Kvantitativ bedömning av träningseffekter med användning av EKSOGT exoskelett i kvantitativ bedömning av träningseffekter med användning av EKSOGT exoskelett hos patienter med Parkinsons sjukdom (Ekso_PD)

Fullständig titel: KVANTITATIV BEDÖMNING AV TRÄNINGSEFFEKT MED ANVÄNDNING AV ETT BÄRBART EXOSKELETT HOS PARKINSONS SJUKDOMSPATIENTER

FORSKNINGSPLAN

Specifika mål

Förmågan att gå självständigt är ett primärt mål vid rehabilitering av en individ med Parkinsons sjukdom (PD). Faktum är att PD-patienter uppvisar en böjd hållning som tillsammans med en överdriven ledstelhet leder till en dålig gångmekanik som ökar risken för fall. Även om studier redan har visat de många fördelarna med robotassisterad gångträning hos PD-patienter, har forskning med fokus på optimala rehabiliteringsmetoder riktats mot drivna exoskelett i underbenen. Genom att kombinera fördelarna från de jordade enheterna med förmågan att träna i en verklig miljö, ger dessa system en högre nivå av ämnesdeltagande och ökar ämnets funktionella förmågor samtidigt som det bärbara robotsystemet garanterar mindre stöd. Syftet med det föreslagna arbetet är att utvärdera effekterna av en Over-ground Wearable Exoskeleton Training (OWET) på gångstörningar i jämförelse med en multidisciplinär intensiv rehabiliteringsbehandling. Eftersom gång är en komplex uppgift som involverar både centrala (CNS) och perifera nervsystem (PNS), måste riktad rehabilitering återställa inte bara gångmekanik (ST-parametrar) utan också fysiologiskt gångmönster (ledkinematik och dynamik). I detta syfte kommer effekten av OWET på både CNS och PNS att utvärderas. Människorörelseanalys kvantitativt bedömer rörelsens neuromuskulära och biomekaniska egenskaper. Nyare litteratur har belyst fördelarna med kopplingsgånganalys (GA) och neuromuskuloskeletal modellering (NMSM) för behandlingsplanering och att komplettera denna metod med robotrehabilitering. En annan ståndare inom PD-forskningen har varit elektroencefalografi (EEG), som ofta används för att utvärdera exekutiv dysfunktion medan funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) kan upptäcka kortikala förändringar i motoraktiveringar under motoriska uppgifter. Således föreslås en kvantitativ bedömning av en individs gång och neuromuskulära funktion för att robust utvärdera återhämtningen av förändrad sensorimotorisk funktion vid både PNS och CNS. För detta syfte kommer omfattande GA (spatiotemporal (ST) parameter, ledkinematik, ledstyvhet) och elektromyografi (EMG) att kombineras för att fastställa PNS-förbättringar, och fMRI med EEG kommer att användas för att bedöma CNS-förbättringar. Eftersom sjukvårdspersonal och forskare behöver objektiva, pålitliga och giltiga verktyg för att planera ämnesspecifika interventioner, kvantifiera terapeutiska resultat och övervaka förändringar över tid, inkluderar den föreslagna studien uppskattning av neutralt informerade muskelkrafter och ledstelhet, vilket förväntas tillhandahålla känsliga bestämningsfaktorer för PD-rörelsekontroll som kan vara avgörande för att informera om behandlingsplanering/bedömning. Preliminära data finns tillgängliga och visade genomförbarheten av den föreslagna mätuppsättningen.

Bakgrund OWET: Även om studier redan har visat de många fördelarna med robotassisterad gångträning hos PD-patienter (dvs. kroppsviktsstödd löpbandsträning) som förbättrar gångeffektiviteten genom att modifiera spatiotemporala (ST) parametrar, skapar dessa strategier en miljö där patienten har mindre kontroll över gångstarten och saknar variabilitet i det visuospatiala flödet. Därför har forskning med fokus på optimala rehabiliteringsmetoder riktats mot drivna exoskelett i underbenen, som vid rehabilitering efter stroke, där effekten av en sådan behandling dramatiskt ökade potentialen för patientspecifik rehabilitering, vilket visar på förbättring av ST-parametrar. Genom att kombinera fördelarna från de jordade robotenheterna med förmågan att träna patienten i en verklig miljö, ger dessa system en högre nivå av ämnesdeltagande för att bibehålla bål- och balanskontroll, samt navigera deras väg över olika ytor och öka motivets funktionella förmågor medan det bärbara robotsystemet garanterar mindre stöd. Dessutom möjliggör stabiliteten som exoskelettet riktar sig mot patienten en handsfree-promenad (utan kopplingar) som representerar en integrerad del för en fysiologisk rörelserestaurering.

