Реабилитационная программа тренировок на беговой дорожке с использованием экзоскелета с поддержкой веса тела и неиммерсивной виртуальной реальностью для пациентов с инсультом

Краткое содержание

Эффективность сочетания тренировок на беговой дорожке с помощью экзоскелета и весом тела с игровой виртуальной реальностью для выполнения двойной задачи у выживших после инсульта еще предстоит изучить. Таким образом, данная программа реабилитации направлена на изучение потенциальных функций и преимуществ этой комбинации в улучшении способности ходить во время восстановления после инсульта.

Аннотация

Инсульт – это цереброваскулярное событие, которое существенно влияет на подвижность и самостоятельность пациентов. Восстановление модели походки является важнейшей целью реабилитации после инсульта, и методы лечения, основанные на технологиях, показали многообещающие результаты. Терапия экзоскелета нижних конечностей, тренировка на беговой дорожке с поддержкой массы тела (BWSTT) и тренировки в виртуальной реальности (VR) на основе игр — это инновационные подходы, которые улучшили мышечную силу, равновесие и способность ходить у пациентов с инсультом. Интеграция этих методов лечения в комплексную программу реабилитации может улучшить восстановление моторики и функциональные результаты у выживших после инсульта. В этом исследовании изучаются потенциальные преимущества сочетания BWSTT с помощью экзоскелета с игровой виртуальной реальностью для улучшения возможностей выполнения двойной задачи во время восстановления после инсульта. Шкала баланса Берга (BBS) продемонстрировала значительное улучшение после тренировки (p = 0,03), но не наблюдалось статистических различий в тесте Timed Up-and-Go (TUG, p = 0,15) и измерении функциональной независимости (FIM, p = 0,38). Таким образом, это лечение привело к улучшению равновесия пациента. Использование передовых технологических устройств в этом протоколе реабилитации во время острой фазы после инсульта является многообещающим и требует дальнейшего изучения в рамках рандомизированного контролируемого исследования.

Введение

В 2020 году приблизительные показатели заболеваемости инсультом в материковом Китае были следующими: распространенность – 2,6%, заболеваемость – 505,2 на 100 000 человек в год и смертность – 343,4 на 1 00 000 человек в^год1. Это изнурительное состояние вызывает функциональную инвалидность, двигательные нарушения и зависимость у 70-80% пациентов². Поскольку ходьба является важным компонентом движения человека, она играет решающую роль в самостоятельном передвижении, физиологическом благополучии и общей^{физической активности.} Таким образом, восстановление модели походки у пациентов с инсультом является важнейшей целью реабилитации, поскольку это обеспечивает большую независимость. В то время как традиционные методы облегчили способность ходить после инсульта, терапия, основанная на технологиях, в последние годы добилась значительных успехов в восстановлении после инсульта,^{создав более} интенсивные модели тренировок. Кроме того, технологические достижения в области реабилитации после инсульта могут еще больше мотивировать и способствовать выздоровлению людей, перенесших инсульт.

Терапия экзоскелетом нижних конечностей (EXO) является многообещающим и инновационным подходом к оказанию помощи пациентам, которые не могут ходить из-за двигательного дефицита в нижних конечностях³. Эта терапия предлагает программу тренировок с высокой дозировкой и высокой интенсивностью, что позволяет более безопасно проводить более раннюю мобилизацию. Недавние исследования продемонстрировали потенциальную пользу этой терапии для пациентов с инсультом, включая улучшение мышечной силы, равновесия и способности ходить⁴. Другие исследования, сравнивающие людей с травмой спинного мозга, показывают, что как локомоторная тренировка экзоскелета, так и тренировка, основанная на активности, значительно улучшают сердечно-сосудистые показатели, при этом локомоторная тренировка экзоскелета демонстрирует большую эффективность в усилении сердечных реакций на ортостатическую нагрузку и^{снижении частоты сердечных} сокращений стоя.

