歩行を改善する外骨格フットウェア

末梢動脈疾患 (PAD) による跛行により、患者は健康な患者と比較して歩行が遅くなり、日常生活活動における自立性が失われ、座りっぱなしになります。 研究者らの研究は、跛行患者の歩行パターンにおける機能的制限を特定しました。 最も顕著で一貫した欠損は、ふくらはぎ後部の筋肉である足首底屈筋であり、ウォーキング中に健康な足首のトルクとパワーを生成します. 研究者の研究室での以前の研究では、これらの機能障害が、筋線維変性と筋線維症を特徴とする PAD 患者の脚のミオパチーの存在に関連していることが確立されました。 PAD患者の歩行能力と自立性を改善するには、筋肉の生理機能とパフォーマンスの低下を補う介入が必要です。

このプロジェクトの長期的な目標は、補助外骨格を使用して PAD 患者の生活の質を改善することです。 現在、疾患の症状が手術による血行再建術を必要としない (疾患の重症度、併存疾患、手術リスクを含む複数の要因を考慮したリスク・ベネフィット分析に基づく) PAD 患者には重大な治療ギャップがありますが、歩行の回復を望んでいます。能力と独立。 足首足装具は、生物学的な足関節底屈筋トルクの要求を減らし、電力不足を補うために最近実装されました。 生物学的足首トルク/パワーは、補助器具によって提供されるトルク/パワーとは別に、足底屈筋によって生成されるトルク/パワーです。 調査官は、外骨格フットウェア (EF) と呼ばれる、軽量で低コストの 3D 印刷可能な弾性外骨格とフットウェアの組み合わせを開発しました。 EF は、足首の底屈筋の力を模倣するスプリングを使用して、押し出しを支援します。 推進力を補助する外骨格は、跛行に関連するミオパシーと低血流の問題の両方に対処します。 EF からの機械的な力は、不十分な筋肉の推進力を補い、血流の需要と虚血によって引き起こされる筋肉のストレスを減少させます。 適切に設計された外骨格は、PAD 患者が痛みを伴わずに長く歩けるようにするか、影響を受けた脚へのストレスを軽減して日常活動を完了するのに必要な距離を歩くことを可能にします。 最初のステップとして、研究者は、さまざまなレベルの EF サポートが生物学的な足首のトルクとパワー、エネルギーコスト、およびふくらはぎの筋肉の酸素化の変化にどのように寄与するかに焦点を当てて、歩行パフォーマンスに対する EF の影響を決定することを提案しています。 治験責任医師は健康な高齢者を対象に検査を行い、快適さ、足とふくらはぎの損傷リスクの低さ、PAD 患者へのデバイス採用の可能性の高さを確認します。

その後、PAD 患者の EF を評価します。 プロジェクトの初期段階では、健康な高齢者が選択されます。これは、PAD 患者と同様に、健康な若者に比べて歩行時のプッシュオフ トルクとパワーが少ないためです。それらをPAD制限の適切なモデルにします。 さらに、PAD 患者と比較して、健康な高齢者はより長い歩行試験に耐えることができます。これは、効果的なデバイス パラメータを特定するために必要であり、EF の快適性と形状を評価して調整しながら、足とふくらはぎの怪我を発症するリスクも大幅に低くします。さまざまな足と脚の形態を持つ個人に対応します。

仮説: 健康な高齢者と PAD 患者では、EF により歩行能力が向上します。 調査員は、被験者が報告した好みと歩行パフォーマンスの目標を満たすための EF 支援レベルがあると仮定しています。

特定の目的 1: 高齢者の歩行パフォーマンスを向上させる EF 補助力のレベルを決定すること。 ウォーキング パフォーマンスの改善は、さまざまなレベルの EF アシスタンスが、プッシュオフ中の生物学的な足首のトルクとパワー、ウォーキングのエネルギー コスト、およびウォーキング中のふくらはぎの筋肉の酸素化の変化にどのように寄与するかを測定することによって評価されます。

特定の目的 2: より高齢の被験者において、より良い被験者報告の好みを生み出す EF 補助力のレベルを決定すること。 嗜好は、視覚的アナログスケール、知覚された運動と痛みのアンケート、および受容性 (満足度、使用の意図)、需要 (知覚された需要)、および実用性 (効果、参加者が EF を使用する能力) に関するインタビュー形式の調査を使用して測定されます。

特定の目的 3: PAD 患者の歩行パフォーマンスと被験者が報告した好みに対する EF 支援レベルの影響を判断すること。 目標 1 と目標 2 の結果は、この目標でテストされた支援レベルの指針となります。

研究デザインと方法 健康な高齢者は、目標 #1 と #2 の合計 7 つの条件で評価されます。EF を含む 5 つの異なる EF 剛性レベル: 剛性 1 (5.6 kN/m)、EF 剛性 2 (7.9 kN/m)、 EF 剛性 3 (10.5 kN/m)、EF 剛性 4 (13.3 kN/m)、EF 剛性 5 (17.2 kN/m)、スプリングを外した EF、通常の歩行状態 (EF なし)。

