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 mennesker med rygmarvsskade (SCI) er ude af stand til at stå og ambulate med eller uden anvendelse af et hjælpemiddel eller fysisk assistance. I århundreder har den eneste mobilitet mulighed for dem med svær SCI været kørestolen en. I løbet af de seneste årtier, har personer med SCI havde mulighed for at supplere deres mobilitet ved hjælp passive orthotic enheder, såsom en række frem- gangart ortose (RGO) 2-7. Disse indretninger har imidlertid ikke blevet udbredt på grund af de fysiske krav af brugeren for at ambulate bruge disse enheder. De RGOs har også begrænsninger i evnen til at forcere trapper, stå op, og sidde ned 3,7. Der er gjort en indsats for at øge effektiviteten af disse indretninger ved at inkorporere funktionel elektrisk stimulation (FES) til at drive bevægelser og hjælpe med at fremme den forreste svingning af lemmet; dog har disse bestræbelser ikke nået ud over koncepter eller prototyper 8-12.I 1970'erne blev motorer indarbejdet med en ortose til magten bevægelsen af hofte- og knæled og var en succes i at tillade en person med SCI at tage skridt 13. Men utilstrækkelig batteri og computerteknologi af tiden begrænsede rækkevidde af enheden, og videreudvikling blev opgivet 10,13.
Med de seneste teknologiske fremskridt, har flere drevne exoskeletons blevet udviklet for at gøre det muligt for personer med forskellige patologier at ambulate overjordiske. Disse drevne Exoskeleton enheder er blevet undersøgt hos personer med apopleksi 14,15, personer med en fuldstændig og ufuldstændig SCI 16-24, og andre personer med handicap forårsager dårligere kontrol af deres nedre ekstremiteter 25-27. Selvom anordningerne er forskellige, hver især kræver træning og praksis af brugeren for sikker ydelse. Tre af de henviste anordninger kræver anvendelse af krykker til ambulate og opretholde balancen. Den fjerde fastholder balance og stabilitet på grund af dens store fodplade og masse, som udvider base af støtte og sænker tyngdepunktet 20. De tre enheder, der kræver crutching udnytte de samme principper, selvom der er nogle variationer med mekanik og metoder til at kontrollere de ønskede handlinger på grund af forskelle i udformningen af anordningerne.
Et træningsprogram blev udviklet på James J. Peters VA Medical Center (JJPVAMC), Bronx, NY af en gruppe forskere, der består af et biomedicinsk ingeniør, fysiolog, physiatrist, motion fysiolog, neurolog og fysioterapeuter. Uddannelsesprogrammet blev udviklet med en specifik powered Exoskeleton tidligere beskrevne 17,18, men det indeholder sæt af færdigheder, som er gældende for andre drevne exoskeletons som kræver et sæt krykker at opretholde balancen. Alle potentielle deltagere blev screenet før du deltager i den progressive træningsprogram. Betydningen afscreening hos personer med SCI er at sikre fravær af kontraindiceret medicinske komplikationer, der kan hæmme sikker brug af disse enheder. Et område af bekymring er lav knoglemineraltæthed (BMD). Personer med SCI lider dramatiske knogletab umiddelbart efter skaden 28,29 som kan fortsætte gennem hele livet 30. Dette tab af BMD resulterer i en høj risiko for lange knoglebrud. I øjeblikket er der ingen effektiv behandling til at afbøde knogletab for dem med komplet motor SCI. Hertil kommer, at en tærskel etableret brud for personen med SCI ikke eksisterer, men er blevet gjort en indsats for at identificere kriterier, der kan anvendes som en vejledning 31-33 sammen med klinisk vurdering og brud historie. Andre almindelige kontraindikationer kan behandles og løses, såsom begrænset vifte af bevægelse (ROM) 34 og tryksår 35. Hver af de forskellige drevne Exoskeleton kan kræve forskellige betingelser for støtteberettigelse, såsom ROM kriterier, til at være en candidato for at bruge enheden, hvoraf de fleste er blevet beskrevet 17-19,21,22,36.
Når en person har bestået alle de udvælgelseskriterier, montering af enheden til brugeren og uddannelse kan fortsætte. Korrekt montering af indretningen er vigtigt at undgå uhensigtsmæssig kontakt af de nedre ekstremiteter med exoskelettet fordi fattige montering kan føre til sår og / eller hudafskrabninger 16. Brugere kan have begrænset eller ingen nedre ende fornemmelse og proprioception; denne mangel på sensorisk og taktil feedback fra fødderne kan bidrage til en generel mangel på bevidsthed om deres center af balance, bremse brugerens evne til at mestre enheden. Denne mangel på bevidsthed om centrum af balance kan også føre til udfordringer med passende vægt skiftende såsom vanskeligheder med at måle omfanget af den forreste og sideværts bevægelse nødvendig under gangart cyklus og uhensigtsmæssigt timet vægt skiftende, hvilket resulterer i overskydende brug af vægtbærende på detarme og krykker for balance vedligeholdelse. Når det grundlæggende mekanismer stående balance og vægt gearskift erhverves, bliver brugeren lært at gå i enheden. Der er behov for flere sessioner for at forbedre gåture og andre mobilitetsfærdigheder. I første omgang er overflader, der er flad og glat inden for det medicinske center bruges til træning. Men med forbedret niveau, bliver brugeren udfordret med trinvist mere vanskelige opgaver ved at indføre forskellige walking overflader såsom tæpper, asfalt, beton, græs, og unleveled overflader med forskellige grader af skråninger.
