Calzado de exoesqueleto para mejorar la marcha

La claudicación debida a la enfermedad arterial periférica (EAP) hace que los pacientes caminen menos y más despacio, pierdan la independencia en las actividades de la vida diaria y sean sedentarios en comparación con sus contrapartes sanas. La investigación de los investigadores ha identificado limitaciones funcionales en los patrones de marcha de los pacientes con claudicación. El déficit más prominente y constante es el de los músculos posteriores de la pantorrilla, los flexores plantares del tobillo, para generar un par de torsión y potencia saludables en el tobillo al caminar. El trabajo previo en el laboratorio de los investigadores ha establecido que estos déficits funcionales están relacionados con la presencia de una miopatía en las piernas de los pacientes con EAP que se caracteriza por la degeneración de las miofibras y la fibrosis muscular. Se necesita una intervención que compense la fisiología y el rendimiento muscular deteriorados para mejorar la capacidad de caminar y la independencia en pacientes con EAP.

El objetivo a largo plazo de este proyecto es mejorar la calidad de vida de los pacientes con EAP mediante el uso de exoesqueletos de asistencia. Actualmente, existe una brecha de tratamiento crítica para aquellos pacientes con EAP cuya presentación de la enfermedad no justifica la revascularización quirúrgica (basado en un análisis de riesgo-beneficio que considera múltiples factores, incluida la gravedad de la enfermedad, las condiciones comórbidas y el riesgo quirúrgico), pero que desean recuperar su capacidad para caminar. capacidad e independencia. Las ortesis de tobillo y pie se han implementado recientemente para reducir las demandas de torque biológico del flexor plantar del tobillo y para compensar la deficiencia de potencia. La torsión/potencia biológica del tobillo es la torsión/potencia generada por los músculos flexores plantares además de la proporcionada por un dispositivo de asistencia. Los investigadores han desarrollado una combinación de calzado y exoesqueleto elástico imprimible en 3D, liviana y de bajo costo, llamada calzado de exoesqueleto (EF, por sus siglas en inglés). El EF ayuda con el impulso mediante el uso de resortes que imitan las fuerzas del flexor plantar del tobillo. Los exoesqueletos que ayudan a la propulsión abordan tanto la miopatía como los problemas de bajo flujo sanguíneo asociados con la claudicación. La fuerza mecánica del EF compensa la fuerza de propulsión muscular insuficiente, al mismo tiempo que disminuye la demanda de flujo sanguíneo y el estrés muscular causado por la isquemia. Es probable que un exoesqueleto diseñado correctamente permita a los pacientes con EAP caminar más tiempo sin dolor o caminar la distancia necesaria para completar las actividades diarias con menos tensión en la pierna afectada. Como primer paso, los investigadores proponen determinar el efecto de la EF en el rendimiento de la marcha, centrándose en cómo los diferentes niveles de apoyo de la EF contribuyen a los cambios en el par y la potencia biológicos del tobillo, el gasto energético y la oxigenación de los músculos de la pantorrilla. Los investigadores evaluarán a adultos mayores sanos para garantizar y confirmar la comodidad, el bajo riesgo de lesiones en el pie y la pantorrilla y un alto potencial para la adopción de dispositivos en pacientes con EAP.

Luego se evaluará la FE en pacientes con EAP. Se seleccionan personas mayores sanas para la fase inicial del proyecto porque, al igual que los pacientes con EAP, producen menos par de empuje y potencia al caminar en comparación con los jóvenes sanos; convirtiéndolos en un modelo apropiado para las limitaciones de PAD. Además, en comparación con los pacientes con EAP, los ancianos sanos pueden tolerar pruebas de caminata más prolongadas, que son necesarias para identificar parámetros efectivos del dispositivo y también tienen un riesgo significativamente menor de desarrollar lesiones en el pie y la pantorrilla mientras se evalúa y ajusta la comodidad y la forma del EF. adaptarse a personas con diferentes morfologías de pies y piernas.

Hipótesis: El rendimiento de la marcha mejorará con EF en ancianos sanos y pacientes con EAP. Los investigadores plantean la hipótesis de que habrá un nivel de asistencia de EF para satisfacer las preferencias informadas por los sujetos y los objetivos de rendimiento al caminar.

Objetivo Específico 1: Determinar los niveles de fuerza de asistencia EF que producen un mejor rendimiento de la marcha en sujetos mayores. Las mejoras en el rendimiento de la marcha se evaluarán midiendo cómo los diferentes niveles de asistencia de EF contribuyen a los cambios en el par y la potencia biológicos del tobillo durante el impulso, el gasto energético de la marcha y la oxigenación de los músculos de la pantorrilla durante la marcha.

Objetivo Específico 2: Determinar los niveles de fuerza de asistencia de EF que producen una mejor preferencia informada por el sujeto en sujetos mayores. La preferencia se medirá utilizando escalas análogas visuales, cuestionarios de esfuerzo y dolor percibidos, y encuestas estilo entrevista sobre aceptabilidad (satisfacción, intención de uso), demanda (demanda percibida) y practicidad (efectos, capacidad de los participantes para usar EF).

Objetivo específico 3: determinar el efecto de los niveles de asistencia de EF en el rendimiento de la marcha y la preferencia informada por el sujeto en pacientes con EAP. Los resultados de los Objetivos 1 y 2 guiarán los niveles de asistencia probados en este objetivo.

Diseño y métodos de investigación Se evaluará a ancianos sanos en un total de siete condiciones en los Objetivos n.º 1 y n.º 2: cinco niveles de rigidez EF diferentes, incluidos EF: Rigidez 1 (5,6 kN/m), Rigidez EF 2 (7,9 kN/m), EF Rigidez 3 (10,5 kN/m), EF Rigidez 4 (13,3 kN/m), EF Rigidez 5 (17,2 kN/m), EF con un resorte desenganchado y una condición de marcha normal (sin EF).

