脳卒中患者のための非没入型バーチャルリアリティを用いた外骨格補助体重支援トレッドミルトレーニングのリハビリテーションプログラム

サマリー

脳卒中生存者におけるデュアルタスク能力に対する、外骨格支援型体重支援トレッドミルトレーニングとゲームベースのバーチャルリアリティを組み合わせることの有効性については、まだ研究されていません。したがって、このリハビリテーションプログラムは、脳卒中回復中の歩行能力を向上させる上でのこの組み合わせの潜在的な機能と利点を調査することを目的としています。

要約

脳卒中は、患者の可動性と自立性に大きな影響を与える脳血管イベントです。歩行パターンの回復は脳卒中リハビリテーションの重要な目標であり、テクノロジーベースの治療法は有望な結果を示しています。下肢外骨格療法、体重支援型トレッドミルトレーニング(BWSTT)、ゲームベースのバーチャルリアリティ(VR)トレーニングは、脳卒中患者の筋力、バランス、歩行能力を向上させる革新的なアプローチです。これらの治療法を包括的なリハビリテーションプログラムに統合することで、脳卒中生存者の運動回復と機能的転帰が向上する可能性があります。この研究では、脳卒中回復中のデュアルタスク能力を強化するために、外骨格支援 BWSTT とゲームベースの VR を組み合わせることの潜在的な利点を調査しています。Berg Balance Scale(BBS)は、トレーニング後に有意な改善を示しました(p = 0.03)が、Timed Up-and-Go Test(TUG、 p = 0.15)とFunctional Independence Measure(FIM、 p = 0.38)では統計的な違いは観察されませんでした。要約すると、この治療は患者のバランスの改善につながっています。脳卒中後の急性期におけるこのリハビリテーション プロトコルでの高度な技術デバイスの使用は有望であり、ランダム化比較試験を通じてさらなる調査が必要です。

概要

2020年の中国本土における脳卒中のおおよその発生率は、有病率2.6%、年間10万人あたり505.2人、死亡率は年間1,00,000人あたり343.4人でした¹。この衰弱状態は、患者の70%〜80%に機能障害、運動障害、および依存を引き起こします²。歩行は人間の運動に不可欠な要素であるため、自立した移動、生理学的健康、および全体的な身体活動において重要な役割を果たします³。したがって、脳卒中患者の歩行パターンを回復することは、より大きな自立性を確保するため、リハビリテーションの重要な目標です。従来の方法では脳卒中後の歩行能力が向上していましたが、近年、テクノロジーベースの治療が脳卒中の回復において大きな進歩を遂げ、より集中的なトレーニングモデルが生まれています²。さらに、脳卒中リハビリテーションの技術的進歩は、脳卒中生存者の回復をさらに動機付け、促進することができます。

下肢外骨格(EXO)療法は、下肢の運動障害3のために歩くことができない患者を支援するための有望で革新的なアプローチ^です。この治療法は、高用量で高強度のトレーニングプログラムを提供し、より安全な方法で早期の動員を可能にします。最近の研究では、筋力、バランス、歩行能力の改善など、脳卒中患者に対するこの治療法の潜在的な利点が実証されています⁴。脊髄損傷者を比較した他の研究では、外骨格自発運動トレーニングと活動ベースのトレーニングの両方が心血管指数を大幅に改善し、外骨格自発運動トレーニングが起立ストレスに対する心臓の反応を高め、立っている心拍数を低下させる効果が高い^{ことが示されています5。}

この研究で使用されたロボット支援歩行トレーニングシステムは、歩行リハビリテーションで患者を支援するように設計されています。このロボット外骨格デバイスは、股関節と膝関節にコンピューター化されたエンジンを装備しており、患者はプログラムされたさまざまな歩行パターンに従って、受動的または能動的に支援された歩行に従事することができます。このシステムには、歩行中の制御された補助と抵抗を提供しながら、患者の下肢をサポートするロボットフレームワークが含まれています。フィードバックメカニズムがシステムに統合され、患者の動きをガイドし、臨床医にリアルタイムのデータを提供し、運動学習プロセスを強化します。

Body Weight-Supported Treadmill Training(BWSTT)は、患者の体重を部分的に支えるハーネスと、動きを容易にする電動トレッドミルを組み合わせた歩行補助トレーニングシステム^です6。この研究で採用された重量支持システムは、スリングとフレームの組み合わせを使用します。このシステムは、患者の体重の一部をデバイスに再分配し、トレーニング中の体重負担を効果的に軽減します。この調整可能なウェイトサポートシステムは、依存症や異常な歩行パターンを持つ脳卒中患者が、より質の高い歩行を実現することを奨励します。患者は、片麻痺側の下肢の体重負荷を減らすことにより、患肢の自助制御を改善することができます。さらに、ハーネスは、早期および集中的な動員中に転倒を防ぐ安全な手段を提供します。BWSTTは、脳卒中患者の幅広い機能的歩行レベルでバランススキル、歩行速度、および歩行持久力を促進する顕著な可能性を示しています⁷。

