Formazione Le persone con lesioni del midollo spinale di deambulare Utilizzando un esoscheletro
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Molte persone con lesioni del midollo spinale (SCI) sono in grado di stare in piedi e deambulare con o senza l'uso di un ausilio o assistenza fisica. Per secoli, l'unica opzione di mobilità per le persone con grave SCI è stata la sedia a rotelle 1. Nel corso degli ultimi decenni, le persone con SCI hanno avuto la possibilità di integrare la loro mobilità, utilizzando ortesi passivi come ad esempio una varietà di alternativo andatura ortesi (RGO) 2-7. Questi dispositivi, tuttavia, non sono diventati più ampiamente utilizzato a causa dello sforzo fisico richiesto dall'utente per deambulare utilizzando questi dispositivi. I RGOs hanno anche limitazioni nella capacità di salire le scale, alzarsi e sedersi 3,7. Sono stati compiuti sforzi per migliorare l'efficienza di questi dispositivi incorporando stimolazione elettrica funzionale (FES) per alimentare il movimento e facilitare l'oscillazione in avanti dell'arto; tuttavia, questi sforzi non hanno progredito al di là di concetti o prototipi 8-12.Nel 1970, i motori sono stati incorporati con una ortesi per alimentare il movimento dell'anca e del ginocchio e ha avuto successo nel permettere una persona con SCI di adottare misure 13. Tuttavia, inadeguata tecnologia delle batterie e il computer del tempo limitato la portata del dispositivo, e l'ulteriore sviluppo è stato abbandonato 10,13.
Con i recenti progressi tecnologici, sono stati sviluppati diversi esoscheletro per permettere alle persone con diverse patologie di deambulare in superficie. Questi dispositivi esoscheletro è stata studiata in persone con ictus 14,15, le persone con complete e incomplete SCI 16-24, e le altre persone con disabilità che causano un ridotto controllo delle loro estremità inferiori 25-27. Sebbene i dispositivi diversi, ognuno richiede formazione e la pratica dall'utente per prestazioni sicure. Tre dei dispositivi di riferimento richiedono l'uso di stampelle per deambulare e mantenere l'equilibrio. Il quarto mantiene balance e stabilità a causa della sua grande pedana e massa che allarga la base di supporto e abbassa il centro di gravità 20. I tre dispositivi che richiedono crutching utilizzano gli stessi principi anche se ci sono alcune variazioni con la meccanica e modalità di controllo alle azioni desiderate a causa di differenze nella progettazione dei dispositivi.
Un programma di formazione è stato sviluppato presso il James J. Peters VA Medical Center (JJPVAMC), Bronx, NY da un gruppo di ricercatori composto da un ingegnere biomedico, fisiologo, fisiatra, fisiologo, neurologo e fisioterapisti. Il programma di formazione è stato sviluppato con una specifica esoscheletro descritto in precedenza 17,18 ma incorpora serie di competenze che sono applicabili ad altre esoscheletro che richiedono una serie di stampelle per mantenere l'equilibrio. Tutti i partecipanti potenziali sono stati proiettati prima di partecipare al programma di formazione progressiva. L'importanza dilo screening in persone con SCI è quello di garantire l'assenza di complicazioni mediche controindicati che possono inibire l'uso sicuro di questi dispositivi. Un motivo di preoccupazione è la bassa densità minerale ossea (BMD). Le persone con SCI soffrono drammatica perdita ossea subito dopo l'infortunio 28,29 che può continuare per tutta la vita 30. Questa perdita di BMD comporta un elevato rischio di fratture delle ossa lunghe. Attualmente, non esiste alcun trattamento efficace per ridurre la perdita ossea per quelli con motore completa SCI. Inoltre, una soglia stabilita per frattura persona con la SCI non esiste, ma gli sforzi sono stati fatti per identificare i criteri che possono essere utilizzati come guida 31-33 con giudizio clinico e la storia di fratture. Altre controindicazioni comuni possono essere trattati e risolti, come la gamma limitata di movimento (ROM) 34 e ulcere da decubito 35. Ciascuno dei diversi esoscheletro può richiedono diverse condizioni di ammissibilità, come i criteri ROM, per essere un candiData per utilizzare il dispositivo, molte delle quali sono state descritte 17-19,21,22,36.
