Training a person with paralysis to ambulate using a powered exoskeleton may present challenges. The goals are to present the candidate selection criteria and the training procedures for exoskeletal-assisted walking and other mobility skills that can be progressed as the participant’s skill level improves.
Powered exoskeletons have become available for overground ambulation in persons with paralyses due to spinal cord injury (SCI) who have intact upper extremity function and are able to maintain upright balance using forearm crutches. To ambulate in an exoskeleton, the user must acquire the ability to maintain balance while standing, sitting and appropriate weight shifting with each step. This can be a challenging task for those with deficits in sensation and proprioception in their lower extremities. This manuscript describes screening criteria and a training program developed at the James J. Peters VA Medical Center, Bronx, NY to teach users the skills needed to utilize these devices in institutional, home or community environments. Before training can begin, potential users are screened for appropriate range of motion of the hip, knee and ankle joints. Persons with SCI are at an increased risk of sustaining lower extremity fractures, even with minimal strain or trauma, therefore a bone mineral density assessment is performed to reduce the risk of fracture. Also, as part of screening, a physical examination is performed in order to identify additional health-related contraindications.
Once the person has successfully passed all screening requirements, they are cleared to begin the training program. The device is properly adjusted to fit the user. A series of static and dynamic balance tasks are taught and performed by the user before learning to walk. The person is taught to ambulate in various environments ranging from indoor level surfaces to outdoors over uneven or changing surfaces. Once skilled enough to be a candidate for home use with the exoskeleton, the user is then required to designate a companion-walker who will train alongside them. Together, the pair must demonstrate the ability to perform various advanced tasks in order to be permitted to use the exoskeleton in their home/community environment.
Beaucoup de personnes atteintes d'une lésion de la moelle épinière (SCI) sont incapables de se tenir debout et ambulate avec ou sans l'utilisation d'un dispositif d'assistance ou une aide physique. Pendant des siècles, la seule option de mobilité pour les personnes ayant de graves SCI a été le fauteuil 1. Au cours des dernières décennies, les personnes avec SCI ont la possibilité de compléter leur mobilité en utilisant des orthèses passifs comme une variété de mouvement alternatif orthèse de marche (RGO) 2-7. Ces dispositifs, cependant, ne sont pas devenus plus largement utilisé en raison de l'effort physique requis par l'utilisateur pour ambulate utiliser ces appareils. Les RGO ont aussi des limites dans la capacité à monter les escaliers, se lever, et asseoir 3,7. Des efforts ont été faits pour améliorer l'efficacité de ces dispositifs en incorporant la stimulation électrique fonctionnelle (FES) pour alimenter le mouvement et aider à faciliter le basculement vers l'avant de la branche; Cependant, ces efforts ne sont pas progressé au – delà des concepts ou prototypes 8-12.Dans les années 1970, les moteurs ont été incorporés avec une orthèse pour alimenter le mouvement de la hanche et du genou et a réussi à permettre à une personne avec la SCI de prendre des mesures 13. Cependant, la technologie insuffisante de la batterie et l' ordinateur du temps limité la portée du dispositif, et le développement a été abandonné 10,13.
Avec les avancées technologiques récentes, plusieurs exosquelette motorisé ont été développés pour permettre aux personnes ayant des pathologies diverses à ambulate overground. Ces dispositifs de exosquelette alimentés ont été étudiés chez les personnes ayant subi un AVC 14,15, les personnes avec des personnes complètes et incomplètes SCI 16-24, et d' autres ayant un handicap entraînant réduit le contrôle de leurs membres inférieurs 25-27. Bien que les dispositifs diffèrent, chacun exige une formation et de la pratique par l'utilisateur pour une performance sûre. Trois des appareils référencés nécessitent l'utilisation de béquilles pour ambulate et maintenir l'équilibre. Le quatrième maintient balance et de la stabilité en raison de sa grande footplate et de masse qui élargit la base de soutien et abaisse le centre de gravité 20. Les trois appareils qui nécessitent crutching utilisent les mêmes principes, même si il y a quelques variations avec les mécanismes et les méthodes de contrôle des actions souhaitées en raison des différences dans la conception des dispositifs.
