Exoskeleton skor för att förbättra promenader

Claudikation på grund av perifer artärsjukdom (PAD) gör att patienter går mindre och långsammare, förlorar självständighet i dagliga aktiviteter och är stillasittande jämfört med sina friska motsvarigheter. Utredarnas forskning har identifierat funktionella begränsningar i gångmönster hos claudicaterande patienter. Det mest framträdande och konsekventa underskottet är de bakre vadmusklerna, fotledsplantarflexorerna, för att generera hälsosamt vridmoment och kraft vid fotled under gång. Tidigare arbete i utredarnas laboratorium har fastställt att dessa funktionella brister är relaterade till förekomsten av en myopati i benen hos patienter med PAD som kännetecknas av myofiberdegeneration och muskelfibros. En intervention som kompenserar för nedsatt muskelfysiologi och prestationsförmåga behövs för att förbättra gångförmågan och självständigheten hos patienter med PAD.

Det långsiktiga målet med detta projekt är att förbättra livskvaliteten för patienter med PAD genom att använda assisterande exoskelett. För närvarande finns det en kritisk behandlingslucka för de patienter med PAD vars sjukdomspresentation inte motiverar operativ revaskularisering (baserat på risk-nytta-analys som tar hänsyn till flera faktorer inklusive sjukdomens svårighetsgrad, komorbida tillstånd och operativ risk), men som önskar att återfå sin gång förmåga och självständighet. Ankel-fotortoser har nyligen implementerats för att minska kraven på biologiskt vridmoment för fotledsplantarflexor och för att kompensera för effektbrist. Biologiskt vridmoment/kraft för fotled är vridmoment/kraft som genereras av plantarflexormusklerna förutom det som tillhandahålls av ett hjälpmedel. Utredarna har utvecklat en lätt och billig 3D-utskrivbar elastisk exoskelett och skorkombination som kallas exoskeleton footwear (EF). EF hjälper till med push-off genom att använda fjädrar som efterliknar ankel plantarflexor krafter. Exoskelett som hjälper framdrivning åtgärdar både myopati och problem med lågt blodflöde i samband med claudicatio. Mekanisk kraft från EF kompenserar för otillräcklig muskelframdrivningskraft, samtidigt som den minskar blodflödesbehovet och den muskelspänning som orsakas av ischemi. Ett korrekt utformat exoskelett kommer sannolikt att tillåta patienter med PAD att gå längre utan smärta eller gå den sträcka som behövs för att slutföra dagliga aktiviteter med mindre stress för det drabbade benet. Som ett första steg föreslår utredarna att bestämma effekten av EF på gångprestanda, med fokus på hur olika nivåer av EF-stöd bidrar till förändringar i det biologiska vridmomentet och kraften i fotleden, energikostnaden och vadmuskelns syresättning. Utredarna kommer att testa friska äldre vuxna för att säkerställa och bekräfta komfort, låg risk för skador på foten och vaden och hög potential för användning av apparater hos patienter med PAD.

EF kommer sedan att utvärderas hos patienter med PAD. Friska äldre individer väljs ut för den inledande fasen av projektet eftersom de, precis som patienter med PAD, producerar mindre push-off vridmoment och kraft under promenader jämfört med friska unga; vilket gör dem till en lämplig modell för PAD-begränsningar. Jämfört med patienter med PAD kan friska äldre dessutom tolerera längre gångförsök, som är nödvändiga för att identifiera effektiva enhetsparametrar och har också en betydligt lägre risk att utveckla fot- och vadskador samtidigt som komforten och formen hos EF bedöms och anpassas till rymma individer med olika fot- och benmorfologier.

Hypotes: Gångprestandan kommer att förbättras med EF hos friska äldre och patienter med PAD. Utredarna antar att det kommer att finnas en EF-assistansnivå för att tillgodose försökspersoners rapporterade preferenser och mål för gångprestanda.

Specifikt mål 1: Att bestämma nivåerna av EF-assistanskraft som ger bättre gångprestanda hos äldre personer. Förbättringar i gångprestanda kommer att bedömas genom att mäta hur olika nivåer av EF-assistans bidrar till förändringar i det biologiska vridmomentet och kraften vid fotled under push-off, energikostnaden för promenader och vadmuskelns syresättning under gång.

Specifikt mål 2: Att bestämma nivåerna av EF-assistansstyrkor som ger bättre ämnesrapporterade preferenser i äldre ämnen. Preferensen kommer att mätas med hjälp av visuella-analoga skalor, upplevd ansträngning och smärtfrågeformulär och intervjuliknande undersökningar om acceptans (tillfredsställelse, avsikt att använda), efterfrågan (upplevd efterfrågan) och praktisk (effekter, deltagarnas förmåga att använda EF).

Specifikt mål 3: Att bestämma effekten av EF-assistansnivåer på gångprestanda och patientrapporterade preferenser hos patienter med PAD. Resultat från mål 1 och 2 kommer att vägleda assistansnivåerna som testas i detta mål.

Forskningsdesign och metoder Friska äldre kommer att utvärderas under totalt sju tillstånd i Mål #1 och #2: fem olika EF-styvhetsnivåer inklusive EF: Styvhet 1 (5,6 kN/m), EF Stiffness 2 (7,9 kN/m), EF Stiffness 3 (10,5 kN/m), EF Stiffness 4 (13,3 kN/m), EF Stiffness 5 (17,2 kN/m), EF med en urkopplad fjäder och ett normalt gångtillstånd (ingen EF).

