Aktivní ortéza končetiny pro domácí použití pro rehabilitaci hemiparetické chůze při mrtvici

Hemiparéza a další postižení jsou častým a invalidizujícím důsledkem mrtvice a mohou vést k asymetrickým a neefektivním vzorcům chůze. Trénink na běžeckém pásu s děleným pásem, který má dva samostatné běhouny pohánějící každou nohu jinou rychlostí, může korigovat asymetrie chůze po úderu. Účinky tréninku na děleném pásu se však pouze částečně přenášejí na každodenní chůzi po zemi a pro dosažení dlouhodobých účinků jsou nutné prodloužené tréninky. Naše předchozí studie naznačují, že zařízení iStride, které bylo vyvinuto v naší laboratoři, lze použít jako alternativní zařízení pro trénink chůze pro lidi s mrtvicí. Zařízení iStride napodobuje činnost běžeckého pásu s děleným pásem, ale lze jej používat při chůzi nad zemí i ve vlastním domě, a umožňuje tak dlouhodobý trénink. Zařízení iStride nevyžaduje žádné externí napájení a je zcela pasivní; všechny potřebné síly jsou přesměrovány z přirozených sil přítomných během chůze, protože využívá váhu nositele k vytváření pohybů. Zatímco pohyby zařízení iStride jsou podobné jako u běžeckého pásu s děleným pásem a zařízení iStride generuje podobný následný efekt, účinnost této boty při úpravě chůze jedince se zdvihem není dosud ověřena. Tento výzkum si klade za cíl pokračovat v testování zařízení iStride na jednotlivcích s mrtvicí, aby se zjistilo, zda jsou související účinky v klinickém prostředí prospěšné a bezpečné také v domácím prostředí.

V této studii budeme testovat účinnost zařízení iStride na jednotlivcích s cévní mozkovou příhodou na klinice i v jejich vlastním domě. Účinnost bude hodnocena na základě změny v koordinaci chůze a také na základě vlastního pohodlí subjektů na zařízení. Předpokládáme, že zařízení iStride povede ke změnám v koordinaci chůze mezi končetinami a ukáže se jako bezpečné a efektivní zařízení pro použití v domácnostech.

Asymetrická povaha hemiparetické chůze může mít velký vliv na funkční schopnost chůze. Například asymetrie švihové fáze je významným prediktorem výkonu hemiparetické chůze, protože silně koreluje s fázemi motorického zotavení, rychlostí chůze a pády. Další míra časové asymetrie – dvojité trvání opory – podobně koreluje s rychlostí chůze. Navíc prostorové (např. délka kroku) asymetrie je spojena se sníženou propulzní silou na paretickou nohu, což omezuje dopředný pohyb těla a snižuje efektivitu chůze. Důležitost efektivity chůze by se neměla podceňovat - zvýšené energetické nároky hemiparetické chůze v kombinaci s fyzickou dekondicí po mozkové příhodě mohou značně omezovat výkon činností každodenního života, přispívat ke špatné kardiovaskulární kondici a metabolickému syndromu. To zase může zvýšit riziko druhé mozkové příhody nebo kardiovaskulární příhody a je spojeno se zvýšenou morbiditou a mortalitou. Zlepšení symetrie chůze by proto mělo být důležitým cílem terapie, aby se nejen zlepšila funkční mobilita a snížilo se zranění, ale také aby se zlepšilo celkové zdraví a duševní pohoda po mrtvici.

Cvičení chůze na běžeckém pásu s děleným pásem může napravit abnormální koordinaci chůze mezi končetinami u jedinců s hemiparézou po cévní mozkové příhodě nebo jiných lézích centrálního nervového systému. Asymetrická chůze se může projevit jako prostorová asymetrie, kdy kroky na jedné straně jsou delší než na druhé. Může se také projevit jako časová asymetrie, kdy je načasování nerovnoměrné na paretické a neparetické straně. Časové asymetrie se často měří jako rozdíly v trvání dvojitých podpůrných období, což je doba, po kterou se obě nohy současně dotýkají země, a měří se odděleně pro paretickou a neparetickou stranu. Zařízení iStride je navrženo tak, aby způsobilo změny v prostorové i časové symetrii chůze. Předpokládáme, že zařízení iStride způsobí, že kroky na straně se zařízením iStride budou větší, protože jednotlivci by kompenzovali zpětný valivý pohyb tím, že by v postoji položili nohu více dopředu, čímž by se zvětšila vzdálenost mezi dvěma chodidly. Podobně, protože krok je delší, může také zkrátit dobu trvání postoje vzhledem k druhé straně. Se zkrácenou dobou trvání postoje by se pravděpodobně snížil i čas strávený ve dvojité podpoře na konci postoje.

