하반신 마비 환자를 위한 왕복 보행 보조기 (UPGO)

배경: 보행은 심리적인 이유 또는 부분적 또는 완전한 독립을 달성하기 위한 목적으로 많은 하반신 마비 환자의 재활 우선 순위입니다. 또한 배뇨 개선, 말초 순환 개선, 구축, 골다공증, 요로 감염, 변비 등과 같은 와병으로 인한 합병증 예방에 널리 알려진 치료 효과를 제공합니다. 일부 연구에서는 또한 보행이 심폐 기능을 증가시킨다는 것을 발견했습니다. 소아 척수 손상 환자의 경우 직립 자세는 몸통과 머리 조절 능력의 발달에도 도움이 됩니다. 하반신 마비 환자를 위해 실제로 사용할 수 있는 왕복 보행 보조기(RGO)가 많이 있으며, 그 문제는 느리고 무겁고 높은 에너지 소비였습니다. 생체 역학적 원인은 완전히 이해되지 않았습니다. RGO가 제공할 수 있는 모든 이점에도 불구하고 연구 및 임상 경험에 따르면 대부분의 하반신 마비 환자는 더 빠르고 안전하며 에너지 소비가 덜 필요하기 때문에 퇴원 후 지역 사회로 퇴원한 후 휠체어 이동성을 선택합니다. 따라서 RGO를 가진 하반신 마비 환자의 병리학적 보행에 대한 생체역학적 연구가 절실히 필요하다. 현재 적용되고 있는 RGO의 문제점을 분석하고 개선방안을 제시할 필요가 있다. 또한, 새로운 RGOs 시스템은 치료 아이디어를 입증하는 연구 도구 및 플랫폼 역할을 하기 위해 필요합니다.

문헌 검토: 추진 패턴에 따라 그룹화할 수 있는 하반신 마비 환자를 위해 처방되는 많은 종류의 보행 보조기가 있습니다. 첫 번째 유형은 KAFO(Knee-Ankle-Foot orthoses), HKAFO(Hip-Knee-Ankle-Foot orthoses) 및 parapodium을 포함하는 회전 보행 보조기 그룹입니다. 스윙 스루 보행은 에너지 비용이 높고 사용자가 보조기를 쉽게 포기합니다. 회전식 보행기는 두 번째 그룹에 속하며 하반신 마비 환자가 목발이나 기타 보행 보조 기구를 사용하지 않고 직립 자세로 걸을 수 있습니다. 환자는 무게 중심을 이동하여 진행합니다. 팔을 휘두르고 몸통을 회전시켜 걷는 속도를 높입니다. Lorettaet al. 회전 보행과 스윙 보행을 비교하여 회전 보행이 속도는 느리지만 더 효율적인 보행을 보여 대사 비용과 산소 소비가 더 적게 필요함을 의미합니다. 회전형 보행기는 낮은 에너지와 손을 사용하지 않고 보행할 수 있다는 장점이 있지만 보행 속도가 느리고 고르지 않은 지면에서 보행이 불가능하다는 점에서 가장 큰 비판을 받았습니다. 세 번째는 다른 보행 보조기보다 더 에너지 효율적인 보행을 제공할 것이라는 믿음으로 개발된 왕복 보행 보조기 그룹입니다. 1980년대 초에 개발된 LSU RGO에는 상호 작용 패턴으로 연결된 고관절이 있습니다. 1990년대 초에 개발된 LSU RGO의 두 가지 수정 버전인 ARGO(하나의 케이블을 사용하는 고급 RGO 및 견고한 로커 바를 사용하는 IRGO(Isocentric RGO))가 있었습니다. 마찰 없는 고관절을 제공하는 고관절 안내 보조기(HGO)는 또한 환자가 상호 보행을 할 수 있도록 합니다. WO(walkabout orthosis)는 왕복 보행을 용이하게 하는 회음부 구조입니다. HKAFO와 비교할 때 RGO는 더 무겁고 느렸으며 에너지 비용(mL/kg/m)은 더 높았지만 에너지 소비율(mL/kg/min)은 HKAFO 어린이의 경우 훨씬 더 높았습니다.