Una volta che una persona che ha superato con successo tutti i criteri di selezione, il montaggio del dispositivo per l'utente e di formazione può procedere. Corretto montaggio del dispositivo è importante evitare il contatto appropriato delle estremità inferiori con l'esoscheletro perché poveri raccordo può portare a lividi e / o pelle abrasioni 16. Gli utenti possono avere limitato o nessun arti inferiori sensazione e propriocezione; questa mancanza di feedback sensoriale e tattile dai piedi può contribuire a una generale mancanza di consapevolezza del proprio centro di equilibrio, rallentando la capacità dell'utente di padroneggiare il dispositivo. Questa mancanza di consapevolezza del centro di equilibrio può anche portare a sfide con il giusto peso mutevoli come ad esempio difficoltà di valutare l'entità del avanti e laterale spostare necessaria durante il ciclo del passo e il peso in modo inappropriato temporizzata spostamento, con conseguente uso eccessivo di peso che porta sulle ille braccia e le stampelle per la manutenzione equilibrio. Una volta che le basi meccanismi di piedi equilibrio e lo spostamento del peso vengono acquisiti, l'utente viene insegnato a camminare nel dispositivo. Le sessioni multiple sono necessari per migliorare la deambulazione e altre tecniche di mobilità. Inizialmente, le superfici che sono piatta e liscia all'interno del centro medico sono utilizzati per la formazione. Tuttavia, con una migliore livello di abilità, l'utente è sfidato con compiti in modo incrementale più difficile con l'introduzione di diversi piani di calpestio, come tappeti, asfalto, cemento, erba, e le superfici unleveled con diversi gradi di pendenza.
Lo scopo di questo manoscritto è quello di riportare i criteri di selezione, il corretto montaggio e le procedure di formazione per l'utilizzo di un esoscheletro per overground piedi. Questo programma è stato sviluppato per un dispositivo specifico, che viene descritto da altri 16-18, ma affronta gli aspetti e le sfide che sono comuni per i formatori del personale e le persone con SCI che partecipano exoskeletal ausiliarioEd camminare programmi che possono utilizzare un altro esoscheletro. Alcuni aspetti di questo protocollo sono specifici per il dispositivo utilizzato al JJPVAMC. Inoltre, alcuni dei componenti del programma di formazione sono stati sviluppati dalla fabbricazione che comprende l'orientamento dei componenti del dispositivo, orientamenti di base per una misura adeguata e permanente base e le istruzioni di abilità seduta. I ricercatori del JJPVAMC sviluppate tutte le attività di formazione svolte una volta che l'utente è in piedi. Questi includono il miglioramento della condizione e istruzioni per l'addestramento seduti, in piedi abilità di equilibrio, al coperto a piedi le competenze di progressione, all'aperto capacità di progressione a piedi, e altre attività di mobilità per raggiungere, fermandosi, girando, e vari tipi di navigazione porta / soglia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nel corso degli ultimi cinque anni, il nostro gruppo ha messo a punto un programma di formazione per i partecipanti di utilizzare il tipo di esoscheletro che richiede stampelle di screening e di successo. Abbiamo addestrato individui con motore completa paralisi, così come quelli con la paralisi incompleta. Questo programma di formazione ha il potenziale per essere modificata e costruita su di dispositivi aggiuntivi che richiedono l'uso di stampelle, o le versioni più recenti dei dispositivi esistenti.