Los pacientes con PAD serán evaluados en cuatro condiciones en el Objetivo n.° 3: dos niveles diferentes de rigidez del EF, una condición en la que los sujetos usarán el EF con un resorte desenganchado y una condición de marcha normal (sin EF). La rigidez del resorte se ajustará en función de la masa corporal para proporcionar una entrada de torsión normalizada en todos los sujetos. Estos niveles de rigidez se eligieron en base a trabajos de investigación previos utilizando un dispositivo similar en individuos jóvenes sanos. El EF se configurará para liberar el resorte al 42% de la zancada. Los aumentos en el costo de la energía en valores de rigidez por encima y por debajo del valor óptimo serán un indicador de que los niveles de rigidez están dentro de la escala adecuada. Se evaluarán los adultos mayores sanos y los pacientes con PAD para determinar el efecto de la fuerza de asistencia de EF en el rendimiento de la marcha y el costo de la energía y la preferencia informada por el sujeto con diferentes niveles de asistencia de EF

Se reclutará un total de 50 adultos, mayores de 50 años del Centro Médico de Asuntos de Veteranos de Nebraska y el Oeste de Iowa (VAMC) y la comunidad circundante de Omaha para completar los Objetivos 1 y 2. El objetivo 3 incluirá 25 pacientes con PAD reclutados del VAMC.

Protocolo de recopilación de datos para los Objetivos n.° 1 y n.° 2:

Caminar: los sujetos completarán siete minutos de caminata a su velocidad de caminata preferida en una caminadora instrumentada (AMTI, Watertown, MA) mientras que la cinética y la cinemática se capturan a 100 Hz con un sistema de captura de movimiento digital de 17 cámaras (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp, Santa Rosa, CA). Los tres minutos de caminata serán para que los sujetos se acostumbren al nuevo nivel de asistencia en el EF. La velocidad de caminata preferida se determinará antes de recopilar cualquier dato y se mantendrá constante en las siete condiciones.

El sujeto también caminará sobre terreno llano en siete condiciones diferentes.

Oxigenación muscular: la oxigenación del músculo gastrocnemio bilateral (StO2) se medirá mediante espectroscopia de infrarrojo cercano de onda continua (PortaMon, Artinis Medical System, Países Bajos) antes, durante y después de cada condición de caminata en la cinta rodante (descrita anteriormente).

Costo de energía: se utilizará un carro metabólico portátil para medir el intercambio de gases respiración por respiración, proporcionando una medida del consumo de oxígeno durante cada una de las siete condiciones de caminata en la cinta rodante.

Comodidad y fatiga percibidas: se utilizará una escala analógica visual para capturar la percepción de comodidad y fatiga de los sujetos después de cada condición de caminadora y terreno plano. La escala análoga visual variará de 0 (bajo confort, fatiga alta) a 10 (comodidad alta, fatiga baja).

Tasa de esfuerzo percibido: los valores de esfuerzo percibido autoinformados de la escala de tasa de esfuerzo percibido de Borg (6 (sin esfuerzo) a 20 (esfuerzo máximo)) se registrarán después de cada condición.

Protocolo de recopilación de datos para los Objetivos #3:

El rendimiento de la caminata y la preferencia informada por el sujeto se evaluarán de la misma manera que en los Objetivos 1 y 2, excepto que la prueba de caminata en cinta rodante se reemplazará con pruebas de distancia máxima de caminata (consulte la descripción a continuación). Por esta razón, las pruebas se dividirán en dos días, con dos pruebas de distancias máximas a pie completadas cada día. Los sujetos descansarán hasta que el dolor de claudicación desaparezca entre cada prueba de distancia máxima de caminata. Los sujetos completarán las pruebas de los mismos resultados (1-7 a continuación) exactamente como se describe en los Objetivos 1 y 2 y los tiempos máximos de caminata (8 a continuación). Los tiempos máximos de caminata son el mejor indicador de las implicaciones de PAD en la capacidad de caminar diariamente y la participación en actividades comunitarias.

Todos los resultados del protocolo del sujeto mayor se evaluarán para los pacientes con PAD, incluido 1) caminar: en la prueba de cinta rodante, se recopilarán las variables biomecánicas durante la parte de la prueba con inclinación de cero grados. Se dará tiempo de descanso entre las condiciones según sea necesario para que el dolor de claudicación disminuya.

2) Oxigenación muscular, 3) Coste energético, 4) Comodidad y fatiga percibidas, 5) Tasa de esfuerzo percibido, 6) Viabilidad.

Dos resultados adicionales medidos para los pacientes con PAD serán:

Dolor percibido: siguiendo el enfoque de la comodidad y la fatiga percibidas, se utilizará una escala analógica visual para capturar la percepción del dolor de los sujetos después de cada condición. La escala analógica visual variará de 0 (sin dolor) a 10 (dolor intenso) y se evaluará después de cada condición de EF.

Inicio de la claudicación y tiempos máximos de caminata: la capacidad para caminar se determinará con una prueba de cinta rodante de carga progresiva con distancias de claudicación inicial y máxima como resultados. Los pacientes caminarán en una cinta rodante que comienza con una pendiente de 0 % y 2,0 mph. Cada dos minutos, la pendiente se incrementará en un 2% hasta un máximo de 15% de pendiente, y la velocidad se mantendrá constante durante toda la prueba. La distancia inicial recorrida antes del inicio del dolor (Claudication Onset Time - COT) y la distancia recorrida por los pacientes hasta que se tuvo que detener la prueba debido al dolor (Peak Walking Time - PWT) serán las medidas de resultado.