Formålet med dette manuskript er at rapportere udvælgelseskriterierne, ordentlig montering og uddannelse procedurer til brug en drevet Exoskeleton for overjordiske walking. Dette program blev udviklet til én enhed specifikt, som beskrevet af andre 16-18, men den henvender aspekter og udfordringer, der er fælles for de ansatte undervisere og personer med SCI, som deltager i exoskeletal-hjælpelysed gående programmer, der kan bruge en anden drevne Exoskeleton. Visse aspekter af denne protokol er specifikke for den enhed, der anvendes på JJPVAMC. Derudover blev nogle af komponenterne i uddannelsen er udviklet af fremstillingen, der omfatter orientering af enhedens komponenter, grundlæggende retningslinjer for en ordentlig pasform og grundlæggende stående og siddende dygtighed instruktioner. Forskerne på JJPVAMC udviklet alle uddannelsesaktiviteter, der udføres, når brugeren står op. Disse omfatter forbedring af stående og siddende uddannelse instruktioner, stående balance færdigheder, indendørs walking progression færdigheder, udendørs gåture progression færdigheder, og andre mobilitet opgaver for at nå, stoppe, dreje, og forskellige typer af dør / tærskel navigation.
I løbet af de seneste fem år, har vores gruppe udviklet en succesfuld screening og uddannelsesprogram for deltagerne at bruge den type drevne Exoskeleton der kræver krykker. Vi har uddannet personer med motor fuldstændig paralyse såvel som dem med ufuldstændig paralyse. Dette træningsprogram har potentiale til at blive ændret og bygget på med ekstra enheder, der kræver brug af krykker eller nyere versioner af eksisterende enheder.
Standardisering af et uddannelsesprogram er vigtigt at sikre deltager sikkerhed, vellykket brug af enheden, identificere personaleressourcer samt tilegne ensartede resultater. Hovedpunkter i en god træningsprogram omfatter passende kandidat valg, ordentlig montering af enheden, passende dygtighed progression, og yde bistand på skuldrene eller på et område med intakt fornemmelse at sætte brugeren i stand til at genkende den nødvendige kraft og bevægelse, fremme tilpasning af deres bevægelser underde efterfølgende stepping handlinger. Det er vigtigt at praktisere denne strategiske dans mellem træneren og brugeren for at minimere træner støtte, og dermed hjælpe brugeren få ekspertise og uafhængighed i enheden. Undervisere bør undgå at bistå under deltagerens niveau af sensation, da denne foranstaltning resulterer i vanskeligheder i at blive uafhængige i Exoskeleton. Et andet centralt punkt at forbedre walking færdighed er at udfordre deltageren med at gå på forskellige overflader og i forskellige miljøer. Deltagerne opfatter gå indendørs og på flade / glatte overflader i det medicinske center for at være lettere end ambulating på et gulvtæppe. Gå på tæppebelagte gulve, til gengæld, er rapporteret at være lettere end at gå udendørs på ujævne overflader som beton eller asfalt. Gå op og ned forskellige hældning gradienter tvinge deltageren til at tilpasse deres walking strategi, fordi metoden til vægt gearskift bliver mere udfordrende på grund af den ændrede centrum af balance presented af hældningen. Alle disse udfordrende miljøer er almindeligt stødt i samfundet, og derfor er meget vigtigt at praktisere i et kontrolleret indstilling til korrekt forberede deltageren.
Der har været flere rapporter i personer med SCI, der har lært at bruge en powered Exoskelet til sikkert ambulate overjordiske 16-19,21,36. Mange af deltagerne i disse rapporter havde meget lidt at ingen residual funktion eller fornemmelse i deres nedre ekstremiteter. Ingen alvorlige bivirkninger blev rapporteret fra disse undersøgelser og enhederne blev anset sikkert at bruge med den rette uddannelse. De rapporterede bivirkninger omfattede hudafskrabninger, blå mærker eller rødme i huden, og træthed af de øvre ekstremiteter, især i de indledende træning 16,19,36. Det blev bemærket, at med fortsat uddannelse, deltagerne bemærket en reduktion af øvre ekstremitet træthed og hudafskrabninger løses hurtigt med bedre montering af enheden. Futur blå mærker og rødme blev undgået med justering af stropperne og strategisk placering af ekstra polstring omkring det berørte område.
