analysis focused on three aspects: objective performance metrics, biomechanical data related to motor control, and subjective measures of workload and user perception. Five experimental conditions were tested: grasping continuous (GC), grasping continuous plus vibrotactile feedback (GV), no haptic feedback (NH), rolling continuous (RC), and rolling continuous plus vibrotactile feedback (RV).
Results indicated that haptic guidance significantly improved performance metrics, particularly with the combination of continuous and vibrotactile feedback (V). Participants demonstrated a notable reduction in pose error, achieving a grasping ratio closer to the reference with V feedback (e.g., phase 3 – GV: $0.53 \pm 0.07$, CI = [0.48, 0.58]) compared to NH (e.g., phase 3 – NF: $0.73 \pm 0.12$, CI = [0.63, 0.83], $p = 0.002$). Additionally, the mean pouring angle was significantly closer to the reference in the RV and RC conditions compared to NH, highlighting the effectiveness of haptic feedback in guiding motor actions. Overall, the findings underscore the importance of haptic guidance in enhancing precision and consistency in motor tasks, particularly in rehabilitation settings.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant impact of haptic feedback on the biomechanics and kinematics of participants during grasping and pronosupination tasks. Analysis of movement kinematics revealed that participants adjusted their shoulder rotation and hand velocities in response to different feedback conditions. Specifically, during grasping tasks, the vibrotactile feedback condition (GV) resulted in lower shoulder rotation range of motion (ROM) compared to the continuous feedback condition (GC), indicating a more controlled movement strategy. Additionally, muscle coordination patterns were largely preserved across conditions, although participants exhibited lower flexor digitorum activity during the release phase in the GC condition, suggesting an adaptive response to the feedback provided.
In the context of pronosupination tasks, the multimodal feedback (RV) significantly reduced shoulder rotation and wrist pronosupination ROM compared to no-haptic conditions, indicating that haptic feedback can enhance motor execution precision. The findings suggest that while both continuous and vibrotactile feedback are effective, the latter may promote more impulsive and confident movement strategies, as evidenced by increased forearm acceleration and altered muscle synergy patterns. Furthermore, user perception assessments indicated that participants found the multimodal feedback more interpretable and reliable, reinforcing the notion that haptic guidance can effectively support motor learning and rehabilitation. The pilot study with stroke patients demonstrated the clinical feasibility of the approach, with participants expressing a willingness to incorporate the device into their rehabilitation programs, highlighting its potential for enhancing motor skills in clinical settings.
Limitations
This study presents several limitations that must be acknowledged when interpreting its findings. Firstly, the experimental setup’s complexity resulted in a limited sample size of only twelve healthy participants, and the clinical evaluation involved just two stroke patients. This small sample restricts the generalizability of the results, particularly in rehabilitation contexts. Furthermore, the clinical assessment relied solely on subjective feedback without the inclusion of kinematic or performance data, which could provide a more objective measure of effectiveness.
Additionally, user perception was gauged through a custom, non-validated questionnaire, potentially hindering comparability with other studies that utilize standardized instruments. The study did not compare the haptic guidance approach with alternative modalities such as visual or auditory cues, limiting conclusions regarding its relative effectiveness. Conducted in a controlled laboratory environment, the research focused on two specific upper-limb movements—grasping and pronosupination—leaving questions about long-term effects, applicability to a wider range of motor tasks, and usability in unsupervised home settings for future investigations.