Auswirkungen einseitiger Roboterunterstützung auf Kompensationsstrategien und Muskelaktivität während des hemiparetischen Gangs

- Materialien: Die Forscher haben eine Knie-Knöchel-Fuß-Orthese (KAFO) entwickelt, die aus zwei Gelenken besteht, die an Knie und 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 DC-Motor EC-60 flat 408057 (Maxon ag, Schweiz) gekoppelt mit einem harmonischen Antrieb CSD-20-160-2AGR (Harmonic Drive LLC, EE.UU.) betätigt. Das Übersetzungsverhältnis von 1:60 dieses Systems ermöglicht das Aufbringen eines mittleren Drehmoments von 35 Nm. Das Knöchelgelenk des Prototyps bleibt unbetätigt und unbegrenzt, wodurch seine freie Bewegung in der Sagittalebene ermöglicht wird. Das Gesamtgewicht des KAFO beträgt ca. 4kg.

Der Prototyp ist mit Sensoren ausgestattet, die in Echtzeit Informationen über Systemgrößen liefern, die für seine Steuerung verwendet werden, wie z. B. der Beugewinkel des Robotergelenks oder das Interaktionsdrehmoment zwischen Benutzer und Roboter. Zusätzlich 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 synchron das paretische Bein, indem es ein gesundes Gangmuster induziert. Die Aktion des Roboters hängt von der Gangphase des unterstützten Beins ab: Während der Standphase verstärkt der Roboter die Extremität, damit das System aus Bein und Exoskelett das Gewicht des Benutzers tragen kann und nicht zusammenbricht, während dies während der Schwungphase der Fall ist Der Roboter führt die Bewegung der Extremität gemäß dem Assisted-As-Needed (AAN)-Paradigma und erzeugt einen Krafttunnel um die vorgeschriebene Trajektorie.

- Verfahren:

Das experimentelle Protokoll ist in drei Sitzungen unterteilt. Bei allen läuft der Patient auf einem Laufband, das vom Physiotherapeuten angewiesen wird, während er einen Sicherheitsgurt trägt, um Stürze zu vermeiden, und während er das Roboter-Exoskelett im gelähmten Bein trägt. Während der zweiten und dritten Sitzung wird auch eine Elektromyographie unter Verwendung von Oberflächenelektroden (Trigno System, Delsys Inc.) und gemäß den SENIAM-Richtlinien durchgeführt. Mit dieser Methode wird die Muskelaktivität von Rectus Femoris, Biceps Femoris Long Head, Tibialis Anterior und Medial Gastrocnemius beider Beine gemessen. Jede experimentelle Sitzung wird als nächstes beschrieben:

1. - Trainingseinheit: Der Patient trägt das robotische Exoskelett, um sich mit der Wirkungsweise des Geräts vertraut zu machen. Bequeme und maximale Geschwindigkeiten werden für jedes Subjekt identifiziert.
2. - Rampengeschwindigkeitssitzung: Die Sitzung wird in fünf Versuche unterteilt: (a) Vorher trägt der Patient das Gerät nicht; (b) Frei, der Patient trägt den Roboter, aber er ist mechanisch entkoppelt, sodass er die freie Kniebewegung ermöglicht; (c) Aktiv, der Roboter unterstützt den Gang bis 75 % der maximalen Ganggeschwindigkeit; (d) MaxActive, der Roboter unterstützt den Gang bis zur maximalen Ganggeschwindigkeit; und (e) Post, der Patient wiederholt die Pre-Bedingung. Die Geschwindigkeit wird von einer angenehmen Geschwindigkeit auf das Maximum ansteigen und dann wieder auf die angenehme Geschwindigkeit zurückkehren.
3. - Random Velocity Session: Die Session wird in die gleichen Trials unterteilt wie die Ramp Velocity Session.

Der Unterschied zwischen RampVel- und RandomVel-Sitzungen besteht in der Abfolge der Ganggeschwindigkeiten, mit denen der Patient geht. Während RampVel werden fünf Geschwindigkeitsstufen definiert, von komfortabler bis maximaler Geschwindigkeit mit oder ohne Exo (je nach Trial) und zurück zur angenehmen Geschwindigkeit. Während RandomVel wird derselbe Velocity-Bereich verwendet, aber fünf Schritte im gesamten Bereich definiert und in zufälliger Reihenfolge gesetzt. In beiden Sitzungen dauert jeder Ganggeschwindigkeitsschritt eine Minute, daher dauern alle Versuche fünf Minuten. Die Testversionen Free, Active und MaxActive werden in jeder Sitzung ebenfalls nach dem Zufallsprinzip geordnet.

Zwischen den Studien ruhen sich die Patienten 10 Minuten lang aus, um Summationseffekte zu vermeiden. Jede Sitzung findet an verschiedenen Tagen statt, wobei 1 oder 2 Tage dazwischen liegen.

- Interventionsanbieter Ein Physiotherapeut und ein Ingenieur werden während der Versuche anwesend sein. Der erste ist dafür verantwortlich, den Grundgang der Probanden zu beurteilen und ihren/seinen Zustand zu beurteilen, während die Hilfe geleistet wird. Der Techniker ist für die Verwaltung des Geräts und die Aufzeichnung der Daten verantwortlich.

Beide Forscher überwachen die Treue zur Intervention durch direkte Supervision.

• Liefermodalitäten Das Protokoll wird jeweils einem Teilnehmer zur Verfügung gestellt. Jeder Patient füllt das Protokoll einmal aus.
• Standort Krankenhaus Beata María Ana (Madrid, Spanien)
• Anpassung und Modifikationen Das Protokoll bleibt anwendungsübergreifend unverändert. Die einzige Anpassung an Patienten ist die Wahl der komfortablen und maximalen Ganggeschwindigkeiten für die Versuche.