효율적인 보행을 달성하고 느려지는 문제를 극복하기 위해 FES와 RGO를 결합한 하이브리드 시스템은 개선의 가능성을 보여주었다. 이 시스템은 RGO의 구조적 안정성과 FES에 의해 자극되는 근력을 모두 이용하여 몸통 근육의 활동을 감소시켜 피로를 예방하기 때문에 장기적으로 환자의 유산소-무산소 역치를 높이는 보다 에너지 효율적인 보행을 제공할 수 있습니다. .

하반신 마비에 대한 많은 보조기 옵션을 사용할 수 있지만 RGO의 빈번한 포기 또는 낮은 활용의 원인이 된 많은 에너지 소비로 제한된 보행 기능을 제공하는 경우에만 사용할 수 있습니다. 에너지 소비를 줄이는 디자인을 개선하기 위해서는 보행 편차와 에너지 소비 메커니즘을 식별하고 치료 수단을 구현할 수 있도록 병리학적 보행의 생체역학적 분석이 필요합니다. 아르고 사용자의 보행에 대한 생체역학적 분석에 대한 최근 연구가 있었고 높은 에너지 소비에 기여하는 몇 가지 가능한 메커니즘이 논의되었습니다. 그러나 설계 매개변수 측면에서 더 이상의 개선 조치는 작업에서 제안되지 않았습니다. 하반신 마비 환자를 위한 교정 솔루션 개발을 진행하기 위해서는 생체 역학 연구에 대한 더 많은 연구가 필요하다는 것은 명백합니다.

보행 결정 요인은 에너지 소비에 영향을 미치는 원인을 식별하는 것이었습니다. 결정 요인에는 골반 회전, 골반 목록, 중간 자세에서 무릎 굴곡, 발 및 발목 움직임, 무릎 움직임 및 측면 골반 변위가 포함됩니다. 이러한 운동학적 보행 결정요인이 BCOM(Body Center of Mass)의 수직 변위 감소에 미치는 영향을 평가하기 위한 연구가 있었습니다. Gard와 Childress는 몸통의 수직 편위 정도가 골반 목록에 거의 영향을 받지 않는다는 사실을 발견했습니다. Kerrigan은 BCOM 수직 변위의 실제 감소를 설명하는 데 필요한 다른 기본 보행 결정 요인이 있다고 지적했습니다. BCOM 수직 이동의 감소는 상당한 에너지 영향을 미칠 수 있지만 보행 결정 요인이 에너지 소비에 영향을 미친다는 것을 증명하기 위해 운동학적 고려가 필요합니다.

위치 에너지와 운동 에너지 사이의 교환을 강조하는 기계적 에너지 분석에 대한 연구에서 운동학적 고려가 주어졌습니다. 정상인을 대상으로 한 연구에서는 개별적으로 선호하는 보행 속도 근처에서 위치 에너지와 운동 에너지 사이의 더 큰 교환이 제안되었습니다. 스스로 선택한 속도가 에너지 비용을 최소화한다는 것이 이전에 밝혀졌기 때문에 에너지 비용이 낮은 정상 보행이 역학적 에너지 보존, 즉 위치 에너지와 운동 에너지 사이의 교환이 더 크다는 것을 쉽게 유추할 수 있습니다. 보행 결정 요인이 기계적 에너지를 보존하는 데 어떤 역할을 하는지는 아직 명확하지 않습니다.

