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.
Mange personer med ryggmargsskade (SCI) er ute av stand til å stå og ambulate med eller uten bruk av en hjelpemiddel eller fysisk hjelp. I århundrer har det bare mobilitet alternativ for de med alvorlig SCI vært rullestolen en. I løpet av de siste tiårene, har personer med ryggmargsskade hadde muligheten til å supplere sin mobilitet ved hjelp av passive orthotic enheter som en rekke stempel gangart ortose (RGO) 2-7. Disse enhetene har imidlertid ikke blitt mer utbredt på grunn av fysiske anstrengelser som kreves av brukeren til ambulate bruke disse enhetene. De RGOs har også begrensninger i evnen til å gå i trapper, stå opp og sitte ned 3,7. Arbeidet er gjort for å forbedre effektiviteten av disse enhetene ved å innlemme Funksjonell elektrisk stimulering (FES) for å gi strøm til bevegelse og bidra fremover svingende av greinen; Men har dette arbeidet ikke kommet lenger enn konsepter eller prototyper 8-12.På 1970-tallet ble motorer innlemmet med en ortose for å drive bevegelsen av hofte- og kneledd og lyktes i å la en person med SCI å ta skritt 13. Men utilstrekkelig batteri og datateknologi for tiden begrenset utvalg av enheten, og videreutvikling ble forlatt 10,13.
Med siste teknologiske fremskritt, har flere drevne exoskeletons blitt utviklet for å muliggjøre personer med ulike sykdommer til ambulate ground. Disse drevet exoskeleton enheter har blitt studert hos personer med hjerneslag 14,15, personer med fullstendige og ufullstendige SCI 16-24, og andre personer med nedsatt funksjonsevne som forårsaker redusert kontroll over sine underekstremitetene 25-27. Selv om enhetene er forskjellige, hver og en krever opplæring og praksis av brukeren for sikker ytelse. Tre av de nevnte anordninger krever bruk av krykker for å ambulate og opprettholde balansen. Den fjerde beholder vektse og stabilitet på grunn av sin store fotplate og masse som forstørrer base for støtte og senker tyngdepunktet 20. De tre enheter som krever crutching utnytte de samme prinsipper, selv om det er noen variasjoner med mekanikken og fremgangsmåter for å styre de ønskede handlinger på grunn av forskjeller i utformingen av enhetene.
Et opplæringsprogram ble utviklet på James J. Peters VA Medical Center (JJPVAMC), Bronx, NY av en gruppe forskere som består av en biomedisinsk ingeniør, fysiolog, physiatrist, treningsfysiolog, nevrolog og fysioterapeuter. Opplæringsprogrammet ble utviklet med en bestemt drevet exoskeleton tidligere beskrevet 17,18, men det inneholder sett med ferdigheter som gjelder for andre drevne exoskeletons som krever et sett med krykker for å opprettholde balansen. Alle potensielle deltakere ble undersøkt før du deltar i den progressive treningsprogram. Betydningen avscreening hos personer med ryggmargsskade er å sikre fravær av kontra medisinske komplikasjoner som kan hemme sikker bruk av disse enhetene. Et område av bekymring er lav beinmineraltetthet (BMD). Personer med SCI lider dramatisk bentap umiddelbart etter skaden 28,29 som kan fortsette gjennom hele livet 30. Dette tap av BMD resulterer i en høy risiko for lange benbrudd. Det finnes for tiden ingen effektiv behandling for å redusere bentap for de med komplett motor SCI. I tillegg vil et etablert brudd terskel for person med SCI ikke eksisterer, men arbeidet har blitt gjort for å identifisere kriterier som kan brukes som en guide 31-33 sammen med klinisk skjønn og brudd historie. Andre vanlige kontra kan behandles og løses, for eksempel begrenset utvalg av bevegelse (ROM) 34 og trykksår 35. Hver av de forskjellige drevne ytre skjelett kan kreve ulike forhold for valgbarhet, så som ROM-kriterier, for å være en candidato for å bruke enheten, de fleste som har blitt beskrevet 17-19,21,22,36.
Når en person har bestått alle screeningkriteriene, montering av enheten til brukeren og trening kan fortsette. Riktig montering av enheten er viktig å unngå upassende kontakt mellom nedre ekstremiteter med exoskeleton fordi dårlig montering kan føre til blåmerker og / eller hud skrubbsår 16. Brukere kan ha begrenset eller ingen underekstremitetene følelse og propriosepsjon; denne mangelen på sensorisk og taktil feedback fra føttene kan bidra til en generell mangel på bevissthet om sitt sentrum av balanse, reduserer brukerens evne til å mestre enheten. Denne mangelen på bevissthet om tyngdepunktet kan også føre til utfordringer med passende vekt skiftende for eksempel problemer med å måle omfanget av forover og sideveis forskyvning nødvendig under gangart syklus og feilaktig tidsbestemt vekt skiftende, noe som resulterer i overdreven bruk av vektbærende på dearmer og krykker for balanse vedlikehold. Når det grunnleggende mekanismene for stående balanse og vekt skiftende er kjøpt, blir brukeren lært å gå i enheten. Flere økter er nødvendig for å forbedre gang og andre mobilitetsferdigheter. I første omgang er overflater som er flatt og glatt innenfor det medisinske senteret brukes til trening. Men med bedre ferdighetsnivå, blir brukeren utfordret med gradvis vanskeligere oppgaver ved å innføre ulike walking overflater som tepper, asfalt, betong, gress, og unleveled overflater med ulike grader av bakkene.
