用于中风康复的 iStride(TM) 设备

偏瘫和其他损伤是中风的常见致残后果，可导致不对称和低效的行走模式。 在分体带式跑步机上训练，它有两个独立的踏板，以不同的速度驱动每条腿，可以纠正中风后的步态不对称。 然而，分体带跑步机训练的效果只能部分转移到每天在地面上行走，需要延长训练时间才能获得持久效果。 我们之前的研究表明，我们实验室开发的 iStride 设备可以用作中风患者的替代步态训练设备。 iStride 设备模仿分体带跑步机的动作，但可以在地面步行和自己家中使用，从而实现长期训练。 iStride 设备不需要任何外部电源，完全无源；所有必要的力都从行走过程中存在的自然力中重新定向，因为它利用佩戴者的体重来产生运动。 虽然 iStride 设备的运动类似于分体带跑步机，并且 iStride 设备产生类似的后效，但这款鞋在改善中风患者步态方面的功效尚未得到验证。

在这项研究中，我们将在临床上测试 iStride 设备对中风患者的疗效。 将根据步态协调的变化以及受试者在设备上自我报告的舒适度来评估功效。 我们预测 iStride 设备将导致步态的肢间协调发生变化，这可能是一种在家中使用的安全有效的设备。

偏瘫步态的不对称性会对功能性步行能力产生很大影响。 例如，摆动期不对称是偏瘫步行表现的重要预测指标，因为它与运动恢复阶段、步行速度和跌倒密切相关。 时间不对称的另一个衡量标准——双支撑持续时间——与步行速度类似相关。 此外，空间（例如 步长）不对称与麻痹腿上的推进力降低有关，这会限制身体的向前运动并降低步态效率。 步态效率的重要性不应被低估——偏瘫步态的能量需求增加加上中风后的身体机能失调会极大地限制日常生活活动的表现，导致心血管健康状况不佳和代谢综合征。 反过来，这会增加第二次中风或心血管事件的风险，并与发病率和死亡率增加有关。 因此，改善步态对称性应该是治疗的一个重要目标，不仅可以改善功能活动性和减少损伤，还可以增强中风后的整体健康和福祉。

在中风或其他中枢神经系统损伤后偏瘫患者中，在分体带跑步机上练习行走可以纠正步态的异常肢间协调。 不对称步态可​​以表现为空间不对称，其中一侧采取的步骤比另一侧采取的步骤长。 它也可以表现为时间不对称，即麻痹侧和非麻痹侧的时间不均匀。 时间不对称通常被测量为双支撑期持续时间的差异，这是双脚同时接触地面的时间量，并且分别针对麻痹侧和非麻痹侧进行测量。 iStride 设备旨在引起空间和时间步态对称性的变化。 我们预测 iStride 设备会导致带有 iStride 设备的一侧的步幅更大，因为个人会通过将他们的脚更向前站立来补偿向后滚动运动，从而增加两脚之间的距离。 同样，由于步幅较长，也可能缩短相对于另一侧的站立时间。 随着站姿持续时间的缩短，在站姿结束时花在双重支撑上的时间也可能会减少。

尽管 iStride 设备的最初想法源自分流带跑步机的运动，但在该设备上行走与在非对称带速分流带跑步机上行走之间存在明显差异。 在分体带跑步机上，身体相对于地面的速度为零，而 iStride 设备的相对速度不为零且向前。 该装置迫使穿着者的脚向前或向后，而跑步机则以不同的速度向后移动双脚。 对于分体带跑步机和 iStride 设备，双脚之间的相对速度相似，向后移动的 iStride 设备取代了较快的踏板。

我们假设地面训练将导致具有不对称步态的个体的肢间协调发生变化，并允许个体发展出更持久的对称步态。 地面训练和跑步机训练之间存在一些差异，例如视觉流和前庭信息信号向前运动，这可能会限制在跑步机上训练时在地上环境中的学习表达。 视觉线索似乎对情境意识尤为重要。 视觉线索与先前的经验相结合非常强大，以至于预测性姿势反应会导致个人在踏上静止的自动扶梯时绊倒。 身体已经学会了一个内部模型，该模型在踏上自动扶梯时期望加速度，但当加速度没有发生时，人就会绊倒。 一项关于分带行走的研究表明，当受试者在跑步机上训练期间被蒙住眼睛并在地面上进行测试时，转移到地上行走会得到增强。 由于蒙住眼睛消除了有关环境的视觉线索，这也表明视觉是决定学习的情境依赖性的关键因素。 由于在步态训练期间蒙住中风患者的眼睛是不现实的，我们设计了 iStride 设备，以便在地面行走期间进行训练，因此训练期间的视觉提示和后来的地面行走将是相同的。

来自使用早期版本的 iStride 设备（当时称为 GEMS）的控制对象的数据已经发布，可以在 http://reedlab.eng.usf.edu/publications/handzic2011GEMS 上找到该早期版本的视频.mp4。 在这项研究中，我们发现该设备的早期版本能够像预测的那样改变步长，但是之前的设计太重太高，不适合在中风人群中进行测试。 当前版本的 iStride 设备产生与之前版本类似的运动，但重量更轻（不到 1 千克）并且更短（约 4.4 厘米）。 我们将在临床上测试佩戴当前 iStride 设备对中风患者在地面行走时步态协调的效果。 所有步行都将在受试者由经验丰富的物理治疗师严密保护以防止跌倒的情况下进行。 iStride 设备对步态协调的影响将与分带跑步机上的影响进行比较。

拟议的项目代表了首次尝试构建一种在地面上行走时纠正行走对称性的设备。 这不仅可以让人们在进行正常运动时体验步态矫正，而且这些设备的简单性和相对较低的成本也将为在家（对于在监督下的高功能个人）和诊所进行训练开辟潜在的机会。 -不提供带式跑步机。 此处概述的研究将确定 iStride 设备是否能够改变步态的肢间协调，以及中风患者是否可以使用这些设备进行康复。 因此，这项工作将为未来的培训研究奠定基础，以检验长期使用 iStride 设备改善对称步行模式的有效性。

本研究针对的问题是修改人类步行模式以用于中风康复。 我们的最终目标是证明 iStride 设备可以将人的时间和空间步态不对称改变为对称步态。 我们的参考点是以前使用分体带跑步机进行的研究获得的结果。 我们还对改变脚与地面之间的界面如何影响对新步行模式的适应感兴趣。