Экзоскелетная обувь для улучшения ходьбы

Перемежающаяся хромота из-за заболевания периферических артерий (ЗПА) заставляет пациентов меньше и медленнее ходить, терять независимость в повседневной жизни и вести малоподвижный образ жизни по сравнению со своими здоровыми коллегами. Исследование исследователей выявило функциональные ограничения при ходьбе у пациентов с хромотой. Наиболее заметный и постоянный дефицит наблюдается в задних мышцах голени, подошвенных сгибателях голеностопного сустава, которые генерируют здоровый крутящий момент и силу голеностопного сустава во время ходьбы. Предыдущая работа в исследовательской лаборатории установила, что эти функциональные дефициты связаны с наличием миопатии в ногах у пациентов с ЗПА, которая характеризуется дегенерацией мышечных волокон и мышечным фиброзом. Вмешательство, которое компенсирует нарушение физиологии и работоспособности мышц, необходимо для улучшения способности ходить и независимости у пациентов с ЗПА.

Долгосрочной целью этого проекта является улучшение качества жизни пациентов с ЗПА с помощью вспомогательных экзоскелетов. В настоящее время существует критический пробел в лечении тех пациентов с ЗПА, у которых клиническая картина заболевания не требует оперативной реваскуляризации (на основе анализа соотношения риска и пользы, учитывающего множество факторов, включая тяжесть заболевания, сопутствующие заболевания и операционный риск), но которые желают восстановить способность ходить. способность и независимость. Недавно были внедрены ортезы для голеностопного сустава, чтобы уменьшить потребность в биологическом крутящем моменте подошвенного сгибателя голеностопного сустава и компенсировать дефицит мощности. Биологический крутящий момент/мощность голеностопного сустава представляет собой крутящий момент/мощность, генерируемый мышцами подошвенного сгибателя, помимо того, что обеспечивается вспомогательным устройством. Исследователи разработали легкую и недорогую комбинацию эластичного экзоскелета и обуви для 3D-печати, называемую экзоскелетной обувью (EF). EF помогает оттолкнуться за счет использования пружин, которые имитируют силу подошвенного сгибателя голеностопного сустава. Экзоскелеты, которые помогают двигаться вперед, решают как миопатию, так и проблемы с низким кровотоком, связанные с хромотой. Механическая сила от EF компенсирует недостаточную мышечную движущую силу, уменьшая при этом потребность в кровотоке и мышечный стресс, вызванный ишемией. Правильно спроектированный экзоскелет, скорее всего, позволит пациентам с ЗПА дольше ходить без боли или проходить расстояние, необходимое для выполнения повседневных действий, с меньшей нагрузкой на пораженную ногу. В качестве первого шага исследователи предлагают определить влияние EF на производительность при ходьбе, сосредоточив внимание на том, как различные уровни поддержки EF способствуют изменениям биологического крутящего момента и силы голеностопного сустава, затрат энергии и оксигенации икроножных мышц. Исследователи будут тестировать здоровых пожилых людей, чтобы обеспечить и подтвердить комфорт, низкий риск травм стопы и голени и высокий потенциал использования устройств у пациентов с ЗПА.

Затем ФВ будет оцениваться у пациентов с ЗПА. Здоровые пожилые люди отбираются для начальной фазы проекта, потому что, как и пациенты с ЗПА, они производят меньший крутящий момент и мощность при ходьбе по сравнению со здоровыми молодыми людьми; что делает их подходящей моделью для ограничений PAD. Кроме того, по сравнению с пациентами с ЗПА, здоровые пожилые люди могут переносить более длительные испытания ходьбы, которые необходимы для определения эффективных параметров устройства, а также имеют значительно меньший риск развития травм стопы и голени, в то время как удобство и форма ЭФ оцениваются и корректируются подходит для людей с различной морфологией стопы и ноги.

Гипотеза: способность к ходьбе улучшится с ФВ у здоровых пожилых людей и пациентов с ЗПА. Исследователи предполагают, что уровень помощи EF будет соответствовать заявленным субъектам предпочтениям и целям производительности при ходьбе.

Конкретная цель 1: Определить уровни вспомогательной силы УФ, которые улучшают ходьбу у пожилых людей. Улучшения в ходьбе будут оцениваться путем измерения того, как различные уровни помощи EF способствуют изменениям биологического крутящего момента и силы голеностопного сустава во время отталкивания, затрат энергии на ходьбу и оксигенации икроножных мышц во время ходьбы.

Конкретная цель 2: Определить уровни силы помощи УФ, которые обеспечивают лучшее предпочтение, о котором сообщают субъекты, у пожилых субъектов. Предпочтение будет измеряться с использованием визуально-аналоговых шкал, опросников воспринимаемой нагрузки и боли, а также опросов в стиле интервью о приемлемости (удовлетворенность, намерение использовать), спросе (воспринимаемом спросе) и практичности (эффектах, способности участников использовать EF).

Конкретная цель 3: определить влияние уровней помощи EF на ходьбу и предпочтения пациентов с ЗПА. Результаты Целей 1 и 2 будут определять уровни помощи, протестированные для этой цели.

Дизайн и методы исследования Здоровые пожилые люди будут оцениваться в общей сложности по семи состояниям в целях № 1 и № 2: пять различных уровней жесткости EF, включая EF: жесткость 1 (5,6 кН/м), жесткость EF 2 (7,9 кН/м), EF Жесткость 3 (10,5 кН/м), EF Жесткость 4 (13,3 кН/м), EF Жесткость 5 (17,2 кН/м), EF с отключенной пружиной и одним нормальным состоянием ходьбы (без EF).

