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.
Många personer med ryggmärgsskada (SCI) är oförmögna att stå och pendla med eller utan användning av ett hjälpmedel eller fysisk hjälp. I århundraden har det enda mobilitets för dem med svår SCI varit rullstolen 1. Under de senaste decennierna, har personer med SCI hade möjlighet att komplettera sin rörlighet genom att använda passiva ortoser såsom en mängd av kolvgång ortos (RGO) 2-7. Dessa anordningar är emellertid inte har blivit mer allmänt används på grund av att den fysiska ansträngning som krävs av användaren för att pendla med hjälp av dessa enheter. De RGOs har också begränsningar i möjligheten att klättra trappor, stå upp och sitta ner 3,7. Ansträngningar har gjorts för att öka effektiviteten av dessa enheter genom att införliva Funktionell elektrisk stimulering (FES) för att driva rörelsen och underlätta fram svängning av lemmen; Men, har dessa ansträngningar inte kommit längre än begrepp eller prototyper 8-12.På 1970-talet, var motorerna sammanbyggd med en ortos för att driva rörelsen höft- och knäleder och var framgångsrik i att låta en person med SCI att vidta åtgärder 13. Men otillräcklig batteri och datorteknik av tiden begränsade utbudet av enheten och vidareutveckling gavs 10,13.
Med de senaste tekniska framstegen har flera artificiellt exoskelett utvecklats för att göra det möjligt för personer med olika sjukdomar att pendla overground. Dessa drivs exoskelett enheter har studerats hos personer med stroke 14,15, personer med fullständiga och ofullständiga SCI 16-24, och andra personer med funktionshinder som orsakar minskad kontroll över sina nedre extremiteterna 25-27. Även om anordningarna skiljer sig åt, var och en kräver utbildning och övning av användaren för säker prestanda. Tre av de refererade anordningar kräver användning av kryckor för att pendla och upprätthålla balansen. Den fjärde bibehåller balance och stabilitet på grund av dess stora fotplatta och massa som förstorar bas av stöd och sänker tyngdpunkten 20. De tre enheter som kräver crutching utnyttjar samma principer, även om det finns vissa variationer med mekanik och metoder för att kontrollera de önskade åtgärderna på grund av skillnader i utformningen av anordningarna.
Ett utbildningsprogram utvecklades vid James J. Peters VA Medical Center (JJPVAMC), Bronx, NY av en grupp forskare som består av en biomedicinsk ingenjör, fysiologen physiatrist, övningphysiologist, neurolog och sjukgymnaster. Utbildningen har utvecklats med en specifik artificiellt exoskelett tidigare beskrivits 17,18 men det innehåller uppsättningar av färdigheter som gäller för andra motordrivna exoskelett som kräver en uppsättning av kryckor för att upprätthålla balansen. Alla potentiella deltagare sållades före delta i den progressiva träningsprogram. Betydelsen avscreening hos personer med SCI är att säkerställa frånvaron av kontraindicerat medicinska komplikationer som kan hämma en säker användning av dessa anordningar. Ett problemområde är låg bentäthet (BMD). Personer med SCI lider dramatisk benförlust omedelbart efter skada 28,29 som kan fortsätta hela livet 30. Denna förlust av BMD resulterar i en hög risk för långa benfrakturer. För närvarande finns det ingen effektiv behandling för att minska benförlust för dem med fullständig motor SCI. Dessutom finns inte en etablerad tröskel fraktur för personer med SCI, men ansträngningar har gjorts för att identifiera kriterier som kan användas som en guide 31-33 tillsammans med klinisk bedömning och fraktur historia. Andra vanliga kontra kan behandlas och lösas, såsom begränsad rörelseomfång (ROM) 34 och tryck sår 35. Var och en av de olika artificiellt exoskelett kan kräva olika villkor för berättigande, såsom ROM kriterier för att vara en candidatum att använda enheten, av vilka de flesta har beskrivits 17-19,21,22,36.
När en person har klarat alla de urvalskriterier som passar till enheten för användaren och utbildning kan fortsätta. Korrekt montering av enheten är viktigt att undvika olämplig kontakt i de nedre extremiteterna med exoskelett eftersom dålig montering kan leda till blåmärken och / eller hud skrubbsår 16. Användare kan ha begränsad eller ingen nedre extremiteten sensation och proprioception; denna brist på sensorisk och taktil återkoppling från fötterna kan bidra till en allmän brist på medvetenhet om deras tyngdpunkten, bromsa användarens förmåga att behärska enheten. Denna brist på medvetenhet om tyngdpunkten kan också leda till problem med lämplig vikt skiftande såsom svårighet att mäta omfattningen av framåt och i sidled nödvändiga under gångcykeln och olämpligt tids vikt skiftande, vilket resulterar i överskjutande användning av viktbärande på dearmar och kryckor för balans underhåll. När grunderna mekanismerna för stående balans och vikt växling förvärvas användaren lära sig att gå i enheten. Flera sessioner behövs för att förbättra promenader och andra färdigheter rörlighet. Initialt är ytor som är plan och jämn inom det medicinska centret som används för utbildning. Men med förbättrad kompetensnivå användaren utmanas med stegvis svårare uppgifter genom att införa olika gångytor såsom mattor, asfalt, betong, gräs, och ojämnt underlag med olika grader av backar.
