Interaktiv exoskelettrobot för promenader

Stroke orsakas av intrakraniell blödning eller trombos, som stänger av artärtillförseln till hjärnvävnaden och vanligtvis skadar det centrala nervsystemets motorvägar som påverkar ena sidan av kroppen. Minskad nedåtgående neural drift till den drabbade sidan kan leda till hemiplegi, vilket signifikant påverkar aktiviteten i det dagliga livet (ADL) för strokeöverlevande (Singam, Ytterberg, Tham & von Koch, 2015). Medan den motoriska försämringen av de övre extremiteterna skulle kunna kompenseras genom att använda den kontralaterala sidan för att plocka upp eller manipulera föremål, skulle förlusten av motorisk funktionalitet på den nedre extremiteten avsevärt begränsa rörligheten och kroppsbalansen. Många strokeöverlevande är beroende av gånghjälpmedel eller manuellt stöd från vårdgivare för att stå och gå, annars skulle de ha stor risk att falla med allvarliga konsekvenser (Tasseel-Ponche, Yelnik & Bonan, 2015).

Nyligen genomförda studier tyder på att strokepatienter kan lära om gångförmågan genom att utveckla alternativa neurala kretsar genom en långvarig anpassningsprocess, känd som neuroplasticitet. Högintensiv, repetitiv och uppgiftsspecifik gångträning är nyckeln till att förbättra gångåterhämtning hos patienter med hemiplegisk stroke (Kreisei, Hennerici & Bäzner, 2007; Kleim & Jones, 2008). Utvecklingen av robotunderstödda exoskelettanordningar för nedre extremiteter har stor klinisk potential inom strokerehabilitering. Många exoskelettrobotar i nedre extremiteter är kliniskt tillgängliga för icke-ambulatoriska strokepatienter för att träna på att gå med passiv assistans på kroppsviktstödd löpbandsträning (BWSTT) (Morone, et al., 2017).

Befintlig robotassisterad gångträning (RAGT) såsom Lokomat och elektromekanisk gångtränare ger automatisk, rytmisk och repetitiv krafthjälp till stora leder i underbenen vid höfter och knän bilateralt (Poli, Morone, Rosati & Masiero, 2013). Storskaliga randomiserade kontrollerade studier (RCT) av dessa RAGT i kombination med konventionella terapier visar signifikant fler kroniska strokepatienter förbättrat funktionellt gångoberoende och ADL än som enbart får konventionell terapi (Pohl, et al., 2007; Schwartz, et al., 2009 ; Hidler, et al., 2009; Mehrholz, et al., 2013). Hesse, Schmidt, Werner & Bardeleben (2003) menar dock att integreringen av robotar i gångrehabilitering bara kan vara ett hjälpverktyg för terapeuter för att förbättra träningsintensiteten och säkerheten utan att öka deras arbetsbelastning. De flesta kliniskt tillgängliga RAGT är bundna till löpband med passiv assistans (van Peppen, et al., 2004; Morone, et al., 2017), men forskning visar att uppgiftsvariationer och aktivt deltagande i gångträning kan förbättra retentionen av nyinlärda färdigheter och skulle kunna främja generalisering av träningseffekter (Salbach, et al., 2004; Kwon, Woo, Lee & Kim, 2015). Bärbar RAGT som tillåter aktiv gångträning över marken skulle vara mer lovande speciellt för ambulatoriska strokepatienter.

Robotassisterad fotledsortos (AFO) och knästöd är goda kandidater för bärbara exoskelettenheter för RAGT hos patienter med hemiplegiska stroke (Duerinck, et al., 2012; Zhang, Davies & Xie, 2013; Mehrholz, et al., 2017) . Konventionell AFO är huvudsakligen designad för behandling av fotfallsavvikelser med passivt stöd vid ankeldorsalflexion för fotavstånd i svängfas och stötdämpning vid belastningsrespons. Konventionell knästöd är främst designad för kroppsstöd i ställningsfasen. Integreringen av robotassistans i den drabbade ankel- och/eller knäleden skulle kunna ge aktiv kraftassistans som synkroniseras med patienternas frivilliga kvarvarande fotled och/eller knärörelse. Långsiktig aktiv kraftassistans kan stimulera upplevelsedriven gångåterhämtning eller utveckla kompenserande gångmönster för att underlätta gång (Kleim & Jones, 2008).

För att översätta forskning om robotrehabilitering till klinisk tillämpning bör evidensbaserad klinisk forskning utföras för att testa säkerheten och effektiviteten hos de nya anordningarna eller interventionerna på strokepatienter (Backus, Winchester & Tefertiller, 2010). Många konstruktioner av robotassisterad AFO och knästöd har föreslagits av olika forskargrupper, men de flesta av dem rapporterade endast resultaten av genomförbarhetstester, främst på friska försökspersoner med små provstorlekar (Dollar & Herr, 2008; Shorter, et al. , 2013; Alam, Choudhury & Bin Mamat, 2014). Majoriteten av tidigare studier bekymrade sig om de omedelbara effekterna av att bära robotstödda AFO:er och knästöd under gång, men få studier undersökte de långsiktiga terapeutiska effekterna av att bära enheterna för RAGT hos strokepatienter (Lo, 2012). I synnerhet systematisk granskning av Mehrholz, et al. (2017) visar att endast en RCT har utvärderat effektiviteten av fotledsträning med robotassisterad AFO men i sittande läge, ingen RCT utvärderad gångträning med robotassisterad AFO vid både gång över marken och trappsteg.

I denna studie har Exoskeleton Ankel Robot och Knee Robot föreslagits och utvärderats som en robotassisterad AFO och knästöd för gångträning av strokepatienter med fotfallsavvikelse. Klinisk tillämpning av robotassisterad AFO och knästöd på strokepatienter måste övervinna några viktiga utmaningar, såsom att minska viktbelastningen på benet och att uppnå bärbarhet och anpassningsförmåga till olika gångmiljöer. Exoskeleton Ankel Robot and Knee Brace syftar till: (1) att ge synkroniserad aktiv fotleds- och/eller knäkraftsassistans för att underlätta gång, (2) att utveckla en noggrann och pålitlig metod för att klassificera användarens gångavsikt vid promenader över marken och trappor, (3) att leverera träningsprotokoll för RAGT av strokepatienter med onormala fotfall. Genomförbarhetstesterna och RCT av Exoskeleton Ankel Robot och Knee Brace kan validera det kliniska värdet av denna nya rehabiliteringsrobot och kan potentiellt etablera en ny intervention för gångrehabilitering för strokepatienter.