Verbesserung der Armfunktion durch tragbare Exoskelette

In dieser Studie werden vorläufige Daten zur Bewertung eines am Körper montierten unterstützenden Exoskeletts gesammelt, um die Verwendung von durch Schlaganfall beeinträchtigten Armen zur Erledigung alltäglicher Aufgaben zu erleichtern. Die zentrale Hypothese ist, dass tragbare Exoskelette den erreichbaren Bereich vergrößern, um die Funktion und Nutzung der beeinträchtigten Extremität zu verbessern. Die Begründung für diesen Ansatz basiert auf fundierter Literatur zu den Auswirkungen der Schulterentlastung auf die Vergrößerung des Armarbeitsraums bei Schlaganfall.

Zur Teilnahme wird eine Stichprobe von 30 Probanden mit chronischer Beeinträchtigung rekrutiert. Die Teilnehmer müssen einen einzigen Schlaganfall erlitten haben, mindestens 6 Monate nach dem Schlaganfall vergangen sein und sich in einem stabilen Zustand mit verbleibenden Beeinträchtigungen der Armfunktion befinden. Zu den Patientenmetadaten gehören Alter, Rasse, Geschlecht, Größe, Gewicht, betroffene Seite und Zeit seit dem Schlaganfall. Standardisierte Tests der Armfunktion werden die Leistungswerte von Patienten mit Schlaganfall im chronischen Stadium mit und ohne Unterstützung durch das Exoskelett messen. Zur Konsistenzprüfung werden die Ergebnisse am selben Tag von mindestens zwei unabhängigen Bewertern bewertet. Die zentrale Hypothese wird getestet, um unser Ziel durch die folgenden drei spezifischen Ziele zu erreichen:

Ziel 1. Zeigen Sie, dass die Schwerkraftunterstützung durch ein tragbares Exoskelett den erreichbaren Arbeitsbereich nach einem Schlaganfall vergrößern kann. Die Schwerkraftunterstützung reduziert abnormale Muskelsynergien (d. h. Koaktivierungsmuster) bei Armreichungsaufgaben, wurde jedoch bei nicht sitzenden Erwachsenen mit Beeinträchtigungen nicht nachgewiesen. Der Ansatz, der kohlenstofffaserverstärkte 3D-gedruckte Kunststoffe, Energiespeicher auf Naturkautschukbasis und maßgeschneiderte Kraftprofilmechanismen kombiniert, ermöglicht ähnliche Mechaniken, die sich bei stationären Armstützen als erfolgreich erwiesen haben, jedoch in einem tragbaren Paket. Um zu testen, ob mit einem neuen Leichtbausystem ähnliche Ergebnisse erzielt werden können, werden die Teilnehmer versuchen, maximale Flächendurchläufe in jeder der drei Richtungsebenen (sagittal, frontal, transversal) unter zwei experimentellen Bedingungen (ohne Unterstützung, unterstützt durch unser tragbares Exoskelett) durchzuführen. Der Reichweitenarbeitsbereich in jeder Ebene wird anhand kinematischer Daten eines Optitrack-Bewegungserfassungssystems mit fünf Kameras gemessen, wobei die Handgelenkmitte als Reichweitenendpunkt verwendet wird. Es wird erwartet, dass der Einsatz des tragbaren Exoskeletts im Vergleich zur nicht unterstützten Bewegung zu erheblichen Verbesserungen in allen drei Arbeitsraumrichtungen mit planarer Reichweite führen wird, ähnlich wie es zuvor mit stationären (d. h. schweren) Robotersystemen in der Querebene gezeigt wurde.

Ziel 2. Feststellen, ob ein tragbares Schulter-Exoskelett die Handfunktion nach einem Schlaganfall verbessern kann. Zwar verbessert die Schulterentlastung bekanntermaßen den erreichbaren Arbeitsbereich, indem sie die Mitkontraktion des Bizeps verringert, sie kann jedoch auch die Mitkontraktion der Handgelenksmuskulatur ausreichend reduzieren, so dass der Proband Objekte zwar erreichen, aber nicht greifen kann. Manche Personen benötigen möglicherweise ein sekundäres Hilfsmittel am Handgelenk, damit sie die Hand weit genug öffnen können, um mit Haushaltsgegenständen interagieren zu können. Zur Bewertung führen die beeinträchtigten Teilnehmer gleichzeitig eine Handgelenks- und Fingerstreckung durch, während sie das Schulter-Exoskelett tragen, und versuchen, Objekte unterschiedlicher Größe aus dem Action Research Arm Test (ARAT), dem Wolf Motor Function Test (WMFT) und Box and Blocks ( BBT)-Testkits. Für diejenigen, die nicht in der Lage sind, Objekte aus ARAT- und WMFT-Testkits zu greifen, werden die Winkel der Handgelenke und Fingergelenke sowie der Umfang der Unterstützung aufgezeichnet, die erforderlich ist, um die Finger und den Daumen in eine funktionelle Greifhaltung zu strecken. Es wird erwartet, dass sich durch tragbare Unterstützung deutliche Verbesserungen bei den Beurteilungstestergebnissen ergeben werden und dass der Fingerstreckungstest die Bevölkerung in zwei Gruppen einteilen wird: a) diejenigen, die keine zusätzliche Handunterstützung benötigen, und b) diejenigen, die sowohl Schulter- als auch Handunterstützung benötigen Handunterstützung (mit oder ohne Antrieb) zur Interaktion mit den Testobjekten.

Ziel 3. Quantifizierung der Auswirkungen der Unterstützung durch ein tragbares Schulter-Exoskelett auf Veränderungen in der funktionellen Nutzung der beeinträchtigten Extremität im klinischen und häuslichen Umfeld. Eine Vergrößerung des Bewegungsumfangs führt nicht immer zu funktionellen Verbesserungen bei alltäglichen Aufgaben, bei denen es sowohl um die Armpositionierung als auch um die Feinmotorik der Hand geht. In dieser Arbeit werden Veränderungen in der funktionellen Nutzung von Alltagsgegenständen anhand etablierter klinischer Bewertungstests bewertet, gefolgt von einem Test zu Hause mit einem maßgeschneiderten tragbaren Exoskelett. Teilnehmer mit Beeinträchtigungen führen standardisierte klinische Untersuchungen in einer Laborumgebung durch, die nachweislich mit der funktionellen Leistung von Aktivitäten des täglichen Lebens, einschließlich WMFT, ARAT und BBT, korrelieren. Anschließend führen die Teilnehmer ein Motoraktivitätsprotokoll (MAL) aus, das auf der in der letzten Woche durchgeführten Aktivität als Ausgangsbasis basiert, bevor sie das Exoskelett zu Hause für einen Zeitraum von 1–2 Stunden pro Tag für mindestens 5 Tage tragen. Am Ende des In-Home-Zeitraums absolvieren die Teilnehmer eine System-Usability-Skala und eine zweite MAL, die den Aktivitäten entspricht, die sie beim Tragen des Exoskeletts durchführen. Es wird erwartet, dass die Probanden mehr Aufgaben in kürzerer Zeit, mit weniger Aufwand und mit höheren Erfolgsraten sowohl bei klinischen Tests als auch bei Bewertungen zu Hause erledigen werden.

Bei Erfolg haben am Körper montierte Exoskelette das Potenzial, ein allgegenwärtiges Training und die Wiederherstellung der Armfunktion zu Hause zu ermöglichen und die therapeutische Trainingszeit von Patienten mit langfristigen Defiziten erheblich zu verlängern.