Exoskeletschoeisel om het lopen te verbeteren

Claudicatio als gevolg van perifere arterieziekte (PAD) zorgt ervoor dat patiënten minder en langzamer lopen, hun onafhankelijkheid in het dagelijks leven verliezen en sedentair zijn in vergelijking met hun gezonde tegenhangers. Het onderzoek van de onderzoekers heeft functionele beperkingen in het looppatroon van patiënten met claudicatio vastgesteld. Het meest prominente en consistente tekort is dat van de achterste kuitspieren, de plantairflexoren van de enkel, om tijdens het lopen een gezonde torsie en kracht in de enkel te genereren. Eerder werk in het laboratorium van de onderzoekers heeft aangetoond dat deze functionele tekorten verband houden met de aanwezigheid van een myopathie in de benen van patiënten met PAD, die wordt gekenmerkt door myofiberdegeneratie en spierfibrose. Een interventie die de verminderde spierfysiologie en -prestaties compenseert, is nodig om het loopvermogen en de onafhankelijkheid van patiënten met PAD te verbeteren.

Het langetermijndoel van dit project is om de kwaliteit van leven van patiënten met PAD te verbeteren door gebruik te maken van ondersteunende exoskeletten. Momenteel is er een kritieke behandelingskloof voor die patiënten met PAD bij wie de ziektepresentatie geen operatieve revascularisatie rechtvaardigt (gebaseerd op risico-batenanalyse die rekening houdt met meerdere factoren, waaronder de ernst van de ziekte, comorbide aandoeningen en operatierisico), maar die weer willen gaan lopen. vermogen en onafhankelijkheid. Enkel-voet-orthesen zijn onlangs geïmplementeerd om de vraag naar biologische plantairflexietorsie van de enkel te verminderen en om vermogenstekorten te compenseren. Biologische torsie/kracht van de enkel is koppel/kracht die wordt gegenereerd door de plantairflexorspieren, afgezien van die van een hulpmiddel. De onderzoekers hebben een lichtgewicht en goedkope 3D-printbare combinatie van elastisch exoskelet en schoeisel ontwikkeld, genaamd exoskeletschoeisel (EF). De EF helpt bij het afzetten door gebruik te maken van veren die plantairflexorkrachten van de enkel nabootsen. Exoskeletten die de voortstuwing ondersteunen, pakken zowel de myopathie als de problemen met de lage bloedstroom in verband met claudicatio aan. Mechanische kracht van de EF compenseert onvoldoende spiervoortstuwingskracht, terwijl de vraag naar bloedstroom en de spierspanning veroorzaakt door ischemie afnemen. Met een goed ontworpen exoskelet kunnen patiënten met PAD waarschijnlijk langer lopen zonder pijn of de afstand afleggen die nodig is voor het voltooien van dagelijkse activiteiten met minder belasting van het aangedane been. Als eerste stap stellen de onderzoekers voor om het effect van EF op loopprestaties te bepalen, met de nadruk op hoe verschillende niveaus van EF-ondersteuning bijdragen aan veranderingen in het biologische enkelkoppel en -kracht, energiekosten en zuurstoftoevoer naar de kuitspieren. De onderzoekers zullen gezonde oudere volwassenen testen om comfort, een laag risico op letsel aan de voet en kuit en een hoog potentieel voor acceptatie van apparaten bij patiënten met PAD te verzekeren en te bevestigen.

De EF zal dan worden geëvalueerd bij patiënten met PAD. Gezonde oudere individuen worden geselecteerd voor de beginfase van het project omdat ze, net als patiënten met PAD, tijdens het lopen minder afzetkoppel en -kracht produceren in vergelijking met gezonde jongeren; waardoor ze een geschikt model zijn voor PAD-beperkingen. Bovendien kunnen gezonde ouderen, in vergelijking met patiënten met PAD, langere loopproeven verdragen, die nodig zijn om effectieve apparaatparameters te identificeren en hebben ze ook een aanzienlijk lager risico op het ontwikkelen van voet- en kuitblessures, terwijl het comfort en de vorm van de EF worden beoordeeld en aangepast aan geschikt voor personen met verschillende voet- en beenmorfologieën.