Eftersom gång involverar både CNS och PNS, måste riktad rehabilitering återställa inte bara mekaniken (hastighet, stegtid och längd) utan också fysiologiskt gångmönster. Detta kräver förbättringar på nivån av både balans och ledrörelser i nedre extremiteter. I denna riktning främjar bärbara underbensdrivna exoskelett funktionell träning i en realistisk gångmiljö kombinerat med ett större patientengagemang än i jordade enheter. Människorörelseanalys kvantitativt bedömer rörelsens neuromuskulära och biomekaniska egenskaper. Ny litteratur har belyst fördelen med att koppla GA och NMSM för behandlingsplanering och att komplettera denna metod med robotrehabilitering, men det finns ingen studie som undersöker gångeffekter från en OWET hos personer med PD, och ingen bedömning som använder omfattande GA och NMSM för att avslöja mekanistisk förändringar som ett resultat av terapi.

Neurofysiologi av PD: En stark del av PD-forskningen har varit EEG, som ofta används för att utvärdera exekutiv dysfunktion medan fMRI kan upptäcka kortikala förändringar i motoraktiveringar under motoriska uppgifter. Protokollet för att använda GA i kombination med fMRI har redan antagits av utredarna för att visa effekterna av rehabiliteringsprocessen på omorganisationen av det neurala nätverket, beskriva och kvantifiera den neurala aktiviteten och återhämtningen efter behandlingen.

Rörelseanalys vid PD: Gång hos personer med PD har studerats grundligt med 3D GA-system de senaste åren, vilket dokumenterar en typisk hypokinetisk gångminskning av steglängden med asymmetri mellan stegen, en ökning av kadensen, ställningen och dubbelt stöd faser, vilket kompenserar för den minskade steglängden.

NMSM: Genom att kombinera GA och NMSM kan man spåra sjukdomsprogression med ökad precision. Detta har visats över en rad neuromuskulära patologier och friska individer. Kritiskt sett skapas en neuromuskuloskeletal modell för varje individ, driven av individens egna EMG-signaler, och spårar deras biomekanik, vilket nyligen har tillämpats hos neurologiskt nedsatta individer. Detta skapar en ny modell som kopplar in vivo neuromuskulära funktioner till individen, vilket ger nya biomarkörer för att bedöma och spåra PD motorisk funktionsnedsättning. Dessutom, eftersom ledstelhet beror både på neural rekrytering och mekaniska egenskaper, är det troligt att det ger en potent representation av neural och muskuloskeletal PD-nedsättning.

Betydelse och potentiell påverkan Detta projekt tar upp potentialen för OWET att återställa normal gång hos PD-patienter. OWET syftar till att förbättra den övergripande kroppsrörelsen och minska ledstelheten hos personer med PD, och därigenom förbättra funktionen, livskvaliteten och minska risken för skadliga fall. Den föreslagna robotenheten (Ekso GT™, EksoBionics, Richmond, CA, USA) förlitar sig på funktioner genom att ge passiv assistans till fotleden, vilket påverkar resten av kroppen genom mekanisk koppling. För närvarande uppskattas mängden enhetshjälp baserat på en terapeuts erfarenhet och expertis. Moderna rörelseanalysmetoder gör det möjligt för oss att objektivt bedöma den assistans som krävs, vilket ger ett sätt att skräddarsy hjälpen till varje individ och eliminera riskerna med kliniska gissningar. Robotenheter hjälper sjukgymnasten genom att tillhandahålla uppgiftsspecifika repeterbara mekaniska åtgärder för att stödja terapier och möjliggöra högre träningsintensitet. OWET syftar till att minska stelheten i de nedre extremiteterna, som är en erkänd biomarkör för PD, och därigenom förbättra rehabiliteringen för PD-patienter.

