Jalkojen venyttely eksoskeleton avulla spastisuudesta kärsiville ihmisille

Ihmiset, joilla on neurologisia sairauksia, mukaan lukien henkilöt, joilla on ylempien motoristen hermosolujen vaurioita, kokevat motorisia ja sensorisia puutteita, lihasheikkoutta, rajoitettua liikerataa, alhaista painonsietokykyä ja heikentynyttä tasapainoa, jotka rajoittavat liikkumista ja häiritsevät kykyä suorittaa päivittäisiä toimintoja. . Alaraajojen kuntoutusrobotit voivat auttaa fysioterapiassa ja keventää hoitajien ja sairaanhoitajien taakkaa. Näin ollen tämän projektin tavoitteena on kehittää puettavaa ja kannettavaa teknologiaa auttamaan jalkojen liikettä ja venytystä ja vastaavasti aktivoimaan lihasten lihassairautta spastisuutta kokevilla neurologisilla sairauksilla.

Spastisuus johtuu lisääntyneestä lihasjänteydestä ja häiritsee kykyä käyttää toiminnallisesti vapaaehtoista lihasten supistumista raajojen koordinaatioon ja liikeratojen vaihteluun, mikä rajoittaa kehon siirtoja, liikkumista ja harjoittelua. Vakava tai hallitsematon spastisuus voi johtaa kehon hallinnan ja tasapainon menettämiseen, mikä voi johtaa kaatumisiin ja vammoihin, ihon painevammoihin, kontraktuureihin, kipuun, pyörätuolin istumisvaikeuksiin sekä muihin ongelmiin. Olemassa olevia hoitoja spastisuuden hallitsemiseksi ja spastisuuteen liittyvien toiminnallisten puutteiden voittamiseksi ovat lääkkeet, neurokirurgia, koko kehon tai raajan tärinä, fysioterapia, passiivinen pyöräily, toiminnallinen sähköstimulaatio (FES) sekä muut menetelmät. Lääkkeet voivat kuitenkin aiheuttaa merkittäviä sivuvaikutuksia, mukaan lukien uneliaisuus, huonovointisuus, lihasheikkous ja kipu (esim. pistoskohdassa); lisäksi niiden tehokkuus on herkkä annosvaihteluille. Neurokirurgialla ja suoralla selkäytimen stimulaatiolla voidaan hoitaa vaikeaselkoista tai fokaalista spastisuutta, mutta niihin liittyy kirurgisia riskejä, ja niiden pitkän aikavälin hyödyt vaihtelevat yksilöiden välillä.

Venyttely voi vähentää motoristen hermosolujen kiihtyneisyyttä, ylläpitää lihasten ja nivelten viskoelastisia ominaisuuksia, helpottaa lihaskouristuksia ja parantaa liike- ja kävelytoimintaa; Lisäksi venyttely voidaan yhdistää suun kautta otettavien lääkkeiden kanssa spastisuuden hallitsemiseksi. Terapeutit, sairaanhoitajat ja hoitajat suorittavat rutiininomaisesti venyttelyä lihasten venyttämiseksi tai liikeradan säilyttämiseksi nivelissä, joilla on suhteellisen vähäisiä haittavaikutuksia. Kuitenkin tarpeen vaatiessa luotettava, manuaalinen raajojen venyttely päivällä ja yöllä aiheuttaa raskaan taakan hoitajille ja sairaanhoitajille sekä kotona että sairaanhoitolaitoksissa. Tästä syystä on olemassa kriittinen tarve kehittää puettava lähestymistapa tarpeen vaatiessa turvallisen ja räätälöidyn dynaamisen venytyksen soveltamiseen spastisuuden hallitsemiseksi SCI:n jälkeen, mikä voi minimoida hoitajien ja sairaanhoitajien taakan.

Tämä projekti hyödyntää viimeaikaisia ​​teknologisia edistysaskeleita puettavissa antureissa ja täysin puettavissa eksoskeletoissa, joiden muotokerroin ja paino ovat pienentyneet, joita emme ole hyödyntäneet (emmekä kehittäneet) aiemmissa Syracusen yliopiston tutkimusprotokollassamme. Nämä uudet puettavat eksoskeletonit ovat älykkäitä vaatteita, jotka mukautuvat ihmiskehoon ja tarjoavat jalkaapua ihmisille, joilla on lihasheikkous tai hemiplegia. Kevyet eksoskeletonit voivat laajentaa tehtävien ja ympäristöjen laajuutta, joissa eksoskeletoneja käytetään. Tästä syystä tämä projekti esittelee kevyen, puettavan eksoskeleton, joka auttaa jalkojen liikettä ja venytystä (esim. kohdistettaessa spastisia ihmisiä) erilaisissa asennoissa (esim. makuulla matolla tai sängyssä, istuen tuolilla tai pyörätuolissa).

