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.
Viele Personen mit Rückenmarksverletzungen (SCI) sind nicht in der Lage zu stehen und mit oder ohne die Verwendung eines Hilfsmittels oder körperliche Unterstützung ambulate. Seit Jahrhunderten war die einzige Mobilitätsoption für die mit schweren SCI der Rollstuhl 1. In den letzten Jahrzehnten haben Personen mit SCI haben die Möglichkeit hatten , ihre Mobilität zu ergänzen , indem sie passive Orthesen mit wie eine Vielzahl von Gangorthese hin und her (RGO) 2-7. Diese Vorrichtungen haben jedoch nicht mehr weit verbreitet geworden aufgrund der körperlichen Anstrengung durch den Anwender erforderlich, die Verwendung dieser Geräte ambulate. Die RGOs haben auch Einschränkungen in der Fähigkeit , Treppen zu steigen, aufstehen und hinsetzen 3,7. Die Bemühungen wurden durch den Einbau Funktionelle Elektrostimulation (FES), die Effizienz dieser Geräte zu verbessern machte die Bewegung an die Macht und helfen, die nach vorn geschwungen des Gliedes zu erleichtern; jedoch haben diese Bemühungen nicht über Konzepte oder Prototypen fortgeschritten 8-12.In den 1970er Jahren wurden Motoren mit einer Orthese eingebaut , um die Bewegung der Hüft- und Kniegelenke mit Strom zu versorgen und war erfolgreich eine Person mit SCI in so dass 13 Schritte zu unternehmen. Jedoch unzureichend Batterie und Computertechnik der Zeit begrenzt , um die Reichweite des Geräts, und die weitere Entwicklung wurde 10,13 aufgegeben.
Mit den jüngsten technologischen Fortschritte wurden mehrere angetriebene Exoskelett entwickelt Personen mit verschiedenen Pathologien zu ermöglichen, oberirdisch zu ambulate. Diese versorgt Exoskelett Geräte haben bei Personen mit Schlaganfall 14,15, Personen mit vollständigen und unvollständigen SCI 16-24 und andere Menschen mit Behinderungen verursachen reduziert die Kontrolle über ihre unteren Extremitäten 25-27 untersucht worden. Obwohl die Geräte unterscheiden, die jeweils benötigt für eine sichere Leistung durch die Schulung der Anwender und Praxis. Drei der referenzierten Vorrichtungen erfordern die Verwendung von Krücken Gleichgewicht ambulate und aufrechtzuerhalten. Der vierte hält balance und Stabilität aufgrund seiner großen Fußplatte und die Masse , die die Basis der Unterstützung vergrößert und senkt den Schwerpunkt 20. Die drei Vorrichtungen, die Crutchen erfordern die gleichen Prinzipien nutzen, obwohl es einige Variationen mit der Mechanik und Methoden in der Konstruktion der Vorrichtungen die gewünschten Aktionen aufgrund von Unterschieden zu steuern.
Ein Trainingsprogramm wurde an der James J. Peters VA Medical Center (JJPVAMC), Bronx, NY von einer Gruppe von Forschern entwickelt, bestehend aus einem biomedizinischen Ingenieur, Physiologe, physiatrist, Physiologe, Neurologe und Physiotherapeuten. Das Trainingsprogramm wurde mit einem speziellen angetriebenen Exoskelett entwickelt zuvor beschriebenen 17,18 , aber es enthält Sätze von Fähigkeiten , die für andere angetriebene exoskeletons sind , die eine Reihe von Krücken erfordern das Gleichgewicht zu halten. Alle potenziellen Teilnehmer wurden vor der Teilnahme an der progressiven Trainingsprogramm untersucht. Die Wichtigkeit vonScreening bei Personen mit SCI ist ohne kontra medizinischen Komplikationen, um sicherzustellen, dass die sichere Verwendung dieser Geräte hemmen kann. Ein Anliegen ist eine niedrige Knochenmineraldichte (BMD). Personen mit SCI leiden dramatischen Knochenverlust unmittelbar nach der Verletzung 28,29 , die im Laufe ihres Lebens 30 fortgesetzt werden kann. Dieser Verlust an BMD führt zu einem hohen Risiko von Frakturen langer Röhrenknochen. Derzeit gibt es keine wirksame Behandlung Knochenverlust für die mit kompletten Motor SCI zu mildern. Darüber hinaus ist eine etablierte Bruchschwelle für Personen mit SCI nicht existieren, aber Anstrengungen unternommen wurden , Kriterien zu identifizieren , die als Leitfaden 31-33 zusammen mit der klinischen Beurteilung und Bruch Geschichte verwendet werden. Andere häufige Gegen behandelt werden können und gelöst werden , wie begrenzte Bewegungsbereich (ROM) 34 und Druckgeschwüren 35. Jeder der verschiedenen angetriebenen Exoskelett erfordern unterschiedliche Bedingungen für die Förderfähigkeit, wie ROM Kriterien, um ein candiDatum , das Gerät zu verwenden, von denen die meisten 17-19,21,22,36 beschrieben worden.
