Eksoskjelettfottøy for å forbedre gange

Claudikasjon på grunn av perifer arteriesykdom (PAD) fører til at pasienter går mindre og saktere, mister uavhengighet i dagliglivets aktiviteter og er stillesittende sammenlignet med sine friske kolleger. Etterforskernes forskning har identifisert funksjonelle begrensninger i gangmønsteret til claudicaterende pasienter. Det mest fremtredende og konsistente underskuddet er de bakre leggmusklene, ankelplantarflexorene, for å generere sunt ankelmoment og kraft under gange. Tidligere arbeid i etterforskernes laboratorium har fastslått at disse funksjonsmangelene er relatert til tilstedeværelsen av en myopati i bena til pasienter med PAD som er preget av myofiberdegenerasjon og muskelfibrose. En intervensjon som kompenserer for nedsatt muskelfysiologi og ytelse er nødvendig for å forbedre gangevnen og uavhengigheten hos pasienter med PAD.

Det langsiktige målet med dette prosjektet er å forbedre livskvaliteten til pasienter med PAD ved å bruke assisterende eksoskjeletter. For tiden er det et kritisk behandlingsgap for de pasientene med PAD hvis sykdomspresentasjon ikke garanterer operativ revaskularisering (basert på risiko-nytte-analyse som tar i betraktning flere faktorer, inkludert sykdoms alvorlighetsgrad, komorbide tilstander og operativ risiko), men som ønsker å gjenvinne gangavstanden. evne og selvstendighet. Ankel-fot-ortoser har nylig blitt implementert for å redusere kravene til biologisk ankel plantarflexor-moment og for å kompensere for kraftmangel. Biologisk ankelmoment/kraft er dreiemoment/kraft generert av plantarflexor-musklene bortsett fra det som leveres av et hjelpemiddel. Etterforskerne har utviklet en lett og rimelig 3D-utskrivbar elastisk eksoskjelett- og fottøykombinasjon kalt eksoskjelettfottøy (EF). EF hjelper til med push-off ved å bruke fjærer som etterligner ankel plantarflexor-krefter. Eksoskjeletter som hjelper fremdriften adresserer både myopati og problemer med lav blodstrøm forbundet med claudicatio. Mekanisk kraft fra EF kompenserer for utilstrekkelig muskelfremdriftskraft, samtidig som den reduserer blodstrømbehovet og muskelstresset forårsaket av iskemi. Et riktig utformet eksoskjelett vil sannsynligvis tillate pasienter med PAD å gå lenger uten smerte eller gå den avstanden som trengs for å fullføre daglige aktiviteter med mindre stress for det berørte beinet. Som et første skritt foreslår etterforskerne å bestemme effekten av EF på gangytelse, med fokus på hvordan ulike nivåer av EF-støtte bidrar til endringer i biologisk ankelmoment og kraft, energikostnader og oksygenering av kalvemuskel. Etterforskerne vil teste friske eldre voksne for å sikre og bekrefte komfort, lav risiko for skade på foten og leggen, og høyt potensial for bruk av utstyr hos pasienter med PAD.

EF vil deretter bli evaluert hos pasienter med PAD. Friske eldre individer velges ut for den innledende fasen av prosjektet fordi de, i likhet med pasienter med PAD, produserer mindre push-off dreiemoment og kraft under gange sammenlignet med friske unge; gjør dem til en passende modell for PAD-begrensninger. I tillegg, sammenlignet med pasienter med PAD, kan friske eldre tolerere lengre gangforsøk, som er nødvendige for å identifisere effektive enhetsparametere og har også en betydelig lavere risiko for å utvikle fot- og leggskader mens komforten og formen til EF vurderes og justeres til romme individer med forskjellige fot- og benmorfologier.

Hypotese: Gangytelsen vil forbedres med EF hos friske eldre og pasienter med PAD. Etterforskerne antar at det vil være et EF-hjelpsnivå for å tilfredsstille fagrapporterte preferanse- og gangprestasjoner.

Spesifikt mål 1: Å bestemme nivåene av EF assistansestyrke som gir bedre gangytelse hos eldre forsøkspersoner. Forbedringer i gangytelse vil bli vurdert ved å måle hvordan ulike nivåer av EF-assistanse bidrar til endringer i det biologiske ankelmomentet og kraften under push-off, energikostnaden ved å gå, og oksygenering av kalvemuskelen under gange.

Spesifikt mål 2: Å bestemme nivåene av EF-hjelpsstyrke som gir bedre fagrapportert preferanse i eldre fag. Preferanse vil bli målt ved hjelp av visuell-analoge skalaer, opplevd anstrengelse og smerte spørreskjemaer, og intervju-stil undersøkelser om aksept (tilfredshet, hensikt å bruke), etterspørsel (opplevd etterspørsel) og praktisk (effekter, evne til deltakere til å bruke EF).

Spesifikt mål 3: Å bestemme effekten av EF-assistansenivåer på gangytelse og fagrapportert preferanse hos pasienter med PAD. Resultatene fra mål 1 og 2 vil lede hjelpenivåene som er testet i dette målet.

Forskningsdesign og metoder Friske eldre vil bli evaluert under totalt syv tilstander i mål #1 og #2: fem forskjellige EF-stivhetsnivåer inkludert EF: Stivhet 1 (5,6 kN/m), EF-stivhet 2 (7,9 kN/m), EF stivhet 3 (10,5 kN/m), EF stivhet 4 (13,3 kN/m), EF stivhet 5 (17,2 kN/m), EF med frigjort fjær og en normal gangtilstand (ingen EF).

