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.
Многие люди с повреждением спинного мозга (SCI) не могут стоять и передвигаться с использованием или без использования вспомогательное устройство или физической помощи. В течение многих столетий, единственный вариант мобильности для людей с тяжелой ТСМ была коляска 1. В течение последних нескольких десятилетий, люди с ТСМ имели возможность дополнить их подвижности с помощью пассивных ортопедических устройств , таких как разновидность возвратно – поступательное движение походки ортез (РГО) 2-7. Эти устройства, однако, не стали более широко используются из-за физических усилий, требуемых пользователем, чтобы передвигаться с помощью этих устройств. В RGOs также имеют ограничения в способности подниматься по лестнице, встать и сесть 3,7. Были предприняты усилия в целях повышения эффективности работы этих устройств путем включения функциональной электростимуляции (FES) к власти движения и помогают облегчить вперед раскачивание конечности; Тем не менее, эти усилия не выходило за рамки концепций или прототипов 8-12.В 1970 – е годы, двигатели были включены с ортеза к власти движение тазобедренного и коленного суставов и был успешно позволяя человеку с ТСМ предпринять шаги 13. Тем не менее, недостаточная батарея и компьютерная технология того времени ограничили диапазон устройства, а также дальнейшее развитие было оставлено 10,13.
С учетом последних технологических достижений, несколько приведенные в действие экзоскелеты были разработаны, чтобы лица с различными патологиями, чтобы передвигаться надземные. Эти устройства с питанием экзоскелет были изучены у лиц с инсультом 14,15, лица с полным и неполным SCI 16-24, и других лиц с ограниченными возможностями приводит к снижению контроля над их нижних конечностей 25-27. Хотя эти устройства различаются, каждый из них требует обучения и практики пользователем для безопасной работы. Три из упомянутых устройств требует использования костылей для передвигаться и поддерживать баланс. Четвертый поддерживает балансировкае и стабильность из – за его большого подножку и массы что расширяет базу поддержки и понижает центр тяжести 20. Эти три устройства, которые требуют раздвоение используют одни и те же принципы, хотя существуют некоторые вариации с механики и методов управления желаемые действия из-за различий в конструкции устройств.
Программа обучения была разработана в Джеймс Дж Петерс В.А. медицинский центр (JJPVAMC), Бронкс, Нью-Йорк группой исследователей, состоящих из биомедицинского инженера, физиолога, физиотерапевтом, ЛФК, невролог и физиотерапевтов. Программа обучения была разработана с одним конкретным экзоскелетами ранее описанных 17,18 , но она включает в себя наборы навыков, которые применимы к другим экзоскелеты , которые требуют набор костылей для поддержания баланса. Все потенциальные участники были обследованы до участия в прогрессирующей программе обучения. Важностьскрининга у лиц с ТСМ является обеспечение отсутствия противопоказаний медицинских осложнений, которые могут препятствовать безопасному использованию этих устройств. Одной проблемой является низкая минеральная плотность костной ткани (BMD). Лица с ТСМ страдают драматические потери костной ткани сразу после травмы 28,29 , которые могут продолжаться в течение всей их жизни 30. Эта потеря BMD приводит к высокому риску переломов длинных костей. В настоящее время не существует эффективного лечения для уменьшения потери костной массы для тех, кто с полной моторной ТСМ. Кроме того, установленный порог разрушения для человека с ТСМ не существует, но были предприняты усилия , чтобы определить критерии , которые могут быть использованы в качестве руководства 31-33 наряду с клинической оценкой и истории перелома. Другие общие противопоказания могут быть обработаны и решены, такие как ограниченный диапазон движения (ROM) 34 и давления язвы 35. Каждый из различных экзоскелетами могут требовать различных условий для участия в ней, таких как критерии ROM, чтобы быть кандидата использовать устройство, большинство из которых были описаны 17-19,21,22,36.
После того, как человек успешно прошел все критерии отбора, установки устройства для пользователя и обучение может продолжаться. Правильная установка прибора важно , чтобы избежать нежелательного контакта нижних конечностей с экзоскелета потому что плохое фитинга может привести к кровоподтеки и / или кожи ссадины 16. Пользователи могут иметь ограниченный или не ниже ощущение конечности и проприоцепция; это отсутствие сенсорной и тактильной обратной связи от ног может внести свой вклад в общее отсутствие осознания своего центра равновесия, замедляя способность пользователя освоить устройство. Это отсутствие осознания центра равновесия может также привести к проблемам с соответствующим весом меняющимися, такие как трудности при измерении степени прямой и боковой сдвиг необходимо во время цикла походки и ненадо приуроченной веса смещается, что приводит к избыточному использованию веса подшипника наруки и костыли для поддержания равновесия. После того как основы механизмов стояния баланса и веса перешвартовывать приобретены, пользователь учится ходить в устройстве. Несколько сессий необходимы для улучшения пешеходного и другие навыки мобильности. Первоначально поверхности, плоские и гладкие в медицинском центре используются для обучения. Тем не менее, с улучшенным уровнем квалификации, пользователь заражали приращением более сложных задач путем введения различных пешеходных поверхностей, таких как ковер, асфальт, бетон, трава, и неровной поверхности поверхностей с различной степенью склонами.