La standardizzazione di un programma di formazione è importante per garantire la sicurezza dei partecipanti, l'uso di successo del dispositivo, identificare risorse di personale e di acquisire risultati coerenti. Punti chiave in un buon programma di formazione comprendono selezione appropriata candidato corretto montaggio del dispositivo, progressione delle abilità appropriato e fornire assistenza sulle spalle o su un'area con sensazione intatta per consentire all'utente di riconoscere la forza e movimento richiesto, promuovendo adattamento i loro movimenti durantele successive azioni di passo-passo. È importante praticare questa danza strategica tra il formatore e l'utente per minimizzare supporto allenatore, aiutando così l'esperienza dell'utente guadagno e indipendenza nel dispositivo. I formatori dovrebbero evitare di assistere sotto il livello del partecipante della sensazione in quanto questa azione si traduce in difficoltà di diventare indipendente nel esoscheletro. Un altro punto chiave per migliorare camminare abilità è quello di sfidare il partecipante con camminare su varie superfici e in ambienti diversi. I partecipanti percepiscono camminando all'interno e su superfici piane / lisce nel centro medico per essere più facile di deambulazione su un pavimento con moquette. Camminando su pavimenti in moquette, a sua volta, è segnalato per essere più facile di camminare all'aperto su superfici irregolari come il cemento o asfalto. Camminare su e giù diversi gradienti di pendenza forzare il partecipante di adattare la loro strategia a piedi perché il metodo di spostamento di peso diventa sempre più difficile a causa del centro alterato di equilibrio Presented dalla pendenza. Tutti questi ambienti difficili sono comunemente incontrati all'interno della comunità e, quindi, sono molto importanti per praticare in un ambiente controllato per preparare adeguatamente il partecipante.
Ci sono stati diversi rapporti in persone con SCI che hanno imparato ad usare un esoscheletro di deambulare in modo sicuro overground 16-19,21,36. Molti dei partecipanti a questi rapporti avevano poca o nessuna funzione residua o sensazione nelle loro estremità inferiori. Non ci sono eventi avversi gravi sono stati riportati da questi studi e dei dispositivi sono stati considerati sicuri da usare con la formazione adeguata. Gli eventi avversi riportati inclusi abrasioni della pelle, lividi o arrossamenti della pelle, e la stanchezza degli arti superiori, in particolare durante le sessioni di formazione iniziale 16,19,36. È stato osservato che una formazione continua, i partecipanti notato una riduzione di estremità affaticamento e pelle abrasioni superiori risolti rapidamente con migliore montaggio del dispositivo. Futura lividi e arrossamenti sono state evitate con regolazione delle cinghie e posizionamento strategico di imbottitura supplementare che circonda la zona interessata.
La competenza nella uso del dispositivo è determinata dalla capacità di raggiungere velocità più elevate deambulazione, livelli ridotti di assistenza e deambulazione sicurezza in ambienti diversi. i rapporti precedenti di capacità di deambulazione hanno mostrato che coloro che erano più indipendente sarebbe deambulare più velocemente rispetto a quelli che avevano bisogno di aiuto. Un rapporto da van Hedel et al escursionisti classificati come "camminatori assistito" se potevano deambulare con una velocità minima di 0,44 ± 0,14 m / sec.; una velocità associata a chi ha scelto di camminare all'aria aperta con gli interventi sopra utilizzando la loro sedia a rotelle 42. Questa velocità a piedi è simile al 0,40 velocità m / sec dei ambulators comunità limitate riportati in persone con ictus. 43 Anche se solo pochi studi hanno riportato velocità di deambulazione e il livello di assistenza utilizzando exoskelet roboticaons, questi studi hanno indicato che molti partecipanti sono stati in grado di raggiungere la velocità di piedi 0.40 m / sec menzionato in queste relazioni precedenti. Un report utilizzando un esoscheletro ha mostrato che 7 su 12 partecipanti sono stati in grado di deambulare più veloce di 0.40 m / sec 18. Un'altra indagine utilizzando un diverso esoscheletro è stato in grado di illustrare 6 su 16 partecipanti con successo deambulazione superiore a 0,40 m / sec 36. Anche se i rapporti con un terzo esoscheletro non hanno dimostrato velocità di piedi di 0.40 m / sec 22,44, le future relazioni possono mostrare un aumento dei costi a piedi con la formazione continua e / o adattamenti in quel dispositivo. Finora, tutti gli studi che utilizzano esoscheletro hanno riferito di coloro che necessitano di maggiori livelli di assistenza camminato a velocità inferiori. Un pensiero discusso in questi rapporti era che, sebbene alcuni dei partecipanti non ha ambulate di sopra della velocità 0,40 m / sec, erano in grado di deambulare a livello di "supervisione", come definito nel FIscala M. Questi rapporti suggeriscono che, con una formazione supplementare o modifiche ai dispositivi, la deambulazione a queste velocità più veloce può essere raggiunto.