Un programme de formation a été élaboré à la James J. Peters VA Medical Center (JJPVAMC), Bronx, NY par un groupe de chercheurs composé d'un ingénieur biomédical, physiologiste, physiatre, physiologiste de l'exercice, neurologue et physiothérapeutes. Le programme de formation a été développé avec un exosquelette motorisé spécifique décrit précédemment 17,18 mais il intègre des ensembles de compétences qui sont applicables à d' autres exosquelette motorisé qui nécessitent un ensemble de béquilles pour maintenir l' équilibre. Tous les participants potentiels ont été examinés avant de participer au programme de formation progressive. L'importance dele dépistage chez les personnes atteintes SCI est d'assurer l'absence de complications médicales contre-qui peuvent empêcher l'utilisation sécuritaire de ces appareils. Un sujet de préoccupation est la densité minérale osseuse basse (DMO). Les personnes avec SCI souffrent dramatique perte osseuse immédiatement après la blessure 28,29 qui peut se poursuivre tout au long de leur vie 30. Cette perte de densité minérale osseuse se traduit par un risque élevé de fractures des os longs. À l'heure actuelle, il n'y a pas de traitement efficace pour atténuer la perte osseuse pour ceux avec moteur complet SCI. En outre, un seuil de rupture établi pour la personne avec la SCI n'existe pas, mais les efforts ont été faits pour identifier les critères qui peuvent être utilisés comme un guide 31-33 ainsi que le jugement clinique et les antécédents de fractures. Les autres contre – courants peuvent être traités et résolus, tels que la gamme limitée de mouvement (ROM) 34 et la pression des ulcères 35. Chacun des différents exosquelette motorisé peuvent exiger des conditions différentes d'admissibilité, tels que les critères ROM, être un candidate à utiliser l'appareil, dont la plupart ont été décrits 17-19,21,22,36.
Une fois qu'une personne a passé avec succès tous les critères de sélection, le montage du dispositif à l'utilisateur et la formation peut se dérouler. Montage correct du dispositif est important d'éviter tout contact inapproprié des membres inférieurs avec l'exosquelette , car un mauvais raccord peut entraîner des contusions et / ou de la peau abrasions 16. Les utilisateurs peuvent avoir peu ou pas d'extrémité sensation et proprioception inférieur; ce manque de rétroaction sensorielle et tactile des pieds peut contribuer à un manque général de prise de conscience de leur centre d'équilibre, ce qui ralentit la capacité de l'utilisateur à maîtriser l'appareil. Ce manque de sensibilisation du centre d'équilibre peut également conduire à des défis avec un poids approprié de déplacement tels que la difficulté à évaluer l'étendue de l'avant et le déplacement latéral nécessaire au cours du cycle de la marche et le poids chronométré de façon inappropriée décalage, ce qui entraîne une utilisation excessive de poids portant sur labras et béquilles pour le maintien de l'équilibre. Une fois que les bases de mécanismes debout équilibre et poids déplacement sont acquises, l'utilisateur apprend à marcher dans l'appareil. Plusieurs sessions sont nécessaires pour améliorer la marche et d'autres techniques de mobilité. Dans un premier temps, les surfaces qui sont plates et lisses dans le centre médical sont utilisés pour la formation. Cependant, avec l'amélioration de niveau de compétence, l'utilisateur est contestée avec des tâches les plus difficiles incrémentielle en introduisant différentes surfaces de marche tels que les tapis, l'asphalte, le béton, l'herbe, et les surfaces aplanie avec différents degrés de pentes.
Le but de ce manuscrit est de rapporter les critères de sélection, un ajustement adéquat et des procédures de formation pour l'utilisation d'un exosquelette motorisé pour overground marche. Ce programme a été développé pour un appareil spécifique, qui est décrit par d' autres 16-18, mais il aborde les aspects et les défis qui sont communs pour les formateurs et les personnes avec le personnel SCI qui participent à exosquelette d' assistanceed programmes qui peuvent utiliser une autre exosquelette motorisé marchant. Certains aspects de ce protocole sont spécifiques à l'appareil utilisé à l'JJPVAMC. En outre, certaines des composantes du programme de formation ont été développés par la fabrication qui comprend l'orientation des composants de l'appareil, les lignes directrices de base pour un bon ajustement et debout et assis base des instructions de compétences. Les chercheurs de l'JJPVAMC développées toutes les activités de formation effectuées une fois que l'utilisateur est debout. Ceux-ci comprennent l'amélioration de la position debout et assise instructions de formation, debout sens de l'équilibre, à l'intérieur marche compétences de progression, en plein air compétences de progression de la marche, et d'autres tâches de mobilité pour les atteindre, arrêter, tourner, et divers types de navigation de porte / seuil.
Au cours des cinq dernières années, notre groupe a développé un dépistage efficace et un programme de formation pour les participants d'utiliser le type de exosquelette motorisé qui exige des béquilles. Nous avons formé des individus avec une paralysie motrice complète ainsi que ceux d'une paralysie incomplète. Ce programme de formation a le potentiel d'être modifié et construit sur des dispositifs supplémentaires qui nécessitent l'utilisation de béquilles, ou des versions plus récentes des dispositifs existants.