PAD 患者は、目的 #3 の 4 つの条件で評価されます: 2 つの異なる EF 剛性レベル、被験者がスプリングを外して EF を装着する 1 つの条件、および 1 つの通常の歩行条件 (EF なし)。 バネの剛性は、体重の関数として調整され、被験者全体で正規化されたトルク入力が提供されます。 これらの硬直レベルは、健康な若い個人で同様のデバイスを使用した以前の研究に基づいて選択されました。 EF は、ストライドの 42% でスプリングを解放するように設定されます。 剛性値が最適値を上回る場合と下回る場合のエネルギー コストの増加は、剛性レベルが適切なスケール内にあることを示します。 健康な高齢者と PAD 患者を対象に、さまざまな EF 補助レベルでの歩行パフォーマンスとエネルギー コスト、および被験者が報告した好みに対する EF 補助力の効果を判断するためにテストされます。

目的 1 および 2 を完了するために、ネブラスカ州および西アイオワ州の退役軍人医療センター (VAMC) および周辺のオマハ コミュニティから、50 歳以上の合計 50 人の成人が募集されます。 目標 3 には、VAMC から募集された 25 人の PAD 患者が含まれます。

目的 #1 および #2 のデータ収集プロトコル:

歩行: 被験者は、17 カメラのデジタル モーション キャプチャ システム (Cortex 6.2、Motion Analysis Corp、カリフォルニア州サンタローザ）。 3 分間の歩行は、被験者が EF の新しい介助レベルに慣れるためのものです。 好ましい歩行速度は、データを収集する前に決定され、7 つの条件全体で一定に保たれます。

被験者はまた、7 つの異なる条件で平らな地面を歩きます。

筋肉の酸素化：両側の腓腹筋の酸素化（StO2）は、各トレッドミル歩行条件（上記）の前、最中、および後に、連続波近赤外分光法（PortaMon、Artinis Medical System、オランダ）を使用して測定されます。

エネルギー コスト: 7 つのトレッドミル歩行条件のそれぞれにおける酸素消費量の測定値を提供する、呼吸ごとのガス交換を測定するために、ポータブル メタボリック カートが使用されます。

知覚された快適さと疲労: 視覚的なアナログ スケールを使用して、各トレッドミルと平坦な地面条件の後に被験者の快適さと疲労の知覚をキャプチャします。 ビジュアル アナログ スケールの範囲は、0 (快適性が低い; 疲労が高い) から 10 (快適性が高い; 疲労が少ない) までです。

自覚的労作率: ボルグの自覚的労作率スケール (6 (労作なし) から 20 (最大労作)) からの自己申告の自覚的労作値が、各条件の後に記録されます。

目的 #3 のデータ収集プロトコル:

トレッドミル歩行テストが最大歩行距離テストに置き換えられることを除いて、歩行パフォーマンスと被験者が報告した好みは、目的1および2と同じ方法で評価されます（以下の説明を参照）。 このため、テストは 2 日間に分けられ、各日に 2 つの最大歩行距離テストが完了します。 被験者は、各最大歩行距離テストの間に跛行の痛みが治まるまで休息します。 被験者は、目的 1 および 2 と最大歩行時間 (以下の 8) で説明されているとおりに、同じ結果 (以下の 1 ～ 7) のテストを完了します。 最大歩行時間は、PAD が日常の歩行能力と地域活動への参加に及ぼす影響の最良の指標です。

年長の被験者のプロトコルからのすべての結果は、1) ウォーキングを含む PAD 患者について評価されます。 跛行の痛みが治まるために、必要に応じて条件の間に休憩時間が与えられます。

2) 筋肉の酸素化、3) エネルギーコスト、4) 知覚される快適さと疲労、5) 知覚される運動速度、6) 実現可能性。

PAD患者について測定された2つの追加の結果は次のとおりです。

知覚された痛み: 知覚された快適さと疲労のアプローチに続いて、ビジュアル アナログ スケールを使用して、各状態後の被験者の痛みの知覚をキャプチャします。 ビジュアル アナログ スケールは 0 (痛みなし) から 10 (激しい痛み) の範囲で、各 EF 状態の後に評価されます。

跛行開始および最大歩行時間: 歩行能力は、結果として初期跛行距離と最大跛行距離を使用した漸進負荷トレッドミル テストで決定されます。 患者は、勾配 0%、時速 2.0 マイルから始まるトレッドミルを歩きます。 2 分ごとに勾配が 2% ずつ増加し、最大勾配は 15% になり、速度はテスト全体で一定に保たれます。 痛みが始まる前に歩いた最初の距離 (跛行開始時間 - COT) と、痛みのためにテストを中止しなければならなくなるまでに患者が歩いた距離 (ピーク歩行時間 - PWT) が結果の尺度になります。