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.
脊髄損傷(SCI)を持つ多くの人が立って支援デバイスまたは物理的な援助の使用の有無にかかわらず歩き回ることができません。何世紀もの間、重度のSCIとのそれらのための唯一の移動オプションは、車椅子1となっています。過去数十年の間に、SCIのある人は、このような歩行装具(RGO)2-7往復の様々などの受動矯正装置を使用して、移動性を補完するためのオプションを持っていました。これらのデバイスは、しかし、これらのデバイスを使用して歩行するためにユーザによって必要とされる物理的な努力に広く使用されるようになっていません。 RGOsはまた、階段を登る立って、ダウン3,7座ってする能力に限界があります。努力が運動に電力を供給し、肢の前方揺動を容易にするために役立つ機能的電気刺激(FES)を組み込むことによって、これらのデバイスの効率を向上させるために行われています。しかし、これらの努力は、コンセプトやプロトタイプ8-12を越えて進行していません。1970年代には、モータは、股関節と膝関節の動きに電力を供給するために装具を配合し、SCIを持つ人はステップ13を取ることができるようにすることに成功したしました。しかし、時間の不適切なバッテリーとコンピュータ技術は、デバイスの範囲を限定し、さらに開発が10,13放棄されました。
最近の技術の進歩により、いくつかのパワードスーツは地上を歩き回るために様々な病理を持つ人々を可能にするために開発されてきました。これらのパワードスーツデバイスは、ストローク14,15、完全および不完全SCI 16-24を持つ人、およびそれらの下肢25-27の縮小制御を引き起こす障害を持つ他の人と人では研究されてきました。デバイスは異なりますが、それぞれが安全性能のために、ユーザによるトレーニングと練習が必要です。参照デバイスのうちの3つは歩き回るとバランスを維持するために松葉杖の使用を必要とします。第1は、BALANCを維持しますためのサポートの基盤を拡大し、重心20の中心を下げ、その大踏み板と質量のeと安定性。デバイスの設計の違いによる所望の動作を制御する仕組みと方法といくつかのバリエーションが存在するにもかかわらず、同じ原理を利用crutching必要とする3つのデバイス。
研修プログラムは、生物医学エンジニア、生理学、理学療法医、運動生理学、神経科医や理学療法士からなる研究者のグループによってジェームズJ.ピーターズVAメディカルセンター(JJPVAMC)、ブロンクス、ニューヨーク州で開発されました。研修プログラムは、1つの特定のパワードスーツで開発された、以前に17,18を説明したが、それはバランスを維持するために松葉杖のセットを必要とする他のパワードスーツに適用されるスキルのセットが組み込まれています。すべての潜在的な参加を前に、プログレッシブ研修プログラムに参加しにスクリーニングしました。の重要性SCIをもつ人におけるスクリーニングは、これらのデバイスの安全な使用を阻害することができる禁忌医学的合併症がないことを保証することです。懸念の1つの領域は、低骨ミネラル密度(BMD)です。 SCIのある人は、自分たちの生活30の全体にわたって継続することができる傷害28,29直後の劇的な骨損失を被ります。 BMDの損失は、長骨骨折の高い危険性をもたらします。現在、完全なモーターSCIとのそれらのための骨の損失を軽減するための有効な治療法はありません。また、SCIを持つ人のための確立された骨折閾値は存在しませんが、努力は臨床判断と骨折の歴史とともにガイド31-33として使用することができる基準を識別するために行われてきました。他の一般的な禁忌は、このような運動(ROM)34と、褥瘡35の限られた範囲として、扱われ、解決することができます。別のパワードスーツのそれぞれは、チャンディであることが、このようなROM基準として適格性の条件の異なるものを、必要な場合があります17-19,21,22,36に記載されているほとんどがデバイスを使用する日付。
いったん人は進むことができ、ユーザやトレーニングにデバイスを嵌め、審査基準のすべてを正常に通過しました。貧しいフィッティングが打撲および/ または皮膚擦過傷16につながる可能性があるため、装置の適切なフィッティングは、外骨格と下肢の不適切な接触を避けることが重要です。ユーザーが制限されているか、四肢の感覚と自己受容低くないことがあり、足からの感覚と触覚フィードバックの欠如は、デバイスをマスターするユーザの能力を遅くする、バランスの彼らの中心の意識の全体的な不足に貢献することができます。バランスの中心の意識の欠如はまた、上軸受重量の過剰使用で、その結果、適切な体重前方の程度を測るには、このような困難のようにシフトし、歩行サイクルの間に必要な横ずれや不適切時限重量シフトと課題につながる可能性がありインクルード腕とのバランス維持のための松葉杖。バランスと体重移動を立っての基本メカニズムが取得されると、ユーザはデバイスの中を歩くことが教示されています。複数のセッションは、ウォーキングや他のモビリティのスキルを向上させるために必要とされています。当初は、医療センター内に平らで滑らかな表面がトレーニングに使用されています。しかし、改善されたスキルレベルで、ユーザは、カーペット、アスファルト、コンクリート、草、及び傾斜度の異なる凹凸形状表面のような別の歩行面を導入することによって増分がより困難なタスクでチャレンジされます。