ゲームベースのバーチャルリアリティ(VR)トレーニングシステムは、脳卒中患者がレクリエーションコンピュータアプリケーション^6,8を通じて現実的な環境でオブジェクトやイベントと対話することを可能にする。この研究で使用されたバーチャルリアリティシステムは、VRヘッドセットに依存していませんが、外骨格のセンサーを使用して患者の動きを画面に表示される仮想ゲーム環境に送信することにより、基本的な仮想現実体験を提供します。このトレーニングシステムは、より魅力的で刺激的であり、脳卒中生存者の好みとアドヒアランスを高め、時間のかかる回復プロセス全体を通じて、従来の身体トレーニングと比較してより大きなメリットをもたらす可能性があります。さらに、代理介入としてのVRリハビリテーションは、デュアル^{タスクトレーニングを提供すること}により、歩行、バランス、認知能力、および日常生活動作の改善に有望な結果を示しています8。現在の研究では、VRをロボット支援運動トレーニングの補助として使用すると、慢性脳卒中患者のバランスと歩行の両方が改善されることが示され、脳卒中⁹の歩行者の機能向上を促進する可能性が強調されています。さらに、他の研究では、ロボット支援リハビリテーション、特にVRと統合すると、慢性脳卒中患者の認知回復と心理的健康を強化できることが示されています¹⁰。

上記の治療装置を効果的に組み合わせることで、各患者のニーズに合わせた明確なリハビリテーションプログラムを作成することができます。VR 支援 BWSTT の組み合わせとして、実現可能で有望であるように見えます。研究によると、骨盤の傾きを減らすことができ、特に控えめな介入で従来の歩行トレーニングよりも優れたパフォーマンスを発揮する可能性があることが示唆されており、初期の片麻痺患者を支援します¹¹。それに比べて、上肢リハビリテーション¹²とは対照的に、下肢リハビリテーションのためのVR統合外骨格の使用に関する調査はほとんど行われていませんでした。Mirelman らは、足首と足のリハビリテーションのために外骨格を VR およびビデオ ゲームと組み合わせることの有効性を実証し、歩行速度の向上、麻痺性足首運動制御の改善、ピーク足底屈モーメントの増加、および足首の発電量の増加をもたらしました¹³。

外骨格とBWSTTおよびVRの組み合わせは、脳卒中リハビリテーションへの包括的なアプローチを提供します( 図1を参照)。この統合療法は、外骨格支援歩行トレーニング、非没入型VRテクノロジー、およびトレッドミルによって提供される調整可能な体重サポートの利点を組み合わせたものです。このアプローチは、脳卒中患者の運動回復、バランス、および全体的な機能転帰を向上させる可能性があります⁶。これらの技術を利用したリハビリテーション プロトコルはさまざまな調査研究で調査されてきましたが、脳卒中生存者のデュアルタスク能力に対する外骨格支援 BWSTT とゲームベースの VR の組み合わせの有効性はほとんど研究されていません。したがって、このリハビリテーションプログラムは、脳卒中回復中の歩行能力を向上させる上でのこの組み合わせの潜在的な機能と利点を調査することを目的としています。

プロトコル

この研究は、北京ユニオン医科大学病院で脳卒中後に募集された入院患者のレトロスペクティブケースシリーズでした。このリハビリテーションプログラムは、北京ユニオン医科大学病院の治験審査委員会によって承認されました。参加前に、すべての患者から書面によるインフォームドコンセントが得られました。この調査で使用した機器とソフトウェアの詳細は、 資料の表に記載されています。