Syftet med detta manuskript är att rapportera de urvalskriterier, korrekt montering och förfaranden utbildning för användning en driven exoskelett för tunnelbane promenader. Detta program har utvecklats för en enhet specifikt som beskrivs av andra 16-18, men det tar upp aspekter och utmaningar som är gemensamma för personal utbildare och personer med SCI som deltar i exoskeletal-assisted walking program som kan använda en annan driven exoskelett. Vissa aspekter av detta protokoll är specifika för den enhet som används vid JJPVAMC. Dessutom kan vissa av komponenterna i utbildningen har utvecklats av tillverkningen som innefattar orientering av enhetens komponenter, grundläggande riktlinjer för en god passform och grundläggande stående och sittande skicklighet instruktioner. Forskarna vid JJPVAMC utvecklat alla utbildningsverksamhet som utförs när användaren står upp. Dessa inkluderar förbättring av stående och sittande träningsinstruktioner, stående balans färdigheter, inomhus walking progression färdigheter, utomhus gångprogressions kompetens och andra uppgifter rörlighet för att nå, stoppa, vända, och olika typer av dörr / tröskel navigering.
Under de senaste fem åren har vår grupp utvecklat en framgångsrik screening och utbildningsprogram för deltagarna att använda den typ av artificiellt exoskelett som kräver kryckor. Vi har utbildat personer med motor fullständig förlamning liksom de med ofullständig förlamning. Denna utbildning har potential att ändras och byggas på med ytterligare enheter som kräver användning av kryckor eller nyare versioner av befintliga enheter.
Standardisering av ett utbildningsprogram är viktigt att säkerställa deltagare säkerhet, framgångsrik användning av produkten, identifiera personalresurser, och att förvärva konsekventa resultat. Huvudpunkter i ett bra träningsprogram inkluderar lämpligt val kandidat, korrekt montering av anordningen, lämplig skicklighet progression, och ge stöd på axlarna eller på ett område med intakt sensation att göra det möjligt för användaren att känna igen den erforderliga kraften och rörelsen, främja anpassningen av deras rörelser underde efterföljande steg åtgärder. Det är viktigt att utöva denna strategiska dans mellan tränaren och användaren för att minimera tränare stöd, vilket hjälper användaren få kompetens och oberoende i enheten. Utbildare bör undvika att bistå under deltagarens nivå av känsla eftersom denna åtgärd resulterar i svårigheter att bli oberoende i exoskelett. En annan viktig punkt för att förbättra gång skicklighet är att utmana deltagaren med att gå på olika ytor och i olika miljöer. Deltagarna uppfattar gå inomhus och på platta / släta ytor i vårdcentral vara lättare än ambulerande på en matta på golvet. Gå på heltäckningsmattor, i sin tur, har rapporterats vara lättare än promenader utomhus på ojämna ytor som betong eller asfalt. Gå upp och ner olika lutning lutningar tvingar deltagaren att anpassa sin gång strategi eftersom metoden för vikt växling blir mer utmanande på grund av den förändrade tyngdpunkten presented av lutningen. Alla dessa krävande miljöer är vanligt förekommande i samhället och därför är mycket viktigt att träna i en kontrollerad miljö för att ordentligt förbereda deltagaren.
Det har förekommit flera rapporter i personer med SCI som har lärt sig att använda en motordriven exoskelett att säkert ambulate overground 16-19,21,36. Många av deltagarna i dessa rapporter hade liten eller ingen restfunktion eller känsla i sina nedre extremiteter. Inga allvarliga biverkningar rapporterades från dessa studier och enheterna ansågs säker att använda med lämplig utbildning. De biverkningar som rapporterades hud skrubbsår, blåmärken eller rodnad i huden, och utmattning av de övre extremiteterna, särskilt under de första träningspass 16,19,36. Det konstaterades att med fortsatt utbildning deltagarna märkte en minskning av övre extremiteten trötthet och hud skrubbsår lösas snabbt med bättre montering av enheten. fuTure blåmärken och rodnad undveks med justering av remmarna och strategisk placering av extra stoppning runt det drabbade området.
