対麻痺患者のための往復歩行装具 (UPGO)

背景: 歩行は、心理的な理由から、または部分的または完全な自立を達成する目的で、多くの対麻痺患者にとってリハビリテーションの優先事項です。 また、尿の排出を改善し、末梢循環を改善し、拘縮、骨粗鬆症、尿路感染症、便秘などの寝たきりによる合併症を予防するなど、広く認められている治療上の利点を提供します. いくつかの研究では、歩行によって心肺機能が向上することもわかっています。 小児の脊髄損傷患者にとって、直立姿勢は体幹と頭のコントロールの発達にも役立ちます. 対麻痺患者が実際に利用できる往復歩行装具 (RGO) は多数ありますが、その問題は、遅く、重く、エネルギー消費が大きいというものです。 生体力学的な原因は完全には理解されていません。 RGO が提供できるすべての利点にもかかわらず、調査と臨床経験によると、ほとんどの対麻痺患者は、退院後、より速く、より安全で、必要なエネルギー消費が少ないため、車椅子による移動を選択します。 したがって、RGO を持つ対麻痺患者の病理学的歩行の生体力学的研究が非常に必要です。 現在適用されている RGO の問題点を分析し、改善策を提案する必要があります。 さらに、研究ツールおよび改善策を証明するプラットフォームとして機能する新しい RGO システムも必要です。

文献レビュー: 対麻痺者に処方される歩行装具には多くの種類があり、推進力のパターンに従ってグループ化できます。 最初のタイプは、膝足首足装具 (KAFO)、股関節膝足首足装具 (HKAFO)、パラポディウムを含むスイングスルー歩行装具のグループです。 スイングスルー歩行はエネルギーコストが高く、使用者は簡単に装具をあきらめます。 旋回歩行器は 2 番目のグループに属し、対麻痺患者が松葉杖やその他の歩行補助具を使用せずに直立姿勢で移動できるようにします。 患者は重心を移動することによって進行します。腕を振り回したり体幹を回したりすることで歩行速度を上げます。 ロレッタ等。回転歩行をスイング歩行と比較すると、回転歩行は速度が遅くなりますが、代謝コストと酸素消費量が少なくて済むことを意味するより効率的な歩行が示されます。 回転歩行器は、低エネルギーで手を使わずに歩行できるという利点がありますが、歩行速度が遅く、でこぼこの道を歩けないことが最も批判されました。 3 つ目は、他の歩行装具よりもエネルギー効率の高い歩行を提供するという信念のもとに開発された往復歩行装具のグループです。 1980 年代初頭に開発された LSU RGO には、相互パターンで動作するようにリンクされた股関節があります。 1990 年代初頭に、開発された LSU RGO の 2 つの改訂版、ARGO (1 本のケーブルを使用する高度な RGO) とソリッド ロッカー バーを使用する IRGO (Isocentric RGO) がありました。 摩擦のない股関節を提供する股関節誘導装具 (HGO) により、患者は相互に歩くこともできます。 WO、ウォークアバウト装具は、往復歩行も容易にする会陰下構造です。 HKAFO と比較して、RGO は重く、遅く、エネルギー消費率 (mL/kg/分) は HKAFO の子供の方が有意に高かったが、エネルギーコスト (mL/kg/m) は高かった。

効率的な歩行を達成し、遅いという問題を克服するために、FESとRGOを組み合わせたハイブリッドシステムは、改善の可能性を示していました. このシステムは、RGO の構造的安定性と FES によって刺激される筋力の両方を使用して体幹の筋肉の活動を低下させ、疲労を防止するため、患者の有酸素-無酸素性閾値を長期的に高める、よりエネルギー効率の高い歩行を提供できます。 .

対麻痺のための多くの装具オプションが利用可能ですが、多くのエネルギーを消費する限られた歩行機能しか提供できず、RGO が頻繁に放棄されたり、利用率が低くなったりする理由となっています。 エネルギー消費を削減する設計を改善するには、歩行偏差とエネルギー消費メカニズムを特定し、修復手段を実装できるように、病理学的歩行の生体力学的分析が必要です。 ARGO ユーザーの歩行の生体力学的分析に関する最近の研究があり、高エネルギー消費に寄与するいくつかの可能なメカニズムが議論されました。 しかし、彼らの仕事では、設計パラメータに関してそれ以上の是正措置は提案されていません。 対麻痺患者のための装具ソリューションの開発を進めるには、生体力学的研究に関するさらなる研究が必要であることは明らかです。