Tavoite 1 luonnehtii puettavan laitteen ja sen suljetun silmukan ohjausalgoritmin suorituskykyä tarkan säädön tekemiseksi turvallista, automaattista raajan venytystä ja yksittäisten nivelten liikettä varten (esim. nivelet eristyksissä istuessa tai makaamalla matolla). Tämän tavoitteen menetelmiä ovat seuraavat: 1) suunnitellaan ohjausalgoritmi turvallisten jalkavoimien soveltamiseksi nivelen kinematiikkaa ja inertiapalautedataa hyödyntäen puettavien sensorien avulla ja 2) tutkitaan lonkka-, polvi- ja nilkkaniveliin kohdistettujen voimien suuruutta ja ajoitusta. , ja varpaat. Tämän tavoitteen tutkimustehtävät mahdollistavat sovellettavien voimien räätälöinnin osallistujien kesken.

Tavoite 2 laajentaa suljetun silmukan ohjaimen toteutuksen tavoitteesta 1 erilaisiin kehon asentoihin ja toimintoihin, joihin liittyy usean nivelen ohjaus. Osallistujat käyttävät laitetta kokeakseen puettavan eksoskeleton kohdistamat voimat makuulla sängyllä/matolla tai istuessaan. Koska laite on täysin puettava, se toimii tehokkaana työkaluna neurologisista sairauksista ja spastisuudesta kärsivien henkilöiden liikkeen ja raajojen venytyksen tutkimisessa. Näin ollen laitetta ei ole rajoitettu kiinteisiin/kiinteisiin koeolosuhteisiin.

Viimeinen tavoite kerää laadullisia tietoja osallistujilta, hoitajilta, sairaanhoitajilta ja kliinikoilta (jos mukana) puettavan laitteen käytön helppoudesta ja tyytyväisyydestä. Kyselylomakkeita ja tutkimuksia käytetään laadullisen tiedon keräämiseen. Puettavan laitteen helppokäyttöisyys arvioidaan tutkimalla, voidaanko protokolla toteuttaa odotetun keston kuluessa, mukaan lukien aika, joka kuluu eksoskeleton pukemiseen ja irrotukseen; Lisäksi määritetään, noudattavatko kaikki osallistujat protokollaa.

Tutkimussuunnittelu - Metodologia

Tutkimukseen osallistuvaa henkilöä pyydetään täyttämään seulontakysely puhelimitse tai henkilökohtaisesti kelpoisuuden tarkistamiseksi. Jos mahdollinen osallistuja on oikeutettu ilmoittautumaan tutkimukseen, osallistuja saa lisätietoja ilmoittautumisprosessista. Osallistuja täyttää sitten väestötietokyselyn ja vastaa kysymyksiin henkilökohtaisesta terveydestä ja fyysisestä toiminnasta.

Jokainen laboratoriokäynti voi kestää jopa 2 tuntia (mukaan lukien laitteen asentaminen, lämmittely, testaustoimenpiteet, lepotauot, laitteen irrottaminen sekä elektrodien ja puettavien antureiden poistaminen).

Raakadataa kerätään puetettavista antureista, mukaan lukien seuraavat: nivelkulmat, 3D-jalkojen liike, lihasten elektromyografia (EMG) ja puettavan laitteen moottorivirrat. Kokeista tallennetut digitaaliset tiedot tallennetaan .mat-tiedostoon tiedostot (tai .csv), salasana suojattu. Biologisia näytteitä ei ole kerätty.

Metatietoja käytetään jokaiseen tietojoukon komponenttiin hankinnan jälkeen, jotta varmistetaan, että tiedot on valmisteltu oikeaa arkistointia varten. Metatiedot sisältävät tietojen tyypin, muodon, päivämäärän, kellonajan, tallennuspaikan ja kontekstin. Tämän projektin aikana tuotettu data käyttää perinteisiä digitaalisia muotoja, mukaan lukien:

• MS Word, Power Point, Excel, Portable Data Format (PDF) ja LaTeX (tex) tiedostot
• Grafiikka, kuviot, taulukot, animaatiot, videot testeistä (jpeg, png, eps, mp4-tiedostot)
• Koodi, mukaan lukien MATLAB/Simulink-tiedostot, C++-koodi ja ASCII-tekstitiedostot

Paperiset osallistumisrekisterit säilytetään lukituissa arkistokaapeissa laboratoriossa ja/tai toimistoissa ja digitaaliset tiedot tallennetaan salasanasuojatuille tietokoneille/palvelimille tai salatuille elektronisille tallennuslaitteille PI:n tutkimusryhmän toimistoissa ja laboratoriossa.