1. 参加者募集

1. 特定の選択基準に基づく厳格なスクリーニングプロセスに従って、患者を研究に登録します。患者の基本データを整理します ( 表 1 を参照)。これらの基準は次のとおりです。
   1. 年齢:20〜65歳。
   2. 脳卒中後のリハビリテーション医によって医学的安定性が確認されました(虚血性/出血性)。
   3. 修正アッシュワーススケール(MAS)スコア≤2(最小の筋肉痙攣)²。
   4. -Berg Balance Scale(BBS)、Timed Up-and-Go Test(TUG)、Functional Independence Measure(FIM)⁶などの評価を完了するための補助装置の有無にかかわらず10m歩く能力。
2. 以下の症状の患者を除外します。
   1. 股関節または膝関節の可動域(ROM)の制限。
   2. 深部静脈血栓症(DVT)の存在。
   3. Mini-Mental State Examination(MMSE)のスコア¹⁰ が27未満(認知障害)。
   4. 体重が150kgを超える。
   5. 身長200cmを超えるもの。
3. すべての治療セッションの前に患者を再スクリーニングします。次の症状のいずれかが発生した場合は、試用版を終了します。
   1. 意識の変化:突然の混乱、見当識障害、または意識の喪失。
   2. 呼吸困難:急速な呼吸、息切れ、またはその他の呼吸困難。
   3. 異常な心拍数:異常に高いまたは低い心拍数、動悸、または不整脈。
   4. 異常な血圧:めまいや失神を伴う、血圧の大幅な上昇または低下。
   5. 気道閉塞:咳、窒息、または突然の呼吸困難。
   6. 痛みまたは不快感:激しい痛み、不快感、または異常な感覚。

2. 測定

注:これらの測定値は、外骨格を適切に取り付けてカスタマイズし、最適なサポートを提供するために不可欠です。全体的なプロセスは同じカテゴリの他のデバイスと似ていますが、ソフトウェア操作、コントロールボタン、ストラップの固定などの詳細は、特定の機器によって異なる場合があります。

1. 患者が座っている間に測定を行います。
   1. 軟質テープ(ASISからASIS)を使用して骨盤の幅を測定します。
   2. 上肢の長さを測定します(大転子から外側大腿顆まで)。
   3. 下腿の長さを測定します(外側くるぶしから外側大腿顆まで)。
2. 収集したデータに基づいて外骨格デバイスを調整します。
   注:これらの調整は、外骨格を各患者の解剖学的構造に合わせて調整するために重要です。適切なフィット感とアライメントにより、デバイスは可動性とリハビリテーションを効果的にサポートし、強化することができます。
   1. 回転ハンドル( 図2Aを参照)を使用して、骨盤の幅から2〜3cmの幅を広げて幅を調整します。
   2. 上腿ロボットアームのスロットスイッチを引き(図2B)、測定値に基づいて長さを調整し、スイッチを押し戻します。ロータリースイッチを締めてアームを固定します。膝関節をデバイスのモーターに合わせ、スムーズで同期した動きを実現します。
   3. 手順2.2.2で概説した手順に従って、下腿のロボットアームを調整します。
3. 患者の人間工学に合うようにデバイスを調整した後、電源が接続されていることを確認してください。患者がデバイスを着用するのを支援します。.

3. ウェイトサポートシステムの装着

1. 2 つのハンドルを反時計回りに回して ( 図 2C を参照)、緩めてから、外骨格を外側に引いて ( 図 2D を参照)、トレッドミルの滑走路をクリアし、患者のためのスペースを確保します。
2. 患者を滑走路に誘導します。
   1. 歩行患者の場合:後部スロープから前方に案内します。
   2. 歩行をしない患者様の場合:車椅子での入場を補助し、前方にお座りください。
3. リモコンを使用して、サスペンションシステムのハーネス( 図2Eを参照)を下げます( 図2Fを参照)。ハーネスを患者の胴体と同じ高さまたは少し下になるように調整し、適切にフィットするようにします。
4. 患者の着替えを容易にするために、ハーネスのストラップを外します。
   注:これらの手順に従って、患者が立っているか車椅子に乗っているかにかかわらず、患者のドレッシングプロセスを容易にするために、必要に応じてハーネスを調整します。
   1. 患者の立位:固定されていないハーネスを後ろから患者の胴体に適用します。ストラップを胴体の周りに快適に固定します。レッグストラップを太ももの周りに配置して、しっかりと固定します。
   2. 車椅子の患者様:患者の胴体を背もたれから持ち上げます。バックルを外したハーネスを後ろから胴体に通し、ストラップを快適に固定します。レッグストラップを太ももの周りに配置してしっかりと固定すると、快適にフィットします。
5. ウェイトサポートシステムを持ち上げて、患者を立位にします。ハーネスがわずかに締め付け感を感じたら停止します。リモコンを使用して減量を調整し、ユニットの減量データを監視します( 図2Gを参照)。患者の体を少し持ち上げて体重を減らし、足がぶら下がるのを防ぎます。
   注:患者の体重を過度に減らすことなく、患者の快適さと足のクリアランスのために、必要に応じて、後続のステップでいつでも昇降を繰り返してください。
   1. 患者の立っている:リモコンを使用して、患者の状態に基づいて体重減少を徐々に調整します。
   2. 車椅子の患者:患者を車椅子から慎重に持ち上げ、上昇サスペンションシステムを使用して立った位置に持ち上げます。車椅子を滑走路から取り外し、リモコンで患者の体重減少を調整します。

