Been strekken met behulp van een exoskelet op aanvraag voor mensen met spasticiteit

Mensen met neurologische aandoeningen, waaronder personen met letsel aan de bovenste motorneuronen, ervaren motorische en sensorische tekorten, spierzwakte, beperkt bewegingsbereik, laag draagvermogen en verminderde balans die het lopen beperken en het vermogen om dagelijkse activiteiten uit te voeren belemmeren . Revalidatierobots voor de onderste ledematen kunnen helpen bij fysiotherapie en de last van zorgverleners en verpleegkundigen verlichten. Het doel van dit project is dus om draagbare en draagbare technologie te ontwikkelen om beenbewegingen en -strekkingen te ondersteunen, en dienovereenkomstig spieren te activeren bij mensen met neurologische aandoeningen die spasticiteit ervaren.

Spasticiteit is het gevolg van een verhoogde spiertonus en verstoort het vermogen om vrijwillige spiercontractie functioneel te gebruiken voor de coördinatie van de ledematen en het bewegingsbereik, wat lichaamsoverdrachten, lopen en lichaamsbeweging beperkt. Ernstige of hardnekkige spasticiteit kan leiden tot verlies van controle over het lichaam en evenwicht, resulterend in vallen en verwondingen, decubitus van de huid, contracturen, pijn, moeilijkheden bij het zitten in een rolstoel, naast andere problemen. Bestaande behandelingen om spasticiteit te beheersen en functionele tekorten in verband met spasticiteit te overwinnen, omvatten medicijnen, neurochirurgie, trillingen van het hele lichaam of ledematen, fysiotherapie, passief fietsen, functionele elektrische stimulatie (FES), samen met andere methoden. Medicijnen kunnen echter aanzienlijke bijwerkingen veroorzaken, waaronder slaperigheid, malaise, spierzwakte en pijn (bijvoorbeeld op de injectieplaats); bovendien is hun effectiviteit gevoelig voor doseringsfluctuaties. Neurochirurgie en directe stimulatie van het ruggenmerg kunnen hardnekkige of focale spasticiteit behandelen, maar ze brengen chirurgische risico's met zich mee en de voordelen op de lange termijn verschillen van persoon tot persoon.

Rekken kan de prikkelbaarheid van motorneuronen verminderen, de visco-elastische eigenschappen van spieren en gewrichten behouden, verlichting bieden bij spierspasmen en het bewegingsbereik en de loopfunctie verbeteren; verder kan strekken worden gecombineerd met orale medicatie om spasticiteit te beheersen. Rekken wordt routinematig uitgevoerd door therapeuten, verpleegkundigen en zorgverleners om spieren te strekken of bewegingsbereik te behouden in gewrichten met relatief weinig nadelige effecten. Echter, het bieden van on-demand, betrouwbaar, handmatig strekken van ledematen gedurende de dag en nacht legt een zware last op zorgverleners en verpleegkundigen, zowel thuis als in medische instellingen. Daarom bestaat er een kritieke behoefte aan het ontwikkelen van een draagbare benadering voor het toepassen van on-demand, veilig en aangepast dynamisch rekken om spasticiteit na dwarslaesie te beheersen, wat de belasting van zorgverleners en verpleegkundigen kan minimaliseren.

Dit project maakt gebruik van de recente technologische vooruitgang op het gebied van draagbare sensoren en volledig draagbare exoskeletten met verminderde vormfactor en gewicht, die we niet hebben benut (noch ontwikkeld) in onze eerdere onderzoeksprotocollen aan de Universiteit van Syracuse. Deze nieuwe draagbare exoskeletten zijn slimme kledingstukken die zich aanpassen aan het menselijk lichaam en beenondersteuning bieden aan mensen met spierzwakte of hemiplegie. Lichtgewicht exoskeletten hebben het potentieel om de breedte van taken en omgevingen uit te breiden waarvoor exoskeletten worden gebruikt. Daarom introduceert dit project een lichtgewicht, draagbaar exoskelet om beenbewegingen en strekken te ondersteunen (bijv. gericht op mensen met spasticiteit) in verschillende houdingen (bijv. liggend op een mat of bed, zittend op een stoel of in een rolstoel).

