Protahování nohou pomocí exoskeletonu na vyžádání pro lidi se spasticitou

Lidé s neurologickými onemocněními, včetně jedinců s poškozením horních motorických neuronů, trpí motorickými a senzorickými deficity, svalovou slabostí, omezeným rozsahem pohybu, nízkou nosností a narušenou rovnováhou, které omezují chůzi a narušují schopnost vykonávat činnosti každodenního života. . Roboti pro rehabilitaci dolních končetin mohou pomáhat s fyzikální terapií a zmírňovat zátěž pečovatelů a sester. Cílem tohoto projektu je tedy vyvinout nositelnou a přenosnou technologii napomáhající pohybu a protahování nohou a odpovídajícím způsobem aktivovat svaly u lidí s neurologickým onemocněním, kteří zažívají spasticitu.

Spasticita je výsledkem zvýšeného svalového tonusu a narušuje schopnost funkčně využívat dobrovolnou svalovou kontrakci pro koordinaci končetin a rozsah pohybu, což omezuje přesuny těla, chůzi a cvičení. Těžká nebo neřešitelná spasticita může vést ke ztrátě kontroly nad tělem a rovnováhy, což má za následek pády a zranění, tlaková poranění kůže, kontraktury, bolesti, potíže se sezením na invalidním vozíku a další problémy. Existující způsoby léčby spasticity a překonání funkčních deficitů souvisejících se spasticitou zahrnují léky, neurochirurgii, vibrace celého těla nebo končetin, fyzikální terapii, pasivní jízdu na kole, funkční elektrickou stimulaci (FES) spolu s dalšími metodami. Léky však mohou vyvolat významné vedlejší účinky včetně ospalosti, malátnosti, svalové slabosti a bolesti (např. v místě vpichu); jejich účinnost je navíc citlivá na kolísání dávkování. Neurochirurgie a přímá míšní stimulace mohou léčit nezvladatelnou nebo fokální spasticitu, ale přinášejí chirurgická rizika a jejich dlouhodobý přínos se u jednotlivců liší.

Protahování může snížit excitabilitu motorických neuronů, zachovat viskoelastické vlastnosti svalů a kloubů, poskytnout úlevu od svalových křečí a zlepšit rozsah pohybu a funkci chůze; dále lze protahování kombinovat s perorálními léky ke zvládnutí spasticity. Protahování rutinně provádějí terapeuti, sestry a pečovatelé, aby zajistili protažení svalů nebo zachovali rozsah pohybu v kloubech s relativně nízkými nežádoucími účinky. Poskytování spolehlivého ručního protahování končetin na vyžádání během dne a noci však představuje velkou zátěž pro pečovatele a sestry doma i ve zdravotnických zařízeních. Existuje tedy kritická potřeba vyvinout nositelný přístup k aplikaci na vyžádání, bezpečný a přizpůsobený dynamický strečink pro zvládnutí spasticity po SCI, který může minimalizovat zátěž pečovatelů a sester.

Tento projekt využívá nedávné technologické pokroky v nositelných senzorech a plně nositelných exoskeletech se sníženým tvarovým faktorem a hmotností, které jsme nevyužili (ani nevyvinuli) v našich předchozích výzkumných protokolech na Syracuse University. Tyto nové nositelné exoskelety jsou chytré oděvy, které se přizpůsobí lidskému tělu a poskytují pomoc nohám u lidí se svalovou slabostí nebo hemiplegií. Lehké exoskelety mají potenciál rozšířit šíři úkolů a prostředí, ve kterých se exoskelety používají. Proto tento projekt představuje lehký, nositelný exoskelet, který napomáhá pohybu nohou a protahování (např. zaměřené na lidi se spasticitou) v různých pozicích (např. při ležení na podložce nebo posteli, vsedě na židli nebo na invalidním vozíku).

Cíl 1 charakterizuje výkon nositelného zařízení a jeho řídicího algoritmu s uzavřenou smyčkou pro použití přesných nastavení pro bezpečné, automatické protahování končetin a pohyb jednotlivých kloubů (např. klouby v izolaci při sezení nebo ležení na podložce). Metody v tomto cíli zahrnují následující: 1) navrhnout řídicí algoritmus pro aplikaci bezpečných sil na nohy využívající kinematiku kloubů a data setrvačné zpětné vazby pomocí nositelných senzorů a 2) zkoumat velikost a načasování působících sil na kyčelní, kolenní a hlezenní klouby a prsty na nohou. Výzkumné úkoly v tomto cíli umožní přizpůsobení aplikovaných sil napříč účastníky.

Cíl 2 rozšiřuje implementaci ovladače s uzavřenou smyčkou z cíle 1 na různé polohy těla a činnosti, které zahrnují vícekloubové ovládání. Účastníci nosí zařízení, aby zažili síly aplikované nositelným exoskeletem vleže na posteli/podložce nebo vsedě. Vzhledem k tomu, že je zařízení plně nositelné, slouží jako výkonný nástroj pro zkoumání pohybu a protahování končetin jedinců s neurologickými stavy a spasticitou. Zařízení tedy není omezeno na pevné/stacionární experimentální podmínky.

Posledním cílem je shromáždit kvalitativní data od účastníků, pečovatelů, sester a klinických lékařů (pokud jsou zapojeni) o snadném použití a spokojenosti s používáním nositelného zařízení. Ke sběru kvalitativních dat se používají dotazníky a průzkumy. Snadné použití nositelného zařízení se posuzuje zkoumáním, zda lze protokol implementovat v očekávané době, včetně času na navlečení a sejmutí exoskeletu; dále bude stanoveno, zda je u všech účastníků dosaženo dodržení protokolu.

Design výzkumu- Metodologie

Uchazeč o studium bude požádán, aby telefonicky nebo osobně vyplnil Screeningový dotazník za účelem ověření způsobilosti. Pokud je potenciální účastník způsobilý se zapsat do studie, obdrží účastník další informace týkající se procesu zápisu. Účastník poté vyplní demografický dotazník a odpoví na otázky týkající se osobního zdraví a fyzického fungování.

Každá návštěva laboratoře může trvat až 2 hodiny (včetně montáže zařízení, zahřívání, testovacích postupů, přestávek na odpočinek, demontáže zařízení a odstranění elektrod a nositelných senzorů).

Nezpracovaná data budou shromažďována z nositelných senzorů, včetně následujících: úhly kloubů, 3D pohyb nohou, svalová elektromyografie (EMG) a motorické proudy z nositelného zařízení. Digitální data zaznamenaná z experimentů budou uložena ve formátu .mat soubory (nebo .csv), chráněno heslem. Nejsou odebírány žádné biologické vzorky.

Metadata budou aplikována na každou komponentu datového souboru po získání, aby bylo zajištěno, že data budou připravena pro řádnou archivaci. Metadata budou zahrnovat typ, formát, datum, čas, umístění úložiště a kontext dat. Data generovaná během tohoto projektu používají konvenční digitální formáty, včetně:

• Soubory MS Word, Power Point, Excel, Portable Data Format (PDF) a LaTeX (tex).
• Grafika, obrázky, tabulky, animace, videa z testů (soubory jpeg, png, eps, mp4)
• Kód včetně souborů MATLAB/Simulink, kódu C++ a textových souborů ASCII

Papírové záznamy o účasti budou uchovávány v uzamčených kartotékách v laboratoři a/nebo kancelářích a digitální data budou uložena na heslem chráněných počítačích/serverech nebo šifrovaných elektronických paměťových zařízeních v kancelářích a laboratoři výzkumného týmu PI.