Estiramiento de piernas usando un exoesqueleto a pedido para personas con espasticidad

Las personas con afecciones neurológicas, incluidas las personas con lesión de la neurona motora superior, experimentan deficiencias motoras y sensoriales, debilidad muscular, rango de movimiento limitado, baja capacidad de carga y problemas de equilibrio que limitan la deambulación e interfieren con la capacidad para realizar actividades de la vida diaria. . Los robots de rehabilitación de miembros inferiores pueden ayudar con la fisioterapia y aliviar la carga de los cuidadores y enfermeras. Por lo tanto, el objetivo de este proyecto es desarrollar tecnología portátil y portátil para ayudar al movimiento y estiramiento de las piernas y, en consecuencia, activar los músculos en personas con afecciones neurológicas que experimentan espasticidad.

La espasticidad resulta del aumento del tono muscular e interfiere con la capacidad de utilizar funcionalmente la contracción muscular voluntaria para la coordinación de las extremidades y la amplitud de movimiento, lo que limita las transferencias corporales, la deambulación y el ejercicio. La espasticidad grave o intratable puede provocar la pérdida del control y el equilibrio del cuerpo, lo que provoca caídas y lesiones, lesiones por presión en la piel, contracturas, dolor, dificultades para sentarse en sillas de ruedas, además de otros problemas. Los tratamientos existentes para controlar la espasticidad y superar los déficits funcionales relacionados con la espasticidad incluyen medicamentos, neurocirugía, vibración de todo el cuerpo o de las extremidades, fisioterapia, ciclismo pasivo, estimulación eléctrica funcional (FES), junto con otros métodos. Sin embargo, los medicamentos pueden inducir efectos secundarios significativos que incluyen somnolencia, malestar general, debilidad muscular y dolor (p. ej., en el lugar de la inyección); además, su eficacia es sensible a las fluctuaciones de dosificación. La neurocirugía y la estimulación directa de la médula espinal pueden tratar la espasticidad intratable o focal, pero conllevan riesgos quirúrgicos y sus beneficios a largo plazo varían según las personas.

El estiramiento puede disminuir la excitabilidad de las neuronas motoras, mantener las propiedades viscoelásticas de los músculos y las articulaciones, aliviar los espasmos musculares y mejorar el rango de movimiento y la función de la marcha; además, el estiramiento se puede combinar con medicamentos orales para controlar la espasticidad. El estiramiento es realizado rutinariamente por terapeutas, enfermeras y cuidadores para proporcionar estiramiento muscular o preservar el rango de movimiento en las articulaciones con efectos adversos relativamente bajos. Sin embargo, proporcionar estiramientos de extremidades manuales confiables y bajo demanda durante el día y la noche impone una gran carga a los cuidadores y enfermeras tanto en el hogar como en las instalaciones médicas. Por lo tanto, existe una necesidad crítica de desarrollar un enfoque portátil para aplicar estiramientos dinámicos personalizados, seguros y bajo demanda para controlar la espasticidad después de una SCI, que puede minimizar la carga de los cuidadores y enfermeras.

Este proyecto explota los avances tecnológicos recientes en sensores portátiles y exoesqueletos totalmente portátiles con factor de forma y peso reducidos, que no hemos explotado (ni desarrollado) en nuestros protocolos de investigación anteriores en la Universidad de Syracuse. Estos novedosos exoesqueletos portátiles son prendas inteligentes que se adaptan al cuerpo humano y brindan asistencia en las piernas de las personas con debilidad muscular o hemiplejía. Los exoesqueletos ligeros tienen el potencial de ampliar la variedad de tareas y entornos en los que se utilizan los exoesqueletos. Por lo tanto, este proyecto presenta un exoesqueleto portátil y liviano para ayudar al movimiento y estiramiento de las piernas (por ejemplo, para personas con espasticidad) en diferentes posturas (por ejemplo, mientras está acostado en una colchoneta o cama, sentado en una silla o en una silla de ruedas).