La normalisation d'un programme de formation est importante pour assurer la sécurité des participants, l'utilisation réussie de l'appareil, identifier les ressources en personnel, et d'acquérir des résultats cohérents. Les points clés dans un bon programme de formation comprennent la sélection appropriée des candidats, une bonne mise en place du dispositif, la progression des compétences appropriées, et fournir une assistance sur les épaules ou sur une zone avec sensation intacte pour permettre à l'utilisateur de reconnaître la force et le mouvement nécessaire, la promotion de l'adaptation des leurs mouvements pendantl'action pas à pas ultérieures. Il est important de pratiquer cette danse stratégique entre le formateur et l'utilisateur afin de minimiser le soutien des formateurs, contribuant ainsi à l'expertise de gain de l'utilisateur et de l'indépendance dans le dispositif. Les formateurs doivent éviter d'aider en dessous du niveau de la sensation du participant depuis cette action résulte en difficulté à devenir indépendant dans l'exosquelette. Un autre point clé pour améliorer la compétence de marche est de contester le participant à la marche sur diverses surfaces et dans des environnements différents. Les participants perçoivent la marche à l'intérieur et sur des surfaces planes / lisses dans le centre médical pour être plus facile que ambulantes sur un sol recouvert de moquette. Marcher sur la moquette, à son tour, est signalé à être plus facile que marcher à l'extérieur sur des surfaces inégales comme le béton ou l'asphalte. Monter et descendre des pentes différentes de pente forcer le participant à adapter leur stratégie de marche parce que la méthode de transfert de poids devient plus difficile en raison du centre altéré d'équilibre presented par la pente. Tous ces environnements difficiles sont couramment rencontrés au sein de la communauté et, par conséquent, sont très importants pour pratiquer dans un environnement contrôlé pour bien préparer le participant.
Il y a eu plusieurs rapports des personnes avec SCI qui ont appris à utiliser un exosquelette motorisé à déambuler en toute sécurité overground 16-19,21,36. Bon nombre des participants à ces rapports avaient peu ou pas de fonction résiduelle ou de la sensation dans leurs extrémités inférieures. Aucun événement indésirable grave n'a été signalé dans ces études et les dispositifs ont été considérés comme sûrs à utiliser avec la formation adéquate. Les événements indésirables signalés comprenaient des abrasions de la peau, des ecchymoses ou une rougeur de la peau, et la fatigue des membres supérieurs, en particulier pendant les sessions de formation initiale 16,19,36. Il a été noté que la formation continue, les participants ont constaté une réduction de la fatigue des extrémités et de la peau abrasions supérieurs résolus rapidement avec un meilleur ajustement de l'appareil. Future des ecchymoses et des rougeurs ont été évités grâce à l'ajustement des sangles et le placement stratégique de rembourrage supplémentaire autour de la zone touchée.
La maîtrise de l'utilisation de l'appareil est déterminée par la capacité d'atteindre des vitesses plus rapides à la marche, des niveaux réduits de l'aide, et la marche en toute sécurité dans des environnements variés. Les rapports antérieurs de la capacité de marche ont montré que ceux qui étaient plus indépendants serait ambulate plus rapidement que ceux qui avaient besoin d'aide. Un rapport de van Hedel et al marcheurs classés comme «marcheurs assistée» si elles pouvaient déambuler avec une vitesse minimale de 0,44 ± 0,14 m / sec.; une vitesse associée à ceux qui ont choisi de marcher à l' extérieur avec l' aide sur l' utilisation de leur fauteuil roulant 42. Cette vitesse de marche est similaire à la vitesse de 0,40 m / sec des ambulators communautaires limitées rapportés chez les personnes ayant subi un AVC. 43 Bien que seulement quelques études ont rapporté la vitesse de la marche et le niveau de l' aide en utilisant exoskelet robotiqueons, ces études ont indiqué que de nombreux participants ont été en mesure d'atteindre la vitesse de marche de 0,40 m / sec mentionné dans ces rapports précédents. Un rapport en utilisant un exosquelette motorisé a montré que 7 des 12 participants ont pu déambuler plus vite que 0,40 m / sec 18. Une autre enquête en utilisant un exosquelette motorisé différent a pu illustrer 6 sur 16 participants avec succès ambulantes supérieur à 0,40 m / sec 36. Bien que les rapports à l' aide d' un tiers exosquelette motorisé ont pas démontré une vitesse de marche de 0,40 m sec 22,44, les futurs rapports peuvent montrer une augmentation des vitesses de marche / avec une formation complémentaire et / ou adaptions dans ce dispositif. Jusqu'à présent, toutes les études utilisant exosquelette motorisé ont rapporté ceux qui ont besoin de plus grands niveaux d'aide ont marché à des vitesses plus lentes. Une pensée discuté dans ces rapports était que, bien que certains des participants n'a pas ambulate supérieure à la vitesse de 0,40 m / sec, ils ont pu déambuler au niveau de «supervision» tel que défini dans la FIéchelle M. Ces rapports suggèrent que, avec une formation supplémentaire ou des modifications aux dispositifs, ambulation à ces vitesses plus rapides peut être atteint.
