Quantitative Bewertung der Trainingseffekte unter Verwendung des EKSOGT-Exoskeletts in Quantitative Bewertung der Trainingseffekte unter Verwendung des EKSOGT-Exoskeletts bei Patienten mit Parkinson-Krankheit (Ekso_PD)

Vollständiger Titel: QUANTITATIVE BEWERTUNG VON TRAININGSEFFEKTEN MIT EINEM TRAGBAREN EXOSKELETT BEI PATIENTEN MIT PARKINSON-KRANKHEIT

FORSCHUNGSPLAN

Spezifische Ziele

Die Fähigkeit, unabhängig zu gehen, ist ein primäres Ziel bei der Rehabilitation einer Person mit Parkinson-Krankheit (PD). Tatsächlich zeigen PD-Patienten eine gebeugte Haltung, die in Verbindung mit einer übermäßigen Gelenksteifheit zu einer schlechten Gehmechanik führt, die ihr Sturzrisiko erhöht. Obwohl Studien bereits die vielen Vorteile des robotergestützten Gangtrainings bei Parkinson-Patienten gezeigt haben, konzentrierte sich die Forschung auf optimale Rehabilitationsmethoden auf motorisierte Exoskelette der unteren Extremitäten. Durch die Kombination der Vorteile der geerdeten Geräte mit der Fähigkeit, in einer realen Umgebung zu trainieren, bieten diese Systeme ein höheres Maß an Teilnahme des Probanden und erhöhen die funktionellen Fähigkeiten des Probanden, während das tragbare Robotersystem weniger Unterstützung garantiert. Ziel der vorgeschlagenen Arbeit ist es, die Auswirkungen eines Over-ground Wearable Exoskeleton Trainings (OWET) auf Gangstörungen im Vergleich zu einer multidisziplinären intensiven Rehabilitationsbehandlung zu evaluieren. Da das Gehen eine komplexe Aufgabe ist, an der sowohl das zentrale (ZNS) als auch das periphere Nervensystem (PNS) beteiligt sind, muss eine gezielte Rehabilitation neben der Gangmechanik (ST-Parameter) auch das physiologische Gangbild (Gelenkkinematik und -dynamik) wiederherstellen. Zu diesem Zweck wird der Einfluss von OWET auf ZNS und PNS evaluiert. Die Bewegungsanalyse des Menschen bewertet quantitativ die neuromuskulären und biomechanischen Merkmale der Bewegung. Die neuere Literatur hat den Nutzen der Kopplung der Ganganalyse (GA) und der neuromuskuloskelettalen Modellierung (NMSM) für die Behandlungsplanung und die Ergänzung dieses Ansatzes durch die Roboterrehabilitation hervorgehoben. Eine weitere Stütze der Parkinson-Forschung ist die Elektroenzephalographie (EEG), die häufig zur Beurteilung von Funktionsstörungen der Exekutive eingesetzt wird, während die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) kortikale Veränderungen der motorischen Aktivierung während motorischer Aufgaben erkennen kann. Daher wird eine quantitative Bewertung des Gangs und der neuromuskulären Funktion einer Person vorgeschlagen, um die Wiederherstellung der veränderten sensomotorischen Funktion sowohl im PNS als auch im ZNS robust zu bewerten. Zu diesem Zweck werden umfassende GA (raumzeitlicher (ST) Parameter, Gelenkkinematik, Gelenksteifigkeit) und Elektromyographie (EMG) kombiniert, um PNS-Verbesserungen zu bestimmen, und fMRT mit EEG wird verwendet, um ZNS-Verbesserungen zu beurteilen. Da Angehörige der Gesundheitsberufe und Forscher objektive, zuverlässige und gültige Werkzeuge benötigen, um fachspezifische Interventionen zu planen, therapeutische Ergebnisse zu quantifizieren und Veränderungen im Laufe der Zeit zu überwachen, umfasst die vorgeschlagene Studie die Schätzung von neutral informierten Muskelkräften und Gelenksteifheit, was erwartet wird bieten sensible Determinanten der PD-Bewegungskontrolle, die für die Behandlungsplanung/-beurteilung entscheidend sein könnten. Vorläufige Daten sind verfügbar und zeigten die Machbarkeit des vorgeschlagenen Messaufbaus.

