Exoskelett-Schuhe zur Verbesserung des Gehens

Claudicatio aufgrund einer peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (pAVK) führt dazu, dass Patienten im Vergleich zu ihren gesunden Kollegen weniger und langsamer gehen, ihre Unabhängigkeit bei den Aktivitäten des täglichen Lebens verlieren und sesshaft sind. Die Forschung der Forscher hat funktionelle Einschränkungen in den Gehmustern von Claudicating-Patienten identifiziert. Das auffälligste und beständigste Defizit ist die hintere Wadenmuskulatur, die Knöchel-Plantarflexoren, um beim Gehen ein gesundes Drehmoment und eine gesunde Knöchelkraft zu erzeugen. Frühere Arbeiten im Labor der Prüfärzte haben festgestellt, dass diese funktionellen Defizite mit dem Vorhandensein einer Myopathie in den Beinen von Patienten mit pAVK zusammenhängen, die durch Muskelfaserdegeneration und Muskelfibrose gekennzeichnet ist. Eine Intervention, die die beeinträchtigte Muskelphysiologie und -leistung kompensiert, ist erforderlich, um die Gehfähigkeit und Unabhängigkeit bei Patienten mit pAVK zu verbessern.

Das langfristige Ziel dieses Projekts ist es, die Lebensqualität von Patienten mit pAVK durch den Einsatz assistiver Exoskelette zu verbessern. Derzeit gibt es eine kritische Behandlungslücke für Patienten mit pAVK, deren Krankheitsbild keine operative Revaskularisierung rechtfertigt (basierend auf einer Nutzen-Risiko-Analyse, die mehrere Faktoren wie Schweregrad der Erkrankung, Begleiterkrankungen und Operationsrisiko berücksichtigt), die aber wieder gehen möchten Fähigkeit und Selbständigkeit. Knöchel-Fuß-Orthesen wurden kürzlich implementiert, um die Anforderungen an das biologische Plantarflexor-Drehmoment des Knöchels zu reduzieren und Kraftdefizite auszugleichen. Das biologische Knöcheldrehmoment/-kraft ist das Drehmoment/die Kraft, die von den Plantarflexormuskeln erzeugt wird, abgesehen von dem, das von einem Hilfsgerät bereitgestellt wird. Die Forscher haben eine leichte und kostengünstige 3D-druckbare elastische Exoskelett- und Schuhkombination namens Exoskelett-Schuhe (EF) entwickelt. Der EF unterstützt das Abstoßen durch die Verwendung von Federn, die die Plantarflexorkräfte des Knöchels nachahmen. Exoskelette, die den Vortrieb unterstützen, behandeln sowohl Myopathien als auch Probleme mit niedrigem Blutfluss im Zusammenhang mit Claudicatio. Die mechanische Kraft von der EF kompensiert eine unzureichende Muskelvortriebskraft, während der Blutflussbedarf und die durch Ischämie verursachte Muskelbelastung verringert werden. Ein richtig gestaltetes Exoskelett wird es Patienten mit pAVK wahrscheinlich ermöglichen, länger schmerzfrei zu gehen oder die für die Bewältigung der täglichen Aktivitäten erforderliche Distanz mit weniger Belastung für das betroffene Bein zurückzulegen. Als ersten Schritt schlagen die Forscher vor, die Wirkung von EF auf die Gehleistung zu bestimmen, wobei sie sich darauf konzentrieren, wie verschiedene Ebenen der EF-Unterstützung zu Veränderungen des biologischen Drehmoments und der Kraft des Knöchels, der Energiekosten und der Sauerstoffversorgung der Wadenmuskulatur beitragen. Die Forscher werden gesunde ältere Erwachsene testen, um den Komfort, das geringe Verletzungsrisiko für Fuß und Wade und ein hohes Potenzial für die Einführung des Geräts bei Patienten mit pAVK sicherzustellen und zu bestätigen.

Die EF wird dann bei Patienten mit PAVK evaluiert. Gesunde ältere Personen werden für die Anfangsphase des Projekts ausgewählt, weil sie wie Patienten mit pAVK im Vergleich zu gesunden jungen Menschen weniger Abstoßmoment und Kraft beim Gehen erzeugen; was sie zu einem geeigneten Modell für PAD-Einschränkungen macht. Darüber hinaus können gesunde ältere Patienten im Vergleich zu Patienten mit pAVK längere Gehversuche tolerieren, die notwendig sind, um effektive Geräteparameter zu identifizieren, und haben auch ein deutlich geringeres Risiko, Fuß- und Wadenverletzungen zu entwickeln, während der Komfort und die Form des EF bewertet und angepasst werden Personen mit unterschiedlichen Fuß- und Beinmorphologien aufnehmen.