Роботизированная система тренировки ходьбы, используемая в этом исследовании, предназначена для помощи пациентам в реабилитации ходьбы. Это роботизированное экзоскелетное устройство, оснащенное компьютеризированными двигателями в тазобедренных и коленных суставах, позволяет пациентам заниматься пассивной или активной ходьбой, следуя различным запрограммированным схемам ходьбы. Система включает в себя роботизированную раму, которая поддерживает нижние конечности пациента, обеспечивая при этом контролируемую помощь и сопротивление во время ходьбы. В систему интегрированы механизмы обратной связи, которые направляют движения пациента и предоставляют данные врачам в режиме реального времени, улучшая процесс моторного обучения.

Тренировка на беговой дорожке с опорой на вес тела (BWSTT) — это система тренировок при вспомогательной ходьбе, которая сочетает в себе ремни безопасности для частичной поддержки веса тела пациента и моторизованную беговую дорожку для облегчения движений⁶. Система поддержки веса, используемая в этом исследовании, использует комбинацию строп и рам; Система перераспределяет часть веса тела пациента на устройство, эффективно облегчая весовую нагрузку во время тренировки. Эта регулируемая система поддержки веса помогает пациентам с инсультом с зависимостью или аномальной походкой достигать более высокого качества походки. Пациент может достичь лучшего самоконтроля над пораженной конечностью за счет уменьшения нагрузки на нижнюю конечность со стороны гемиплегии. Кроме того, ремни безопасности обеспечивают надежное средство предотвращения падений во время ранней и интенсивной мобилизации. BWSTT продемонстрировала замечательный потенциал в развитии навыков равновесия, скорости ходьбы и выносливости при ходьбе в широком диапазоне функциональных уровней ходьбы у пациентов с инсультом⁷.

Игровые обучающие системы виртуальной реальности (VR) позволяют пациентам с инсультом взаимодействовать с объектами и событиями в реалистичной среде с помощью развлекательных компьютерных приложений ^6,8. Система виртуальной реальности, используемая в этом исследовании, не полагается на гарнитуры виртуальной реальности, но обеспечивает базовый опыт виртуальной реальности за счет использования датчиков на экзоскелете для передачи движений пациента в виртуальную игровую среду, отображаемую на экране, имитируя интерактивный сценарий виртуальной реальности. Эта система тренировок, которая является более увлекательной и вдохновляющей, повышает предпочтения и приверженность среди выживших после инсульта, что потенциально приводит к более значительным преимуществам по сравнению с обычными физическими тренировками на протяжении всего трудоемкого процесса восстановления. Более того, VR-реабилитация в качестве суррогатного вмешательства продемонстрировала многообещающие результаты в улучшении походки, равновесия, когнитивных способностей и повседневной деятельности за счет обучения двойным задачам⁸. Текущее исследование показало, что виртуальная реальность при использовании в качестве дополнения к роботизированной локомоторной тренировке улучшила как равновесие, так и походку у пациентов с хроническим инсультом, подчеркивая ее потенциал для достижения функциональных преимуществ у амбулаторных людей с инсультом^. Кроме того, другие исследования показали, что роботизированная реабилитация, особенно когда она интегрирована с виртуальной реальностью, может улучшить когнитивное восстановление и психологическое благополучие у людей с хроническим инсультом^.

Упомянутые выше терапевтические устройства могут быть эффективно объединены для создания отдельной программы реабилитации, адаптированной к потребностям каждого пациента. BWSTT с помощью виртуальной реальности, как комбинация, представляется осуществимой и многообещающей. Исследования показывают, что он может уменьшить наклон таза и может превзойти традиционную тренировку ходьбы, особенно при умеренном вмешательстве, помогая пациентам с ранним гемипаретиком¹¹. Для сравнения, было проведено минимальное исследование использования VR-интегрированных экзоскелетов для реабилитации нижних конечностей в отличие от реабилитации верхних конечностей¹². Мирелман и др. продемонстрировали эффективность сочетания экзоскелетов с виртуальной реальностью и видеоиграми для реабилитации голеностопного сустава и стопы, что привело к увеличению скорости ходьбы, улучшению контроля моторики голеностопного сустава, увеличению пикового момента подошвенного сгибания и^{увеличению выработки силы} голеностопного сустава.