Færdighed i brugen af anordningen er bestemt af evnen til at opnå hurtigere ambulation hastigheder, reducerede niveauer af støtte og sikker ambulation i forskellige miljøer. Tidligere rapporter om evnen til at gå, viste, at de, der var mere uafhængig ville ambulate hurtigere end dem, der havde brug for hjælp. En rapport fra van Hedel et al kategoriseret vandrere som "bistået walkers", hvis de kunne ambulate med en hastighed på mindst 0,44 ± 0,14 m / sek.; en hastighed i forbindelse med dem, der valgte at gå udendørs med assistance i at bruge deres kørestol 42. Denne ganghastighed svarer til 0,40 m / sek hastighed af de begrænsede community ambulators rapporteret hos personer med apopleksi. 43 Selvom kun få studier har rapporteret ambulation hastighed og niveau hjælp via robot exoskeletons, disse undersøgelser viste, at mange deltagere var i stand til at opnå den 0,40 m / sek ganghastighed nævnt i disse tidligere rapporter. En rapport bruger en powered exoskeleton viste, at 7 ud af 12 deltagere var i stand til at ambulate hurtigere end 0,40 m / sek 18. En anden undersøgelse bruger en anden powered Exoskelet var i stand til at illustrere 6 af 16 deltagere med succes ambulating større end 0,40 m / sek 36. Selvom rapporter ved hjælp en tredje powered exoskeleton ikke har påvist walking hastigheder på 0,40 m / sek 22,44, kan fremtidige rapporter viser øget walking hastigheder med videreuddannelse og / eller tilpasninger i den pågældende enhed. Indtil videre har alle undersøgelser med anvendelse af drevne exoskeletons rapporterede dem behøver større grad af bistand gik langsommere. En tanke diskuteres i disse rapporter var, at selv nogle af deltagerne ikke ambulate over 0,40 m / sek hastighed, de var i stand til at ambulate på niveau med "tilsyn" som defineret i FIM skala. Disse rapporter tyder på, at, med supplerende uddannelse eller modifikationer til enhederne, kan opnås ambulation på disse hurtigere hastigheder.
Energiforbrug målt ved iltforbrug har vist sig at blive forøget med exoskeletal-assisteret walking, men ikke over den tærskel, der er unødigt trættende. Otte deltagere, der ambulated i drevne Exoskeleton ved en gennemsnitlig hastighed på 0,22 ± 0,11 m / sek demonstrerede gå forbrug ilt satser på 11,2 ± 1,7 ml / kg / min og hjertefrekvens på 118 ± 21 bmp (48% ± 16% pulsreserve ), som begge var en betydelig stigning fra siddende og stående 17, men væsentligt under de maksimale forudsagt værdier. En anden rapport hjælp af en anden powered ydre skelet, vurderet iltforbruget i 5 deltagere i løbet af 2 anfald af gåture og rapporteres 9,5 ± 0,8 ml / kg / min, når du går på 0,19 ± 0,01 m / sek og 11,5 ± 1,4 ml / kg / min, når du går på 0,277; 0,05 m / sek 21. Begge disse studier viste, at deltagerne ambulating ved en moderat intensitet var over den minimale tærskel træningsintensiteten bestemt af American College of Sports Medicine at være effektive for kardiorespiratorisk fordele 45. Dette antyder, at disse enheder har potentiale til at blive brugt i længere perioder, hvilket giver en form for aktivitet, der, hvis det sker jævnligt, kan forventes at føre til forbedringer i brugerens fitness, kropssammensætning og lipidprofil.
De drevne exoskeletons tilbyde en form for modificeret uafhængighed (niveau seks som defineret af FIM) for stående og overjordiske ambulation for personer med øvre ekstremitet funktion. Fremtidige enheder kan være designet til at ambulate på hurtigere hastigheder eller give en større evne til at variere den ønskede ambulation hastighed. Fremtidige exoskeletons kan også være udformet for dem med begrænset hånd og arm funktion (såsom dem med tetraplegi) ved maintaining brugerens balance med ekstra kuffert støtte og give en anden mekanisme end at holde en krykke for at opretholde balance. Fremskridt i hjernens kontrol måske en dag være til rådighed skal indarbejdes at styre walking bevægelse 20. Inden for dette nye område, kan de grundlæggende uddannelseskoncepter præsenteres gælde for de nuværende og fremtidige drevne exoskeletons, men bør være skræddersyet til brugeren og ydre skelet, der anvendes.
Standardiserede uddannelsesstrategier i øjeblikket anvendes til vellykket deltager exoskeletal-assisteret walking; fremtidige ændringer af disse enheder kan have brug for tilpasninger til uddannelse paradigme. Undervisning kvalificerede SCI sundhedspersoner på passende træne personer med SCI at udføre er nødvendig exoskeletal-assisteret gå til den fortsatte brug og ordinering af disse enheder. Fremtiden er lys for disse enheder; brugen af motoriserede exoskeletons af personer med SCI ville blive mere udbredt med than etablering af uddannelsesprogrammer i medicinske og rehabiliteringscentre i hele verden. Desuden kan fremtidig forskning viser, at regelmæssig exoskeletal-assisteret walking forbedrer mange af de sekundære medicinske komplikationer, der er forbundet med immobilitet og lammelse fra rygmarvsskade.
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 |