Sobald eine Person erfolgreich alle die Prüfkriterien bestanden, passend das Gerät an den Benutzer und Training fortfahren. Die richtige Montage des Gerätes ist wichtig , missbräuchlichen Kontakt der unteren Extremitäten mit dem Exoskelett zu vermeiden , weil schlechte Anpassung an Quetschungen und / oder Hautabschürfungen 16 führen kann. Benutzer können nicht oder nur eingeschränkt unteren Extremitäten Empfindung und Propriozeption; dieser Mangel an sensorische und taktile Rückmeldung von den Füßen kann zu einem Mangel an Bewusstsein für ihre Gleichgewichtszentrum beitragen, die Fähigkeit des Benutzers verlangsamen das Gerät zu meistern. Dieser Mangel an Bewusstsein für die Mitte der Waage kann auch mit entsprechenden Gewicht zu Herausforderungen führen Verschiebung wie Schwierigkeiten in den Umfang des vorderen Ausmessen und seitlich während des Gangzyklus und unangemessen zeitlich Gewichtsverlagerung, was übermäßige Verwendung von Gewichtsbelastung auf notwendige Verschiebung dasArme und Krücken für die Balance Wartung. Sobald die Grundlagen Mechanismen der ständigen Balance und Gewichtsverlagerung erworben werden, wird der Benutzer gelehrt in dem Gerät zu gehen. Mehrere Sitzungen nötig sind, um zu Fuß und andere Mobilitäts Fähigkeiten zu verbessern. Zunächst Oberflächen, die im medizinischen Zentrum flach und glatt sind, sind für die Ausbildung verwendet. Jedoch mit einer verbesserten Qualifikationsniveau, wird der Benutzer mit schrittweise schwieriger Aufgaben herausgefordert durch unterschiedliche Laufflächen wie Teppich, Asphalt, Beton, Gras und unebene Oberflächen mit unterschiedlichen Graden der Pisten einzuführen.
Der Zweck dieses Manuskript ist die Screening-Kriterien, die ordnungsgemäße Montage und Trainingsverfahren für einen aktiven Exoskelett für oberirdisch zu Fuß zu melden. Dieses Programm wurde speziell für ein Gerät entwickelt, das von anderen beschrieben wird 16-18, aber es richtet sich Aspekte und Herausforderungen , die für Personal Trainer und Personen mit SCI gemeinsam sind , die in teilnehmen exoskeletal-assisted Walking-Programme, die eine andere angetriebene Exoskelett verwenden. Bestimmte Aspekte dieses Protokolls sind spezifisch für das Gerät am JJPVAMC verwendet. Darüber hinaus einige der Komponenten des Trainingsprogramms wurden von der Herstellung entwickelt, die Anweisungen Ausrichtung der Gerätekomponenten, grundlegende Richtlinien für einen korrekten Sitz und Grund Stehen und Sitzen Geschick umfasst. Die Forscher am JJPVAMC entwickelt alle einmal den Benutzer durchgeführt Trainingsaktivitäten wird im Stehen. Dazu gehören die Verbesserung der Steh- und Sitztrainingsanleitung, stehen Balance Fähigkeiten, Indoor-Walking Progression Fähigkeiten, im Freien zu Fuß Progression Fähigkeiten und andere Mobilitäts Aufgaben für das Erreichen, Stoppen, Drehen, und verschiedene Arten von Tür- / Schwelle-Navigation.
In den vergangenen fünf Jahren hat sich unsere Gruppe ein erfolgreiches Screening und Trainingsprogramm für die Teilnehmer die Art der angetriebenen Exoskelett zu verwenden entwickelt, die Krücken benötigt. Wir haben ausgebildete Personen mit Motor vollständige Lähmung sowie diejenigen mit unvollständigen Lähmung. Diese Ausbildung hat das Potential, modifiziert und auf zusätzliche Geräte gebaut werden, die die Verwendung von Krücken erfordern, oder neuere Versionen der vorhandenen Geräte.