この原稿の目的は、使用のためのスクリーニング基準、適切なフィッティングとトレーニング手順地上の歩行用パワードスーツを報告することです。このプログラムは、他の人16-18によって記述され、具体的には一つのデバイス用に開発されたが、それは外骨格アシストに参加SCIとスタッフのトレーナーや人のために共通している側面と課題に対応しましたedは別のパワードスーツを使用することができるプログラムを歩きます。このプロトコルの特定の態様はJJPVAMCで使用されるデバイスに固有のものです。また、研修プログラムの構成要素のいくつかは、デバイスコンポーネントの向き、適切なフィットと基本的なスタンディングのための基本的なガイドラインと座っスキル命令を含む製造者によって開発されました。 JJPVAMCの研究者は、ユーザが立っされた後に実行されたすべての研修活動を開発しました。これらは立っての強化と座っトレーニング命令、バランスのスキルを立って、屋内の歩行進行スキル、屋外歩行の進行のスキル、およびその他のモビリティタスク、到達停止、回転させるための、およびドア/しきい値ナビゲーションの様々な種類があります。
過去5年の間に、私たちのグループは、成功したスクリーニングと参加者が松葉杖を必要とパワードスーツの種類を使用するためのトレーニングプログラムを開発しました。私たちは、モーター完全麻痺だけでなく、不完全麻痺を持つものを持つ個人を訓練してきました。このトレーニングプログラムは変更され、松葉杖、または既存のデバイスの新しいバージョンを使用する必要が追加のデバイスに基づいて構築される可能性があります。
研修プログラムの標準化は、参加者の安全性、装置の使用の成功を確保するスタッフのリソースを識別し、一貫性のある結果を取得することが重要です。良いトレーニングプログラムで急所の適応を促進し、必要な力や動きを認識するためにユーザを可能にするために、適切な候補選択、装置の適切なフィッティング、適切なスキルの進行、および肩の上または無傷の感覚を持つ領域に提供する支援を含みますその動きの間にその後のステッピングアクション。したがって、デバイスにおけるユーザ・ゲインの専門知識と独立を支援し、トレーナーのサポートを最小限に抑えるためにトレーナーとユーザとの間のこの戦略的なダンスを練習することが重要です。トレーナーは、外骨格に自立することが困難で、このアクションの結果ので、感覚の参加者のレベルより下に支援することは避けてください。歩行スキルを向上させるためのもう一つの重要な点は、様々な表面上と異なる環境の中を歩いて参加者に挑戦することです。参加者は、カーペット敷きの床にambulatingより簡単になるように医療センターに屋内とフラット/滑らかな表面の上を歩いて感じます。カーペット敷きの床の上を歩いて、今度は、例えばコンクリートやアスファルトなどの凹凸面に屋外で歩くよりも簡単であることが報告されています。体重移動の方法はより困難になるので、アップウォーキングダウン異なる斜面勾配が参加者を強制することは、バランスのpresaの複数形の変化した中心部への歩行戦略を適応させます傾きによってnted。これらの厳しい環境の全ては、一般社会の中に遭遇するので、適切に参加者を準備するために、制御環境で実践することが非常に重要されています。
安全に地上16-19,21,36を歩き回るためにパワードスーツを使用することを学んだSCIのある人にはいくつかの報告がなされています。これらのレポートの参加者の多くは下肢に残存機能や感覚に少しを持っていました。重篤な有害事象は、これらの研究から報告されていないとデバイスは、適切な訓練で使用しても安全とみなされました。報告された有害事象は、特に初期のトレーニングセッション16,19,36の間に、あざや皮膚の発赤、および上肢の疲労、皮膚の擦り傷が含まれていました。これは、継続的なトレーニングで、参加者は、デバイスのより良いフィッティングで迅速に解決上肢疲労と皮膚擦過傷の減少に気づいたことが認められました。フートゥーレのあざや赤みはストラップの調整や患部の周囲の追加のパディングを戦略的に配置して回避されました。