歩行決定要因は、エネルギー消費に影響を与える原因を特定することでした。 決定要因には、骨盤の回転、骨盤のリスト、中間姿勢での膝の屈曲、足と足首の動き、膝の動き、骨盤の横方向の変位が含まれます。 身体重心 (BCOM) の垂直変位の減少に対するこれらの運動学的歩行決定要因の影響を評価する研究がありました。 Gard と Childress は、胴体の垂直方向の可動域の大きさは、骨盤のリストの影響を実質的に受けないことを発見しました。 Kerrigan は、BCOM 垂直変位の実際の減少を説明するために必要な他の主要な歩行決定要因があることを指摘しました。 BCOM の垂直方向の偏位の減少は、エネルギー消費に大きな影響を与える可能性がありますが、歩行の決定要因がエネルギー消費に影響を与えることを証明するには、運動学的な考慮が必要です。

運動学的考察は、ポテンシャルと運動エネルギーの間の交換を強調する機械的エネルギーの分析への研究で与えられました。 健常者を対象とした研究では、個々の好ましい歩行速度に近い位置で、潜在エネルギーと運動エネルギーの間の交換が大きくなることが示唆されました。 自己選択速度がエネルギー コストを最小化することが以前にわかっていたので、エネルギー コストがより低い通常の歩行は、力学的エネルギーのより大きな保存、つまり、位置エネルギーと運動エネルギーの間のより大きな交換を意味することが容易に導き出されます。 機械的エネルギーの保存において、歩行決定因子がどのような役割を果たしているのかは不明のままです。

さらに、歩行中のエネルギー消費が関係している場合、動的協調における関節バイオメカニクスは特に強調しすぎることはありません。 足首固定患者のエネルギーコストに関する歩行効率は 90% に達しましたが、股関節固定患者は 53% の歩行効率しか達成しませんでした。 足首の癒合は、歩行パターンの主要な代償運動を必要としませんが、中足部と前足部の局所的な置換のみが観察されました。 股関節と膝関節が障害された場合、患者はエネルギー消費の支払いと、股関節と膝関節の失われた機能の代償代償を必要とします。 これは、膝と股関節の調整が足首よりも優先順位が高く、人間の膝と股関節の調整運動は、エネルギー消費と速度を維持するために、歩行時に足首の障害があってもかなりうまく交渉できることを意味します.

ハイブリッド装具システム (HOS) は、脊髄損傷 (SCI) 後の歩行のために研究されています。これは、往復歩行装具の膝関節と足首関節の機械的なロックとロック解除を調整し、推進力が注入されてロック解除された関節が制御されます。機能的な神経筋刺激。 協調関節ロッキング（スタンスコントロールKAFO）を備えた機能的神経筋刺激駆動機械的歩行装具の実現可能性研究が実施されました。 研究用のハイブリッド RGO は、股関節と膝関節の両方に制御可能な摩擦ブレーキを含む HKAFO を使用して開発されました。 FES 支援歩行の特徴である急速な筋肉疲労と不十分な運動制御の問題に対処するために、コンピューター制御の装具システムが開発されました。 ただし、テーマは股関節と膝のコーディネートではありませんでした。 股関節と膝関節の調整を研究するには、コンピュータ シミュレーションと実験による検証が必要です。 したがって、往復歩行装具を使用した対麻痺患者の歩行中のエネルギー消費の削減に対する膝と股関節の協調の有効性に関する研究を実施できるように、研究ツールを開発する必要があります。

研究目的: この研究では、研究者の仮説には、機械的エネルギー保存の原理に基づく人間の往復運動のエネルギー節約メカニズムが存在するという仮説が含まれます。 最後に、股関節の動きと協調する膝関節の制御は、歩行の進行を促進し、エネルギー消費をさらに削減します。

実験装置、デバイス、およびプロトコル: 患者の評価、RGO の設計と製造、およびフィッティングは、国立台湾大学 (NTURERC) のリハビリテーション工学研究センターで資格のある装具士の監督の下で行われます。 Cosmed K4b2ポータブルガス分析システムを使用して、心拍数や酸素消費量などの生理学的測定値を取得します。 それぞれ 3 台のカメラを備えた 2 つの位置センサーを備えた 3 次元運動測定システム (Optotrak® Certus™、Northern Digital Inc.、ウォータールー、オンタリオ、カナダ) を使用して、運動学的データを収集します。 アクティブなマーカーを持つ 12 個の剛体が、左上腕、太もも、すね、かかと、および骨盤と胴体の被験者のセグメントに取り付けられます。 8 つのフォース プレート (AMTI) を使用して、補助を使用する際の下肢のセグメントの動力学を計算します。 参加者には、実験の指示が与えられます。 診断、発症、生年月日、性別、身長、体重などの患者の医療データが取得され、健常者の基本データも収集されます。 対麻痺の被験者は、自分で選択した速度で歩き、少なくとも 3 回の試行を完了します。 キネマティック データとキネティック データは同期的に収集されます。 患者は、心拍数と酸素消費量を測定するために、指定されたルートに沿って 30 メートルを自分で選択した速度で 3 回歩くよう求められます。