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.
脊髓损伤(SCI)的许多人都无法站立,并使用或不使用辅助设备和物质帮助的走动。几个世纪以来,对于那些严重SCI唯一的移动选项已经轮椅1。在过去的几十年里,随着SCI人不得不通过补充采用被动矫形器其流动性的选择,如各种往复式步行矫形器(RGO)2-7。这些装置,但是,并没有由于由用户使用这些设备走动所需的体力变得更广泛地使用。该RGOS也有爬楼梯,站起来,坐 下3,7的能力限制。已经作出努力通过将功能性电刺激(FES)供电的移动,并有助于促进肢体的向前摆动以提高这些装置的效率;然而,这些努力没有进展超出了概念或原型8-12。在20世纪70年代,马达用矫形器整合到髋关节和膝关节的运动力量和成功地允许与SCI的人采取措施13。然而,时间电池和计算机技术不足限制了设备的范围,并进一步发展被放弃10,13。
随着近来的技术进步,若干动力服已开发以实现与各种病症的人到地上走动。这些动力服的设备已被研究人员与卒中14,15,与导致减少了他们的下肢25-27控制残疾完全和不完全SCI 16-24,和其他人的人。虽然设备不同,每一个需要用户安全性能的训练和练习。所引用的设备的三个要求使用拐杖的走动和保持平衡。第四个保持balance和稳定性,因为它的大踏板和大规模扩大其支持基础并降低重心20的中心。那些需要crutching三个设备利用相同的原理,即使有一些变型与力学和控制所需的操作的方法,由于在装置的设计上的差异。
的培训计划是由一组由生物医学工程师,生理学家,理疗师,运动生理学家,神经科医师和物理治疗师的研究人员在詹姆斯·J·彼得斯VA医学中心(JJPVAMC),布朗克斯,纽约发展。该培训项目与一个特定的动力服研制前面所述17,18,但它采用了两套技能,适用于需要一套拐杖来保持平衡其他动力服。所有潜在的参与者参加了循序渐进的训练计划前筛查。的重要性筛选在脊髓损伤的人是要确保没有可能抑制安全使用这些设备的禁忌医疗并发症。关注的一个领域是低骨矿物质密度(BMD)。脊髓损伤者受损28,29后立即剧烈的骨质流失可能继续在他们的生活30。骨密度这种损失导致长骨骨折的危险性高。目前,有减轻为那些与完整的电机的SCI的骨损失没有有效的治疗方法。此外,对于人SCI患者建立的骨折阈不存在,但已经进行了努力,以确定其可与临床判断和骨折史一起使用作为指导31-33标准。其他常见的禁忌症可被处理和解决的,如运动(ROM)中的范围的限制34和压疮35。每个不同的动力服可能需要资格不同的条件,诸如ROM的标准,是一个甘地日期使用该设备,其中大部分已被描述17-19,21,22,36。
一个人一旦成功通过所有的筛选标准,装修设备到用户和培训可以继续。该装置的正确配合是很重要的,以避免与外骨骼下肢不适当的接触,因为装修不好可能会导致瘀伤和/或皮肤擦伤16。用户可能具有限制或无下肢感觉和本体;这种缺乏从脚感觉和触觉反馈可以促进整体缺乏资产负债的中心意识,减缓用户的掌握设备的能力。这种缺乏平衡的中心的意识也可能导致与适当重量困难衡量向前的程度移位这种挑战和步态周期和不适当定时重量中横向偏移必要换档,导致过量使用的负重上该武器和平衡维护拐杖。一旦站立平衡和重量转移被收购的基本机制,用户传授给走在设备中。需要多个会话,以改善步行和其它移动技能。起初,表面是平坦和医疗中心内平滑用于训练。然而,具有改进的技术水平,用户通过引入不同行走表面如地毯,沥青,混凝土,草,有不同程度的斜坡的不平整表面的挑战与增量更加困难的任务。
这份手稿的目的是报告的筛选标准,正确的安装和培训程序使用了地上行走一个动力服。这项计划是专门为一台设备,由他人16-18描述的发展,但它解决了常见的员工培训师和人与SCI谁参与方面的挑战外骨骼辅助ED走这可以用另一个动力服的方案。这个协议的某些方面是特定的JJPVAMC使用的设备。此外,一些培训计划的组成部分是由它包括设备元件的方向,对于一个适当的配合和基础地位的基本准则和坐在技能说明制造开发。在JJPVAMC的研究人员开发,一旦用户执行的所有培训活动中站立起来。这些措施包括增强的地位和坐姿训练指示,站立平衡技巧,室内步行发展技能,户外散步进展技能,并为达到,停止,转弯等机动任务,及各类门/门限导航。
在过去的五年中,我们的小组已开发成功的筛选和参与者使用需要拐杖动力服的类型的培训计划。我们已经训练了与电机完全瘫痪,以及那些有不全瘫的个体。这个训练程序必须进行修改和在用需要使用拐杖,或在现有设备的较新版本的附加设备内置的潜力。