4. 外骨格の装着

注:これらの手順に従うことで、外骨格を適切に着用することができ、リハビリテーションや運動中に患者に必要なサポートと安定性を提供します。

1. 外側に開いた外骨格を内側に戻し、両方のハンドルを時計回りに回して固定装置を作動させます。
2. 折りたたんで吊り下げた外骨格を押し下げて、座った状態から立った状態に移行します( 図2Hを参照)。
3. 患者に外骨格の胴体にもたれかかり、胸部固定ストラップを取り付けるように指示します。.
4. デバイスの高さを調整して、腕のモーターの軸を患者の股関節と膝関節に合わせます。
5. ベルトを快適なレベルまで締めます。太ももとふくらはぎのストラップをしっかりと固定し、患者が快適に過ごせるように適切に締められるようにします。
   注意: この手順は、運動中の機器の緩みを防ぎ、患者の安全を確保するために重要です。
6. 患者が足を落としている場合は、足首安定剤を塗布します。

5. 外骨格の操作

1. コンピュータ上の制御ソフトウェアにアクセスし、患者の基本情報を入力します。
2. 治療時間、歩行速度、両側の股関節と膝関節の最大許容可動性をソフトウェアインターフェースで調整します。
   注: この研究では、デフォルトの関節可動域設定を使用し、患者の歩行速度を 1.5 km/h に設定し、治療時間を 20 分に設定します。
3. [開始]をクリックして治療を開始します。外骨格とトレッドミルが一緒に動作を開始します。

6. ゲームベースのVRプログラムを開く

注: 表2 は、ゲームとその仕組みの概要を示しています。各ゲームは、効果的なリハビリテーションのための患者の個々のニーズを満たすように調整された特定の下肢運動を対象とするように設計されています。

1. コンピューターで ZEPU歩行トレーニングおよび評価 ソフトウェアを開きます。 [ゲーム] を選択します。
2. 外骨格補助運動中に患者を導きます。片方の脚が遊脚期にあるときは、患者に積極的に制御するように指示します。脚が推進力を持つ準備ができたら、患者に力強く推進し、股関節の屈曲を行うように指示します。
   注:ロボットアームのセンサーが患者のアクティブトルクを検出し、フィードバックがゲームに表示されます。
3. 最初のセッションの前に、ゲームのインタラクションの手順と原則を患者に説明します。正しい歩行段階で能動的な力をいつ加えるべきかを理解するのに役立つように、口頭でのリマインダーを含む簡単な練習セッションを提供します。患者がデバイスを適切に使用する能力を示したら、正式な治療を開始します。

7. 外骨格の取り外し

注:除去プロセス全体を通して、患者の安全性と快適性を確保してください。

1. ストラップを緩めて外骨格を外します。
2. 外骨格を持ち上げて吊り下げた座位にします。
3. 固定ハンドル( 図2Cを参照)を反時計回りに回して解放します。
4. 外骨格を外側に広げて滑走路を空けると、安全に取り外すことができます。

8. ウェイトサポートシステムの取り外し

1. 歩行中の患者様の場合:リモコンで患者を降ろし、ストラップを外して滑走路から離脱させます。
2. 歩行をしない患者の場合:リモコンを使用して患者を車椅子に降ろします。ストラップを外し、軽量化システムを取り外してください。患者を滑走路から誘導します。

9. 緊急時

注:治療中に患者が手順1.3.1-1.3.6に記載されている症状を示した場合は、運動を中止し、すぐに医師の診察を受けてください。リハビリテーション中の症状や変化について、患者を注意深く監視します。

1. 右側のレールで非常停止装置の位置を確認します ( 図 2I を参照)。ボタンをしっかりと押し続けると、機器が停止します。
2. 危機が過ぎたら、ボタンを上に引いて機器を復元します。