Hensikten med dette manuskriptet er å rapportere screening kriteriene, riktig montering og opplæring prosedyrer for bruk en drevet exoskeleton for ground walking. Dette programmet ble utviklet for en enhet spesielt, som er beskrevet av andre 16-18, men det løser aspekter og utfordringer som er felles for ansatte trenere og personer med ryggmargsskade som deltar i exoskeletal-assisted vandre programmer som kan bruke en annen drevet exoskeleton. Visse aspekter ved denne protokollen er spesifikke for enheten som brukes på JJPVAMC. I tillegg ble noen av komponentene i opplæringsprogrammet utviklet av produksjon som omfatter orientering av enhetens komponenter, grunnleggende retningslinjer for en riktig passform og grunnleggende stående og sittende ferdighets instruksjoner. Forskerne ved JJPVAMC utviklet alle treningsaktiviteter som utføres når brukeren står opp. Disse inkluderer forbedring av stående og sittende trening instruksjoner, stående balanse ferdigheter, innendørs gang progresjon ferdigheter, utendørs gang progresjon ferdigheter, og andre mobilitet oppgaver for å nå, stoppe, snu og ulike typer dør / terskel navigasjon.
I løpet av de siste fem årene, har vår gruppe utviklet et vellykket screening og opplæringsprogram for deltakerne til å bruke den type drevet exoskeleton som krever krykker. Vi har trent personer med motor fullstendig lammelse samt de med ufullstendig lammelse. Dette opplæringsprogrammet har potensial til å bli endret og bygget på med andre enheter som krever bruk av krykker eller nyere versjoner av eksisterende enheter.
Standardisering av et treningsprogram er viktig for å sikre deltaker sikkerhet, vellykket bruk av enheten, identifisere personalressurser, og å tilegne seg konsistente resultater. Viktige punkter i et godt treningsprogram inkluderer passende kandidat utvalg, riktig montering av enheten, relevant ferdighets progresjon, og gi bistand på skuldrene eller på et område med intakt følelse å sette brukeren i stand til å gjenkjenne den nødvendige kraft og bevegelse, fremme tilpasning av deres bevegelser underde påfølgende stepping handlinger. Det er viktig å øve denne strategiske dansen mellom trener og brukeren for å minimere trener støtte, og dermed hjelpe brukeren få kompetanse og uavhengighet i enheten. Trenere bør unngå å bistå under deltakerens nivå av sensasjon siden denne handlingen resulterer i vanskeligheter i ferd med å bli selvstendig i exoskeleton. Et annet viktig punkt for å bedre gang ferdighet er å utfordre deltakeren med å gå på ulike overflater og i forskjellige miljøer. Deltakerne oppfatter gå innendørs og på flate / glatte flater i det medisinske senteret for å være enklere enn ambulerer på et teppebelagt gulv. Walking on teppegulv, i sin tur, er rapportert å være lettere enn å gå utendørs på ujevnt underlag som betong eller asfalt. Gå opp og ned forskjellige skråningen gradienter tvinge deltakeren til å tilpasse sine gang strategi fordi metoden for vekt vekslingen blir mer utfordrende på grunn av den endrede tyngdepunktet presented av skråningen. Alle disse utfordrende miljøer er vanlig forekommende i samfunnet, og derfor er svært viktig å øve i en kontrollert setting for å forberede deltakeren.
Det har vært flere rapporter i personer med ryggmargsskade som har lært å bruke en drevet exoskeleton trygt ambulate ground 16-19,21,36. Mange av deltakerne i disse rapportene hadde liten eller ingen restfunksjon eller følelse i nedre ekstremiteter. Ingen alvorlige bivirkninger ble rapportert fra disse studiene og enhetene ble ansett som trygt å bruke med riktig trening. Rapporterte bivirkninger inkludert huden sår, blåmerker eller rødhet i huden, og tretthet av de øvre ekstremiteter, særlig i løpet av de første treningsøktene 16,19,36. Det ble bemerket at med fortsatt opplæring, deltakerne merke til en reduksjon av øvre ekstremitet tretthet og hudforandringer løses raskt med bedre montering av enheten. Future blåmerker og rødhet ble unngått med justering av stroppene og strategisk plassering av ekstra polstring rundt det berørte området.
