Proof-of-Concept eines Roboter-Knie-Exoskeletts bei gesunden Probanden und hemiparetischen Patienten während des Gangs.

- Kurzname: Proof-of-Concept eines einseitigen Roboter-Knie-Exoskeletts und Bewertung seiner Auswirkungen auf die Gangsymmetrie.

- Materialien: Die Forscher haben eine Knie-Knöchel-Fuß-Orthese (KAFO) entwickelt, die aus zwei Gelenken besteht, die auf das Knie und den Knöchel des Benutzers ausgerichtet sind. Die Länge seiner Stangen und die Positionen seiner Streben können an die Anthropometrie verschiedener Benutzer angepasst werden. Das Kniegelenk wird durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor EC-60 flat 408057 (Maxon ag, Schweiz) angetrieben, der mit einem Harmonic Drive CSD-20-160-2AGR (Harmonic Drive LLC, EE.UU.) gekoppelt ist. Das Übersetzungsverhältnis von 1:60 dieses Systems ermöglicht die Aufbringung eines mittleren Drehmoments von 35 Nm. Das Sprunggelenk des Prototyps bleibt unbetätigt und unbegrenzt und ermöglicht so eine freie Bewegung in der Sagittalebene. Das Gesamtgewicht des KAFO beträgt ca. 4kg.

Der Prototyp ist mit Sensoren ausgestattet, die in Echtzeit Informationen über Systemvariablen liefern, die für seine Steuerung verwendet werden, beispielsweise den Beugewinkel des Robotergelenks oder das Interaktionsdrehmoment zwischen Benutzer und Roboter. Darüber hinaus wird die Gangkinematik des Benutzers durch Inertial Measurement Units (IMUs) und der Kontakt beider Füße mit dem Boden durch Force Sensing Resistors (FSRs) gemessen.

Das System verwendet einen adaptiven Frequenzoszillator, um die kontinuierliche Gangphase der kontralateralen Extremität abzuschätzen und unterstützt das paretische Bein synchron nach zwei verschiedenen Kontrollstrategien: (1) Nachahmen der Bewegung des gesunden Beins (Echo-Strategie) oder (2) Herbeiführen eines gesunden Beins Gangmuster am paretischen Bein (Musterstrategie). Die Aktion des Roboters hängt von der Gangphase des unterstützten Beins ab: Im Stand verstärkt der Roboter das Glied, sodass das System aus Bein und Exoskelett das Gewicht des Benutzers belasten kann und nicht zusammenbricht, während der Roboter in der Schwungphase das Bein führt Die Bewegung der Gliedmaßen erfolgt gemäß dem Assisted-As-Needed (AAN)-Paradigma, wodurch ein Krafttunnel um die vorgeschriebene Flugbahn entsteht.

- Verfahren: Die Probanden wurden angewiesen, während 5-minütiger Versuche mit konstanter Geschwindigkeit auf einem Laufband zu laufen. Alle Probanden führten vier verschiedene Arten von Versuchen durch: (1) NoExo: Die Probanden trugen nur die Trägheitssensoren und die Einlegesohlen-Drucksensoren, um ihre Grundbewegung zu erfassen; (2) Frei: Die Probanden trugen das Exoskelett, obwohl der Aktuator mechanisch entkoppelt war, sodass es die freie Bewegung des Knies ermöglichte; (3) Echo: Das Gerät unterstützte den Gang gemäß der Echo-Kontrollstrategie; und (4) Muster: Das Gerät bot Gangunterstützung gemäß der Musterstrategie. Während der Versuche trugen die Patienten einen Sicherheitsgurt, der jedoch kein Gewicht trug. Vor der Durchführung der Versuche wurde die Ganggeschwindigkeit von den Probanden selbst auf ein angenehmes Niveau eingestellt. Die Probanden ruhten zwischen den Versuchen mindestens fünf Minuten, um Anpassungs- und Lerneffekte von Versuch zu Versuch zu vermeiden.

Gesunde Probanden führten auch einen früheren Versuch mit variabler Ganggeschwindigkeit (VariableSpeed) durch. Sie gingen wie im NoExo-Zustand über das Laufband, wobei die Ganggeschwindigkeit für mindestens 15 Sekunden zufällig von 1 km/h bis 3 km/h in 0,2 km/h-Schritten variierte.

- Interventionsanbieter Ein Physiotherapeut und ein Ingenieur sind während der Versuche anwesend. Der erste ist für die Beurteilung des Basalgangs des Probanden und die Beurteilung seines Zustands während der Hilfeleistung verantwortlich. Der Techniker ist für die Verwaltung des Geräts und die Aufzeichnung der Daten verantwortlich.

Beide Forscher überwachen die Treue zur Intervention durch direkte Supervision.

• Übermittlungsarten Das Protokoll wird jeweils einem Teilnehmer zur Verfügung gestellt. Jeder Patient führt das Protokoll einmal durch.
• Standort Krankenhaus Beata María Ana (Madrid, Spanien)
• Anpassung und Modifikationen Das Protokoll bleibt anwendungsübergreifend unverändert. Die einzige Anpassung an den Patienten ist die Wahl der angenehmen Ganggeschwindigkeit für die Versuche.