02/06/2023
Door Ad Spijkers
Wandelen met het hulpmiddel moet dragers na een beroerte meer zelfstandigheid geven.
Elke veertig seconden krijgt iemand in de Verenigde Staten een beroerte. Volgens de Amerikaanse Centers for Disease Control and Prevention zijn dat bijna 800.000 beroertes per jaar. Meer dan 80% van de overlevenden van een beroerte ervaart loopproblemen, vaak gerelateerd aan een verlies van controle over enkelbewegingen. Naarmate deze patiënten het chronische stadium van een beroerte bereiken, blijven de meesten langzamer en minder efficiënt lopen.
Enkel-exoskelet
Een enkel-exoskelet zou daar verandering in kunnen brengen. Het is ontworpen voor zelfstandig gebruik in de openbare ruimte en kan patiënten na een beroerte helpen hun gang buiten het laboratorium en tijdens hun dagelijkse routines te verbeteren. Een 'proof of concept' studie doet vermoeden dat het enkel-exoskelet de patiënten kan helpen hun voortbeweging bij het lopen te verbeteren en hun algehele loopvertrouwen en -vermogen te vergroten terwijl ze door hun eigen huis, werkplek en buurt lopen. Het onderzoek is uitgevoerd aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Allston en Cambridge (bij Boston).
Recente onderzoeken hebben al aangetoond dat patiënten na een beroerte hun loopsnelheid, afstand, voortstuwing en loopsymmetrie kunnen verbeteren met behulp van een ondersteunend robotachtig exoskelet. Die onderzoeken hebben echter allemaal plaatsgevonden in laboratoria of klinische omgevingen. De onderzoekers zagen een kans om draagbare technologie te gebruiken om opnieuw na te denken over hoe ze fysiotherapie en revalidatie benaderen. Door sommige klinische diensten te verschuiven van de kliniek naar thuis en de gemeenschap, zijn de toegang te verbeteren, de kosten te verlagen en is betere zorg te leveren. Technologie en fysiotherapie komen samen om dit mogelijk te maken.
Actuatoren
Harvard ontwikkelt al meer dan tien jaar ondersteunende en rehabiliterende exoskelet-technologieën voor verschillende toepassingen. Om een enkel-exoskelet te ontwerpen voor gebruik buiten de kliniek moesten de onderzoekers de mechanische componenten vereenvoudigen en het voor dragers gemakkelijk maken om te bedienen. In het verleden hadden eerdere enkel-exoskelets twee actieve actuatoren. De een die hielp bij dorsaalflexie (om de tenen van de drager omhoog te houden), de andere om te helpen bij plantairflexie (waarbij de voet en het lichaam van de grond werden weggeduwd).
In plaats van een actieve dorsaalflexie-actuator bevat het nieuwe exoskelet een passief materiaal dat buigt en presteert als een veer, waardoor de tenen omhoog blijven tijdens de zwaaifase van de voet en voorkomen wordt dat de drager met zijn tenen op de grond blijft haken. Door een actieve actuator te vervangen door een passieve actuator, is het exoskelet inherent veiliger. In het geval van een onverwachte stroomonderbreking of storing aan de controller zorgt de standaardstatus ervoor dat de tenen van de gebruiker omhoog blijven en het risico op struikelen en vallen wordt verkleind.
De onderzoekers hebben ook een mobiele app ontwikkeld waarmee dragers eenvoudig met het apparaat kunnen communiceren en op afstand kunnen inchecken bij de ontwikkelaars. Met de app kunnen dragers het apparaat zelf aanzetten en het exoskelet vertellen wanneer ze willen gaan lopen.
Sensoren
De onderzoekers hebben sensoren ingebouwd om op afstand de voortgang van de drager in de loop van de tijd te kunnen volgen. Ze verzamelen data terwijl mensen in het exoskelet lopen en meten hoe ze hun manier van lopen in de loop van de tijd verbeteren. In de toekomst zou deze informatie een krachtig aspect kunnen zijn van het gebruik van dit exoskelet voor langdurige revalidatie in samenwerking met een fysiotherapeut.
De sensoren bevinden zich op de voet, de schacht en het bekken. Ze worden met behulp van een machine learning algoritme omgezet in schattingen van voortstuwing, waardoor de onderzoekers kunnen begrijpen hoe goed mensen de juiste enkelmechanica genereren en hoe effectief ze lopen. Het verzamelen van de hoeveelheid data om een typisch machine learning model van individuele dragers te trainen, is uitdagend. Patiënten hebben immers een beperkt vermogen om gedurende langere tijd na een beroerte te lopen. Door het gebruik van loopdata van meerdere individuen is het een machine learning model wel beter af te stemmen op elke gebruiker.
Testen
Om het enkel-exoskelet te testen, werkten de onderzoekers van SEAS samen met het Sargent College of Health & Rehabilitation Sciences van Boston University. Ze rekruteerden vier deelnemers om het apparaat gedurende vier weken in hun eigen omgeving te gebruiken, waarbij ze drie tot vijf keer per week zelfstandig liepen. Alle deelnemers voltooiden de studie veilig en rapporteerden geen veiligheidsproblemen.
Door de individuele variabiliteit in respons (deelnemers met een lagere basisloopkracht zagen meer voordeel bij het dragen van het exoskelet) werd therapeutisch voordeel in de hele groep niet waargenomen. Maar twee van de deelnemers verbeterden hun voortstuwing met gemiddeld 27%. Ook liepen ze in de week na het onderzoek gemiddeld 4.000 stappen verder dan in de week vóór aanvang van het onderzoek.
Het Office of Technology Development van Harvard University onderzoekt commerciële kansen die voortvloeien uit het intellectuele eigendom. De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Walsh's Biodesign Lab / Harvard SEAS