Exoskeleton obuv pro zlepšení chůze

Klaudikace v důsledku onemocnění periferních tepen (PAD) způsobuje, že pacienti chodí méně a pomaleji, ztrácejí nezávislost v každodenních činnostech a jsou sedaví ve srovnání se svými zdravými protějšky. Výzkum výzkumníků identifikoval funkční omezení ve vzorcích chůze klaudikujících pacientů. Nejvýraznější a nejkonzistentnější deficit je u zadních lýtkových svalů, plantarflexorů kotníku, které vytvářejí zdravý točivý moment a sílu kotníku během chůze. Předchozí práce v laboratoři výzkumníků prokázala, že tyto funkční deficity souvisejí s přítomností myopatie v nohách pacientů s PAD, která je charakterizována degenerací svalových vláken a svalovou fibrózou. Ke zlepšení schopnosti chůze a nezávislosti u pacientů s PAD je zapotřebí intervence, která kompenzuje zhoršenou fyziologii a výkonnost svalů.

Dlouhodobým cílem tohoto projektu je zlepšit kvalitu života pacientů s PAD pomocí asistenčních exoskeletů. V současné době existuje kritická mezera v léčbě pro ty pacienty s PAD, jejichž projev onemocnění nezaručuje operativní revaskularizaci (na základě analýzy rizika a přínosu, která bere v úvahu více faktorů včetně závažnosti onemocnění, přidružených stavů a ​​operativního rizika), ale kteří si přejí obnovit svou chůzi. schopnost a nezávislost. Nedávno byly zavedeny ortézy kotníku a nohy, aby se snížily požadavky na biologický točivý moment plantarflexoru kotníku a aby se kompenzoval nedostatek výkonu. Biologický točivý moment/výkon kotníku je krouticí moment/výkon generovaný plantarflexorovými svaly kromě toho, který poskytuje pomocné zařízení. Vyšetřovatelé vyvinuli lehký a levný 3D tisknutelný elastický exoskeleton a kombinaci obuvi nazvanou exoskeleton footwear (EF). EF pomáhá při odtlačování pomocí pružin, které napodobují síly plantarflexoru kotníku. Exoskeletony, které pomáhají pohonu, řeší jak myopatii, tak problémy s nízkým průtokem krve spojené s klaudikacemi. Mechanická síla z EF kompenzuje nedostatečnou propulzní sílu svalů a zároveň snižuje nároky na průtok krve a svalové napětí způsobené ischemií. Správně navržený exoskelet pravděpodobně umožní pacientům s PAD chodit déle bez bolesti nebo ujít vzdálenost potřebnou pro dokončení každodenních činností s menším zatížením postižené nohy. Jako první krok výzkumníci navrhují určit účinek EF na výkonnost při chůzi se zaměřením na to, jak různé úrovně podpory EF přispívají ke změnám biologického točivého momentu a výkonu kotníku, nákladů na energii a okysličení lýtkových svalů. Vyšetřovatelé budou testovat zdravé starší dospělé, aby zajistili a potvrdili pohodlí, nízké riziko poranění nohy a lýtka a vysoký potenciál pro přijetí zařízení u pacientů s PAD.

EF pak bude hodnocena u pacientů s PAD. Pro počáteční fázi projektu jsou vybráni zdraví starší jedinci, protože stejně jako pacienti s PAD produkují během chůze menší točivý moment a výkon ve srovnání se zdravými mladými; což z nich dělá vhodný model pro omezení PAD. Kromě toho mohou zdraví starší ve srovnání s pacienty s PAD tolerovat delší zkoušky chůze, které jsou nezbytné k identifikaci účinných parametrů zařízení a mají také výrazně nižší riziko vzniku poranění nohy a lýtka, přičemž se posuzuje a upravuje pohodlí a tvar EF. přizpůsobení jedincům s různou morfologií chodidel a nohou.

Hypotéza: Chůze se zlepší s EF u zdravých starších pacientů a pacientů s PAD. Vyšetřovatelé předpokládají, že bude existovat úroveň asistence EF, která uspokojí subjektem hlášené preference a cíle výkonnosti při chůzi.

Specifický cíl 1: Stanovit úrovně asistenční síly EF, které produkují lepší výkonnost při chůzi u starších subjektů. Zlepšení výkonnosti při chůzi bude posuzováno měřením toho, jak různé úrovně podpory EF přispívají ke změnám biologického točivého momentu a výkonu kotníku během odrazu, energetických nákladů na chůzi a okysličení lýtkového svalu během chůze.

Konkrétní cíl 2: Určit úrovně asistenčních sil EF, které u starších subjektů produkují lepší preferenci uváděnou subjektem. Preference bude měřena pomocí vizuálně-analogových škál, dotazníků vnímané námahy a bolesti a průzkumů ve stylu rozhovoru o přijatelnosti (spokojenost, záměr používat), poptávce (vnímaná poptávka) a praktičnosti (účinky, schopnost účastníků používat EF).

Specifický cíl 3: Zjistit vliv úrovní asistence EF na výkonnost při chůzi a preferenci u pacientů s PAD. Výsledky z cílů 1 a 2 budou vodítkem pro úrovně pomoci testované v tomto cíli.

Návrh výzkumu a metody Zdravé seniory budou hodnoceny v celkem sedmi podmínkách v cílech č. 1 a č. 2: pět různých úrovní tuhosti EF včetně EF: tuhost 1 (5,6 kN/m), EF tuhost 2 (7,9 kN/m), EF Tuhost 3 (10,5 kN/m), EF Tuhost 4 (13,3 kN/m), EF Tuhost 5 (17,2 kN/m), EF s uvolněnou pružinou a jednou normální chůzí (bez EF).