Hypothese: Die Gehleistung wird sich mit EF bei gesunden älteren und pAVK-Patienten verbessern. Die Ermittler nehmen an, dass es eine EF-Unterstützungsstufe geben wird, um die vom Probanden berichteten Präferenzen und Gehleistungsziele zu erfüllen.

Spezifisches Ziel 1: Bestimmung der Niveaus der EF-Unterstützungskraft, die bei älteren Probanden zu einer besseren Gehleistung führen. Verbesserungen der Gehleistung werden bewertet, indem gemessen wird, wie verschiedene Ebenen der EF-Unterstützung zu Änderungen des biologischen Drehmoments und der Kraft des Knöchels während des Abstoßens, der Energiekosten des Gehens und der Sauerstoffversorgung der Wadenmuskulatur während des Gehens beitragen.

Spezifisches Ziel 2: Bestimmung der Niveaus der EF-Unterstützungskraft, die bei älteren Probanden eine bessere von den Probanden berichtete Präferenz erzeugen. Die Präferenz wird anhand visuell-analoger Skalen, Fragebögen zu wahrgenommener Anstrengung und Schmerz sowie Befragungen im Interviewstil über Akzeptanz (Zufriedenheit, Verwendungsabsicht), Nachfrage (wahrgenommene Nachfrage) und Praktikabilität (Effekte, Fähigkeit der Teilnehmer, EF zu verwenden) gemessen.

Spezifisches Ziel 3: Bestimmung der Wirkung der EF-Unterstützungsstufen auf die Gehleistung und die vom Probanden berichtete Präferenz bei Patienten mit pAVK. Die Ergebnisse aus den Zielen 1 und 2 werden die für dieses Ziel getesteten Unterstützungsstufen leiten.

Forschungsdesign und -methoden Gesunde ältere Menschen werden in insgesamt sieben Zuständen in den Zielen Nr. 1 und Nr. 2 bewertet: fünf verschiedene EF-Steifigkeitsstufen, einschließlich EF: Steifheit 1 (5,6 kN/m), EF-Steifigkeit 2 (7,9 kN/m), EF Steifigkeit 3 ​​(10,5 kN/m), EF Steifigkeit 4 (13,3 kN/m), EF Steifigkeit 5 (17,2 kN/m), EF mit gelöster Feder und einem normalen Gehzustand (kein EF).

PAD-Patienten werden in Ziel Nr. 3 unter vier Bedingungen bewertet: zwei verschiedene EF-Steifigkeitsgrade, eine Bedingung, in der die Probanden die EF mit gelöster Feder tragen, und eine normale Gehbedingung (keine EF). Die Federsteifigkeit wird als Funktion der Körpermasse angepasst, um eine normalisierte Drehmomenteingabe für alle Probanden bereitzustellen. Diese Steifheitsgrade wurden basierend auf früheren Forschungsarbeiten ausgewählt, bei denen ein ähnliches Gerät bei gesunden jungen Personen verwendet wurde. Der EF wird so eingestellt, dass er die Feder bei 42 % der Schrittlänge freigibt. Erhöhungen der Energiekosten bei Steifheitswerten über und unter dem optimalen Wert sind ein Indikator dafür, dass die Steifheitsniveaus innerhalb der geeigneten Skala liegen. Gesunde ältere Erwachsene und Patienten mit pAVK werden getestet, um die Wirkung der EF-Unterstützungskraft auf die Gehleistung und die Energiekosten sowie die vom Probanden berichtete Präferenz bei unterschiedlichen EF-Unterstützungsstufen zu bestimmen

Insgesamt 50 Erwachsene im Alter von 50 Jahren und älter aus dem Veterans Affairs' Medical Center (VAMC) von Nebraska und Western Iowa und der umliegenden Omaha-Gemeinde werden rekrutiert, um die Ziele 1 und 2 zu erfüllen. Ziel 3 umfasst 25 Patienten mit pAVK, die vom VAMC rekrutiert werden.

Datenerhebungsprotokoll für die Ziele Nr. 1 und Nr. 2:

Gehen: Die Probanden werden sieben Minuten lang mit ihrer bevorzugten Gehgeschwindigkeit auf einem instrumentierten Laufband (AMTI, Watertown, MA) gehen, während Kinetik und Kinematik bei 100 Hz mit einem digitalen Bewegungserfassungssystem mit 17 Kameras (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp. Santa Rosa, Kalifornien). Die drei Minuten des Gehens dienen den Probanden dazu, sich an die neue Unterstützungsstufe im EF zu gewöhnen. Die bevorzugte Gehgeschwindigkeit wird vor dem Sammeln von Daten bestimmt und über die sieben Bedingungen hinweg konstant gehalten.