Цель этой рукописи, чтобы сообщить критериям отбора, правильной установки и процедуры обучения для использования приведенный в действие экзоскелет для надземного пешеходного. Эта программа была разработана для одного устройства конкретно, которое описывается другими 16-18, но он затрагивает аспекты и проблемы , которые являются общими для инструкторов сотрудников и лиц с ТСМ , которые участвуют в экзоскелетонная содействующееред ходить программы, которые могут использовать другой экзоскелетами. Некоторые аспекты этого протокола являются специфическими для устройства, используемого в JJPVAMC. Кроме того, некоторые из компонентов программы обучения были разработаны производства, которая включает в себя ориентацию компонентов устройства, основные принципы для правильной пригонки и основной стоя и сидя инструкции навыков. Исследователи на JJPVAMC разработали все учебные мероприятия, выполняемые как только пользователь стоя. Они включают в себя усиление стоя и сидя инструкции подготовки, стоя баланс навыков, крытый ходьбе навыки прогрессии, на открытом воздухе навыки ходьба прогрессии, а другие задачи мобильности для достижения, остановки, поворота, а также различные типы дверей / порога навигации.
За последние пять лет наша группа разработала успешную скрининг и программу обучения для участников использовать тип экзоскелетами, который требует костыли. Мы обучили людей с полным параличом двигателя, а также тех, с неполным параличом. Эта учебная программа имеет потенциал, чтобы быть изменен и построен на с дополнительными устройствами, которые требуют использования костылей или более новые версии существующих устройств.
Стандартизация учебной программы важна для обеспечения безопасности участника, успешное использование устройства, идентифицировать кадровые ресурсы, а также для получения стабильных результатов. Ключевые моменты в хорошей учебной программы включают соответствующий выбор кандидатов, надлежащую установку устройства, соответствующего прогрессию навыков, а также предоставление помощи на плечи или на участке с неповрежденной ощущением, чтобы позволить пользователю распознать необходимую силу и движение, способствуя адаптацию их движения во времяпоследующие шаговые действия. Важно, чтобы практиковать этот стратегический танец между тренером и пользователем, чтобы минимизировать поддержку тренера, помогая тем самым опыт пользователя и усиления независимости в устройстве. Тренеры должны избегать оказания помощи ниже уровня участника ощущения, так как это действие приводит к трудности в становлении независимой в экзоскелет. Еще одним ключевым моментом для улучшения ходьбе навык, чтобы бросить вызов участника при ходьбе на различных поверхностях и в различных средах. Участники воспринимают ходить в закрытом помещении и на плоских / гладких поверхностях в медицинском центре, чтобы быть легче, чем ambulating на полу с ковровым покрытием. Прогулка по ковровым покрытием, в свою очередь, как сообщается, будет легче, чем прогулки на свежем воздухе на неровных поверхностях, таких как бетон или асфальт. Ходьба вверх и вниз различных уклонов заставляют участников адаптировать свою стратегию ходьбе, так как метод веса сдвига становится все более сложной задачей из-за измененного центра баланса Пресеnted наклоном. Все эти сложных условиях, как правило, встречаются в обществе и, следовательно, очень важно практиковать в контролируемых условиях, чтобы должным образом подготовить участника.
Там было несколько сообщений у людей с ТСМ , которые научились использовать экзоскелетами безопасно передвигаться надземные 16-19,21,36. Многие из участников этих докладов было практически без остаточной функции или ощущения в нижних конечностях. Никаких серьезных нежелательных явлений не было зарегистрировано в этих исследованиях и устройства были признаны безопасными для использования с надлежащей подготовки. В неблагоприятные события включали ссадины, кровоподтеки или покраснение кожи, и усталость верхних конечностей, особенно во время начальных тренировок 16,19,36. Было отмечено, что при продолжении обучения участники заметили снижение верхних конечностей и усталости кожи ссадины быстро решенных с лучшей подгонки устройства. марихуанары кровоподтеки и покраснение было избежать с помощью регулировки ремней и стратегического размещения дополнительной прокладки окружающей пострадавшего района.