Комбинация экзоскелета с BWSTT и VR обеспечивает комплексный подход к реабилитации после инсульта (см. рисунок 1). Эта интегрированная терапия сочетает в себе преимущества тренировки ходьбы с помощью экзоскелета, технологию виртуальной реальности без погружения и регулируемую поддержку веса, обеспечиваемую беговой дорожкой. Этот подход имеет потенциал для улучшения моторного восстановления, равновесия и общих функциональных результатов у пациентов с инсультом⁶. В то время как протоколы реабилитации с использованием этих технологий изучались в различных научных исследованиях, эффективность сочетания BWSTT с помощью экзоскелета с игровой виртуальной реальностью для возможности выполнения двух задач у выживших после инсульта редко изучалась. Таким образом, данная программа реабилитации направлена на изучение потенциальных функций и преимуществ этой комбинации в улучшении способности ходить во время восстановления после инсульта.

Протокол

Это исследование представляло собой ретроспективную серию случаев стационарных пациентов, набранных после инсульта в больнице Пекинского объединенного медицинского колледжа. Эта программа реабилитации была одобрена Институциональным наблюдательным советом больницы Пекинского объединенного медицинского колледжа. Перед началом участия от всех пациентов было получено письменное информированное согласие. Подробная информация об оборудовании и программном обеспечении, использованном в данном исследовании, приведена в Таблице материалов.

1. Набор участников

1. Зачисляйте пациентов в исследование после тщательного процесса скрининга, основанного на определенных критериях включения. Систематизируйте исходные данные пациентов (см. табл. 1). Эти критерии заключаются в следующем:
   1. Возраст: 20-65 лет.
   2. Медицинская стабильность, подтвержденная врачом-реабилитологом, после инсульта (ишемического/геморрагического).
   3. Модифицированная шкала Ашворта (MAS) по шкале ≤2 (минимальная спастичность мышц)².
   4. Способность пройти 10 м с вспомогательным устройством или без него для выполнения оценок, включая шкалу баланса Берга (BBS), тест на время (TUG) и измерение функциональной независимости (FIM)⁶.
2. Исключите пациентов со следующими состояниями:
   1. Ограничение амплитуды движений (ROM) тазобедренных или коленных суставов.
   2. Наличие тромбоза глубоких вен (ТГВ).
   3. Мини-обследование психического состояния (MMSE)¹⁰ баллов менее 27 (когнитивные нарушения).
   4. Масса тела более 150 кг.
   5. Высота более 200 см.
3. Повторный скрининг пациентов перед каждым сеансом лечения. Прекратите пробную версию при появлении любого из следующих симптомов:
   1. Измененное сознание: внезапная спутанность сознания, дезориентация или потеря сознания.
   2. Затрудненное дыхание: учащенное дыхание, одышка или другой респираторный дистресс.
   3. Аномальная частота сердечных сокращений: необычно высокая или низкая частота сердечных сокращений, учащенное сердцебиение или нерегулярное сердцебиение.
   4. Аномальное артериальное давление: значительное повышение или понижение артериального давления, сопровождающееся головокружением или обмороком.
   5. Обструкция дыхательных путей: кашель, удушье или внезапное затруднение дыхания.
   6. Боль или дискомфорт: сильная боль, дискомфорт или необычные ощущения.

2. Измерение

ПРИМЕЧАНИЕ: Эти измерения необходимы для правильной установки и настройки экзоскелета, обеспечения его оптимальной поддержки. Несмотря на то, что общий процесс аналогичен другим устройствам той же категории, такие детали, как работа программного обеспечения, кнопки управления и крепление ремня, могут различаться в зависимости от конкретного оборудования.