El objetivo 1 caracteriza el rendimiento del dispositivo portátil y su algoritmo de control de circuito cerrado para aplicar ajustes precisos para el estiramiento automático y seguro de las extremidades y el movimiento de articulaciones individuales (por ejemplo, articulaciones aisladas mientras está sentado o acostado sobre una colchoneta). Los métodos en este objetivo incluyen lo siguiente: 1) diseñar un algoritmo de control para aplicar fuerzas seguras en las piernas aprovechando la cinemática articular y los datos de retroalimentación inercial utilizando sensores portátiles y 2) examinar la magnitud y el momento de las fuerzas aplicadas a las articulaciones de la cadera, la rodilla y el tobillo y dedos de los pies. Las tareas de investigación en este objetivo permitirán la personalización de las fuerzas aplicadas entre los participantes.

El Objetivo 2 amplía la implementación del controlador de circuito cerrado del Objetivo 1 a diferentes posturas corporales y actividades que involucran el control de múltiples articulaciones. Los participantes usan el dispositivo para experimentar las fuerzas aplicadas por el exoesqueleto portátil mientras están acostados en una cama/colchoneta o sentados. Dado que el dispositivo es completamente portátil, sirve como una poderosa herramienta para examinar el movimiento y el estiramiento de las extremidades de las personas con afecciones neurológicas y espasticidad. Por lo tanto, el dispositivo no se limita a condiciones experimentales fijas/estacionarias.

El último objetivo recopila datos cualitativos de participantes, cuidadores, enfermeras y médicos (si están involucrados) sobre la facilidad de uso y la satisfacción del uso del dispositivo portátil. Se utilizan cuestionarios y encuestas para recopilar datos cualitativos. La facilidad de uso del dispositivo portátil se evalúa examinando si el protocolo se puede implementar dentro de la duración esperada, incluido el tiempo para ponerse y quitarse el exoesqueleto; además, se determinará si se logra la adherencia al protocolo para todos los participantes.

Diseño de Investigación- Metodología

Se le pedirá a un candidato para el estudio que complete un Cuestionario de selección por teléfono o en persona para verificar su elegibilidad. Si el participante potencial es elegible para inscribirse en el estudio, el participante recibirá más información sobre el proceso de inscripción. Luego, el participante completará un cuestionario demográfico y responderá preguntas sobre la salud personal y el funcionamiento físico.

Cada visita al laboratorio puede demorar hasta 2 horas (incluido el ajuste del dispositivo, el calentamiento, los procedimientos de prueba, los descansos, el desajuste del dispositivo y la extracción de los electrodos y los sensores portátiles).

Los datos sin procesar se recopilarán de sensores portátiles, incluidos los siguientes: ángulos articulares, movimiento de piernas en 3D, electromiografía muscular (EMG) y corrientes de motor del dispositivo portátil. Los datos digitales registrados de los experimentos se almacenarán en .mat archivos (o .csv), contraseña protegida. No hay especímenes biológicos recolectados.

Los metadatos se aplicarán a cada componente del conjunto de datos después de la adquisición para garantizar que los datos estén preparados para un archivo adecuado. Los metadatos incluirán el tipo, el formato, la fecha, la hora, la ubicación de almacenamiento y el contexto de los datos. Los datos generados durante este proyecto utilizan formatos digitales convencionales que incluyen:

• Archivos de MS Word, Power Point, Excel, formato de datos portátil (PDF) y LaTeX (tex)
• Gráficos, figuras, tablas, animaciones, videos de pruebas (archivos jpeg, png, eps, mp4)
• Código que incluye archivos MATLAB/Simulink, código C++ y archivos de texto ASCII

Los registros de participación en papel se mantendrán en archivadores cerrados con llave en el laboratorio y/o las oficinas, y los datos digitales se almacenarán en computadoras/servidores protegidos con contraseña o dispositivos de almacenamiento electrónico encriptado en las oficinas y el laboratorio del equipo de investigación de los PI.