또한 보행 중 에너지 소비와 관련하여 특히 동적 조정의 관절 생체역학은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 에너지 비용 측면에서 발목 유합술 환자의 보행 효율은 90%에 달했지만 고관절 유합술 환자의 보행 효율은 53%에 불과했습니다. 발목 유합은 보행 패턴에서 주요한 보상적 움직임을 필요로 하지 않지만, 중족부 및 전족부의 국부적 대체만이 관찰되었습니다. 고관절과 무릎이 손상되었을 때 환자는 고관절과 무릎의 손실된 기능에 대한 보상적 대체품과 에너지 소비에 대한 대가를 요구합니다. 이는 무릎과 고관절의 협응이 발목보다 우선순위가 높으며 인간의 무릎과 고관절의 협응 운동은 보행시 발목 장애가 있어도 에너지 소비와 속도를 유지하기 위해 상당히 잘 조화될 수 있음을 의미한다.

하이브리드 보조기 시스템(HOS)은 왕복 보행 보조기의 무릎과 발목 관절의 기계적 잠금 및 잠금 해제를 조정하는 반면 추진력은 기능적 신경근 자극. 조화로운 관절 고정(자세 제어 KAFO)이 있는 기능적 신경근 자극 동력 기계적 보행 보조기에 대한 타당성 연구가 수행되었습니다. 실험실 하이브리드 RGO는 고관절과 무릎 관절 모두에서 제어 가능한 마찰 브레이크를 포함하는 HKAFO를 사용하여 개발되었습니다. 컴퓨터 제어 보조기 시스템은 FES 보조 보행의 특징인 급속한 근육 피로와 열악한 움직임 제어 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. 그러나 주제는 엉덩이와 무릎의 협응이 아니었다. 고관절과 슬관절의 협응을 연구하기 위해서는 컴퓨터 시뮬레이션과 실험적 검증이 필요하다. 따라서 왕복보행보행보조기를 착용한 하반신마비 환자의 보행 시 에너지 소모 감소에 대한 무릎과 고관절 협응의 효과에 대한 연구가 진행될 수 있도록 연구도구의 개발이 필요하다.

연구 목적: 본 연구에서 연구자의 가설은 역학적 에너지 보존의 원리에 기초한 인간 왕복 운동의 에너지 절약 메커니즘이 존재한다는 것을 포함할 것이다. 마지막으로, 고관절 움직임과 함께 무릎 관절을 조절하면 보행 진행을 촉진하고 에너지 소비를 더욱 줄일 수 있습니다.

실험 장비, 장치 및 프로토콜: 환자 평가, RGO 설계 및 제작, 피팅은 National Taiwan University(NTURERC)의 재활 엔지니어링 연구 센터에서 자격을 갖춘 보조기 전문가의 감독하에 수행됩니다. Cosmed K4b2 휴대용 가스 분석 시스템을 사용하여 심박수 및 산소 소비량과 같은 생리학적 측정값을 얻습니다. 각각 3대의 카메라가 장착된 2개의 위치 센서가 있는 3차원 모션 측정 시스템(Optotrak® Certus™, Northern Digital Inc., Waterloo, Ontario, Canada)을 사용하여 운동학적 데이터를 수집합니다. 활성 마커가 있는 12개의 강체가 왼쪽 상완, 허벅지, 정강이, 발뒤꿈치, 골반 및 몸통 부분에 부착됩니다. 8개의 힘판(AMTI)은 보조 장치를 사용할 때 하지 부분의 동역학을 계산하는 데 사용됩니다. 참가자에게는 실험에 대한 지침이 제공됩니다. 진단, 발병, 생년월일, 성별, 신장, 체중 등 환자의 의료정보를 수집하고 정상인의 기초자료도 함께 수집한다. 하반신 마비 피험자는 자신이 선택한 속도로 걸으며 최소 세 번의 시행을 완료합니다. 운동학 및 운동학 데이터는 동시에 수집됩니다. 환자는 심박수와 산소 소비량을 측정하기 위해 지정된 경로를 따라 30m를 자신이 선택한 속도로 3번 걷도록 요청받습니다.