PAD-pasienter vil bli evaluert under fire tilstander i mål #3: to forskjellige EF-stivhetsnivåer, en tilstand der forsøkspersonene vil bære EF med en frakoblet fjær og en normal gangtilstand (ingen EF). Fjærstivhet vil bli justert som en funksjon av kroppsmasse for å gi et normalisert dreiemoment på tvers av motivene. Disse stivhetsnivåene ble valgt basert på tidligere forskningsarbeid med en lignende enhet hos friske unge individer. EF vil bli satt til å frigjøre våren med 42 % av skrittet. Økning i energikostnad ved stivhetsverdier over og under den optimale verdien vil være en indikator på at stivhetsnivåene er innenfor passende skala. Friske eldre voksne og pasienter med PAD vil bli testet for å bestemme effekten av EF assistansestyrke på gangytelse og energikostnader og fagrapportert preferanse med varierende EF assistansenivåer

Totalt 50 voksne i alderen 50 år og eldre fra Nebraska og Western Iowa Veterans Affairs Medical Center (VAMC) og det omkringliggende Omaha-samfunnet for å fullføre mål 1 og 2 vil bli rekruttert. Mål 3 vil inkludere 25 pasienter med PAD rekruttert fra VAMC.

Datainnsamlingsprotokoll for mål #1 og #2:

Gåing: Forsøkspersonene vil fullføre syv minutters gange med sin foretrukne ganghastighet på en instrumentert tredemølle (AMTI, Watertown, MA) mens kinetikk og kinematikk fanges ved 100 Hz med et digitalt bevegelsesfangstsystem med 17 kameraer (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp, Santa Rosa, CA). De tre minuttene med gange vil være for at forsøkspersonene skal venne seg til det nye assistansenivået i EF. Foretrukket ganghastighet vil bli bestemt før innsamling av data, og den vil holdes konsistent på tvers av de syv forholdene.

Forsøkspersonen vil også gå på flat mark under syv forskjellige forhold.

Muskeloksygenering: Bilateral gastrocnemius muskeloksygenering (StO2) vil bli målt ved bruk av kontinuerlig bølge nær infrarød spektroskopi (PortaMon, Artinis Medical System, Nederland) før, under og etter hver gangtilstand på tredemølle (beskrevet ovenfor).

Energikostnad: En bærbar metabolsk vogn vil bli brukt til å måle gassutveksling på pust-for-pust-basis, og gir et mål på oksygenforbruket under hver av de syv gåforholdene på tredemøllen.

Opplevd komfort og tretthet: En visuell analog skala vil bli brukt for å fange motivets oppfatning av komfort og tretthet etter hver tredemølle og flate underlag. Den visuelle analoge skalaen vil variere fra 0 (lav komfort; høy tretthet) til 10 (høy komfort; lav tretthet).

Frekvens for opplevd anstrengelse: Selvrapporterte oppfattede anstrengelsesverdier fra Borg Rate of Perceived Exertion-skalaen (6 (ingen anstrengelse) til 20 (maksimal anstrengelse)) vil bli registrert etter hver tilstand.

Datainnsamlingsprotokoll for mål #3:

Gangprestasjon og fagrapportert preferanse vil bli vurdert på samme måte som i mål 1 og 2, bortsett fra at tredemølle-gåtesten vil bli erstattet med tester for maksimal gangavstand (se beskrivelse nedenfor). Av denne grunn vil testingen bli delt inn i to dager, med to maksimale gangavstandstester fullført på hver dag. Forsøkspersonene vil hvile til alle claudicatio-smerter avtar mellom hver maksimal gangavstandstest. Forsøkspersonene vil fullføre testing av de samme resultatene (1-7 nedenfor) nøyaktig som beskrevet i mål 1 og 2 og maksimal gangtid (8 nedenfor). Maksimal gangtid er den beste indikatoren på implikasjonene av PAD på daglig gangevne og deltakelse i samfunnsaktiviteter.

Alle utfall fra den eldre personens protokoll vil bli vurdert for PAD-pasienter, inkludert 1) gange: På tredemølletesten vil biomekaniske variabler under null graders stigningsdelen av testen samles inn. Hviletid vil bli gitt mellom tilstandene etter behov for at claudicatio smerte skal avta.

2) Muskeloksygenering, 3) Energikostnad, 4) Opplevd komfort og tretthet, 5) Frekvens for opplevd anstrengelse, 6) Gjennomførbarhet.

To ytterligere utfall målt for PAD-pasientene vil være:

Opplevd smerte: Etter tilnærmingen til oppfattet komfort og tretthet, vil en visuell analog skala bli brukt for å fange forsøkspersonens oppfatning av smerte etter hver tilstand. Den visuelle analoge skalaen vil variere fra 0 (ingen smerte) til 10 (intens smerte) og vil bli vurdert etter hver EF-tilstand.

Klaudiseringsbegynnelse og toppgangtider: Gangevnen vil bli bestemt med en tredemølletest med progressiv belastning med innledende og maksimale claudicatiodistanser som utfall. Pasienter vil gå på en tredemølle som starter ved 0 % grad og 2,0 mph. Hvert annet minutt vil karakteren økes med 2 % opp til maksimalt 15 % karakter, og hastigheten holdes konstant gjennom hele testen. Den første avstanden som gikk før smertedebut (Claudication Onset Time - COT) og distansen pasientene gikk til testen måtte stoppes på grunn av smerte (Peak Walking Time -PWT) vil være utfallsmålene.