Doel 1 kenmerkt de prestaties van het draagbare apparaat en het regelalgoritme met gesloten lus om nauwkeurige aanpassingen toe te passen voor veilige, automatische strekking van ledematen en beweging van afzonderlijke gewrichten (bijv. geïsoleerde gewrichten terwijl u op een mat zit of ligt). De methoden in dit doel omvatten het volgende: 1) ontwerp een besturingsalgoritme om veilige beenkrachten uit te oefenen door gebruik te maken van gewrichtskinematica en traagheidsfeedbackgegevens met behulp van draagbare sensoren en 2) onderzoek de omvang en timing van de uitgeoefende krachten op de heup-, knie- en enkelgewrichten , en tenen. De onderzoekstaken in dit doel zullen de aanpassing van de toegepaste krachten over de deelnemers mogelijk maken.

Aim 2 breidt de implementatie van de closed-loop controller uit van Aim 1 naar verschillende lichaamshoudingen en activiteiten waarbij meerdere gewrichten betrokken zijn. Deelnemers dragen het apparaat om de uitgeoefende krachten door het draagbare exoskelet te ervaren terwijl ze op een bed/mat liggen of zitten. Aangezien het apparaat volledig draagbaar is, dient het als een krachtig hulpmiddel om de beweging en het strekken van ledematen te onderzoeken bij personen met neurologische aandoeningen en spasticiteit. Het apparaat is dus niet beperkt tot vaste/stationaire experimentele omstandigheden.

Het laatste doel verzamelt kwalitatieve gegevens van deelnemers, zorgverleners, verpleegkundigen en clinici (indien betrokken) over het gebruiksgemak en de tevredenheid van het gebruik van het draagbare apparaat. Vragenlijsten en enquêtes worden gebruikt om kwalitatieve gegevens te verzamelen. Het gebruiksgemak van het draagbare apparaat wordt beoordeeld door te onderzoeken of het protocol kan worden geïmplementeerd binnen de verwachte duur, inclusief de tijd om het exoskelet aan en uit te trekken; verder zal worden bepaald of de naleving van het protocol voor alle deelnemers is bereikt.

Onderzoeksontwerp - Methodologie

Een kandidaat voor het onderzoek zal worden gevraagd om telefonisch of persoonlijk een screeningvragenlijst in te vullen om te controleren of hij in aanmerking komt. Als de potentiële deelnemer in aanmerking komt om zich in te schrijven voor het onderzoek, ontvangt de deelnemer meer informatie over het inschrijvingsproces. De deelnemer vult vervolgens een demografische vragenlijst in en beantwoordt vragen over persoonlijke gezondheid en fysiek functioneren.

Elk laboratoriumbezoek kan tot 2 uur duren (inclusief het aanbrengen van het apparaat, opwarming, testprocedures, rustpauzes, het losmaken van het apparaat en het verwijderen van de elektroden en draagbare sensoren).

Ruwe gegevens worden verzameld van draagbare sensoren, waaronder de volgende: gewrichtshoeken, 3D-beenbewegingen, spierelektromyografie (EMG) en motorstromen van het draagbare apparaat. Digitale data van experimenten worden opgeslagen in .mat bestanden (of .csv), beschermd met een wachtwoord. Er zijn geen biologische exemplaren verzameld.

Metadata worden toegepast op elk onderdeel van de dataset na acquisitie om ervoor te zorgen dat de data worden voorbereid voor een goede archivering. Metagegevens omvatten type, formaat, datum, tijd, opslaglocatie en context van gegevens. Gegevens die tijdens dit project worden gegenereerd, gebruiken conventionele digitale formaten, waaronder:

• MS Word-, Power Point-, Excel-, Portable Data Format- (PDF) en LaTeX-bestanden (tex).
• Afbeeldingen, figuren, tabellen, animaties, video's van tests (jpeg, png, eps, mp4-bestanden)
• Code inclusief MATLAB/Simulink-bestanden, C++-code en ASCII-tekstbestanden

De papieren deelnamedossiers worden bewaard in afgesloten archiefkasten in het laboratorium en/of de kantoren, en de digitale gegevens worden opgeslagen op met een wachtwoord beveiligde computers/servers of versleutelde elektronische opslagmedia in de kantoren en het laboratorium van het onderzoeksteam van de PI's.