Beindehnung mit einem Exoskelett nach Bedarf für Menschen mit Spastik

Menschen mit neurologischen Erkrankungen, einschließlich Personen mit Verletzungen der oberen Motoneuronen, leiden unter motorischen und sensorischen Defiziten, Muskelschwäche, eingeschränkter Bewegungsfreiheit, geringer Tragfähigkeit und Gleichgewichtsstörungen, die das Gehen einschränken und die Fähigkeit, Aktivitäten des täglichen Lebens auszuführen, beeinträchtigen . Rehabilitationsroboter für die unteren Gliedmaßen können bei der Physiotherapie helfen und die Belastung von Pflegekräften und Pflegekräften verringern. Ziel dieses Projekts ist es daher, tragbare und tragbare Technologie zu entwickeln, die die Bewegung und Dehnung der Beine unterstützt und die Muskulatur bei Menschen mit neurologischen Erkrankungen und Spastik aktiviert.

Spastik resultiert aus einem erhöhten Muskeltonus und beeinträchtigt die Fähigkeit, willkürliche Muskelkontraktionen funktionell für die Koordination der Gliedmaßen und den Bewegungsumfang zu nutzen, was Körpertransfers, Fortbewegung und Bewegung einschränkt. Eine schwere oder hartnäckige Spastik kann zum Verlust der Körperkontrolle und des Gleichgewichts führen, was neben anderen Problemen zu Stürzen und Verletzungen, Druckverletzungen der Haut, Kontrakturen, Schmerzen, Schwierigkeiten beim Sitzen im Rollstuhl führen kann. Bestehende Behandlungen zur Behandlung von Spastik und zur Überwindung spastischer Funktionsdefizite umfassen Medikamente, Neurochirurgie, Ganzkörper- oder Gliedmaßenvibrationen, Physiotherapie, passives Radfahren, funktionelle Elektrostimulation (FES) und andere Methoden. Allerdings können Medikamente erhebliche Nebenwirkungen wie Schläfrigkeit, Unwohlsein, Muskelschwäche und Schmerzen (z. B. an der Injektionsstelle) hervorrufen; Darüber hinaus ist ihre Wirksamkeit empfindlich gegenüber Dosierungsschwankungen. Neurochirurgie und direkte Rückenmarksstimulation können hartnäckige oder fokale Spastiken behandeln, sie bergen jedoch chirurgische Risiken und ihr langfristiger Nutzen variiert von Person zu Person.

Durch Dehnen kann die Erregbarkeit von Motoneuronen verringert, die viskoelastischen Eigenschaften von Muskeln und Gelenken aufrechterhalten, Muskelkrämpfe gelindert und die Bewegungsfreiheit und Gangfunktion verbessert werden. Darüber hinaus können Dehnübungen mit oralen Medikamenten zur Behandlung der Spastik kombiniert werden. Dehnübungen werden routinemäßig von Therapeuten, Krankenschwestern und Betreuern durchgeführt, um die Muskeln zu dehnen oder die Beweglichkeit der Gelenke bei relativ geringen Nebenwirkungen zu erhalten. Allerdings stellt die bedarfsgerechte, zuverlässige manuelle Dehnung der Gliedmaßen tagsüber und nachts eine große Belastung für das Pflegepersonal und das Pflegepersonal sowohl zu Hause als auch in medizinischen Einrichtungen dar. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung eines tragbaren Ansatzes für die Anwendung bedarfsgerechter, sicherer und individuell angepasster dynamischer Dehnübungen zur Behandlung von Spastik nach Rückenmarksverletzung, wodurch die Belastung für Betreuer und Krankenpfleger minimiert werden kann.

Dieses Projekt nutzt die jüngsten technologischen Fortschritte bei tragbaren Sensoren und vollständig tragbaren Exoskeletten mit reduziertem Formfaktor und Gewicht, die wir in unseren früheren Forschungsprotokollen an der Syracuse University weder genutzt (noch entwickelt) haben. Bei diesen neuartigen tragbaren Exoskeletten handelt es sich um intelligente Kleidungsstücke, die sich an den menschlichen Körper anpassen und Menschen mit Muskelschwäche oder Hemiplegie Unterstützung für die Beine bieten. Leichte Exoskelette haben das Potenzial, die Bandbreite der Aufgaben und Umgebungen, für die Exoskelette eingesetzt werden, zu erweitern. Daher stellt dieses Projekt ein leichtes, tragbares Exoskelett vor, das die Bewegung und Dehnung der Beine (z. B. für Menschen mit Spastik) in verschiedenen Körperhaltungen (z. B. beim Liegen auf einer Matte oder einem Bett, beim Sitzen auf einem Stuhl oder im Rollstuhl) unterstützt.