デバイスの使用中の能力は、より速い歩行速度、支援レベルの低下、および多様な環境での安全な歩行を達成する能力によって決定されます。歩行能力の前のレポートは、複数の独立した人々が援助を必要と人よりも速く歩き回ることを示しました。バンHedel らの報告彼らは0.44±0.14メートル/秒の最低速度で歩き回ることができれば、「アシスト歩行者」として歩行者を分類。彼らの車椅子42を使用して上で支援を受けて、屋外で歩くことを選んだ人たちに関連付けられたスピード。この歩行速度は、ストロークを持つ人に報告限られたコミュニティambulatorsの0.40メートル/秒の速度に類似している。43ごく少数の研究では、ロボットexoskeletを使用して、歩行速度や援助のレベルを報告しているが、アドオンは、これらの研究は、多くの参加者がこれらの以前の報告に記載さ0.40メートル/秒の歩行速度を達成できることを示しました。パワードスーツを使用してレポートは、7〜12の参加者はより速くより0.40メートル/秒18を歩き回ることができたことを示しました。別のパワードスーツを使用して別の調査は成功し0.40メートル/秒36よりも大きいをambulating 6〜16の参加者を例示することができました。第三のパワードスーツを使用してレポートが0.40メートル/秒22,44の歩行速度を実証していないが、今後のレポートは、そのデバイスのさらなる訓練および/ またはadaptionsで増加歩行速度を示すことができます。これまでのところ、パワードスーツを使用して、すべての研究は、援助の高いレベルを必要とするものは遅い速度で歩い報告しています。これらの報告書に説明つの思考は、参加者の一部は、0.40メートル/秒の速度を超えて歩行しなかったが、彼らはFIで定義されているように、「監督」のレベルで歩き回ることができたということでしたMスケール。これらのレポートは、デバイスへの追加のトレーニングや修正を加えて、これらのより速い速度で歩行を実現することができる、ことを示唆しています。
酸素消費量によって測定されるエネルギー消費がなく、過度に疲労ある閾値以上、外骨格アシスト歩行に伴って増加することが実証されています。 0.22±0.11メートル/秒の平均ペースでパワードスーツにambulatedエイト参加者は118±21のbmp(48%±16%の心拍数リザーブの11.2±1.7ミリリットル/ kg /分および心拍数の酸素消費速度を歩いて実証しました)、有意最大予測値以下で、座って17を立ってから大幅に増加しましたどちらも。別のパワードスーツを使用して別のレポート、ウォーキングの2試合の間に5参加者の酸素消費量を評価し、で歩いているとき0.19±0.01メートル/秒、11.5±1.4ミリリットル/ kg /分で歩いているとき9.5±0.8ミリリットル/ kg /分を報告0.277; 0.05メートル/秒21。これらの研究はいずれも、適度な強度でambulating参加者は心肺利点45に有効であることがスポーツ医学のアメリカの大学によって決定される最小限のトレーニングの強度閾値を上回ったことを明らかにしました。これは、これらのデバイスが実行した場合、定期的にユーザのフィットネス、体組成および脂質プロファイルの改善につながることが期待されてもよいこと活動の形を提供し、より長い期間にわたって使用される可能性があることを示唆しています。
パワードスーツは、上肢機能を持つ人のために立って地上歩行のために修正された独立性(FIMによって定義されるようなレベル6)の形を提供しています。将来のデバイスは、より速い速度で歩行または所望の歩行速度を変化させる高い能力を提供するように設計されてもよいです。今後の外骨格はまた、maintaininによって(例えば、四肢麻痺を持つものとして)限られた手と腕の機能とのそれらのために設計することができますグラム、ユーザーの残高追加のトランクをサポートしているとのバランスを維持するための松葉杖を保持するよりも、別のメカニズムを提供します。脳の制御の進歩は、1日の歩行動作20を制御するために組み込まれてもために利用可能とすることができます。この新興分野の中で、提示され、基本的なトレーニングの概念は、現在および将来のパワードスーツにも適用可能であるが、ユーザに合わせて調整されるべきであり、外骨格が使用されています。
標準化されたトレーニング戦略は、現在成功した参加者の外骨格支援歩行のために利用されています。これらのデバイスの将来の変更には、トレーニングパラダイムにadaptionsが必要な場合があります。適切外骨格支援歩行を実行するために、SCIのある人を養成する資格のSCIヘルスケアの専門家を教えることは、これらのデバイスの継続使用と処方のために必要とされます。今後は、これらのデバイスのために明るいです。 SCIのある人によるパワードスーツの使用がトンで、より広範囲になります世界中の医療とリハビリセンターでの研修プログラムの彼が設立。さらに、今後の研究は、通常の外骨格支援歩行は脊髄損傷からの不動と麻痺に関連付けられている二次合併症の多くを改善することを示すことがあります。
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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