Hypothese: Loopprestaties zullen verbeteren met EF bij gezonde ouderen en patiënten met PAD. De onderzoekers veronderstellen dat er een EF-ondersteuningsniveau zal zijn om te voldoen aan door de proefpersoon gerapporteerde voorkeuren en loopprestatiedoelen.

Specifiek doel 1: De niveaus van EF-ondersteuningskracht bepalen die leiden tot betere loopprestaties bij oudere proefpersonen. Verbeteringen in loopprestaties zullen worden beoordeeld door te meten hoe verschillende niveaus van EF-ondersteuning bijdragen aan veranderingen in het biologische koppel en kracht van de enkel tijdens het afzetten, de energiekosten van lopen en de zuurstofvoorziening van de kuitspieren tijdens het lopen.

Specifiek doel 2: Het bepalen van de niveaus van EF-ondersteuningskracht die leiden tot een betere subject-gerapporteerde voorkeur bij oudere subjecten. De voorkeur wordt gemeten met behulp van visueel-analoge schalen, vragenlijsten over inspanning en pijn, en enquêtes in interviewstijl over aanvaardbaarheid (tevredenheid, intentie om te gebruiken), vraag (waargenomen vraag) en bruikbaarheid (effecten, vermogen van deelnemers om EF te gebruiken).

Specifiek doel 3: Vaststellen van het effect van EF-ondersteuningsniveaus op loopprestaties en door de patiënt gerapporteerde voorkeur bij patiënten met PAD. De resultaten van doelstellingen 1 en 2 zullen leidend zijn voor de ondersteuningsniveaus die in deze doelstelling worden getest.

Onderzoeksontwerp en -methoden Gezonde ouderen zullen worden geëvalueerd in totaal zeven aandoeningen in doelen #1 en #2: vijf verschillende EF-stijfheidsniveaus, waaronder EF: Stijfheid 1 (5,6 kN/m), EF Stijfheid 2 (7,9 kN/m), EF Stijfheid 3 (10,5 kN/m), EF Stijfheid 4 (13,3 kN/m), EF Stijfheid 5 (17,2 kN/m), EF met een ontkoppelde veer en één normale loopconditie (geen EF).

PAD-patiënten zullen worden beoordeeld in vier condities in doel #3: twee verschillende EF-stijfheidsniveaus, één conditie waarin de proefpersonen de EF zullen dragen met een ontkoppelde veer en één normale loopconditie (geen EF). De veerstijfheid wordt aangepast als een functie van de lichaamsmassa om een ​​genormaliseerde torsie-input over proefpersonen te bieden. Deze stijfheidsniveaus werden gekozen op basis van eerder onderzoek met een vergelijkbaar apparaat bij gezonde jonge individuen. De EF wordt ingesteld om de veer los te laten bij 42% van de pas. Verhogingen van energiekosten bij stijfheidswaarden boven en onder de optimale waarde zullen een indicator zijn dat de stijfheidsniveaus binnen de juiste schaal liggen. Gezonde oudere volwassenen en patiënten met PAD zullen worden getest om het effect van EF-ondersteuningskracht op loopprestaties en energiekosten en door de persoon gerapporteerde voorkeur met verschillende EF-ondersteuningsniveaus te bepalen

In totaal zullen 50 volwassenen van 50 jaar en ouder uit het Nebraska en Western Iowa Veterans Affairs' Medical Center (VAMC) en de omliggende Omaha-gemeenschap worden gerekruteerd om doelstellingen 1 en 2 te voltooien. Doel 3 omvat 25 patiënten met PAD die zijn gerekruteerd uit het VAMC.

Protocol gegevensverzameling voor doelen #1 en #2:

Lopen: proefpersonen lopen zeven minuten met hun favoriete loopsnelheid op een loopband met instrumenten (AMTI, Watertown, MA), terwijl kinetiek en kinematica worden vastgelegd op 100 Hz met een digitaal motion capture-systeem met 17 camera's (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp, Santa Rosa, CA). De drie minuten lopen zijn bedoeld om proefpersonen te laten wennen aan het nieuwe ondersteuningsniveau in de EF. De gewenste loopsnelheid wordt bepaald voordat er gegevens worden verzameld en deze wordt consistent gehouden voor de zeven condities.