Hintergrund OWET: Obwohl Studien bereits die vielen Vorteile des robotergestützten Gangtrainings bei Parkinson-Patienten (d.h. körpergewichtsunterstütztes Laufbandtraining) da sie die Gangeffizienz verbessern und raumzeitliche (ST) Parameter modifizieren, schaffen diese Strategien eine Umgebung, in der der Patient weniger Kontrolle über die Ganginitiierung hat und es an Variabilität des visuell-räumlichen Flusses mangelt. Daher konzentrierte sich die Forschung auf optimale Rehabilitationsmethoden auf angetriebene Exoskelette der unteren Extremitäten, wie in der Rehabilitation nach einem Schlaganfall, wo die Wirkung einer solchen Behandlung das Potenzial für eine patientenspezifische Rehabilitation dramatisch erhöhte und eine Verbesserung der ST-Parameter zeigte. Durch die Kombination der Vorteile der geerdeten Robotergeräte mit der Fähigkeit, den Patienten in einer realen Umgebung zu trainieren, bieten diese Systeme ein höheres Maß an Beteiligung der Probanden, um die Rumpf- und Gleichgewichtskontrolle aufrechtzuerhalten und ihren Weg über verschiedene Oberflächen zu navigieren und zu erhöhen Funktionsfähigkeit des Probanden, während das tragbare Robotersystem weniger Unterstützung garantiert. Darüber hinaus ermöglicht die Stabilität, die das Exoskelett an den Patienten richtet, einen freihändigen Gehversuch (ohne Kupplungen), der einen integralen Bestandteil für eine physiologische Wiederherstellung der Fortbewegung darstellt.

Da das Gehen sowohl das ZNS als auch das PNS betrifft, muss eine gezielte Rehabilitation nicht nur die Mechanik (Geschwindigkeit, Schrittzeit und -länge), sondern auch das physiologische Gangbild wiederherstellen. Dies erfordert Verbesserungen sowohl auf der Ebene des Gleichgewichts als auch der Gelenkbewegung der unteren Extremitäten. In dieser Richtung fördern tragbare, von den unteren Extremitäten angetriebene Exoskelette das funktionelle Training in einer realistischen Gehumgebung, kombiniert mit einem größeren Patientenengagement als bei geerdeten Geräten. Die Bewegungsanalyse des Menschen bewertet quantitativ die neuromuskulären und biomechanischen Merkmale der Bewegung. Die neuere Literatur hat den Nutzen der Kopplung von GA und NMSM für die Behandlungsplanung und die Ergänzung dieses Ansatzes durch Roboterrehabilitation hervorgehoben, jedoch gibt es keine Studie, die Gangeffekte von einem OWET bei Patienten mit PD untersucht, und keine Bewertung, die umfassende GA und NMSM verwendet, um Mechanismen aufzudecken therapiebedingte Veränderungen.

Neurophysiologie der Parkinson-Krankheit: Ein fester Bestandteil der Parkinson-Forschung war das EEG, das häufig zur Bewertung von Funktionsstörungen der Exekutive verwendet wird, während fMRI kortikale Veränderungen der motorischen Aktivierung während motorischer Aufgaben erkennen kann. Das Protokoll zur Verwendung von GA in Kombination mit fMRI wurde bereits von den Ermittlern übernommen, um die Auswirkungen des Rehabilitationsprozesses auf die Reorganisation des neuronalen Netzwerks darzustellen und die neuronale Aktivität und die Erholung nach der Behandlung zu beschreiben und zu quantifizieren.

Bewegungsanalyse bei PD: Der Gang bei Menschen mit PD wurde in den letzten Jahren mit 3D-GA-Systemen gründlich untersucht, wobei eine typische hypokinetische Gangreduzierung der Schrittlänge mit Asymmetrie zwischen den Schritten, einer Erhöhung der Trittfrequenz, der Haltung und der doppelten Unterstützung dokumentiert wurde Phasen, wodurch die reduzierte Schrittlänge kompensiert wird.