Standardisierung eines Trainingsprogramms ist wichtiger Teilnehmer Sicherheit, den erfolgreichen Einsatz des Gerätes identifizieren Personalressourcen zu gewährleisten und konsistente Ergebnisse zu erwerben. Wichtige Punkte in einem guten Trainingsprogramm umfassen geeignete Auswahl der Kandidaten, die ordnungsgemäße Montage des Gerätes, entsprechende Fähigkeiten Progression, und die Unterstützung auf den Schultern oder auf einer Fläche mit intakter Empfindung, damit der Benutzer die erforderliche Kraft und Bewegung zu erkennen, Anpassung der Förderung ihre Bewegungen währenddie nachfolgenden Schritt Aktionen. Es ist wichtig, diese strategische Tanz zwischen dem Trainer und dem Benutzer, um zu üben Trainer Unterstützung zu minimieren, so dass die Benutzer gewinnen Know-how und die Unabhängigkeit in der Vorrichtung zu helfen. Trainer sollten unterhalb des Teilnehmers Ebene der Empfindung, da diese Maßnahme führt zu Schwierigkeiten bei der Verselbständigung im Exoskelett vermeiden helfen. Ein weiterer wichtiger Punkt zur Verbesserung der Fähigkeit zu Fuß ist es, die Teilnehmer herausfordern mit Fuß auf verschiedenen Oberflächen und in verschiedenen Umgebungen. Die Teilnehmer wahrnehmen drinnen und auf flachen / glatten Oberflächen im medizinischen Zentrum zu Fuß leichter zu sein, als auf einem Teppichboden ambulating. Wandern auf Teppichböden, die wiederum berichtet wird, leichter zu sein als im Freien auf unebenen Oberflächen wie Beton oder Asphalt laufen. Wandern nach oben und unten unterschiedliche Böschungsneigungen zwingen, die Teilnehmer ihre Wander Strategie anzupassen, weil die Methode der Gewichtsverschiebung aufgrund der veränderten Gleichgewichtszentrum Prese schwieriger wirddurch die Steigung nted. Alle diese anspruchsvollen Umgebungen sind in der Gemeinschaft häufig auftreten und sind daher sehr wichtig, um eine kontrollierte Einstellung zu üben, um richtig die Teilnehmer vorzubereiten.
Es wurden mit SCI in Personen mehrere Berichte, die gelernt haben , einen aktiven Exoskelett zu verwenden , um sicher ober- 16-19,21,36 ambulate. Viele der Teilnehmer in diesen Berichten hatte wenig bis gar keine Restfunktion oder Empfindung in ihrer unteren Extremitäten. Keine schwerwiegenden unerwünschten Ereignisse wurden aus diesen Studien und die Geräte wurden als sicher mit dem richtigen Training zu verwenden. Die unerwünschten Ereignisse umfassten Hautabschürfungen, Quetschungen oder Rötung der Haut, und Ermüdung der oberen Extremitäten, vor allem während der ersten Trainingseinheiten 16,19,36. Es wurde festgestellt, dass bei fortgesetzter Ausbildung, die Teilnehmer eine Reduzierung der oberen Extremität Müdigkeit und Hautabschürfungen schnell mit besseren Sitz des Gerätes gelöst bemerkt. Future blaue Flecken und Rötungen wurden mit Einstellung der Riemen und die strategische Platzierung zusätzlicher Polsterung rund um den betroffenen Bereich zu vermeiden.
Die Beherrschung der Verwendung der Vorrichtung wird durch die Fähigkeit bestimmt schneller ambulation Geschwindigkeiten zu erreichen, reduzierte Mengen an Unterstützung und sichere Gehfähigkeit in unterschiedlichen Umgebungen. Vor Berichte der Gehfähigkeit hat gezeigt, dass diejenigen, die mehr unabhängig wären, würden ambulate schneller als diejenigen, die Hilfe benötigt. Ein Bericht von van Hedel et al kategorisiert Wanderer als "unterstützt Wanderer" , wenn sie mit einer Mindestgeschwindigkeit von 0,44 ± 0,14 m / sec ambulate konnte. eine Geschwindigkeit , mit jener in Verbindung , die mit Hilfe draußen wählte zu Fuß über ihren Rollstuhl 42 mit. Diese Schrittgeschwindigkeit ist ähnlich der 0,40 m / s Geschwindigkeit der begrenzten Gemeinschaft ambulators bei Personen mit Schlaganfall berichtet. 43 Obwohl nur wenige Studien Gehfähigkeit Geschwindigkeit und Höhe der Unterstützung unter Verwendung von Roboter – exoskelet berichtetons zeigen diese Studien, dass viele Teilnehmer in der Lage waren, in diesen früheren Berichten erwähnt, die 0,40 m / sec Schrittgeschwindigkeit zu erreichen. Ein Bericht mit einem angetriebenen Exoskelett zeigte , dass 7 von 12 Teilnehmer in der Lage waren , schneller zu ambulate als 0,40 m / s 18. Eine weitere Untersuchung eine andere angetriebene Exoskelett mit konnte 6 von 16 Teilnehmern erfolgreich zu illustrieren ambulating größer als 0,40 m / s 36. Obwohl Berichte eine dritte angetriebene Exoskelett mit nicht Gehgeschwindigkeit von 0,40 m / s 22,44, zukünftige Berichte erhöhte Gehgeschwindigkeiten kann zeigen in diesem Gerät mit weiteren Ausbildung und / oder Adaptionen demonstriert. Bisher alle Studien angetriebene exoskeletons verwendet haben die brauchen, um ein höheres Maß an Unterstützung berichtet, bei niedrigeren Geschwindigkeiten ging. Ein Gedanke in diesen Berichten beschrieben war, dass, obwohl einige der Teilnehmer nicht über dem 0,40 m / sec Geschwindigkeit ambulate haben, sie in der Lage waren, auf der Ebene der "Aufsicht" zu ambulate wie im FI definiertM-Skala. Diese Berichte legen nahe, dass mit Zusatzausbildung oder Änderungen an den Geräten, Gehfähigkeit bei diesen höheren Geschwindigkeiten erreicht werden kann.