Профессионализм в использовании устройства определяется возможностью достижения более высоких скоростей Ambulation, пониженные уровни помощи, а также безопасной ходьбу в различных средах. Предыдущие сообщения о способности ходить показали, что те, кто был бы более независимыми, чем быстрее передвигаться тех, кто нуждается в помощи. Доклад ван Hedel и др , отнесенных к категории ходоков как "помощь ходоков" , если они могут передвигаться с минимальной скоростью 0,44 ± 0,14 м / сек. скорость , связанный с теми , кто решил идти на открытом воздухе с помощью по сравнению с использованием их инвалидной коляске 42. Эта скорость ходьбы похожа на скорости 0,40 м / сек ограниченных ambulators общин , зарегистрированных в лиц, перенесших инсульт. 43 Хотя лишь немногие исследования сообщают о скорости передвижению и уровень помощи при помощи роботизированной exoskeletДополнения, эти исследования показали, что многие участники смогли достичь 0,40 м / сек скорость ходьбы, упомянутые в этих предыдущих докладах. Отчет с использованием экзоскелетами показал , что 7 из 12 участников смогли передвигаться быстрее , чем 0,40 м / с 18. Еще одно исследование с использованием другого экзоскелет приведенный в действие был в состоянии проиллюстрировать 6 из 16 участников успешно ambulating более 0,40 м / с 36. Хотя сообщения с использованием третьего экзоскелет приведенный в действие не продемонстрировали ходьбе со скоростью 0,40 м / сек 22,44, будущие отчеты могут показать увеличения скорости ходьба с дальнейшего обучения и / или Адаптации в этом устройстве. До сих пор все исследования с использованием экзоскелеты сообщили тех, кто нуждается более высокие уровни помощи шли на более медленных скоростях. Одна мысль обсуждалась в этих докладах, в том, что, хотя некоторые из участников не выше передвигаться скоростью 0,40 м / с, они были в состоянии передвигаться на уровне «надзора», как это определено в FIM масштаба. Эти доклады свидетельствуют о том, что, с дополнительным обучением или модификацией устройства, вставание на этих более высоких скоростях может быть достигнута.
Расход энергии измеряется потребление кислорода было продемонстрировано, увеличивается с экзоскелета при содействии ходьбе, но не выше порогового значения, который является чрезмерно утомительным. Восемь участников, которые ambulated в экзоскелетами в среднем темпе 0,22 ± 0,11 м / сек показали, ходьба скорости потребления кислорода 11,2 ± 1,7 мл / кг / мин, а частота сердечных сокращений 118 ± 21 ВМР (48% ± 16% резерва частоты пульса ), оба из которых были значительно больше , чем сидя и стоя 17, но значительно ниже максимальных прогнозируемых значений. Другой отчет, используя другой экзоскелет приведенный в действие, оценивали потребление кислорода в течение 5 участников в течение 2-х поединках ходьбы и сообщили 9,5 ± 0,8 мл / кг / мин при ходьбе на 0,19 ± 0,01 м / сек и 11,5 ± 1,4 мл / кг / мин при ходьбе по 0,277; 0,05 м / сек 21. Оба эти исследования показали , что участники ambulating при умеренной интенсивности были выше минимального порога интенсивности обучения определяется Американского колледжа спортивной медицины , чтобы быть эффективным для кардиореспираторная выгоды 45. Это говорит о том, что эти устройства имеют потенциал для использования в течение более длительных периодов времени, предоставляя форму деятельности, которая, если регулярно выполняется как можно ожидать, приведет к улучшению фитнес, состава тела и липидный профиль пользователя.
Приведенным в действие экзоскелеты предлагают форму модифицированной независимости (шесть уровня в соответствии с определением FIM) для постоянных и надземной передвижению для лиц с функцией верхней конечности. Будущие устройства могут быть разработаны, чтобы передвигаться на более высоких скоростях или обеспечивают большую способность изменять желаемую скорость способность к передвижению. Будущие экзоскелеты также могут быть разработаны для лиц с ограниченными стороны и функции руки (например, с тетраплегии) по maintaininг баланс пользователя с дополнительной поддержкой багажника и обеспечивая другой механизм, чем проведение костыль для поддержания баланса. Достижения в области контроля мозга может в один прекрасный день быть доступны для включения для управления ходьбе движение 20. В этой новой области, основные концепции обучения, представленные могут быть применимы к текущим и будущим экзоскелеты, но должны быть адаптированы для пользователя и используется экзоскелет.
Стандартизированные стратегии обучения в настоящее время используются для успешного участника экзоскелета при содействии ходьбе; будущие модификации этих устройств, возможно, потребуется Адаптации к учебному парадигме. Обучение квалифицированных медицинских специалистов SCI надлежащим образом обучать людей с ТСМ для выполнения экзоскелетонная при содействии ходьбе необходимо для дальнейшего использования и назначению этих устройств. Светлое будущее для этих устройств; использование экзоскелеты людьми с ТСМ стали бы более широкое распространение с тон создание учебных программ в медицинских и реабилитационных центрах по всему миру. Кроме того, будущие исследования могут показать, что регулярное экзоскелетонная при содействии ходьба улучшает многие из вторичных медицинских осложнений, связанных с неподвижностью и паралич от повреждения спинного мозга.
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. |
Loft strand Crutches |
Comfortable sneakers |