10. 評価と介入

1. 参加者が限られた歩行能力を示すことを確認し、より高い機能レベルを達成することを目指しています。
2. 介入前の評価を実施する
   1. Berg Balance Scale(BBS)を使用してバランス能力を評価し、0(最低)から56(^最高)6までのスコアを付けます。
   2. Timed Up and Go(TUG)テストを使用して歩行を評価します⁶.
   3. 機能的自立性測定(FIM)⁶を使用して、日常生活動作を測定します。
   4. 最初の治療セッションの 24 時間前にすべての評価を実行します。
3. 4週間の介入を実施する
   1. 4週間にわたって10回の治療セッションをスケジュールします。
   2. 最初の3週間は、月曜日、水曜日、金曜日にセッションを実施します。
   3. 第 4 週の月曜日に最終セッションを管理します。
   4. すべての治療セッションが午後2:00に開始するようにしてください。
4. リハビリテーションプログラムの実施
   1. 最初のセッションの前に、リハビリテーションプログラムを使用するように患者を訓練します。
   2. ゲームアプリケーションを通じて簡潔な指示を提供します。
   3. 4つのゲームを割り当て、各ゲームが5分間続き、セッションごとに合計20分かかります。
   4. 患者が20分間、プログラムに自立して参加できるようにします。
   5. 各セッション中に体重サポートを50%に設定します。
   6. デフォルトのジョイント可動域設定を使用して、ジョイントを最大限動かすことができます。
   7. 歩行速度を1.5 km / hに設定します。
5. 介入後の評価を実施する
   1. 最終治療セッション⁶ の 24 時間後に BBS、TUG、および FIM 評価を実行します。
   2. 一貫性を維持するために、すべての臨床評価が同じ熟練した経験豊富な理学療法士によって実施されていることを確認してください。

11. 統計分析

1. 統計ソフトウェアを使用して、実験結果を統計的に分析します。
2. Shapiro-Wilk 検定を適用して、すべての結果変数が正規分布に従うことを確認します。
3. 治療の前後に、各結果変数に対応する t 検定 を実施します。 p < 0.05 を統計的有意性のしきい値と見なします。
4. グラフ作成ソフトウェアを使用して、データのグラフィカルな表現を作成します。

結果

4週間の治療を全く副作用なく完了した後、患者の進行を評価し、その結果を 表3にまとめました。BBSスコア⁶ は、3.80±43.88から3.66±48.38に増加し、肯定的な回答を示しています。TUGとFIMのスコアも改善を示し、TUGは21.88±5.62から5.42±17.63に減少し、FIMは92.75から12.80±98.75±13.38に増加しました。

データ( 図3参照)は、評価前と評価後の結果を比較すると、BBSスコアが有意な改善を示したことを示しました(p = 0.03、 p < 0.05)。TUG(p=0.15)とFIM(p=0.38)では統計学的に有意な差は認められませんでしたが、臨床的には改善傾向が認められました( 図4参照)。これらの知見は、治療レジメンが患者のバランスを有意に改善した一方で、歩行と日常生活スキルの改善...

ディスカッション

この提案された介入では、体重サポートシステムと外骨格療法を統合した包括的な治療アプローチが提示されます VRテクノロジーによって補完され、脳卒中に関連する下肢障害を持つ個人のデュアルタスクトレーニングを促進します。トレッドミル トレーニングは、他の介入と組み合わせた場合、特に地上歩行トレーニングの前に適用した場合に最も大きな影響を与えることが確認されており、トレーニング効果が最大化されます¹⁴。運動学習原理に基づくロボット支援リハビリテーションは、VRフィードバックとアバター誘導運動を利用してミラーシステムを活性化し、運動学習を強化し、細胞およびシナプスレベルでの有意な皮質および皮質下の変化を誘発します¹⁵。

神経学的リハビリテーションでは、治療中の関与のレベルが積極的な参加に大きく影響し、この効果は、EksoやReWalk¹⁶のような外骨格ロボットのみによる治療と比較する...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
GraphPad Prism	https://www.graphpad.com/features
SPSS	IBP	バージョン 18.0
ZEPU歩行トレーニングおよび評価システムソフトウェア山	東ZEPU医療技術有限公司	V.1.0.1.2	ZEPU 歩行トレーニングおよび評価システム ソフトウェアは、ターゲットを絞った歩行リハビリテーションを評価するだけでなく促進するように設計されており、患者の可動性と機能的転帰を改善するためのカスタマイズされた治療プログラムを提供します。
ZP-AIGen 歩行トレーニングシステム山	東 ZEPU Medical Technology Co., Ltd.	ZEPU-AI1	神経可塑性の原理を使用して、このデバイスは自然な歩行パターンをシミュレートし、患者を反復歩行トレーニングを通じて誘導し、正常な歩行を回復します。AI は歩行パターンを学習し、パーソナライズされた治療オプションを提供します。患者の経過を監視および記録し、カスタマイズされた治療計画の作成に役立ちます。