1. Проводите измерения, пока пациент сидит.
   1. Измерьте ширину таза с помощью гибкой ленты (ASIS к ASIS).
   2. Измерьте длину верхней части ноги (от большего вертела до латерального мыщелка бедренной кости).
   3. Измерьте длину голени (от латеральной лодыжки до латерального мыщелка бедра).
2. Корректируйте устройство экзоскелета на основе собранных данных.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эти корректировки имеют решающее значение для адаптации экзоскелета к анатомии каждого пациента. Правильная посадка и выравнивание позволяют устройству эффективно поддерживать и улучшать подвижность и реабилитацию.
   1. Отрегулируйте ширину с помощью поворотной ручки (см. рисунок 2А), увеличив ее на 2-3 см за ширину таза.
   2. Потяните щелевой переключатель на верхней части ноги роботизированной руки (Рисунок 2B), отрегулируйте длину в зависимости от измерений и нажмите на переключатель обратно. Затяните поворотный переключатель, чтобы зафиксировать рычаг. Совместите коленный сустав с двигателем устройства для плавного и синхронного движения.
   3. Отрегулируйте роботизированную руку голени в соответствии с процедурой, описанной в шаге 2.2.2.
3. Убедитесь, что блок питания подключен к сети после регулировки устройства в соответствии с эргономикой пациента. Помогите пациенту в ношении устройства.

3. Надевание системы с опорой на вес

1. Поверните две ручки против часовой стрелки (см. рисунок 2C), чтобы ослабить их, затем потяните экзоскелет наружу (см. рисунок 2D), чтобы освободить взлетно-посадочную полосу беговой дорожки и освободить место для пациента.
2. Выведите пациента на взлетно-посадочную полосу.
   1. Для идущих пациентов: Направляйте их от заднего пандуса к переднему.
   2. Для пациентов, не передвигающихся пешком: Помогите им войти в инвалидном кресле и расположите их спереди.
3. Опустите жгут проводов (см. рисунок 2E) подвесной системы с помощью пульта дистанционного управления (см. рисунок 2F). Отрегулируйте ремни так, чтобы они располагались вровень с туловищем пациента или немного ниже него, обеспечивая правильную посадку.
4. Отстегните ремни ремня, чтобы облегчить перевязку пациента.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Следуя этим шагам, отрегулируйте ремни безопасности по мере необходимости, чтобы облегчить процесс перевязки пациента, независимо от того, стоит он или находится в инвалидном кресле.
   1. Положение пациента стоя: Приложите расстегнутый ремень безопасности к туловищу пациента сзади. Надежно закрепите ремни вокруг туловища. Расположите ножные ремни вокруг бедер и надежно застегните их.
   2. Пациент в инвалидном кресле: Поднимите туловище пациента от спинки. Оберните отстегнутый ремень безопасности вокруг туловища сзади и удобно закрепите ремни. Расположите ножные ремни вокруг бедер и надежно закрепите их для удобной посадки.
5. Поднимите систему с опорой на вес, чтобы пациент мог встать. Остановитесь, когда жгут обеспечит легкое ощущение натяжения. Отрегулируйте снижение веса с помощью пульта дистанционного управления и следите за данными о потере веса на устройстве (см. рис. 2G). Слегка приподнимите тело пациента, чтобы уменьшить вес, не допуская при этом свисания ног.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выполняйте многократное подъем и опускание в любое время во время последующих этапов по мере необходимости для комфорта пациента и свободного пространства для ног без чрезмерного снижения веса пациента.
   1. Положение пациента в положении стоя: Используйте пульт дистанционного управления для постепенной корректировки снижения веса в зависимости от состояния пациента.
   2. Пациент в инвалидной коляске: Осторожно поднимите пациента из инвалидной коляски и поднимите его в положение стоя с помощью системы восходящей подвески. Уберите инвалидную коляску с взлетно-посадочной полосы и отрегулируйте снижение веса пациента с помощью пульта дистанционного управления.

4. Надевание экзоскелета

ПРИМЕЧАНИЕ: Следуя этим шагам, экзоскелет можно носить правильно, обеспечивая необходимую поддержку и стабильность для пациента во время реабилитации или физических упражнений.

