일방적 로봇 보조가 편마비 보행 시 보상 전략과 근활성도에 미치는 영향

- 재료: 연구자들은 사용자의 무릎과 발목에 정렬된 두 개의 관절로 구성된 무릎-발목-발 보조기(KAFO)를 개발했습니다. 바의 길이와 버팀대의 위치는 다양한 사용자의 인체 측정에 맞출 수 있습니다. 무릎 관절은 하모닉 드라이브 CSD-20-160-2AGR(Harmonic Drive LLC, EE.UU.)과 결합된 DC 브러시리스 모터 EC-60 플랫 408057(Maxon ag, Switzerland)에 의해 작동됩니다. 이 시스템의 변속비는 1:60으로 평균 35Nm의 토크를 적용할 수 있습니다. 프로토타입의 발목 관절은 작동되지 않고 무제한으로 유지되어 시상면에서 자유롭게 움직일 수 있습니다. KAFO의 총 무게는 약 4kg입니다.

프로토타입에는 로봇 관절의 굴곡 각도 또는 사용자와 로봇 간의 상호 작용 토크와 같이 제어에 사용되는 시스템 변수에 대한 정보를 실시간으로 제공하는 센서가 장착되어 있습니다. 또한 사용자의 보행 기구학은 IMU(Inertial Measurement Units)에 의해 측정되고 두 발과 바닥의 접촉은 Force Sensing Resistor(FSR)에 의해 측정됩니다.

이 시스템은 적응형 주파수 발진기를 사용하여 반대쪽 사지의 연속 보행 단계를 추정하고 건강한 보행 패턴을 유도하여 마비된 다리를 동시적으로 지원합니다. 로봇의 동작은 도움을 받는 다리의 보행 단계에 따라 달라집니다. 입각 단계에서는 로봇이 팔다리를 강화하여 다리와 외골격으로 구성된 시스템이 사용자의 체중을 지지하고 쓰러지지 않도록 합니다. 로봇은 AAN(Assisted-As-Needed) 패러다임에 따라 사지의 움직임을 안내하여 규정된 궤적 주위에 힘 터널을 생성합니다.

- 절차:

실험 프로토콜은 세 세션으로 나뉩니다. 이 모든 과정에서 환자는 넘어지지 않도록 안전 장치를 착용하고 마비된 다리에 로봇 외골격을 착용한 상태에서 물리 치료사의 지시에 따라 러닝머신 위를 걷게 됩니다. 두 번째 및 세 번째 세션 동안 근전도 검사도 표면 전극(Trigno System, Delsys Inc.)을 사용하여 SENIAM 지침에 따라 획득합니다. 양쪽 다리의 대퇴직근, 대퇴이두근 장두, 전경골근, 내측비복근의 근활성도를 측정합니다. 각 실험 세션은 다음과 같이 설명됩니다.

1. - 교육 세션: 환자는 장치의 동작에 익숙해지기 위해 로봇 외골격을 착용합니다. 편안하고 최대 속도는 각 주제에 대해 식별됩니다.
2. - Ramp Velocity Session: 세션은 5개의 시도로 나뉩니다. (a) 사전에 환자는 장치를 착용하지 않습니다. (b) 자유, 환자는 로봇을 착용하지만 기계적으로 분리되어 자유로운 무릎 움직임을 가능하게 합니다. (c) 활성화되면 로봇이 최대 보행 속도의 75%까지 보행을 지원합니다. (d) MaxActive, 로봇은 최대 보행 속도까지 보행을 지원합니다. (e) 사후, 환자는 사전 조건을 반복합니다. 속도는 편안한 속도에서 최대 속도로 증가한 다음 다시 편안한 속도로 돌아옵니다.
3. - Random Velocity 세션: 세션은 Ramp Velocity 세션과 동일한 시도로 나뉩니다.

RampVel과 RandomVel 세션의 차이점은 환자가 걸을 보행 속도 시퀀스입니다. RampVel 동안 엑소가 있거나 없는 편안한 속도에서 최대 속도까지(시험에 따라 다름) 5개의 속도 단계가 정의되고 편안한 속도로 돌아옵니다. RandomVel 중에는 동일한 속도 범위가 사용되지만 전체 범위에서 5단계를 정의하고 임의의 순서로 설정합니다. 두 세션 모두에서 각 보행 속도 단계는 1분 동안 지속되므로 모든 시도는 5분 동안 지속됩니다. 평가판 무료, 활성 및 MaxActive도 각 세션에서 무작위로 주문됩니다.

실험 사이에 환자는 합산 효과를 피하기 위해 10분 동안 휴식을 취합니다. 각 세션은 다른 날에 진행되며 그 사이에 1~2일을 남겨둡니다.

- 개입 제공자 물리 치료사와 엔지니어가 시험 기간 동안 참석할 것입니다. 첫 번째는 피험자의 기초 보행을 평가하고 보조가 제공되는 동안 상태를 평가하는 책임을 집니다. 엔지니어는 장치 관리 및 데이터 기록을 담당합니다.

두 연구원 모두 직접 감독을 통해 개입에 대한 충실도를 모니터링합니다.

• 전달 방식 프로토콜은 한 번에 한 참가자에게 제공됩니다. 각 환자는 프로토콜을 한 번 완료합니다.
• 위치 병원 Beata María Ana (마드리드, 스페인)
• 조정 및 수정 프로토콜은 응용 프로그램 간에 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 환자에 대한 유일한 적응은 시험을 위한 편안하고 최대 보행 속도를 선택하는 것입니다.