Ferdigheter i bruk av enheten bestemmes av evnen til å oppnå raskere bevegelse og fart, reduserte nivåer av assistanse og safe ambulation i varierte miljøer. Tidligere rapporter om gang evne viste at de som var mer selvstendig ville ambulate raskere enn de som trengte hjelp. En rapport fra van Hedel et al kategorisert vandrere som "assistert vandrere" om de kunne ambulate med en minimumshastighet på 0,44 ± 0,14 m / sek., en hastighet assosiert med dem som valgte å gå utendørs med bistand over ved hjelp rullestolen sin 42. Denne gangfart er lik 0,40 m / sek hastighet på de begrensede felles ambulators rapportert hos personer med hjerneslag. 43 Selv om bare noen få studier har rapportert ambulation hastighet og nivå av assistanse ved hjelp av robot exoskeletons Disse studiene indikerte at mange deltagere var i stand til å oppnå den 0,40 m / sek ganghastighet er nevnt i disse tidligere rapporter. En rapport med en drevet exoskeleton viste at 7 av 12 deltakere var i stand til å ambulate raskere enn 0,40 m / sek 18. En annen undersøkelse med et annet drevet exoskeleton var i stand til å illustrere 6 av 16 deltakere vellykket ambulating større enn 0,40 m / sek 36. Selv om rapporter ved hjelp av en tredje drevet exoskeleton ikke har vist ganghastighet på 0,40 m / sek 22,44, kan fremtidige rapporter viser økt ganghastighet med videreutdanning og / eller tilpasninger i den enheten. Så langt har alle studier med drevet exoskeletons rapporterte de som trenger større grad av bistand gikk ved lavere hastigheter. En tanke diskutert i disse rapportene er at selv om noen av deltagerne ikke ambulate over 0,40 m / sek hastighet, var de i stand til å ambulate på nivået av "tilsyn" som er angitt i FIM skala. Disse rapportene tyder på at, med ekstra opplæring eller modifikasjoner til enhetene, kan bevegelse og ved disse høyere hastigheter oppnås.
Energiforbruket målt ved hjelp av oksygenforbruk har vist seg å være økt med exoskeletal assistert gange, men ikke over den terskel som er unødvendig trettende. Åtte deltakere som ambulated i drevet exoskeleton til en gjennomsnittlig fart på 0,22 ± 0,11 m / sek demonstrert gå oksygenforbruk på 11,2 ± 1,7 ml / kg / min og hjertefrekvens 118 ± 21 bmp (48% ± 16% pulsreserve ), som begge var en betydelig økning fra sittende og stående 17, men betydelig under de maksimale spådd verdier. En annen rapport med en annen drevet exoskeleton, evaluert oksygenforbruk i 5 deltakere under 2 anfall av gåing og rapporterte 9,5 ± 0,8 ml / kg / min når han går på 0,19 ± 0,01 m / sek og 11,5 ± 1,4 ml / kg / min når han går på 0,277; 0,05 m / sek 21. Begge disse studiene viste at deltakerne ambulating på et moderat intensitet var over den minimale treningsintensiteten terskel bestemmes av American College of Sports Medicine å være effektive for kardiorespiratorisk fordeler 45. Dette tyder på at disse enhetene har potensial til å bli brukt for lengre perioder av gangen, noe som gir en form for aktivitet som hvis det utføres regelmessig kan forventes å føre til forbedringer i brukerens fitness, kroppssammensetning og lipidprofil.
De drevne exoskeletons tilby en form for modifisert uavhengighet (nivå seks som definert av FIM) for stående og overground bevegelse og for personer med overekstremitetene funksjon. Fremtidige enheter kan være utformet for å ambulate ved høyere hastigheter eller tilveiebringe en større evne til å variere den ønskede bevegelse og hastighet. Fremtidige exoskeletons kan også være designet for de med begrenset hånd og arm funksjon (for eksempel de med tetraplegi) ved bibeholdesg brukerens balanse med ekstra sidestøtte og gir en annen mekanisme enn å holde en krykke for å opprettholde balanse. Fremskritt i hjernen kontroll kan en dag være tilgjengelig for å bli tatt med for å kontrollere walking bevegelse 20. Innenfor dette nye feltet, kan de grunnleggende opplæring konseptene som presenteres være aktuelt for nåværende og fremtidige drevet exoskeletons, men bør tilpasses brukeren og exoskeleton som brukes.
Standardiserte opplæringsstrategier for tiden benyttes for vellykket deltaker exoskeletal assistert gang; fremtidige endringer av disse enhetene kan trenge tilpasninger til trening paradigme. Undervisning kvalifiserte SCI helsearbeidere til riktig trene personer med SCI å utføre exoskeletal assistert gang er nødvendig for fortsatt bruk og forskrivning av disse enhetene. Fremtiden er lys for disse enhetene; bruk av elektriske exoskeletons av personer med ryggmargsskade vil bli mer utbredt med tHan etablering av opplæringsprogrammer i medisinske og rehabiliteringssentre over hele verden. I tillegg kan videre forskning viser at regelmessig exoskeletal-assistert gange forbedrer mange av de sekundære medisinske komplikasjoner som er forbundet med immobilitet og lammelse fra ryggmargsskade.
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 |