Das Subjekt wird auch unter sieben verschiedenen Bedingungen auf ebenem Boden laufen.

Muskeloxygenierung: Die bilaterale Gastrocnemius-Muskeloxygenierung (StO2) wird mit Dauerstrich-Nahinfrarotspektroskopie (PortaMon, Artinis Medical System, Niederlande) vor, während und nach jedem Gehen auf dem Laufband (oben beschrieben) gemessen.

Energiekosten: Ein tragbarer Stoffwechselwagen wird verwendet, um den Gasaustausch Atemzug für Atemzug zu messen, wodurch ein Maß für den Sauerstoffverbrauch während jeder der sieben Gehbedingungen auf dem Laufband bereitgestellt wird.

Wahrgenommener Komfort und Ermüdung: Eine visuelle Analogskala wird verwendet, um die Wahrnehmung von Komfort und Ermüdung der Probanden nach jedem Zustand auf dem Laufband und auf ebenem Boden zu erfassen. Die visuelle Analogskala reicht von 0 (geringer Komfort; hohe Ermüdung) bis 10 (hoher Komfort; geringe Ermüdung).

Rate der empfundenen Anstrengung: Nach jeder Bedingung werden die selbstberichteten Werte der empfundenen Anstrengung aus der Borg-Skala zur Rate der wahrgenommenen Anstrengung (6 (keine Anstrengung) bis 20 (maximale Anstrengung)) aufgezeichnet.

Datenerfassungsprotokoll für Ziel Nr. 3:

Die Gehleistung und die vom Probanden angegebene Präferenz werden auf die gleiche Weise wie in den Zielen 1 und 2 bewertet, außer dass der Laufband-Gehtest durch Tests zur maximalen Gehstrecke ersetzt wird (siehe Beschreibung unten). Aus diesem Grund werden die Tests auf zwei Tage aufgeteilt, wobei an jedem Tag zwei Tests zur maximalen Gehentfernung durchgeführt werden. Die Probanden ruhen sich aus, bis der Claudicatio-Schmerz zwischen den einzelnen Tests zur maximalen Gehstrecke nachlässt. Die Probanden führen Tests mit den gleichen Ergebnissen (1-7 unten) genau wie in den Zielen 1 und 2 und den maximalen Gehzeiten (8 unten) beschrieben durch. Maximale Gehzeiten sind der beste Indikator für die Auswirkungen von PAD auf die tägliche Gehfähigkeit und die Teilnahme an Gemeinschaftsaktivitäten.

Alle Ergebnisse aus dem Protokoll des älteren Probanden werden für PAD-Patienten bewertet, einschließlich 1) Gehen: Beim Laufbandtest werden biomechanische Variablen während des Testabschnitts mit einer Neigung von null Grad erfasst. Zwischen den Erkrankungen wird je nach Bedarf Ruhezeit gewährt, damit die Claudicatio-Schmerzen nachlassen.

2) Muskeloxygenierung, 3) Energiekosten, 4) empfundener Komfort und Ermüdung, 5) Rate der empfundenen Anstrengung, 6) Durchführbarkeit.

Zwei zusätzliche Ergebnisse, die für die PAD-Patienten gemessen werden, sind:

Wahrgenommener Schmerz: Nach dem Ansatz des wahrgenommenen Komforts und der Ermüdung wird eine visuelle Analogskala verwendet, um die Schmerzwahrnehmung der Probanden nach jeder Bedingung zu erfassen. Die visuelle Analogskala reicht von 0 (kein Schmerz) bis 10 (starker Schmerz) und wird nach jeder EF-Bedingung bewertet.

Claudicatio-Beginn und maximale Gehzeiten: Die Gehfähigkeit wird mit einem Laufbandtest mit progressiver Belastung mit anfänglichen und maximalen Claudicatio-Abständen als Ergebnisse bestimmt. Die Patienten gehen auf einem Laufband, das bei 0 % Steigung und 2,0 mph beginnt. Alle zwei Minuten wird die Steigung um 2 % bis maximal 15 % Steigung erhöht und die Geschwindigkeit während des gesamten Tests konstant gehalten. Die Ausgangsstrecke, die vor dem Einsetzen der Schmerzen zurückgelegt wurde (Claudication Onset Time – COT) und die Strecke, die die Patienten zurückgelegt haben, bis der Test aufgrund von Schmerzen abgebrochen werden musste (Peak Walking Time – PWT), sind die Messergebnisse.