Екзоскелет для кульшового суглоба знижує зусилля при ходьбі після інсульту

Однією з основних причин інвалідності є геміпарез - стан, при якому порушується контроль рухів, проявляється м'язова слабкість і спастичність, що стосуються однієї сторони тіла. Геміпарез зустрічається у 80% людей, які перенесли інсульт, і призводить до зниження рухливості та погіршення якості життя, що є проблемою для мільйонів людей.

Ходьба може здатися простою дією, але вона заснована на складній біомеханіці. Навіть невелика втрата сили з одного боку тіла багаторазово посилюється, оскільки м'язи з іншого боку задіюються для компенсації. В результаті люди з геміпарезом витрачають на ходьбу на 60% більше енергії, ніж люди зі здоровою ходою. Це означає нижчу швидкість ходьби, меншу витривалість, більший біль та більший ризик падіння.

Дослідники з Інженерного коледжу імені Джона та Марсії Прайс при Університеті Юти зараз тестують пристрій, здатний відновити баланс у цьому рівнянні. У дослідженні, проведеному у співпраці з Коледжем охорони здоров'я, команда показала, що їхній портативний, легкий екзоскелет для кульшового суглоба може знизити енергію, необхідну для ходьби, майже на 20% у людей з геміпарезом після інсульту. Результати опубліковані в журналі Nature Communications.

Пристрій вагою 2,5 кг (5,5 фунтів) носиться на стегнах і кріпиться ременями до стегон користувача. Електродвигуни з батарейним живленням допомагають рухати ногами користувача при кожному кроці, що призводить до більш ефективної ходи. Точний рівень допомоги двигуна з кожного боку налаштовується індивідуально для кожного користувача, а інтелектуальна система керування синхронізується з ними в режимі реального часу, забезпечуючи підтримку саме тоді, коли стегна необхідно піднятися або відштовхнутися.

«Поліпшення якості життя після інсульту — одне з найбільших невирішених завдань у сучасній охороні здоров'я. Зараз ми демонструємо, що робототехніка може мати відчутний вплив у цьому відношенні», - Томмазо Ленці, провідний автор, доцент кафедри машинобудування.

У попередніх спробах вирішення цієї проблеми досліджувалися й інші типи екзоскелетів з електроприводом. Виявивши, що ключовими факторами, що сприяють цій проблемі, є стопа, що звисає, і порушення відштовхування в гомілковостопному суглобі, були створені прототипи, покликані допомогти в забезпеченні рухливості гомілковостопного суглоба.

"Портативні екзоскелети для гомілковостопного суглоба не змогли знизити енерговитрати, необхідні пацієнтам після інсульту для ходьби, тому ми запропонували інший підхід", - сказав провідний автор Кай Пруш, аспірант лабораторії біонічної інженерії HGN в Ленці. «Пацієнти зі слабкістю гомілковостопного суглоба часто компенсують це за допомогою кульшових суглобів, що потребує додаткових витрат енергії. Наша мета полягала в розробці потужного та повністю портативного екзоскелета для кульшового суглоба. Екзоскелети для кульшового суглоба також можуть бути надзвичайно легкими, оскільки вони носяться ближче до центру тяжкості користувача і мають менші вимоги до крутного моменту в порівнянні з екзоскелетами для гомілковостопного суглоба. Ми виявили, що допомога кульшового суглоба ефективно компенсує зниження тяги гомілковостопного суглоба».

Лабораторія Ленці спеціалізується на робототехніці, що носиться, і раніше привернула увагу громадськості своїм біонічним протезом ноги, розробленим у штаті Юта і увійшовшим до списку кращих винаходів 2023 року за версією журналу Time.

Інші дослідні групи також експериментували з екзоскелетами для кульшового суглоба, в цілому показавши, що вони можуть підвищити ефективність ходи у здорових людей, але група Ленці першою продемонструвала їх ефективність у пацієнтів з геміпарезом.

У дослідженні були застосовані точні методи захоплення рухів для аналізу ходи семи пацієнтів з геміпарезом під час ходьби на біговій доріжці з датчиками як з екзоскелетом, так і без нього. Учасники також носили обладнання, яке оцінювало їхню витрату калорій. На основі цих даних дослідники розрахували метаболічні витрати на ходьбу за обох умов.

Результати виявилися суттєвими: використання екзоскелету знизило навантаження на кульшові суглоби майже на 30%, що призвело до зменшення загальних метаболічних витрат на ходьбу на 18%.

"Для людини зі здоровою ходою це все одно що зняти 13-кілограмовий рюкзак", - сказав співавтор дослідження Бо Форман, професор фізіотерапії та спортивної медицини. "А для людини з геміпарезом це кардинально змінює життя".

Учасники дослідження повідомили про значне покращення рухливості.

"Спочатку я не могла поворухнути ногою", - сказала Лідія, одна з учасниць дослідження, яка пережила інсульт. "Але завдяки пристрою мені стало набагато краще".

"У якомусь сенсі екзоскелет виконував за неї частину рухів", - додав її чоловік Марселлус. "Чим частіше ми його використовували, тим краще їй ставало, коли вона його не використовувала".

Наступні кроки групи включають забезпечення безпеки та ефективності екзоскелету для кульшового суглоба в домашніх умовах і в повсякденному житті. Для цього потрібно вдосконалити механіку та систему керування пристрою, щоб він підтримував не тільки ходьбу. Лабораторія співпрацює з провідними фахівцями в галузі протезування та ортопедії, щоб втілити цю технологію у продукт, який зможе використати кожен.

«Наша мета — гарантувати, що інсульт не визначатиме межі можливостей людини та її життя», — сказав Ленці.

Джерело: Університет Юти