Obuwie egzoszkieletowe poprawiające chodzenie

Chromanie spowodowane chorobą tętnic obwodowych (PAD) powoduje, że pacjenci chodzą mniej i wolniej, tracą niezależność w codziennych czynnościach i prowadzą siedzący tryb życia w porównaniu ze zdrowymi rówieśnikami. Badania badaczy zidentyfikowały funkcjonalne ograniczenia we wzorcach chodzenia pacjentów z chromaniem przestankowym. Najbardziej widocznym i stałym deficytem są tylne mięśnie łydek, zginacze podeszwowe kostki, które generują prawidłowy moment obrotowy i moc kostki podczas chodzenia. Wcześniejsze prace w laboratorium badaczy wykazały, że te deficyty funkcjonalne są związane z obecnością miopatii w nogach pacjentów z PAD, która charakteryzuje się degeneracją włókien mięśniowych i zwłóknieniem mięśni. Aby poprawić zdolność chodzenia i niezależność u pacjentów z PAD, potrzebna jest interwencja, która kompensuje upośledzoną fizjologię i wydajność mięśni.

Długoterminowym celem tego projektu jest poprawa jakości życia pacjentów z PAD poprzez zastosowanie wspomagających egzoszkieletów. Obecnie istnieje krytyczna luka w leczeniu tych pacjentów z PAD, u których objawy choroby nie uzasadniają rewaskularyzacji operacyjnej (na podstawie analizy stosunku korzyści do ryzyka uwzględniającej wiele czynników, w tym ciężkość choroby, choroby współistniejące i ryzyko operacyjne), ale którzy pragną odzyskać zdolność chodzenia zdolność i samodzielność. Ostatnio wprowadzono ortezy stawu skokowo-stopowego, aby zmniejszyć zapotrzebowanie na biologiczny moment zginacza podeszwowego stawu skokowego i zrekompensować niedobór mocy. Biologiczny moment obrotowy/moc kostki to moment obrotowy/moc generowana przez mięśnie zginaczy podeszwowych oprócz tej zapewnianej przez urządzenie wspomagające. Badacze opracowali lekką i niedrogą kombinację elastycznego egzoszkieletu i obuwia do druku 3D, zwaną egzoszkieletem (EF). EF wspomaga odpychanie za pomocą sprężyn, które naśladują siły zginacza podeszwowego kostki. Egzoszkielety, które wspomagają napęd, rozwiązują zarówno miopatię, jak i problemy z niskim przepływem krwi związane z chromaniem. Siła mechaniczna z EF kompensuje niewystarczającą siłę napędową mięśni, jednocześnie zmniejszając zapotrzebowanie na przepływ krwi i napięcie mięśni spowodowane niedokrwieniem. Prawidłowo zaprojektowany egzoszkielet prawdopodobnie pozwoli pacjentom z PAD na dłuższe chodzenie bez bólu lub pokonanie dystansu potrzebnego do wykonywania codziennych czynności przy mniejszym obciążeniu dotkniętej chorobą nogi. Jako pierwszy krok badacze proponują określenie wpływu EF na wydajność chodu, skupiając się na tym, jak różne poziomy wspomagania EF przyczyniają się do zmian biologicznego momentu obrotowego i mocy stawu skokowego, kosztu energii i natlenienia mięśni łydek. Badacze przetestują zdrowych starszych dorosłych, aby zapewnić i potwierdzić komfort, niskie ryzyko urazu stopy i łydki oraz duży potencjał przyjęcia urządzenia u pacjentów z PAD.

Następnie EF zostanie oceniona u pacjentów z PAD. Zdrowe osoby starsze są wybierane do początkowej fazy projektu, ponieważ, podobnie jak pacjenci z PAD, wytwarzają mniejszy moment obrotowy i siłę odpychającą podczas chodzenia w porównaniu ze zdrowymi młodymi; co czyni je odpowiednim modelem dla ograniczeń PAD. Ponadto, w porównaniu z pacjentami z PAD, zdrowi starsi ludzie mogą tolerować dłuższe próby marszu, które są niezbędne do określenia skutecznych parametrów urządzenia, a także mają znacznie mniejsze ryzyko urazów stopy i łydek, podczas gdy komfort i kształt EF są oceniane i dostosowywane do pomieścić osoby o różnych morfologiach stóp i nóg.

