보행 개선을 위한 외골격 신발

말초 동맥 질환(PAD)으로 인한 파행은 환자가 건강한 사람에 비해 걷는 속도가 느려지고 일상 생활에서 독립성을 잃으며 앉아 있는 시간을 갖게 합니다. 조사관의 연구는 파행 환자의 보행 패턴에서 기능적 한계를 확인했습니다. 가장 눈에 띄고 일관된 결손은 걷는 동안 건강한 발목 회전력과 힘을 생성하기 위한 종아리 뒤쪽 근육인 발목 저굴근입니다. 연구자 실험실에서의 이전 작업은 이러한 기능적 결함이 근섬유 변성 및 근육 섬유증을 특징으로 하는 PAD 환자의 다리에 근병증의 존재와 관련이 있다는 것을 확립했습니다. PAD 환자의 보행 능력과 독립성을 향상시키기 위해서는 손상된 근육 생리 및 기능을 보상하는 개입이 필요합니다.

이 프로젝트의 장기 목표는 보조 외골격을 사용하여 PAD 환자의 삶의 질을 향상시키는 것입니다. 현재, 질병 상태가 외과적 혈관재개통술을 필요로 하지 않지만(질병 중증도, 동반이환 상태 및 수술 위험을 포함한 여러 요인을 고려한 위험-이득 분석에 근거), 다시 걷기를 원하는 말초동맥질환 환자에 대한 중요한 치료 격차가 있습니다. 능력과 독립. 발목 보조기는 최근 생물학적 발목 저굴근 토크에 대한 요구를 줄이고 전력 부족을 보상하기 위해 구현되었습니다. 생물학적 발목 토크/파워는 보조 장치에 의해 제공되는 토크/파워와는 별도로 저측굴곡근에 의해 생성되는 토크/파워입니다. 연구자들은 외골격 신발(EF)이라고 하는 가볍고 저렴한 3D 인쇄 가능한 탄성 외골격과 신발 조합을 개발했습니다. EF는 발목 저측굴근 힘을 모방하는 스프링을 사용하여 푸시오프를 지원합니다. 추진을 돕는 외골격은 파행과 관련된 근병증 및 저혈류 문제를 모두 해결합니다. EF의 기계적 힘은 불충분한 근육 추진력을 보상하는 동시에 혈류 요구량과 허혈로 인한 근육 스트레스를 감소시킵니다. 적절하게 설계된 외골격은 PAD 환자가 통증 없이 더 오래 걷거나 영향을 받는 다리에 더 적은 스트레스를 가하면서 일상 활동을 완료하는 데 필요한 거리를 걸을 수 있게 합니다. 첫 번째 단계로 연구자들은 다양한 수준의 EF 지원이 생물학적 발목 회전력 및 힘, 에너지 비용 및 종아리 근육 산소화의 변화에 ​​어떻게 기여하는지에 초점을 맞추어 EF가 보행 성능에 미치는 영향을 결정할 것을 제안합니다. 조사관은 건강한 노인을 테스트하여 편안함, 발과 종아리 부상 위험이 낮고 PAD 환자의 장치 채택 가능성이 높은지 확인하고 확인할 것입니다.

그런 다음 PAD 환자에서 EF를 평가합니다. 건강한 노인은 PAD 환자와 마찬가지로 건강한 젊은이에 비해 걷는 동안 미는 토크와 힘이 적기 때문에 프로젝트의 초기 단계에 선택됩니다. PAD 제한에 대한 적절한 모델로 만듭니다. 또한 PAD 환자에 비해 건강한 노인은 효과적인 장치 매개변수를 식별하는 데 필요한 더 긴 보행 시험을 견딜 수 있으며 발과 종아리 부상 위험이 상당히 낮습니다. 발과 다리 형태가 다른 개인을 수용합니다.

가설: 건강한 노인과 PAD 환자에서 EF를 사용하면 걷기 성능이 향상될 것입니다. 연구자들은 피험자가 보고한 선호도와 걷기 수행 목표를 충족시키기 위해 EF 지원 수준이 있을 것이라고 가정합니다.

구체적인 목표 1: 나이든 피험자에게 더 나은 보행 성능을 제공하는 EF 보조력의 수준을 결정합니다. 걷기 성능의 향상은 서로 다른 수준의 EF 지원이 밀어내는 동안 생물학적 발목 회전력 및 힘의 변화, 걷는 에너지 비용 및 걷는 동안 종아리 근육 산소 공급에 어떻게 기여하는지 측정하여 평가됩니다.

특정 목표 2: 나이든 피험자에서 더 나은 피험자 보고 선호도를 생성하는 EF 보조 힘의 수준을 결정합니다. 선호도는 수용성(만족도, 사용 의도), 수요(인식된 요구) 및 실용성(효과, 참여자의 EF 사용 능력)에 대한 시각적 아날로그 척도, 인지된 노력 및 통증 설문지, 인터뷰 스타일 설문조사를 사용하여 측정됩니다.

특정 목표 3: PAD 환자의 걷기 성능 및 피험자가 보고한 선호도에 대한 EF 보조 수준의 효과를 결정합니다. 목표 1과 2의 결과는 이 목표에서 테스트된 지원 수준을 안내합니다.

연구 설계 및 방법 건강한 노인은 목표 #1 및 #2의 총 7가지 조건에서 평가됩니다. EF: 강성 1(5.6kN/m), EF 강성 2(7.9kN/m), EF 강성 3(10.5kN/m), EF 강성 4(13.3kN/m), EF 강성 5(17.2kN/m), 분리된 스프링이 있는 EF 및 하나의 정상 보행 조건(EF 없음).

