Alongamento de pernas usando um exoesqueleto sob demanda para pessoas com espasticidade

Pessoas com condições neurológicas, incluindo indivíduos com lesão do neurônio motor superior, apresentam déficits motores e sensoriais, fraqueza muscular, amplitude de movimento limitada, baixa capacidade de suporte de peso e equilíbrio prejudicado que limitam a deambulação e interferem na capacidade de realizar atividades da vida diária . Os robôs de reabilitação de membros inferiores podem ajudar na fisioterapia e aliviar o fardo de cuidadores e enfermeiras. Assim, o objetivo deste projeto é desenvolver tecnologia vestível e portátil para auxiliar o movimento e o alongamento das pernas e, consequentemente, ativar os músculos em pessoas com condições neurológicas que sofrem de espasticidade.

A espasticidade resulta do aumento do tônus ​​muscular e interfere na capacidade de usar funcionalmente a contração muscular voluntária para coordenação dos membros e amplitude de movimento, o que limita as transferências corporais, a deambulação e o exercício. A espasticidade grave ou intratável pode levar à perda de controle e equilíbrio corporal, resultando em quedas e lesões, lesão por pressão na pele, contraturas, dor, dificuldade para sentar na cadeira de rodas, além de outros problemas. Os tratamentos existentes para controlar a espasticidade e superar os déficits funcionais relacionados à espasticidade incluem medicamentos, neurocirurgia, vibração de corpo inteiro ou membro, fisioterapia, ciclismo passivo, estimulação elétrica funcional (FES), juntamente com outros métodos. No entanto, os medicamentos podem induzir efeitos colaterais significativos, incluindo sonolência, mal-estar, fraqueza muscular e dor (por exemplo, no local da injeção); além disso, sua eficácia é sensível a flutuações de dosagem. A neurocirurgia e a estimulação direta da medula espinhal podem tratar a espasticidade intratável ou focal, mas apresentam riscos cirúrgicos e seus benefícios a longo prazo variam entre os indivíduos.

O alongamento pode diminuir a excitabilidade dos neurônios motores, manter as propriedades viscoelásticas dos músculos e articulações, aliviar os espasmos musculares e melhorar a amplitude de movimento e a marcha; além disso, o alongamento pode ser combinado com medicamentos orais para controlar a espasticidade. O alongamento é realizado rotineiramente por terapeutas, enfermeiros e cuidadores para fornecer alongamento muscular ou preservar a amplitude de movimento nas articulações com efeitos adversos relativamente baixos. No entanto, fornecer alongamento manual confiável e sob demanda durante o dia e a noite impõe uma carga pesada aos cuidadores e enfermeiras, tanto em casa quanto nas instalações médicas. Portanto, existe uma necessidade crítica de desenvolver uma abordagem vestível para aplicar alongamento dinâmico sob demanda, seguro e personalizado para gerenciar a espasticidade após a LME, o que pode minimizar a sobrecarga dos cuidadores e enfermeiros.

Este projeto explora os recentes avanços tecnológicos em sensores vestíveis e exoesqueletos totalmente vestíveis com fator de forma e peso reduzidos, que não exploramos (nem desenvolvemos) em nossos protocolos de pesquisa anteriores na Universidade de Syracuse. Esses novos exoesqueletos vestíveis são roupas inteligentes que se adaptam ao corpo humano e fornecem assistência para as pernas em pessoas com fraqueza muscular ou hemiplegia. Os exoesqueletos leves têm o potencial de expandir a amplitude de tarefas e ambientes nos quais os exoesqueletos são usados. Portanto, este projeto apresenta um exoesqueleto leve e usável para auxiliar o movimento e o alongamento das pernas (por exemplo, visando pessoas com espasticidade) sob diferentes posturas (por exemplo, deitado em um colchonete ou cama, sentado em uma cadeira ou em uma cadeira de rodas).

O Objetivo 1 caracteriza o desempenho do dispositivo vestível e seu algoritmo de controle de circuito fechado para aplicar ajustes precisos para alongamento seguro e automático dos membros e movimento de articulações individuais (por exemplo, articulações isoladas enquanto sentado ou deitado em um colchonete). Os métodos neste objetivo incluem o seguinte: 1) projetar um algoritmo de controle para aplicar forças de perna seguras explorando a cinemática articular e dados de feedback inercial usando sensores vestíveis e 2) examinar a magnitude e o tempo das forças aplicadas nas articulações do quadril, joelho e tornozelo , e dedos dos pés. As tarefas de pesquisa neste objetivo permitirão a personalização das forças aplicadas entre os participantes.

O objetivo 2 expande a implementação do controlador de malha fechada do objetivo 1 para diferentes posturas corporais e atividades que envolvem controle multiarticular. Os participantes usam o dispositivo para experimentar as forças aplicadas pelo exoesqueleto vestível enquanto estão deitados em uma cama/tapete ou sentados. Como o dispositivo é totalmente vestível, ele serve como uma ferramenta poderosa para examinar o movimento e o alongamento dos membros de indivíduos com condições neurológicas e espasticidade. Assim, o dispositivo não está limitado a condições experimentais fixas/estacionárias.

O último objetivo coleta dados qualitativos de participantes, cuidadores, enfermeiros e médicos (se envolvidos) sobre a facilidade de uso e a satisfação de usar o dispositivo vestível. Questionários e pesquisas são usados ​​para coletar dados qualitativos. A facilidade de uso do dispositivo vestível é avaliada examinando se o protocolo pode ser implementado dentro da duração esperada, incluindo o tempo para vestir e retirar o exoesqueleto; além disso, será determinado se a adesão ao protocolo é alcançada para todos os participantes.

Projeto de Pesquisa - Metodologia

Um candidato para o estudo será solicitado a preencher um questionário de triagem por telefone ou pessoalmente para verificar a elegibilidade. Se o participante em potencial for elegível para se inscrever no estudo, o participante receberá mais informações sobre o processo de inscrição. O participante então preencherá um questionário demográfico e responderá a perguntas sobre saúde pessoal e funcionamento físico.

Cada visita ao laboratório pode levar até 2 horas (incluindo ajuste do dispositivo, aquecimento, procedimentos de teste, pausas para descanso, desmontagem do dispositivo e remoção dos eletrodos e sensores vestíveis).

Dados brutos serão coletados de sensores vestíveis, incluindo os seguintes: ângulos articulares, movimento 3D das pernas, eletromiografia muscular (EMG) e correntes do motor do dispositivo vestível. Os dados digitais registrados dos experimentos serão armazenados em .mat arquivos (ou .csv), protegido por senha. Não há espécimes biológicos coletados.

Os metadados serão aplicados a cada componente do conjunto de dados após a aquisição para garantir que os dados sejam preparados para o arquivamento adequado. Os metadados incluirão tipo, formato, data, hora, local de armazenamento e contexto dos dados. Os dados gerados durante este projeto usam formatos digitais convencionais, incluindo:

• MS Word, Power Point, Excel, Portable Data Format (PDF) e arquivos LaTeX (tex)
• Gráficos, figuras, tabelas, animações, vídeos de testes (jpeg, png, eps, arquivos mp4)
• Código incluindo arquivos MATLAB/Simulink, código C++ e arquivos de texto ASCII

Os registros de participação em papel serão mantidos em arquivos trancados no laboratório e/ou escritórios, e os dados digitais serão armazenados em computadores/servidores protegidos por senha ou dispositivos de armazenamento eletrônico criptografados nos escritórios e laboratórios da equipe de pesquisa dos PIs.