Färdighet i användningen av anordningen bestäms av förmågan att uppnå snabbare om gånghastighet, reducerade nivåer av stöd och säker förflyttningar i olika miljöer. Tidigare rapporter om gångförmåga visade att de som var mer oberoende skulle pendla snabbare än de som behövde hjälp. En rapport från van Hedel et al kategoriseras vandrare som "stöd walkers" om de kunde pendla med en hastighet på minst 0,44 ± 0,14 m / sek. en hastighet i samband med dem som valde att gå utomhus med hjälp över med hjälp av rullstolen 42. Denna gånghastighet liknar 0,40 m / sek hastighet av de begränsade samhälls ambulators rapporterats hos personer med stroke. 43 Även om endast ett fåtal studier har rapporterat förflyttningar hastighet och nivån på stödet med hjälp av robot exoskeletons, dessa studier indikerade att många deltagare kunde nå 0,40 m / sek gånghastighet nämns i dessa tidigare rapporter. En rapport med hjälp av en motordriven exoskelett visade att 7 av 12 deltagare kunde pendla snabbare än 0,40 m / sek 18. En annan undersökning med en annan driven exoskelett kunde illustrera 6 av 16 deltagare framgångsrikt ambulerande större än 0,40 m / sek 36. Även om rapporter med en tredje artificiellt exoskelett inte har visat gånghastighet på 0,40 m / sek 22,44, kan framtida rapporter visar ökade gånghastigheter med vidareutbildning och / eller anpassningar i den enheten. Hittills har alla studier med artificiellt exoskelett rapporterade dem som behöver högre nivåer av stöd gick vid lägre hastigheter. En tanke som diskuteras i dessa rapporter var att även om vissa av deltagarna inte pendla över 0,40 m / sek hastighet, kunde de pendla i nivå med "övervakning" enligt definitionen i FIM skalan. Dessa rapporter tyder på att med ytterligare utbildning eller ändringar av enheter förflyttningar på dessa högre hastigheter kan åstadkommas.
Energiförbrukningen mätt med syreförbrukningen har visats ökas med exoskeletal assisterad promenader, men inte över tröskeln som är onödigt tröttande. Åtta deltagare som ambulated i artificiellt exoskelett på en genomsnittlig takt av 0,22 ± 0,11 m / sek visade gångsyreförbrukning av 11,2 ± 1,7 ml / kg / min och hjärtfrekvens av 118 ± 21 bmp (48% ± 16% pulsreserv ), som båda var en betydande ökning från sittande och stående 17, men betydligt lägre än de maximala förutsagda värden. En annan rapport med en annan driven exoskelett, utvärderas syreförbrukning på 5 deltagare under 2 anfall av promenader och rapporterade 9,5 ± 0,8 ml / kg / min när man går på 0,19 ± 0,01 m / s och 11,5 ± 1,4 ml / kg / min när man går på 0,277; 0,05 m / sek 21. Båda dessa studier har visat att deltagarna ambulerande på en måttlig intensitet var över den minimala träningsintensiteten tröskel bestäms av American College of Sports Medicine vara effektiva för hjärt fördelar 45. Detta tyder på att dessa enheter har potential att användas under längre tidsperioder, vilket ger en form av verksamhet som om de utförs regelbundet kan förväntas leda till förbättringar i användarens kondition, sammansättning kropp och lipidprofilen.
De artificiellt exoskelett erbjuder en form av modifierat självständighet (nivå sex som definierats av FIM) för stående och tunnelbane förflyttningar för personer med övre extremiteterna funktion. Framtida enheter kan utformas för att pendla med högre hastighet eller tillhandahålla en större förmåga att variera den önskade ambulation hastighet. Framtida exoskelett kan också vara utformad för personer med begränsad hand och arm funktion (såsom de med tetraplegi) genom maintaining användarens balans med ytterligare bålstödet och ger en annan mekanism än att hålla en krycka för att upprätthålla balansen. Framsteg i hjärnans kontroll kan en dag vara tillgängliga att ingå för att styra gångrörelsen 20. Inom detta framväxande område, kan de grundläggande utbildningskoncept som presenteras vara tillämplig på de nuvarande och framtida artificiellt exoskelett, men bör anpassas till användaren och exoskelett som används.
Standardiserade utbildningsstrategier för närvarande utnyttjas för framgångsrik deltagare exoskeletal stödd gång; framtida ändringar av dessa enheter kan behöva anpassningar till utbildning paradigm. Undervisning kvalificerade SCI hälso- och sjukvårdspersonal att på lämpligt sätt utbilda personer med SCI att utföra exoskeletal assisterade walking behövs för fortsatt användning och förskrivning av dessa enheter. Framtiden är ljus för dessa enheter; användningen av artificiellt exoskelett av personer med SCI skulle bli mer utbredd med than inrättandet av utbildningsprogram i medicinska och rehabiliteringscentra över hela världen. Dessutom kan framtida forskning visar att regelbunden exoskeletal assisterad promenader förbättrar många av de sekundära medicinska komplikationer som är förknippade med orörlighet och förlamning från ryggmärgsskada.
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 |