Energieverbrauch durch den Sauerstoffverbrauch gemessen wurde gezeigt, mit exoskeletal gestützte Fuß erhöht werden, aber nicht über dem Schwellenwert, der übermßig ermüdend ist. Acht Teilnehmer, die zu einem durchschnittlichen Tempo in der mit Energie versorgten Exoskelett ambulated von 0,22 ± 0,11 m / s demonstriert Sauerstoffverbrauchsraten zu Fuß von 11,2 ± 1,7 ml / kg / min und Herzfrequenz von 118 ± 21 bmp (48% ± 16% Herzfrequenzreserve ), von denen beide eine deutliche Steigerung von sitzen und stehen 17 waren, aber unterhalb der maximalen vorhergesagten Werte deutlich. Ein weiterer Bericht eine andere angetriebene Exoskelett mit, bewertet den Sauerstoffverbrauch in 5 Teilnehmer während zwei Kämpfe zu Fuß und berichtet 9,5 ± 0,8 ml / kg / min, wenn sie bei 0,19 ± 0,01 m / s und 11,5 ± 1,4 ml / kg / min zu Fuß beim Gehen auf 0,277; 0,05 m / s 21. Beide Studien zeigten , dass die Teilnehmer bei einer moderaten Intensität ambulating waren über dem minimalen Schwellenwert Trainingsintensität des American College of Sports Medicine bestimmt um wirksam zu sein für kardio – 45 zugute kommt. Dies deutet darauf hin, dass diese Geräte haben das Potenzial für einen längeren Zeitraum verwendet werden, eine Form der Aktivität, vorausgesetzt, wenn regelmäßig durchgeführt erwartet werden kann, zu Verbesserungen in der Benutzer Fitness, Körperzusammensetzung und Lipidprofil zu führen.
Die angetriebene exoskeletons bieten eine Form von modifizierten Unabhängigkeit (Stufe sechs, wie durch die FIM definiert) zum Stehen und ober- Gehfähigkeit für Personen mit Funktion der oberen Extremitäten. Zukünftige Geräte können entworfen werden bei höheren Geschwindigkeiten zu ambulate oder eine größere Fähigkeit, die gewünschte ambulation Geschwindigkeit zu variieren. Zukünftige exoskeletons kann auch für Personen mit eingeschränkter Arm- und Handfunktion (wie jene mit Tetraplegie) von maintainin gestaltet werdeng zeigt die Bilanz des Benutzers mit zusätzlichen Rumpfstütze und ein weiterer Mechanismus vorgesehen als Ausgleich eine Krücke halten zu halten. Fortschritte in der Hirnsteuerung eines Tages zur Verfügung eingebaut werden , um die Gehbewegung 20 zu steuern. In diesem aufstrebenden Gebiet präsentierten die Grundausbildung Konzepte können auf die aktuelle und zukünftige angetriebene exoskeletons anwendbar sein, sollte aber für den Benutzer zugeschnitten werden, und das Exoskelett verwendet wird.
Standardisierte Schulungsstrategien werden derzeit für eine erfolgreiche Teilnehmer exoskeletal-unterstützte Fuß verwendet wird; zukünftige Änderungen dieser Geräte können Anpassungen an das Training Paradigma brauchen. qualifizierte SCI Gesundheitsberufe Lehre mit SCI angemessen zu schulen Personen exoskeletal-unterstützte ausführen zu Fuß für die weitere Verwendung und Verschreibung dieser Geräte benötigt wird. Die Zukunft ist für diese Geräte hell; die Verwendung von angetriebenen Exoskelett von Personen mit SCI weiter verbreitet werden würde mit ter Etablierung von Ausbildungsprogrammen in der medizinischen und Reha-Zentren auf der ganzen Welt. Darüber hinaus kann die zukünftige Forschung zeigen, dass regelmäßige exoskeletal-unterstützte Fuß viele der sekundären medizinischen Komplikationen verbessert, die mit Immobilität und Lähmung von Rückenmarksverletzungen verbunden sind.
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.
Powered Exoskeleton such as ReWalk™, Ekso™, REX®, and Indego®, etc. |
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