PAD-patienter kommer att utvärderas i fyra tillstånd i mål #3: två olika EF-styvhetsnivåer, ett tillstånd där försökspersonerna kommer att bära EF med en urkopplad fjäder och ett normalt gångtillstånd (ingen EF). Fjäderstyvheten kommer att justeras som en funktion av kroppsmassan för att ge ett normaliserat vridmoment mellan försökspersonerna. Dessa styvhetsnivåer valdes baserat på tidigare forskningsarbete med en liknande enhet hos friska unga individer. EF kommer att vara inställd på att släppa våren vid 42 % av steget. Ökade energikostnader vid styvhetsvärden över och under det optimala värdet kommer att vara en indikator på att styvhetsnivåerna ligger inom lämplig skala. Friska äldre vuxna och patienter med PAD kommer att testas för att fastställa effekten av EF-assistansstyrka på gångprestanda och energikostnad och ämnesrapporterade preferenser med varierande EF-assistansnivåer

Totalt 50 vuxna i åldrarna 50 år och äldre från Nebraska och Western Iowa Veterans Affairs' Medical Center (VAMC) och det omgivande samhället i Omaha för att slutföra mål 1 och 2 kommer att rekryteras. Mål 3 kommer att omfatta 25 patienter med PAD rekryterade från VAMC.

Datainsamlingsprotokoll för mål #1 och #2:

Promenader: Försökspersonerna kommer att gå sju minuters promenad med sin föredragna gånghastighet på ett instrumenterat löpband (AMTI, Watertown, MA) medan kinetik och kinematik fångas vid 100 Hz med ett digitalt rörelsefångningssystem med 17 kameror (Cortex 6.2, Motion Analysis Corp, Santa Rosa, CA). De tre minuternas gång kommer försökspersonerna att vänja sig vid den nya assistansnivån i EF. Föredragen gånghastighet kommer att bestämmas innan data samlas in och den kommer att hållas konsekvent över de sju förhållandena.

Försöket kommer också att gå på plan mark under sju olika förhållanden.

Muskelsyresättning: Bilateral gastrocnemius muskelsyresättning (StO2) kommer att mätas med hjälp av kontinuerlig våg nära infraröd spektroskopi (PortaMon, Artinis Medical System, Nederländerna) före, under och efter varje gångtillstånd på löpbandet (beskrivits ovan).

Energikostnad: En bärbar metabolisk vagn kommer att användas för att mäta gasutbytet på ett andetag för andetag, vilket ger ett mått på syreförbrukningen under vart och ett av de sju gångförhållandena på löpbandet.

Upplevd komfort och trötthet: En visuell analog skala kommer att användas för att fånga försökspersoners uppfattning om komfort och trötthet efter varje löpband och plan marktillstånd. Den visuella analoga skalan kommer att sträcka sig från 0 (låg komfort; hög trötthet) till 10 (hög komfort; låg trötthet).

Frekvens för upplevd ansträngning: Självrapporterade värden för upplevd ansträngning från Borghastighetsskalan för upplevd ansträngning (6 (ingen ansträngning) till 20 (maximal ansträngning)) kommer att registreras efter varje tillstånd.

Datainsamlingsprotokoll för mål #3:

Gångprestanda och ämnesrapporterade preferenser kommer att bedömas på samma sätt som i mål 1 och 2, förutom att löpbandets gångtest kommer att ersättas med tester för maximal gångavstånd (se beskrivning nedan). Av denna anledning kommer testningen att delas upp i två dagar, med två maximala gångavståndstester som genomförs varje dag. Försökspersonerna kommer att vila tills eventuell claudicatio-smärta avtar mellan varje maximal gångdistanstest. Försökspersoner kommer att slutföra testning av samma resultat (1-7 nedan) exakt som beskrivs i Mål 1 och 2 och maximala gångtider (8 nedan). Maximala gångtider är den bästa indikatorn på konsekvenserna av PAD på den dagliga gångförmågan och deltagande i samhällsaktiviteter.

Alla resultat från den äldre personens protokoll kommer att bedömas för PAD-patienter, inklusive 1) promenader: På löpbandstestet kommer biomekaniska variabler under den nollgradiga lutningsdelen av testet att samlas in. Vilotid kommer att ges mellan tillstånden som behövs för att claudicatio-smärtan ska avta.

2) Muskelsyresättning, 3) Energikostnad, 4) Upplevd komfort och trötthet, 5) Grad av upplevd ansträngning, 6) Genomförbarhet.

Två ytterligare resultat som mäts för PAD-patienterna kommer att vara:

Upplevd smärta: Efter tillvägagångssättet för upplevd komfort och trötthet kommer en visuell analog skala att användas för att fånga försökspersoners uppfattning om smärta efter varje tillstånd. Den visuella analoga skalan sträcker sig från 0 (ingen smärta) till 10 (intensiv smärta) och kommer att bedömas efter varje EF-tillstånd.

Claudikationsstart och toppgångstider: Gångförmågan kommer att bestämmas med ett löpbandstest med progressiv belastning med initiala och maximala claudicatio-avstånd som resultat. Patienterna kommer att gå på ett löpband som börjar vid 0 % lutning och 2,0 mph. Varannan minut kommer betyget att höjas med 2% upp till maximalt 15% betyg, och hastigheten hålls konstant under hela testet. Den initiala sträckan som gick innan smärtan började (Claudication Onset Time - COT) och den sträcka som patienterna gick tills testet måste avbrytas på grund av smärta (Peak Walking Time -PWT) kommer att vara resultatmåtten.