Hipoteza: Wydajność chodu poprawi się wraz z EF u zdrowych starszych pacjentów i pacjentów z PAD. Badacze stawiają hipotezę, że poziom wspomagania EF będzie spełniał zgłaszane przez badanego preferencje i cele związane z chodzeniem.

Cel szczegółowy 1: Określenie poziomów siły wspomagającej EF, które zapewniają lepszą wydajność chodu u osób starszych. Poprawa wydajności chodu zostanie oceniona poprzez pomiar, w jaki sposób różne poziomy wspomagania EF przyczyniają się do zmian biologicznego momentu obrotowego kostki i mocy podczas odpychania, kosztu energetycznego chodzenia oraz natlenienia mięśni łydek podczas chodzenia.

Cel szczegółowy 2: Określenie poziomów siły wspomagającej EF, które dają lepsze zgłaszane przez badanych preferencje u starszych osób. Preferencje będą mierzone za pomocą skal wizualno-analogowych, kwestionariuszy postrzegania wysiłku i bólu oraz ankiet w stylu wywiadu dotyczących akceptowalności (zadowolenia, zamiaru użycia), zapotrzebowania (postrzeganego zapotrzebowania) i praktyczności (efekty, zdolność uczestników do korzystania z EF).

Cel szczegółowy 3: Określenie wpływu poziomów wspomagania EF na wydajność chodu i preferencje zgłaszane przez pacjentów u pacjentów z PAD. Wyniki Celów 1 i 2 będą kierować poziomami pomocy testowanymi w tym celu.

Projekt i metody badawcze Zdrowe osoby starsze zostaną ocenione łącznie w siedmiu warunkach w Celach #1 i #2: pięć różnych poziomów sztywności EF, w tym EF: Sztywność 1 (5,6 kN/m), Sztywność EF 2 (7,9 kN/m), EF Sztywność 3 (10,5 kN/m), EF Sztywność 4 (13,3 kN/m), EF Sztywność 5 (17,2 kN/m), EF z odłączoną sprężyną i jednym normalnym stanem chodzenia (brak EF).

Pacjenci z PAD będą oceniani w czterech warunkach w Celu nr 3: dwa różne poziomy sztywności EF, jeden stan, w którym badani będą nosić EF z odłączoną sprężyną i jeden normalny stan chodzenia (brak EF). Sztywność sprężyny zostanie dostosowana jako funkcja masy ciała, aby zapewnić znormalizowany moment obrotowy dla wszystkich badanych. Te poziomy sztywności zostały wybrane na podstawie wcześniejszych prac badawczych z użyciem podobnego urządzenia u zdrowych, młodych osób. EF zostanie ustawione tak, aby zwolnić sprężynę przy 42% kroku. Wzrost kosztów energii przy wartościach sztywności powyżej i poniżej wartości optymalnej będzie wskaźnikiem, czy poziomy sztywności mieszczą się w odpowiedniej skali. Zdrowi starsi dorośli i pacjenci z PAD zostaną przetestowani w celu określenia wpływu siły wspomagania EF na wydajność chodu i koszt energii oraz zgłaszane przez pacjentów preferencje przy różnych poziomach wspomagania EF

Łącznie 50 osób dorosłych w wieku 50 lat i starszych z Nebraski i Western Iowa Veterans Affairs Medical Center (VAMC) oraz okolicznej społeczności Omaha zostanie zrekrutowanych do wypełnienia Celów 1 i 2. Cel 3 obejmie 25 pacjentów z PAD rekrutowanych z VAMC.

Protokół zbierania danych dla celów nr 1 i nr 2:

Chodzenie: Badani ukończą siedem minut marszu z preferowaną przez siebie prędkością na bieżni oprzyrządowanej (AMTI, Watertown, MA), podczas gdy kinetyka i kinematyka są rejestrowane przy częstotliwości 100 Hz za pomocą 17-kamerowego cyfrowego systemu przechwytywania ruchu (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp, Santa Rosa, Kalifornia). Trzy minuty marszu będą przeznaczone na przyzwyczajenie się badanych do nowego poziomu wspomagania w EF. Preferowana prędkość chodzenia zostanie określona przed zebraniem jakichkolwiek danych i będzie utrzymywana na stałym poziomie we wszystkich siedmiu warunkach.