一个培训项目的标准化是非常重要的,以保证参与者的安全,成功地利用该装置,发现人力资源,并获得一致的结果。在一个良好的培训计划,重点包括适当人选的选择,设备的适当配合,适当的技能的进展,并在肩上,或与完整感的地区提供援助,以使用户识别所需要的力和运动,促进适应在他们的动向随后加紧行动。它练习教练和用户之间的这一战略的舞蹈,以尽量减少教练的支持,从而有助于在设备的用户获取专业知识和独立性是很重要的。培训师应该避免,因为在困难这一行动的结果成为独立于外骨骼帮助之下轰动的参与者的水平。另一个关键点,以改善行走技能是走在各种表面,并在不同的环境挑战的参与者。与会者认为在室内行走和在医疗中心平坦/光滑的表面会比走动在地毯更容易。走在铺着地毯的地板,反过来,据报道,比在不平整的表面,如混凝土或沥青户外行走更容易。走来走去不同坡度迫使参与者,因为重量转移的方法变得更具挑战性调整自己的战略,行走由于平衡prese的改变中心由斜坡nted。所有这些挑战性的环境中,通常在社区内遇到的,因此,是实践在受控环境好好准备参加非常重要的。
目前已在脊髓损伤谁已经学会了使用动力服安全地走动地上16-19,21,36者的几份报告。许多这些报告中的参与者几乎没有在他们的下肢无残留功能或感觉。无严重不良事件从这些研究报告和设备被认为安全的适当的培训来使用。报告的不良反应包括皮肤擦伤,青紫或皮肤发红,上肢乏力,尤其是在最初的培训课程16,19,36。有人指出,随着持续的培训,学员注意到减少与设备的更好拟合很快就解决了上肢疲劳和皮肤擦伤。福TURE青紫,红肿避免了与肩带调整和周围的患处额外填充的战略布局。
熟练使用的装置是由以实现更快下地的速度,减少的援助水平,并在不同的环境中安全行走的能力来确定。的行走能力此前的报告显示,那些谁更独立会走动谁比那些需要援助的速度更快。报告由Van Hedel 等分为步行者为“辅助步行者”如果他们能与0.44±0.14米/秒的最小速度走动。与那些谁选择了与援助在使用他们的轮椅42户外散步有关的速度。这个步行 速度类似于中风的人报告的有限社区ambulators的0.40米/秒的速度。43虽然只有少数研究使用机器人exoskelet报道行走速度和辅助级别插件,这些研究表明,许多参与者都能够实现这些以前的报告中提到的0.40米/秒的行走速度。使用动力服的一份报告显示,7月12日的参与者们能够更快地走动0.40米/秒18。使用不同的动力服另一项调查能够说明16 6的参与者成功走动大于0.40米/秒36。虽然使用第三个动力服的报告没有证实为0.40米/秒22,44,未来的报告可能显示增加行走速度与该装置进一步培训和/或自适应速度行走。到目前为止,使用动力服所有的研究都报道那些需要援助的更高水平走在较慢的速度。在这些报告中讨论的一个想法是,尽管一些与会者没有走动0.40米/秒的速度之上,他们能够在“监管”的水平走动作为FI定义中号的规模。这些报道表明,用另外的训练或修改的装置,行走在这些更快的速度,可以实现。
通过氧消耗测量的能量支出已被证明与外骨骼辅助行走增加,但不高于即过分疲劳的阈值。八参与者谁在动力服在0.22±0.11微米的平均步伐ambulated /秒证明行走的氧消耗率11.2±1.7毫升/千克/分钟,118±21的bmp(48%±16%心脏速率储备的心脏速率),而这两者都是从坐在和站立17,但显著低于最大预测值的显著增加。使用不同的动力服另一报告中,评价氧消耗在5与会者在2较量行走并报告9.5±0.8毫升/千克/分钟,在0.19行走时±0.01米/秒和11.5±1.4毫升/公斤/时在步行分钟0.277; 0.05米/秒21。这两项研究表明,在参加中等强度走动均高于通过运动医学的美国学院确定的最低训练强度阈值心肺受益45是有效的。这表明,这些设备具有被用于更长的时间的可能性,提供活动,如果定期执行预期可能导致在用户的健身,身体组成和脂质分布的改进的形式。
该动力服提供站立和行走地上与上肢功能者修改独立性(六级由FIM定义)的一种形式。未来的设备可以被设计以更快的速度走动或提供更大的改变所需的行走速度的能力。未来外骨骼也可以被设计为那些具有有限的手和臂的功能(例如与四肢瘫痪)由maintainin克用户与附加躯干支撑和比保持一个拐杖用于保持平衡提供了另一种机制平衡。大脑控制的进步也许有一天可以被纳入到控制步行运动20。在这个新兴的领域,提出了基本训练概念可以适用于当前和未来的动力服,而应针对用户和正在使用的外骨骼。
标准化的培训战略,目前用于成功的参与者外骨骼辅助行走;这些设备的将来的修改可能需要adaptions到训练模式。教学中的素质SCI保健专业人员适当训练脊髓损伤的人来执行需要对这些设备的持续使用和处方外骨骼辅助行走。前途是光明的这些设备;用SCI的人使用动力服会成为与T更为广泛他建立的培训计划在全球医疗和康复中心。此外,未来的研究可以表明,经常外骨骼辅助步行改善许多与脊髓损伤静止和麻痹二级医疗并发症。
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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