Fynden kopplade till den föreslagna studien kommer sannolikt att ge betydande lösningar på hanteringen av gång- och posturala störningar (hållning, balans och gång) vid PD där giltiga interventioner (farmakologisk, neurokirurgi, traditionell sjukgymnastik) saknas. Dessutom kan en NMSM som identifierar patientspecifika variabler för terapi användas för att bedöma behandlingsresultat men också för att genomföra on-line rehabiliteringsterapi med hjälp av fjärrkontroll av hjälpmedlet. Detta kommer att ge ett antal fördelar jämfört med konventionella tillvägagångssätt som föreslår en aktiv behandling som är personlig och skalbar för stora populationer och som inkluderar en standardiserad träningsmiljö och ett anpassningsbart stöd som har förmågan att öka behandlingens intensitet och dos, utan att vara en börda för terapeuter . OWET är därför ett idealiskt sätt att fullfölja konventionell terapi på kliniken, medan rehabiliteringsrobotar har potentialen för fortsatt hemterapi med enklare apparater.

Studiedesign Studien kommer att genomföras under 36 månader. Patienter med kliniskt fastställd diagnos av PD enligt U.K. Parkinsons Disease Society Brain Bank Diagnostic kriterier kommer att rekryteras. Diagnosen kommer att granskas av en neurolog specialiserad på rörelsestörningar. Kortfattat kommer 50 patienter med mild till måttlig svårighetsgrad av sjukdomen att inkluderas enligt inklusions/exklusionskriterierna som ingår i det särskilda avsnittet nedan.

Aktiviteterna kommer att organiseras i fyra arbetspaket (WP), vart och ett med mätbara resultat verifierade av schemalagda leveranser/milstolpar.

• WP1: Klinisk prövning. Urvalsstorleken har definierats baserat på publicerade data om gånghastighet hos PD-personer, och ett målprov på femtio PD-individer (uppdelat i två separata kohorter) har valts ut för att uppnå en styrka på minst 80 % för att upptäcka en medelgruppsskillnad i genomsnittlig gånghastighet (p = 0,05). En kohort (n=25) kommer att genomgå en multidisciplinär intensiv rehabiliteringsbehandling och den andra kommer att behandlas med OWET. Vid baslinjen (T0) kommer försökspersoner att genomgå neurofysiologisk utvärdering (EEG-fMRI) och GA. Deltagarna kommer sedan att genomgå en 8-veckors OWET. Efter terapin (T1) kommer försökspersonerna att utvärderas, med samma protokoll som vid T0. Efter ytterligare 2 månader kommer en uppföljning (T2) att göras med samma protokoll som T0.
• WP2: Rörelseanalys. State-of-the-art kroppshållning och GA kommer att utföras före och efter rehabilitering.
• WP3: NMSM. Med hjälp av data som samlats in i WP1 och WP2 kommer NMSM att utföras för att erhålla muskelkraft och stelhet i lederna. Denna NMSM kommer att användas för att bedöma PD neuromuskulär funktion före och efter rehabilitering.
• WP4: Neurofysiologisk bedömning. En 256-kanals High Density EEG (HD-EEG) inspelningar och analys kommer att användas för att bedöma förändringar i hjärnoscillationsaktivitet före och efter behandlingen. Multimodal hjärnavbildning kommer att utföras genom samtidig insamling och analys av neurofysiologiska signaler (EEG/EMG) och fMRI-data för att bedöma vilotillståndsanslutningen och aktiveringsskillnader mellan för- och efterbehandling och för att identifiera om förändringarna i den kortikala aktiviteten är kopplade till med de ändringar som upptäckts i WP3.

Förväntade resultat Rörelsefunktionerna återhämtas positivt genom en funktionell gångträning. Hos patienter efter stroke har patienter som genomgått denna terapi redan visat sig vara mer benägna att uppnå en självständig gång än personer som inte fått samma behandling.

OWET kommer att förbättra kvaliteten på gång och balans. Effekter med OWET kommer att påverka livskvaliteten. Resultaten med OWET kommer att ge innovativ information för rehabiliteringsprogram. Effekten av interventionen kommer att bedömas genom mätbara resultat som anges i det särskilda avsnittet nedan.