Tester będzie również chodził po płaskim terenie w siedmiu różnych warunkach.

Natlenienie mięśni: Natlenienie obustronnych mięśni brzuchatych łydek (StO2) będzie mierzone za pomocą spektroskopii fal ciągłych w bliskiej podczerwieni (PortaMon, Artinis Medical System, Holandia) przed, w trakcie i po każdym stanie chodzenia na bieżni (opisanym powyżej).

Koszt energii: Przenośny wózek metaboliczny będzie używany do pomiaru wymiany gazowej na zasadzie oddech po oddechu, dostarczając miarę zużycia tlenu podczas każdego z siedmiu warunków marszu na bieżni.

Postrzegany komfort i zmęczenie: wizualna skala analogowa zostanie wykorzystana do uchwycenia postrzegania przez badanych komfortu i zmęczenia po każdej bieżni i płaskim podłożu. Wizualna skala analogowa będzie się mieścić w zakresie od 0 (niski komfort; duże zmęczenie) do 10 (wysoki komfort; małe zmęczenie).

Tempo odczuwanego wysiłku: Zgłaszane przez samych siebie wartości postrzeganego wysiłku ze skali Borg Rate of Perceived Exertion (od 6 (brak wysiłku) do 20 (maksymalny wysiłek)) będą rejestrowane po każdym stanie.

Protokół zbierania danych dla celów nr 3:

Wydajność chodu i preferencje zgłaszane przez badanego zostaną ocenione w ten sam sposób, jak w Celach 1 i 2, z wyjątkiem tego, że test marszu na bieżni zostanie zastąpiony testami maksymalnego dystansu marszu (patrz opis poniżej). Z tego powodu testy zostaną podzielone na dwa dni, z dwoma testami maksymalnego dystansu marszu każdego dnia. Badani będą odpoczywać, dopóki ból chromania ustąpi między każdym testem maksymalnego dystansu marszu. Badani ukończą testowanie tych samych wyników (1-7 poniżej) dokładnie tak, jak opisano w Celach 1 i 2 oraz maksymalnym czasie marszu (8 poniżej). Maksymalny czas marszu jest najlepszym wskaźnikiem wpływu PAD na zdolność codziennego chodzenia i uczestnictwo w zajęciach społecznych.

Wszystkie wyniki z protokołu starszego pacjenta zostaną ocenione dla pacjentów z PAD, w tym 1) chodzenie: W teście na bieżni zostaną zebrane zmienne biomechaniczne podczas części testu o zerowym nachyleniu. Czas odpoczynku zostanie podany między warunkami, jeśli jest to konieczne, aby ustąpił ból chromania.

2) Natlenienie mięśni, 3) Koszt energii, 4) Odczuwany komfort i zmęczenie, 5) Tempo odczuwanego wysiłku, 6) Wykonalność.

Dwa dodatkowe wyniki mierzone u pacjentów z PAD to:

Odczuwany ból: Podążając za podejściem do postrzeganego komfortu i zmęczenia, wizualna skala analogowa zostanie wykorzystana do uchwycenia postrzegania bólu przez badanych po każdym stanie. Wizualna skala analogowa będzie się mieścić w zakresie od 0 (brak bólu) do 10 (intensywny ból) i będzie oceniana po każdym stanie EF.

Początek chromania i szczytowe czasy chodu: Zdolność chodu zostanie określona za pomocą testu na bieżni z progresywnym obciążeniem, którego wynikiem będzie odległość początkowa i maksymalna chromania. Pacjenci będą chodzić po bieżni, która zaczyna się od nachylenia 0% i prędkości 2,0 mil na godzinę. Co dwie minuty nachylenie będzie wzrastać o 2% do maksymalnie 15%, a prędkość będzie utrzymywana na stałym poziomie przez cały czas trwania testu. Początkowy dystans przebyty przed wystąpieniem bólu (czas wystąpienia chromania – COT) oraz dystans, jaki pacjenci przeszli do momentu przerwania badania z powodu bólu (szczytowy czas chodzenia – PWT) będą miarami wyniku.