Пациенты с ЗПА будут оцениваться в четырех состояниях в Задаче № 3: два разных уровня жесткости EF, одно состояние, при котором испытуемые будут носить EF с расцепленной пружиной, и одно состояние нормальной ходьбы (без EF). Жесткость пружины будет регулироваться в зависимости от массы тела, чтобы обеспечить нормированный входной крутящий момент для субъектов. Эти уровни жесткости были выбраны на основе предыдущей исследовательской работы с использованием аналогичного устройства у здоровых молодых людей. EF будет настроен на выпуск пружины при 42% шага. Увеличение затрат энергии при значениях жесткости выше и ниже оптимального значения будет индикатором того, что уровни жесткости находятся в пределах соответствующей шкалы. Здоровые пожилые люди и пациенты с ЗПА будут протестированы для определения влияния вспомогательной силы EF на эффективность ходьбы и затраты энергии, а также предпочтения участников при различных уровнях помощи EF.

В общей сложности 50 взрослых в возрасте 50 лет и старше из Медицинского центра по делам ветеранов штата Небраска и Западной Айовы (VAMC) и окружающего сообщества Омахи будут набраны для выполнения задач 1 и 2. Цель 3 будет включать 25 пациентов с ЗПА, набранных из VAMC.

Протокол сбора данных для целей №1 и №2:

Ходьба: испытуемые выполнят семиминутную ходьбу с предпочтительной для них скоростью ходьбы на беговой дорожке с приборами (AMTI, Watertown, MA), в то время как кинетика и кинематика фиксируются с частотой 100 Гц с помощью цифровой системы захвата движения с 17 камерами (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp., Санта-Роза, Калифорния). Три минуты ходьбы предназначены для того, чтобы испытуемые привыкли к новому уровню помощи в EF. Предпочтительная скорость ходьбы будет определена до сбора каких-либо данных и будет поддерживаться последовательной во всех семи условиях.

Субъект также будет ходить по ровной поверхности в семи различных условиях.

Оксигенация мышц: двусторонняя оксигенация икроножных мышц (StO2) будет измеряться с помощью непрерывной спектроскопии в ближней инфракрасной области (PortaMon, Artinis Medical System, Нидерланды) до, во время и после каждого состояния ходьбы на беговой дорожке (описано выше).

Энергозатраты: Портативная метаболическая тележка будет использоваться для измерения газообмена на основе дыхания, обеспечивая измерение потребления кислорода во время каждого из семи условий ходьбы на беговой дорожке.

Восприятие комфорта и усталости: визуальная аналоговая шкала будет использоваться для фиксации восприятия субъектами комфорта и усталости после каждой беговой дорожки и состояния ровной поверхности. Визуальная аналоговая шкала будет варьироваться от 0 (низкий комфорт; высокая утомляемость) до 10 (высокий комфорт; низкая утомляемость).

Уровень воспринимаемой нагрузки: Самооценка значений воспринимаемой нагрузки по шкале оценки воспринимаемой нагрузки Борга (от 6 (отсутствие нагрузки) до 20 (максимальная нагрузка)) будет записываться после каждого состояния.

Протокол сбора данных для целей № 3:

Эффективность ходьбы и предпочтения, о которых сообщают субъекты, будут оцениваться таким же образом, как и в целях 1 и 2, за исключением того, что тест ходьбы на беговой дорожке будет заменен тестами на максимальное расстояние ходьбы (см. описание ниже). По этой причине тестирование будет разделено на два дня, при этом каждый день будет проводиться два теста на максимальное расстояние ходьбы. Субъекты будут отдыхать до тех пор, пока любая боль, связанная с перемежающейся хромотой, не утихнет между каждым тестом на максимальное расстояние ходьбы. Субъекты завершат тестирование с теми же результатами (1-7 ниже), точно так же, как описано в целях 1 и 2 и максимальном времени ходьбы (8 ниже). Максимальное время ходьбы является лучшим индикатором влияния ЗПА на ежедневную способность ходить и участие в общественной деятельности.

Все результаты из протокола старшего субъекта будут оцениваться для пациентов с ЗПА, включая 1) ходьбу: в тесте на беговой дорожке будут собираться биомеханические переменные во время части теста с нулевым наклоном. Между состояниями будет дано время отдыха, необходимое для уменьшения боли при перемежающейся хромоте.

2) Насыщение мышц кислородом, 3) Стоимость энергии, 4) Воспринимаемый комфорт и усталость, 5) Степень воспринимаемой нагрузки, 6) Выполнимость.

Двумя дополнительными результатами, измеряемыми для пациентов с ЗПА, будут:

Воспринимаемая боль: в соответствии с подходом к воспринимаемому комфорту и усталости будет использоваться визуальная аналоговая шкала для фиксации восприятия боли субъектами после каждого состояния. Визуальная аналоговая шкала будет варьироваться от 0 (нет боли) до 10 (сильная боль) и будет оцениваться после каждого состояния EF.

Начало хромоты и пиковое время ходьбы. Способность к ходьбе будет определяться с помощью теста на беговой дорожке с прогрессивной нагрузкой, в качестве результатов которого будут использоваться начальное и максимальное расстояние хромоты. Пациенты будут ходить по беговой дорожке, которая начинается с уклона 0% и скорости 2,0 мили в час. Каждые две минуты оценка будет увеличиваться на 2 %, максимум до 15 %, а скорость будет оставаться неизменной на протяжении всего теста. Начальное расстояние, пройденное до появления боли (время начала хромоты - COT), и расстояние, пройденное пациентами до того, как испытание пришлось прекратить из-за боли (пиковое время ходьбы -PWT), будут мерами результата.