1. Верните открытый наружу экзоскелет обратно внутрь и поверните обе ручки по часовой стрелке, чтобы включить иммобилизационное устройство.
2. Надавите на сложенный и подвешенный экзоскелет, чтобы перевести его из сидячего положения в стоячее (см. рисунок 2H).
3. Проинструктируйте пациента откинуться назад на туловище экзоскелета и прикрепить ремни крепления грудной клетки.
4. Отрегулируйте высоту устройства, чтобы выровнять ось мотора руки с тазобедренными и коленными суставами пациента.
5. Затяните ремни до комфортного уровня. Надежно застегните лямки на бедре и икре, убедившись, что они затянуты должным образом для комфорта пациента.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг имеет решающее значение для предотвращения ослабления оборудования во время упражнений и обеспечения безопасности пациента.
6. Нанесите стабилизатор голеностопного сустава, если у пациента опущена стопа.

5. Работа с экзоскелетом

1. Получите доступ к управляющему программному обеспечению на компьютере и введите основную информацию о пациенте.
2. Отрегулируйте продолжительность лечения, скорость ходьбы и максимально допустимую подвижность тазобедренных и коленных суставов с обеих сторон в интерфейсе программного обеспечения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании используйте стандартные настройки диапазона движений суставов, установите скорость ходьбы для пациентов на уровне 1,5 км/ч и установите продолжительность лечения на 20 минут.
3. Нажмите « Начать », чтобы начать терапию. Экзоскелет и беговая дорожка начнут работать вместе.

6. Открытие VR-программы на основе Игры

ПРИМЕЧАНИЕ: В таблице 2 представлен обзор игр и их механики. Каждая игра предназначена для конкретных упражнений для нижних конечностей, адаптированных к индивидуальным потребностям пациентов для эффективной реабилитации.

1. Откройте программное обеспечение ZEPU для тренировки и оценки ходьбы на компьютере. Выберите «Игра».
2. Направляйте пациента во время движения с помощью экзоскелета. Когда одна нога находится в фазе качания, проинструктируйте пациента активно управлять ею. Когда нога будет готова к движению, проинструктируйте пациента о том, как с силой толкнуть ее и выполнить сгибание бедра.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Датчики роботизированной руки будут определять активный крутящий момент пациента, а обратная связь будет отображаться в игре.
3. Перед первым сеансом объясните пациенту шаги и принципы игрового взаимодействия. Проведите короткую тренировку со словесными напоминаниями, чтобы помочь им понять, когда следует применять активную силу во время правильной фазы ходьбы. Начинайте официальную терапию, как только пациент продемонстрирует способность правильно использовать устройство.

7. Снятие экзоскелета

ПРИМЕЧАНИЕ: Обеспечьте безопасность и комфорт пациента на протяжении всего процесса удаления.

1. Освободите экзоскелет, отстегнув ремни.
2. Поднимите экзоскелет в подвешенное сидячее положение.
3. Поверните ручки фиксации (см. рисунок 2C) против часовой стрелки, чтобы освободить их.
4. Разверните экзоскелет наружу, чтобы освободить взлетно-посадочную полосу и обеспечить безопасное снятие.

8. Снятие системы с опорой на груз

1. Для идущих пациентов: опустите пациента с помощью пульта дистанционного управления, расстегните ремни и помогите ему сойти с взлетно-посадочной полосы.
2. Для пациентов, которые не ходят: Используйте пульт дистанционного управления, чтобы опустить пациента в инвалидную коляску. Расстегните ремни и снимите систему снижения веса. Выведите пациента за пределы взлетно-посадочной полосы.

9. Чрезвычайная ситуация

ПРИМЕЧАНИЕ: Если во время лечения у пациента проявляются какие-либо симптомы, перечисленные в шагах 1.3.1-1.3.6, прекратите упражнение и немедленно обратитесь за медицинской помощью. Внимательно следите за симптомами и изменениями пациента на протяжении всей реабилитации.

1. Найдите устройство аварийной остановки на правом поручне (см. рисунок 2I). Нажмите и удерживайте кнопку, чтобы остановить оборудование.
2. Как только кризис пройдет, восстановите оборудование, потянув кнопку вверх.