PAD 환자는 목표 #3의 4가지 조건에서 평가됩니다: 두 가지 다른 EF 강성 수준, 피험자가 풀린 스프링이 있는 EF를 착용하는 조건 및 정상적인 보행 조건(EF 없음). 스프링 강성은 체질량의 함수로 조정되어 대상 전체에 정규화된 토크 입력을 제공합니다. 이러한 강성 수준은 건강한 젊은 개인의 유사한 장치를 사용한 이전 연구 작업을 기반으로 선택되었습니다. EF는 보폭의 42%에서 스프링을 해제하도록 설정됩니다. 최적 값 위 또는 아래의 강성 값에서 에너지 비용의 증가는 강성 수준이 적절한 척도 내에 있음을 나타냅니다. 건강한 노인과 PAD 환자를 대상으로 EF 보조력이 보행 성능 및 에너지 비용에 미치는 영향과 다양한 EF 보조 수준에 따른 피험자가 보고한 선호도를 결정하기 위해 테스트합니다.

목표 1과 2를 완료하기 위해 Nebraska 및 Western Iowa Veterans Affairs' Medical Center(VAMC) 및 주변 오마하 커뮤니티에서 50세 이상의 성인 총 50명이 모집됩니다. 목표 3에는 VAMC에서 모집한 PAD 환자 25명이 포함됩니다.

목표 #1 및 #2를 위한 데이터 수집 프로토콜:

걷기: 대상자는 17개의 카메라 디지털 모션 캡처 시스템(Cortex 6.2, Motion Analysis Corp, 캘리포니아주 산타로사). 3분간 걷는 것은 피실험자가 EF의 새로운 지원 수준에 익숙해지는 시간이 될 것입니다. 선호하는 보행 속도는 데이터를 수집하기 전에 결정되며 7가지 조건에서 일관되게 유지됩니다.

피험자는 또한 7가지 다른 조건에서 평평한 땅을 걸을 것입니다.

근육 산소화: 양측 비복근 근육 산소화(StO2)는 각 러닝머신 걷기 조건(위에서 설명됨) 전, 도중 및 후에 연속파 근적외선 분광법(PortaMon, Artinis Medical System, 네덜란드)을 사용하여 측정됩니다.

에너지 비용: 휴대용 신진대사 카트를 사용하여 호흡별로 가스 교환을 측정하여 7가지 러닝머신 걷기 조건 각각에서 산소 소비량을 측정합니다.

인지된 편안함 및 피로: ​​각각의 런닝머신 및 평지 상태 후 피험자의 편안함 및 피로에 대한 인식을 캡처하기 위해 시각적 아날로그 척도가 사용됩니다. 시각적 아날로그 척도의 범위는 0(낮은 편안함, 높은 피로도)에서 10(높은 편안함, 낮은 피로도)까지입니다.

인지된 노력의 비율: 인지된 노력의 Borg 비율 척도(6(노력 없음)에서 20(최대 노력))의 자체 보고된 인지된 노력 값은 각 조건 후에 기록됩니다.

목표 #3을 위한 데이터 수집 프로토콜:

걷기 성능 및 피험자가 보고한 선호도는 러닝머신 걷기 테스트가 최대 걷기 거리 테스트로 대체된다는 점을 제외하고 목표 1 및 2와 동일한 방식으로 평가됩니다(아래 설명 참조). 이러한 이유로 테스트는 2일로 나누어 매일 2개의 최대 도보 거리 테스트를 완료합니다. 피험자는 각 최대 보행 거리 테스트 사이에 파행 통증이 가라앉을 때까지 휴식을 취합니다. 피험자는 목표 1과 2 및 최대 보행 시간(아래 8)에 설명된 대로 동일한 결과(아래 1-7)에 대한 테스트를 완료합니다. 최대 보행 시간은 PAD가 일일 보행 능력과 지역 사회 활동 참여에 미치는 영향을 가장 잘 나타내는 지표입니다.

1) 걷기: 러닝머신 테스트에서 테스트의 0도 경사 부분 동안의 생체 역학 변수가 수집됩니다. 파행 통증이 가라앉는 데 필요한 조건 사이에 휴식 시간이 주어집니다.

2) 근육 산소화, 3) 에너지 비용, 4) 인지된 편안함과 피로, 5) 인지된 활동률, 6) 실행 가능성.

PAD 환자에 대해 측정된 두 가지 추가 결과는 다음과 같습니다.

인지된 통증: 인지된 편안함과 피로에 대한 접근법에 따라 시각적 아날로그 척도를 사용하여 각 상태 후 피험자의 통증 인식을 포착합니다. 시각적 아날로그 척도는 0(통증 없음)에서 10(극심한 통증) 범위이며 각 EF 조건 후에 평가됩니다.

파행 개시 및 최대 보행 시간: 보행 능력은 초기 및 최대 파행 거리를 결과로 하는 점진적 하중 러닝머신 테스트로 결정됩니다. 환자는 0% 기울기와 2.0mph에서 시작하는 러닝머신에서 걸을 것입니다. 2분마다 등급이 2%씩 최대 15%까지 올라가며 속도는 테스트 내내 일정하게 유지됩니다. 통증이 시작되기 전에 걸은 초기 거리(Claudication Onset Time - COT)와 통증으로 인해 테스트를 중단해야 할 때까지 환자가 걸은 거리(Peak Walk Time - PWT)가 결과 측정이 됩니다.