NMSM: Die Kombination von GA und NMSM ermöglicht es, den Krankheitsverlauf mit erhöhter Genauigkeit zu verfolgen. Dies wurde bei einer Reihe von neuromuskulären Pathologien und gesunden Personen nachgewiesen. Entscheidend ist, dass für jede Person ein neuromuskuloskelettales Modell erstellt wird, das von den eigenen EMG-Signalen der Person angetrieben wird und ihre Biomechanik verfolgt, wie es kürzlich bei neurologisch beeinträchtigten Personen angewendet wurde. Dadurch entsteht ein neuartiges Modell, das neuromuskuläre Funktionen in vivo mit dem Individuum verknüpft und so neue Biomarker zur Bewertung und Verfolgung motorischer Beeinträchtigungen bei Parkinson liefert. Da die Gelenksteifheit sowohl von der neuralen Rekrutierung als auch von den mechanischen Eigenschaften abhängt, ist es außerdem wahrscheinlich, dass sie eine starke Darstellung der neuralen und muskuloskelettalen PD-Beeinträchtigung liefert.

Bedeutung und potenzielle Auswirkungen Dieses Projekt befasst sich mit dem Potenzial von OWET zur Wiederherstellung des normalen Gangs bei Parkinson-Patienten. OWET zielt darauf ab, die allgemeine Körperbewegung zu verbessern und die Gelenksteifheit bei Patienten mit Parkinson zu verringern, wodurch die Funktion und Lebensqualität verbessert und das Risiko von Stürzen mit Verletzungen verringert wird. Das vorgeschlagene Robotergerät (Ekso GT™, EksoBionics, Richmond, CA, USA) stützt sich auf Funktionen, indem es dem Sprunggelenk eine passive Unterstützung bietet, die den Rest des Körpers durch mechanische Kopplung beeinflusst. Derzeit wird der Umfang der Geräteunterstützung auf der Grundlage der Erfahrung und des Fachwissens eines Therapeuten geschätzt. Moderne Bewegungsanalysemethoden ermöglichen es uns, die erforderliche Unterstützung objektiv zu beurteilen, wodurch die Unterstützung auf jeden Einzelnen zugeschnitten und das Risiko klinischer Vermutungen beseitigt werden kann. Robotergeräte unterstützen den Physiotherapeuten, indem sie aufgabenspezifische, wiederholbare mechanische Aktionen bereitstellen, um Therapien zu unterstützen und eine höhere Trainingsintensität zu ermöglichen. OWET zielt darauf ab, die Gelenksteifheit der unteren Extremitäten zu reduzieren, die ein anerkannter Biomarker für PD ist, und dadurch die Rehabilitation von PD-Patienten zu verbessern.

Die mit der vorgeschlagenen Studie verbundenen Ergebnisse werden wahrscheinlich substanzielle Lösungen für die Behandlung von Gang- und Haltungsstörungen (Körperhaltung, Gleichgewicht und Gang) bei Parkinson liefern, wo gültige Interventionen (pharmakologische, neurochirurgische, traditionelle Physiotherapie) fehlen. Darüber hinaus könnte ein NMSM, das patientenspezifische Variablen für die Therapie identifiziert, verwendet werden, um Behandlungsergebnisse zu bewerten, aber auch um eine Online-Rehabilitationstherapie mittels Fernsteuerung des Hilfsgeräts durchzuführen. Dies bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Ansätzen, die eine aktive Behandlung vorschlagen, die personalisiert und auf große Populationen skalierbar ist, und eine standardisierte Trainingsumgebung und eine anpassbare Unterstützung umfasst, die die Behandlungsintensität und -dosis erhöhen kann, ohne den Therapeuten zu belasten . OWET ist somit ein ideales Mittel, um die konventionelle Therapie in der Klinik zu vervollständigen, während Rehabilitationsroboter das Potenzial für eine fortgesetzte Heimtherapie mit einfacheren Geräten haben.