La dépense d'énergie mesurée par la consommation d'oxygène a été démontrée être augmentée à l'aide d'exosquelette marche, mais pas au-dessus du seuil qui est trop fatigante. Huit participants qui ambulated dans l'exosquelette motorisé à un rythme moyen de 0,22 ± 0,11 m / s ont démontré la marche des taux de consommation d'oxygène de 11,2 ± 1,7 ml / kg / min et le taux de 118 ± 21 bmp (48% ± 16% de réserve de fréquence cardiaque du coeur ), qui étaient tous deux une augmentation significative de la position assise et debout 17, mais nettement en dessous des valeurs maximales prévues. Un autre rapport à l'aide d'un exosquelette motorisé différent, évalué la consommation d'oxygène dans les 5 participants pendant 2 épisodes de la marche et a rapporté 9,5 ± 0,8 ml / kg / min lors de la marche à 0,19 ± 0,01 m / s et 11,5 ± 1,4 ml / kg / min lors de la marche à 0,277; 0,05 m / sec 21. Ces deux études ont démontré que les participants ambulantes à une intensité modérée étaient au- dessus du seuil minimal d'intensité de formation déterminé par l'American College of Sports Medicine pour être efficace pour cardiorespiratoire avantages 45. Cela donne à penser que ces dispositifs ont le potentiel d'être utilisé pour des périodes plus longues, en fournissant une forme d'activité que si elle est effectuée régulièrement peut être devrait conduire à l'amélioration de la condition physique, la composition corporelle et des lipides du profil de l'utilisateur.
Les exosquelette motorisé offrent une forme d'indépendance modifiée (niveau six tel que défini par la FIM) pour debout et overground ambulation pour les personnes ayant une fonction d'extrémité supérieure. Les futurs appareils peuvent être conçus pour déambuler à des vitesses plus rapides ou de fournir une plus grande capacité à faire varier la vitesse de la marche souhaitée. exosquelettes futures peuvent également être conçus pour ceux qui ont la main limitée et la fonction du bras (tels que ceux avec tétraplégie) par ENTRETENIRg équilibre de l'utilisateur avec le soutien du tronc supplémentaire et de fournir un autre mécanisme que la tenue d'une béquille pour maintenir l'équilibre. Les progrès dans le contrôle du cerveau peuvent un jour être disponible pour être incorporé pour contrôler le mouvement de marche 20. Dans ce domaine émergent, les concepts de formation de base présentés peuvent être applicables aux exosquelette motorisé actuels et futurs, mais doivent être adaptés à l'utilisateur et l'exosquelette utilisé.
stratégies de formation standardisés sont actuellement utilisés pour le succès de participant assisté exosquelette-pied; modifications futures de ces dispositifs peuvent avoir besoin adaptions au paradigme de la formation. Enseignement qualifié SCI professionnels de la santé pour former adéquatement les personnes SCI pour effectuer la marche exosquelette assistée est nécessaire pour l'utilisation continue et la prescription de ces dispositifs. L'avenir est prometteur pour ces dispositifs; l'utilisation de exosquelette motorisé par des personnes avec SCI deviendrait plus répandue avec til mise en place de programmes de formation dans les centres médicaux et de réadaptation à travers le monde. En outre, les recherches futures peut montrer que régulière marche assistée exosquelette-améliore bon nombre des complications médicales secondaires qui sont associés à l'immobilité et à la paralysie d'une blessure de la moelle épinière.
The authors have nothing to disclose.
Support for this work was obtained by the VA Rehabilitation Research & Development National Center of Excellence for the Medical Consequences of Spinal Cord Injury (VA RR&D #B9212C). Two of the four powered exoskeleton devices were used on a loaner basis at no cost from ReWalk Robotics, Inc. (Marlborough, Massachusetts). Additionally a portion of participants obtained Orthopedic shoes which were donated by Aetrex Worldwide Inc. (Teaneck, New Jersey).
Assistance from Denis Doyle-Green was invaluable during the training program and we thank him for this. We would also like to thank the physical therapists from the Rehabilitation and Spinal Cord Injury Services at the James J. Peters VA Medical Center for their advisement and consultations.
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