De proefpersoon zal ook onder zeven verschillende omstandigheden op een vlakke ondergrond lopen.

Spieroxygenatie: Bilaterale gastrocnemius-spieroxygenatie (StO2) zal worden gemeten met behulp van continue golf nabij-infraroodspectroscopie (PortaMon, Artinis Medical System, Nederland) vóór, tijdens en na elke loopconditie op de loopband (hierboven beschreven).

Energiekosten: een draagbare metabolische kar zal worden gebruikt om de gasuitwisseling per ademhaling te meten, wat een maatstaf is voor het zuurstofverbruik tijdens elk van de zeven loopomstandigheden op de loopband.

Waargenomen comfort en vermoeidheid: een visuele analoge schaal zal worden gebruikt om de perceptie van proefpersonen van comfort en vermoeidheid vast te leggen na elke loopband en vlakke ondergrond. De visuele analoge schaal loopt van 0 (weinig comfort; hoge vermoeidheid) tot 10 (hoge comfort; lage vermoeidheid).

Percentage waargenomen inspanning: zelfgerapporteerde waarden van waargenomen inspanning van de Borg Rate of Perceived Inspanning-schaal (6 (geen inspanning) tot 20 (maximale inspanning)) worden na elke aandoening geregistreerd.

Protocol voor gegevensverzameling voor doelen #3:

Loopprestaties en door de persoon gerapporteerde voorkeur worden op dezelfde manier beoordeeld als in doel 1 en 2, behalve dat de looptest op de loopband wordt vervangen door tests voor maximale loopafstand (zie onderstaande beschrijving). Om deze reden wordt het testen verdeeld over twee dagen, waarbij elke dag twee tests voor maximale loopafstanden worden uitgevoerd. Proefpersonen zullen rusten totdat eventuele claudicatiopijn afneemt tussen elke maximale loopafstandstest. Proefpersonen zullen het testen van dezelfde resultaten (1-7 hieronder) voltooien, precies zoals beschreven in Doelstellingen 1 en 2 en maximale wandeltijden (8 hieronder). Maximale wandeltijden zijn de beste indicator van de implicaties van PAD op het dagelijkse loopvermogen en deelname aan gemeenschapsactiviteiten.

Alle uitkomsten van het protocol van de oudere proefpersoon zullen worden beoordeeld voor PAD-patiënten, waaronder 1) lopen: bij de loopbandtest worden biomechanische variabelen tijdens het hellingsgedeelte van nul graden van de test verzameld. Rusttijd zal worden gegeven tussen de voorwaarden zoals nodig is om claudicatiopijn te laten verdwijnen.

2) Spieroxygenatie, 3) Energiekosten, 4) Waargenomen comfort en vermoeidheid, 5) Snelheid van waargenomen inspanning, 6) Haalbaarheid.

Twee extra uitkomsten gemeten voor de PAD-patiënten zijn:

Waargenomen pijn: Na de benadering van waargenomen comfort en vermoeidheid, zal een visuele analoge schaal worden gebruikt om de pijnperceptie van proefpersonen na elke aandoening vast te leggen. De visuele analoge schaal loopt van 0 (geen pijn) tot 10 (intense pijn) en wordt beoordeeld na elke EF-aandoening.

Claudicatio Onset en Peak Walking Times: Het loopvermogen zal worden bepaald met een loopbandtest met progressieve belasting met als uitkomst de initiële en maximale claudicatio-afstanden. Patiënten lopen op een loopband die begint bij 0% helling en 2,0 mph. Elke twee minuten wordt de helling met 2% verhoogd tot een maximum van 15%, en de snelheid wordt tijdens de test constant gehouden. De aanvankelijke afgelegde afstand voorafgaand aan het begin van de pijn (Claudication Onset Time - COT) en de afstand die patiënten liepen totdat de test vanwege pijn moest worden gestaakt (Peak Walking Time -PWT) zijn de uitkomstmaten.