Přestože původní myšlenka zařízení iStride je odvozena z pohybu běžeckého pásu s děleným pásem, existují výrazné rozdíly mezi chůzí na zařízení a chůzí na děleném pásu s asymetrickými rychlostmi pásu. Zatímco rychlost těla vzhledem k zemi je na běžeckém pásu s děleným pásem nulová, relativní rychlost zařízení iStride je nenulová a vpřed. Zařízení tlačí nohu nositele dopředu nebo dozadu, zatímco běžecký pás pohybuje oběma nohama dozadu, ale různými rychlostmi. Jak pro běžecký pás s děleným pásem, tak pro zařízení iStride je relativní rychlost mezi oběma chodidly podobná a zařízení iStride pohybující se dozadu zaujímá místo rychlejšího běhounu.

Předpokládáme, že trénink nad zemí povede ke změně koordinace mezi končetinami u jedinců s asymetrickou chůzí a umožní jedincům vyvinout trvalejší symetrickou chůzi. Existuje několik rozdílů mezi tréninkem na zemi a běžeckým pásem, jako je vizuální tok a vestibulární informace signalizující pohyb vpřed, které pravděpodobně omezují projev učení v nadzemním kontextu, když trénujete na běžeckém pásu. Vizuální podněty se zdají být zvláště důležité pro povědomí o kontextu. Vizuální podněty ve spojení s předchozími zkušenostmi jsou tak silné, že prediktivní posturální reakce způsobí, že jedinec zakopne, když nastoupí na eskalátor, který se nepohybuje. Tělo se naučilo vnitřní model, který očekává zrychlení, když nastoupí na eskalátor, ale když k tomuto zrychlení nedojde, člověk klopýtá. Studie chůze s děleným pásem ukázala, že přechod na chůzi nad zemí se zlepší, když mají subjekty zavázané oči během tréninku na běžeckém pásu a testují se nad zemí. Vzhledem k tomu, že zavázání očí eliminuje vizuální podněty o prostředí, naznačuje to také, že zrak je klíčovým faktorem při určování kontextové závislosti učení. Vzhledem k tomu, že není reálné při nácviku chůze pacientům s mrtvicí zavázat oči, navrhli jsme zařízení iStride tak, aby k nácviku mohlo docházet při chůzi nad zemí, takže vizuální vodítka během tréninku a později chůze po zemi by byla stejná.

Data od kontrolních subjektů používajících starší verzi zařízení iStride (v té době označované jako GEMS) byla zveřejněna a video z této předchozí verze lze nalézt na http://reedlab.eng.usf.edu/publications/handzic2011GEMS .mp4. V této studii jsme zjistili, že tato dřívější verze zařízení byla schopna změnit délku kroku, jak bylo předpovězeno, avšak předchozí konstrukce byla příliš těžká a příliš vysoká na to, aby mohla být považována za praktickou pro testování v populacích mrtvic. Současná verze zařízení iStride produkuje podobný pohyb jako předchozí verze, ale váží méně (pod 1 kg) a je kratší (~4,4 cm). Budeme testovat účinnost nošení současného zařízení iStride na koordinaci chůze při chůzi po zemi u jedinců s cévní mozkovou příhodou na klinice i v jejich vlastním domě. Veškerá chůze bude prováděna, zatímco subjekty budou pečlivě střeženy zkušeným fyzioterapeutem, aby se zabránilo pádu. Účinky zařízení iStride na koordinaci chůze budou porovnány s účinky vyvolanými na běžeckém pásu s děleným pásem.

Navrhovaný projekt představuje jeden z prvních pokusů sestrojit zařízení, které koriguje symetrii chůze při chůzi po zemi. Nejen, že by to lidem umožnilo zažít korekce chůze při provádění běžných pohybů, ale jednoduchost a relativně nízká cena těchto zařízení by také otevřela potenciální příležitosti k tréninku doma (pro vysoce funkční jedince s dohledem) a na klinikách, kde - pásový běžecký pás není k dispozici. Zde uvedené studie prokážou, zda je zařízení iStride schopné změnit koordinaci chůze mezi končetinami a zda jedinci s cévní mozkovou příhodou mohou tato zařízení používat pro rehabilitační účely. Tato práce tak vytvoří základ pro budoucí tréninkové studie zkoumající efektivitu dlouhodobého používání zařízení iStride pro zlepšení symetrických vzorců chůze.

Otázkou, na kterou se tato studie zaměřuje, je modifikace vzorců lidské chůze pro použití při rehabilitaci po cévní mozkové příhodě. Naším konečným cílem je ukázat, že zařízení iStride může změnit časovou a prostorovou asymetrii chůze člověka na symetrickou chůzi. Demonstrovali jsme to v prostředí kliniky a nyní budeme zařízení testovat ve vlastním domě účastníků. Naše referenční body jsou výsledky získané předchozími studiemi s běžeckými pásy s děleným pásem. Zajímá nás také, jak změna rozhraní mezi chodidlem a zemí ovlivňuje adaptaci na nové vzorce chůze.