Studiendesign Die Studie wird über 36 Monate durchgeführt. Patienten mit klinisch gesicherter Diagnose von PD gemäß den diagnostischen Kriterien der britischen Parkinson's Disease Society Brain Bank werden rekrutiert. Die Diagnose wird von einem auf Bewegungsstörungen spezialisierten Neurologen überprüft. Kurz gesagt, 50 Patienten mit leichter bis mittelschwerer Erkrankungsschwere werden gemäß den Einschluss-/Ausschlusskriterien, die im entsprechenden Abschnitt unten aufgeführt sind, aufgenommen.

Die Aktivitäten werden in 4 Arbeitspakete (WP) organisiert, jedes mit messbaren Ergebnissen, die durch geplante Ergebnisse/Meilensteine ​​verifiziert werden.

• WP1: Klinische Studie. Die Stichprobengröße wurde basierend auf veröffentlichten Daten zur Ganggeschwindigkeit bei PD-Probanden definiert, und eine Zielstichprobe von fünfzig PD-Personen (aufgeteilt in zwei separate Kohorten) wurde ausgewählt, um eine Aussagekraft von mindestens 80 % für die Erkennung von mittleren Gruppenunterschieden zu erreichen in der mittleren Ganggeschwindigkeit (p = 0,05). Eine Kohorte (n=25) wird einer multidisziplinären intensiven Rehabilitationsbehandlung unterzogen, die andere wird mit OWET behandelt. Zu Studienbeginn (T0) werden die Probanden einer neurophysiologischen Untersuchung (EEG-fMRI) und GA unterzogen. Die Teilnehmer durchlaufen dann eine 8-wöchige OWET. Nach der Therapie (T1) werden die Probanden mit dem gleichen Protokoll wie bei T0 bewertet. Nach weiteren 2 Monaten wird ein Follow-up (T2) nach dem gleichen Protokoll wie T0 durchgeführt.
• AP2: Bewegungsanalyse. State-of-the-Art-Haltung und GA werden vor und nach der Rehabilitation durchgeführt.
• AP3: NMSM. Unter Verwendung der in AP1 und AP2 gesammelten Daten wird NMSM durchgeführt, um Muskelkraft und Gelenksteifheit zu erhalten. Dieses NMSM wird verwendet, um die neuromuskuläre Funktion von PD vor und nach der Rehabilitation zu beurteilen.
• AP4: Neurophysiologische Bewertung. A 256-Kanal-High-Density-EEG (HD-EEG)-Aufzeichnungen und -Analyse werden verwendet, um die Veränderungen der Gehirnoszillationsaktivität vor und nach der Behandlung zu beurteilen. Eine multimodale Bildgebung des Gehirns wird durch gleichzeitige Erfassung und Analyse von neurophysiologischen Signalen (EEG/EMG) und fMRT-Daten durchgeführt, um die Konnektivität im Ruhezustand und die Aktivierungsunterschiede zwischen Vor- und Nachbehandlung zu bewerten und festzustellen, ob die Änderungen in der kortikalen Aktivität miteinander verbunden sind mit den in WP3 festgestellten Änderungen.

Erwartete Ergebnisse Bewegungsfunktionen werden durch ein funktionelles Gangtraining positiv wiederhergestellt. Tatsächlich hat sich bei Patienten nach einem Schlaganfall, die sich dieser Therapie unterzogen haben, bereits gezeigt, dass sie mit größerer Wahrscheinlichkeit ein unabhängiges Gehen erreichen als Menschen, die nicht die gleiche Behandlung erhalten haben.

OWET verbessert die Gangqualität und das Gleichgewicht. Wirkungen mit OWET wirken sich auf die Lebensqualität aus. Die Ergebnisse mit OWET werden innovative Informationen für Rehabilitationsprogramme liefern. Die Wirkung der Intervention wird anhand der messbaren Ergebnisse bewertet, die im entsprechenden Abschnitt unten aufgeführt sind.