10. Оценка и вмешательство

1. Подтвердите, что участники демонстрируют ограниченные способности к передвижению и стремятся достичь более высокого функционального уровня.
2. Проведите предварительную оценку вмешательства
   1. Оцените способность к равновесию с помощью шкалы баланса Берга (BBS) с оценкой от 0 (самый низкий) до 56 (самый высокий)⁶.
   2. Оцените походку с помощью теста Timed Up and Go (TUG)⁶.
   3. Измеряйте повседневную деятельность с помощью показателя функциональной независимости (FIM)⁶.
   4. Проведите все обследования за 24 часа до первого сеанса лечения.
3. Проведите четырехнедельное вмешательство
   1. Запланируйте 10 сеансов лечения в течение 4 недель.
   2. Проводите занятия по понедельникам, средам и пятницам в течение первых трех недель.
   3. Проведите заключительное заседание в понедельник четвертой недели.
   4. Убедитесь, что все сеансы лечения начинаются в 14:00.
4. Реализуйте программу реабилитации
   1. Обучите пациентов пользоваться программой реабилитации перед первым сеансом.
   2. Предоставляйте краткие инструкции через игровые приложения.
   3. Назначьте четыре игры, каждая по 5 минут, всего 20 минут на сеанс.
   4. Убедитесь, что пациенты самостоятельно участвуют в программе в течение всех 20 минут.
   5. Устанавливайте поддержку веса тела на уровне 50% во время каждого сеанса.
   6. Разрешите максимальное движение суставов, используя настройки диапазона движений суставов по умолчанию.
   7. Установите скорость ходьбы на уровне 1,5 км/ч.
5. Проведение оценки после вмешательства
   1. Выполните оценку BBS, TUG и FIM через 24 ч после заключительного сеанса лечения⁶.
   2. Убедитесь, что все клинические оценки проводятся одним и тем же квалифицированным и опытным физиотерапевтом для поддержания последовательности.

11. Статистический анализ

1. Используйте статистическое программное обеспечение для статистического анализа результатов эксперимента.
2. Примените тест Шапиро-Уилка, чтобы подтвердить, что все переменные результата имеют нормальное распределение.
3. Проведите парный t-критерий для каждой переменной исхода до и после лечения. Рассмотрим p < 0,05 в качестве порога статистической значимости.
4. Используйте программное обеспечение для построения графиков для создания графических представлений данных.

Результаты

После завершения 4-недельного лечения без каких-либо побочных эффектов был оценен прогресс пациента, и результаты были обобщены в таблице 3. Оценка^{BBS 6} увеличилась с 43,88 ± 3,80 до 48,38 ± 3,66, что указывает на положительный ответ. Баллы TUG и FIM также показали улучшение: TUG снизился с 21,88 ± 5,62 до 17,63 ± 5,42, а FIM увеличился с 92,75 ± 12,80 до 98,75 ± 13,38.

Данные (см. рис. 3) показали, что при сравнении резуль...

Обсуждение

В этом предлагаемом вмешательстве представлен комплексный подход к лечению, который объединяет систему поддержки массы тела и терапию экзоскелета, дополненную технологией виртуальной реальности, для облегчения двухзадачных тренировок для людей с нарушениями нижних конечностей, связанными с инсультом. Было установлено, что тренировка на беговой дорожке в сочетании с другими вмешательствами оказывает наибольшее влияние, особенно когда применяется перед тренировкой ходьбы на земле, максимиз...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
GraphPad Prism	https://www.graphpad.com/features
SPSS	IBP	версия 18.0
Программное обеспечение для системы обучения и оценки походки ZEPU	Shandong ZEPU Medical Technology Co., Ltd.	V.1.0.1.2	Программное обеспечение системы обучения и оценки ходьбы ZEPU предназначено не только для оценки, но и для облегчения целенаправленной реабилитации ходьбы, предлагая индивидуальные терапевтические программы для улучшения подвижности и функциональных результатов для пациентов.
ZP-AIGen Система тренировки ходьбы	Шаньдун ZEPU Medical Technology Co., Ltd.	ZEPU-AI1	Используя принципы нейропластичности, устройство имитирует естественные модели ходьбы, направляя пациентов через повторяющиеся тренировки ходьбы для восстановления нормальной ходьбы. ИИ изучает модели походки, предлагая персонализированные варианты лечения. Он отслеживает и записывает прогресс пациента, помогая создавать индивидуальные планы лечения.