dispendio energetico misurato dal consumo di ossigeno è stato dimostrato essere aumentata con exoskeletal assistito a piedi, ma non al di sopra della soglia che sia eccessivamente faticosa. Otto i partecipanti che ambulated nel esoscheletro a un ritmo medio di 0,22 ± 0,11 m / sec dimostrato camminare tassi di consumo di ossigeno di 11,2 ± 1,7 ml / kg / min e una frequenza cardiaca di 118 ± 21 bmp 48% frequenza cardiaca di riserva (± 16% ), entrambi i quali erano un incremento significativo da seduti e in piedi 17, ma significativamente inferiore ai valori massimi previsti. Un altro rapporto utilizzando un diverso esoscheletro, valutato il consumo di ossigeno in 5 partecipanti durante 2 attacchi di camminare e ha riportato 9,5 ± 0,8 ml / kg / min quando si cammina di 0,19 ± 0,01 m / sec e 11,5 ± 1,4 ml / kg / min quando si cammina di 0,277; 0,05 m / sec 21. Entrambi questi studi hanno dimostrato che i partecipanti deambulazione ad una intensità moderata erano al di sopra della soglia di intensità di allenamento minima determinata dalla American College of Sports Medicine per essere efficace per i benefici cardiorespiratoria 45. Ciò suggerisce che questi dispositivi hanno il potenziale per essere utilizzato per lunghi periodi di tempo, fornendo una forma di attività che, se eseguita regolarmente può essere dovrebbe portare a miglioramenti nella fisica, composizione corporea e lipidica profilo dell'utente.
I esoscheletro offrono una forma di indipendenza modificata (livello sei come definito dalla FIM) per stare in piedi e overground deambulazione per le persone con la funzione degli arti superiori. dispositivi future possono essere progettati per deambulare a velocità più o fornire una maggiore capacità di variare la velocità di deambulazione desiderata. esoscheletro futuri possono anche essere progettati per quelli con manuale limitato e funzione braccio (come quelli con tetraplegia) by maintaining equilibrio dell'utente con il supporto tronco aggiuntivo e fornire un altro meccanismo che mantenere una stampella per mantenere l'equilibrio. I progressi nel controllo del cervello potrebbero un giorno essere disponibili per essere incorporato per il controllo del movimento a piedi 20. All'interno di questo settore emergente, i concetti di formazione di base presentati possono essere applicabili alle attuali e future esoscheletro, ma dovrebbero essere su misura per l'utente e l'esoscheletro in uso.
strategie di formazione standardizzati sono attualmente utilizzati per il successo partecipante exoskeletal assistita a piedi; modifiche future di questi dispositivi può essere necessario adattamenti al paradigma di formazione. L'insegnamento qualificato SCI operatori sanitari per formare adeguatamente le persone con SCI per eseguire passi exoskeletal assistita è necessario per l'uso continuato e la prescrizione di questi dispositivi. Il futuro è luminoso per questi dispositivi; l'uso di esoscheletro da parte di persone con SCI sarebbe diventato più diffuso con tegli istituzione di programmi di formazione in centri medici e di riabilitazione in tutto il mondo. Inoltre, la ricerca futura può mostrare che regolare exoskeletal assistita passi migliora molte delle complicazioni mediche secondarie che sono associati con l'immobilità e la paralisi da lesioni del midollo spinale.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| Powered Exoskeleton such as ReWalk™, Ekso™, REX®, and Indego®, etc. |
| Loft strand Crutches |
| Comfortable sneakers |
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