Ziel 1 charakterisiert die Leistung des tragbaren Geräts und seines Regelalgorithmus, um präzise Anpassungen für eine sichere, automatische Streckung der Gliedmaßen und die Bewegung einzelner Gelenke vorzunehmen (z. B. isolierte Gelenke beim Sitzen oder Liegen auf einer Matte). Die Methoden in diesem Ziel umfassen Folgendes: 1) Entwurf eines Steueralgorithmus zur Anwendung sicherer Beinkräfte unter Ausnutzung von Gelenkkinematik- und Trägheitsrückkopplungsdaten mithilfe tragbarer Sensoren und 2) Untersuchung der Größe und des Timings der auf die Hüft-, Knie- und Knöchelgelenke ausgeübten Kräfte , und Zehen. Die Forschungsaufgaben in diesem Ziel werden die Anpassung der angewandten Kräfte an alle Teilnehmer ermöglichen.

Ziel 2 erweitert die Implementierung des Closed-Loop-Reglers von Ziel 1 auf verschiedene Körperhaltungen und Aktivitäten, die eine Mehrgelenkssteuerung beinhalten. Die Teilnehmer tragen das Gerät, um die vom tragbaren Exoskelett ausgeübten Kräfte zu erleben, während sie auf einem Bett/einer Matte liegen oder sitzen. Da das Gerät vollständig tragbar ist, dient es als leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung der Bewegung und Dehnung der Gliedmaßen von Personen mit neurologischen Erkrankungen und Spastik. Somit ist das Gerät nicht auf feste/stationäre Versuchsbedingungen beschränkt.

Das letzte Ziel erfasst qualitative Daten von Teilnehmern, Betreuern, Krankenschwestern und Klinikern (falls beteiligt) über die Benutzerfreundlichkeit und Zufriedenheit mit der Verwendung des tragbaren Geräts. Zur Erhebung qualitativer Daten werden Fragebögen und Umfragen eingesetzt. Die Benutzerfreundlichkeit des tragbaren Geräts wird beurteilt, indem untersucht wird, ob das Protokoll innerhalb der erwarteten Dauer, einschließlich der Zeit zum An- und Ablegen des Exoskeletts, umgesetzt werden kann. Darüber hinaus wird festgestellt, ob die Einhaltung des Protokolls für alle Teilnehmer erreicht wird.

Forschungsdesign-Methodik

Ein Kandidat für die Studie wird gebeten, telefonisch oder persönlich einen Screening-Fragebogen auszufüllen, um die Eignung zu überprüfen. Wenn der potenzielle Teilnehmer zur Teilnahme an der Studie berechtigt ist, erhält der Teilnehmer weitere Informationen zum Registrierungsprozess. Anschließend füllt der Teilnehmer einen demografischen Fragebogen aus und beantwortet Fragen zur persönlichen Gesundheit und körperlichen Leistungsfähigkeit.

Jeder Laborbesuch kann bis zu 2 Stunden dauern (einschließlich Anbringen des Geräts, Aufwärmen, Testverfahren, Ruhepausen, Abnehmen des Geräts sowie Entfernen der Elektroden und tragbaren Sensoren).

Rohdaten werden von tragbaren Sensoren erfasst, einschließlich der folgenden: Gelenkwinkel, 3D-Beinbewegung, Muskelelektromyographie (EMG) und Motorströme vom tragbaren Gerät. Digitale, aus Experimenten aufgezeichnete Daten werden in .mat gespeichert Dateien (oder .csv), passwortgeschützt. Es werden keine biologischen Proben gesammelt.

Metadaten werden nach der Erfassung auf jede Komponente des Datensatzes angewendet, um sicherzustellen, dass die Daten für die ordnungsgemäße Archivierung vorbereitet sind. Zu den Metadaten gehören Typ, Format, Datum, Uhrzeit, Speicherort und Kontext der Daten. Die im Rahmen dieses Projekts generierten Daten verwenden herkömmliche digitale Formate, darunter:

• MS Word-, Power Point-, Excel-, Portable Data Format- (PDF) und LaTeX- (Tex) Dateien
• Grafiken, Abbildungen, Tabellen, Animationen, Videos aus Tests (jpeg-, png-, eps-, mp4-Dateien)
• Code einschließlich MATLAB/Simulink-Dateien, C++-Code und ASCII-Textdateien

Die Teilnahmeunterlagen in Papierform werden in verschlossenen Aktenschränken im Labor und/oder in den Büros aufbewahrt, und die digitalen Daten werden auf passwortgeschützten Computern/Servern oder verschlüsselten elektronischen Speichergeräten in den Büros und im Labor des Forschungsteams der PIs gespeichert.