Pacienti s PAD budou hodnoceni ve čtyřech stavech v cíli č. 3: dvě různé úrovně tuhosti EF, jeden stav, kdy subjekty budou nosit EF s uvolněnou pružinou a jeden stav normální chůze (bez EF). Tuhost pružiny bude upravena jako funkce tělesné hmotnosti, aby se zajistil normalizovaný vstup točivého momentu mezi subjekty. Tyto úrovně tuhosti byly zvoleny na základě předchozí výzkumné práce s použitím podobného zařízení u zdravých mladých jedinců. EF bude nastaven tak, aby uvolnil pružinu ve 42 % kroku. Zvýšení nákladů na energii při hodnotách tuhosti nad a pod optimální hodnotou bude indikátorem toho, že úrovně tuhosti jsou v rámci vhodného měřítka. Zdraví starší dospělí a pacienti s PAD budou testováni, aby se určil účinek asistenční síly EF na výkonnost při chůzi a náklady na energii a preference udávané subjektem s různými úrovněmi pomoci EF.

Pro splnění cílů 1 a 2 bude přijato celkem 50 dospělých ve věku 50 let a více z Nebraska a Western Iowa Veterans Affairs' Medical Center (VAMC) a okolní komunity Omaha. Cíl 3 bude zahrnovat 25 pacientů s PAD přijatých z VAMC.

Protokol sběru dat pro cíle #1 a #2:

Chůze: Subjekty dokončí sedm minut chůze svou preferovanou rychlostí chůze na přístrojovém běžeckém pásu (AMTI, Watertown, MA), zatímco kinetika a kinematika jsou zachycovány při 100 Hz pomocí systému digitálního snímání pohybu se 17 kamerami (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp, Santa Rosa, CA). Tři minuty chůze budou pro subjekty, aby si zvykly na novou úroveň pomoci v EF. Preferovaná rychlost chůze bude určena před sběrem jakýchkoli dat a bude udržována konzistentní ve všech sedmi podmínkách.

Subjekt bude také chodit po rovné zemi v sedmi různých podmínkách.

Okysličení svalů: Bilaterální okysličení svalu gastrocnemia (StO2) bude měřeno pomocí kontinuální vlnové blízké infračervené spektroskopie (PortaMon, Artinis Medical System, Nizozemsko) před, během a po každém stavu chůze na běžeckém pásu (popsáno výše).

Energetické náklady: Přenosný metabolický vozík bude použit k měření výměny plynů na bázi nádechu po dechu, což poskytuje měření spotřeby kyslíku během každé ze sedmi podmínek chůze na běžícím pásu.

Vnímané pohodlí a únava: Vizuální analogová stupnice bude použita k zachycení toho, jak subjekty vnímají pohodlí a únavu po každém běžeckém pásu a rovném terénu. Vizuální analogová stupnice se bude pohybovat od 0 (nízký komfort; vysoká únava) do 10 (vysoký komfort; nízká únava).

Míra vnímané námahy: Hodnoty vnímané námahy uváděné sebou samým ze stupnice Borg Rate of Perceived Exertion (6 (žádná námaha) až 20 (maximální námaha)) budou zaznamenány po každém stavu.

Protokol sběru dat pro cíle č. 3:

Chůze a preference uváděné subjektem budou hodnoceny stejným způsobem jako v Cílích 1 a 2 s tím rozdílem, že test chůze na běžeckém pásu bude nahrazen testy maximální vzdálenosti chůze (viz popis níže). Z tohoto důvodu bude testování rozděleno do dvou dnů, přičemž každý den budou dokončeny dva testy maximální vzdálenosti chůze. Subjekty budou odpočívat, dokud neustoupí jakákoliv klaudikační bolest mezi jednotlivými testy maximální vzdálenosti chůze. Subjekty dokončí testování stejných výsledků (1-7 níže) přesně tak, jak je popsáno v Cílích 1 a 2 a maximální doby chůze (8 níže). Maximální doba chůze je nejlepším ukazatelem důsledků PAD na denní schopnost chůze a účast na komunitních aktivitách.

Všechny výsledky protokolu staršího subjektu budou hodnoceny u pacientů s PAD včetně 1) chůze: Na testu na běžícím pásu budou shromažďovány proměnné biomechaniky během části testu s nulovým sklonem. Mezi stavy bude poskytnuta doba odpočinku podle potřeby pro ústup klaudikační bolesti.

2) Okysličení svalů, 3) Energetické náklady, 4) Vnímaný komfort a únava, 5) Míra vnímané námahy, 6) Proveditelnost.

Dva další výsledky měřené u pacientů s PAD budou:

Vnímaná bolest: V návaznosti na přístup vnímaného pohodlí a únavy bude použita vizuální analogová stupnice k zachycení toho, jak subjekty vnímají bolest po každém stavu. Vizuální analogová stupnice se bude pohybovat od 0 (žádná bolest) do 10 (intenzivní bolest) a bude hodnocena po každém stavu EF.

Doba nástupu klaudikace a maximální chůze: Schopnost chůze bude stanovena pomocí testu s progresivním zatížením na běžeckém pásu s počáteční a maximální vzdáleností klaudikace jako výsledky. Pacienti budou chodit na běžeckém pásu, který začíná na 0% stupni a 2,0 mph. Každé dvě minuty se sklon zvýší o 2 % až do maximálního sklonu 15 % a rychlost bude po celou dobu testu konstantní. Výsledným měřítkem bude počáteční vzdálenost ušlá před nástupem bolesti (Claudication Onset Time - COT) a vzdálenost, kterou pacienti ušli, dokud nebylo nutné test zastavit kvůli bolesti (Peak Walking Time - PWT).