Растяжка ног с использованием экзоскелета по требованию для людей со спастичностью

Люди с неврологическими заболеваниями, в том числе люди с повреждением верхнего двигательного нейрона, испытывают моторные и сенсорные дефициты, мышечную слабость, ограниченный диапазон движений, низкую грузоподъемность и нарушение равновесия, которые ограничивают передвижение и мешают способности выполнять повседневные действия. . Роботы для реабилитации нижних конечностей могут помочь с физиотерапией и облегчить нагрузку на лиц, осуществляющих уход, и медсестер. Таким образом, цель этого проекта — разработать носимые и портативные технологии, помогающие двигать ногами и растягивать их, и соответственно активировать мышцы у людей с неврологическими заболеваниями, которые испытывают спастичность.

Спастичность возникает в результате повышенного мышечного тонуса и мешает способности функционально использовать произвольное сокращение мышц для координации конечностей и диапазона движений, что ограничивает перемещение тела, передвижение и физические упражнения. Тяжелая или трудноизлечимая спастичность может привести к потере контроля над телом и равновесия, что приводит к падениям и травмам, пролежням кожи, контрактурам, болям, трудностям при посадке в инвалидном кресле, а также к другим проблемам. Существующие методы лечения спастичности и преодоления функционального дефицита, связанного со спастичностью, включают медикаментозное лечение, нейрохирургию, вибрацию всего тела или конечностей, физиотерапию, пассивную езду на велосипеде, функциональную электрическую стимуляцию (ФЭС) и другие методы. Однако лекарства могут вызывать серьезные побочные эффекты, включая сонливость, недомогание, мышечную слабость и боль (например, в месте инъекции); кроме того, их эффективность чувствительна к колебаниям дозировки. Нейрохирургия и прямая стимуляция спинного мозга могут лечить трудноизлечимую или очаговую спастичность, но они сопряжены с хирургическим риском, и их долгосрочные преимущества различаются у разных людей.

Растяжка может снизить возбудимость двигательных нейронов, сохранить вязкоупругие свойства мышц и суставов, облегчить мышечные спазмы и улучшить диапазон движений и функцию походки; кроме того, растяжку можно сочетать с пероральными препаратами для лечения спастичности. Растяжка обычно выполняется терапевтами, медсестрами и лицами, осуществляющими уход, чтобы обеспечить растяжение мышц или сохранить диапазон движений в суставах с относительно низкими побочными эффектами. Однако обеспечение надежного ручного растяжения конечностей по запросу в течение дня и ночи ложится тяжелым бременем на лиц, осуществляющих уход, и медсестер как дома, так и в медицинских учреждениях. Следовательно, существует острая необходимость в разработке носимого подхода к применению безопасного и индивидуального динамического растяжения по запросу для лечения спастичности после ТСМ, что может минимизировать нагрузку на лиц, осуществляющих уход, и медсестер.

В этом проекте используются последние технологические достижения в области носимых датчиков и полностью носимых экзоскелетов с уменьшенным форм-фактором и весом, которые мы не использовали (и не разрабатывали) в наших предыдущих исследовательских протоколах в Сиракузском университете. Эти новые носимые экзоскелеты представляют собой умную одежду, которая соответствует человеческому телу и обеспечивает поддержку ног людям с мышечной слабостью или гемиплегией. Легкие экзоскелеты могут расширить спектр задач и сред, для которых используются экзоскелеты. Таким образом, в этом проекте представлен легкий носимый экзоскелет, который помогает двигать ногами и растягиваться (например, для людей со спастичностью) в различных позах (например, лежа на коврике или кровати, сидя на стуле или в инвалидной коляске).

Цель 1 характеризует производительность носимого устройства и его алгоритм управления с обратной связью для применения точных настроек для безопасного автоматического растяжения конечностей и движения отдельных суставов (например, суставов изолированно, сидя или лежа на коврике). Методы для достижения этой цели включают следующее: 1) разработка алгоритма управления для приложения безопасных сил ног с использованием кинематики суставов и данных инерционной обратной связи с использованием носимых датчиков и 2) изучение величины и времени приложения сил к тазобедренному, коленному и голеностопному суставам. , и пальцы ног. Исследовательские задачи в этой цели позволят настроить приложенные силы для участников.

Цель 2 расширяет реализацию контроллера с обратной связью от Цели 1 до различных поз тела и действий, которые включают многосуставное управление. Участники надевают устройство, чтобы испытать силы, прилагаемые носимым экзоскелетом, лежа на кровати/мате или сидя. Поскольку устройство полностью пригодно для ношения, оно служит мощным инструментом для исследования движения и растяжения конечностей у людей с неврологическими заболеваниями и спастичностью. Таким образом, устройство не ограничено фиксированными/стационарными экспериментальными условиями.

Последняя цель заключается в сборе качественных данных от участников, опекунов, медсестер и клиницистов (если они задействованы) о простоте использования и удовлетворенности от использования носимого устройства. Анкеты и опросы используются для сбора качественных данных. Простота использования носимого устройства оценивается путем проверки того, может ли протокол быть реализован в течение ожидаемой продолжительности, включая время надевания и снятия экзоскелета; далее будет определено, будет ли достигнуто соблюдение протокола для всех участников.

Дизайн исследования – методология

Кандидату на участие в исследовании будет предложено заполнить Отборочную анкету по телефону или лично, чтобы проверить соответствие требованиям. Если потенциальный участник имеет право на участие в исследовании, он получит дополнительную информацию о процессе регистрации. Затем участник заполнит демографический опросник и ответит на вопросы о личном здоровье и физическом функционировании.

Каждый визит в лабораторию может занять до 2 часов (включая установку устройства, прогрев, процедуры тестирования, перерывы на отдых, снятие устройства и снятие электродов и носимых датчиков).

Необработанные данные будут собираться с носимых датчиков, включая следующее: углы суставов, трехмерное движение ног, электромиографию мышц (ЭМГ) и двигательные токи с носимого устройства. Цифровые данные, записанные в ходе экспериментов, будут храниться в формате .mat. файлы (или .csv), Пароль защищен. Биологические образцы не собираются.

Метаданные будут применяться к каждому компоненту набора данных после получения, чтобы обеспечить подготовку данных для надлежащего архивирования. Метаданные будут включать тип, формат, дату, время, место хранения и контекст данных. Данные, созданные в ходе этого проекта, используют обычные цифровые форматы, включая:

• Файлы MS Word, Power Point, Excel, Portable Data Format (PDF) и LaTeX (tex)
• Графика, рисунки, таблицы, анимации, видео с тестов (файлы jpeg, png, eps, mp4)
• Код, включающий файлы MATLAB/Simulink, код C++ и текстовые файлы ASCII.

Бумажные записи об участии будут храниться в закрытых картотеках в лаборатории и/или офисах, а цифровые данные будут храниться на защищенных паролем компьютерах/серверах или зашифрованных электронных устройствах хранения в офисах и лабораториях исследовательской группы ИП.