Deformiteter i ryggraden, såsom idiopatisk skolios och kyfos (även känd som "puckelrygg"), kännetecknas av en onormal krökning i ryggraden. Barn med dessa ryggradsdeformiteter rekommenderas vanligtvis att bära en tandställning som passar runt bålen och höfterna för att korrigera den onormala kurvan. Bracing har visat sig förhindra progression av den onormala kurvan och undvika operation. Den underliggande tekniken för stag har inte förändrats i grunden under de senaste 50 åren.

Även om stag kan stoppa/fördröja utvecklingen av onormala ryggradskurvor hos ungdomar, nuvarande hängslen medför ett antal begränsningar på grund av deras stela, statisk, och sensorlösa konstruktioner. Dessutom, användare tycker att de är obekväma att bära och kan drabbas av hudnedbrytning orsakad av långvarig, överdriven kraft. Dessutom, oförmågan att kontrollera korrigeringen som tillhandahålls av tandställningen gör det svårt för användare att anpassa sig till förändringar i bålen under behandlingens gång, vilket resulterar i minskad effektivitet.

För att komma till rätta med dessa brister, Columbia Engineering-forskare har uppfunnit ett nytt Robotic Spine Exoskeleton (RoSE) som kan lösa de flesta av dessa begränsningar och leda till nya behandlingar för ryggradsdeformiteter. RoSE är ett dynamiskt ryggstöd som gjorde det möjligt för teamet att genomföra den första studien som tittar på in vivo-mätningar av bålstyvhet och karakteriserar den tredimensionella styvheten hos den mänskliga bålen. Studien publicerades online den 30 mars IEEE-transaktioner av neurala system och rehabiliteringsteknik .

"Så vitt vi vet, det finns inga andra studier om dynamiska hängslen som vår. Tidigare studier använde kadaver, som per definition inte ger en dynamisk bild, " säger studiens huvudutredare Sunil Agrawal, professor i maskinteknik vid Columbia Engineering och professor i rehabilitering och regenerativ medicin vid Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons. "RoSE är den första enheten för att mäta och modulera positionen eller krafterna i alla sex frihetsgrader i specifika regioner av bålen. Denna studie är grundläggande och vi tror kommer att leda till spännande framsteg både när det gäller att karakterisera och behandla ryggradsdeformiteter. "

Utvecklad i Agrawal's Robotics and Rehabilitation (ROAR) Laboratory, RoSE består av tre ringar placerade på bäckenet, mitten av bröstkorgen, och övre bröstkorgen i ryggraden. Rörelsen av två intilliggande ringar styrs av en sex-frihetsgrader parallellaktiverad robot. Övergripande, systemet har 12 frihetsgrader som styrs av 12 motorer. RoSE kan kontrollera de övre ringarnas rörelse i förhållande till bäckenringen eller applicera kontrollerade krafter på dessa ringar under rörelsen. Systemet kan också applicera korrigerande krafter i specifika riktningar samtidigt som det tillåter fri rörelse i andra riktningar.

Åtta friska manliga försökspersoner och två manliga försökspersoner med ryggradsdeformiteter deltog i pilotstudien, som designades för att karakterisera den tredimensionella styvheten hos deras bålar. Forskarna använde RoSE, att styra positionen/orienteringen av specifika tvärsnitt av försökspersonernas bål samtidigt som man mäter de utövade krafterna/momenten.

Resultaten visade att den tredimensionella styvheten hos den mänskliga bålen kan karakteriseras med hjälp av RoSE och att ryggradsdeformiteterna inducerar bålstyvhetskarakteristika som skiljer sig signifikant från de friska försökspersonerna. Spinala onormala kurvor är tredimensionella; därför är styvhetsegenskaperna kurvspecifika och beror på placeringen av kurvans spets på den mänskliga bålen.

"Våra resultat öppnar upp möjligheten att designa ryggradsstöd som innehåller patientspecifika bålstyvhetsegenskaper, " säger studiens huvudutredare David P. Roye, en ryggradskirurg och en professor i pediatrisk ortopedi vid Columbia University Irving Medical Center. "Våra fynd kan också leda till nya interventioner med dynamisk modulering av tredimensionella krafter för behandling av ryggradsdeformitet."

"Vi byggde på de principer som används i konventionella ryggradshängslen, dvs. för att ge trepunktsbelastning vid kurvans spets med hjälp av de tre ringarna för att passa tätt mot den mänskliga överkroppen, " säger huvudförfattaren Joon-Hyuk Park, som arbetade med denna forskning som doktorand och teammedlem vid Agrawals ROAR-laboratorium. "För att karakterisera den tredimensionella styvheten hos den mänskliga överkroppen, RoSE tillämpar sex enkelriktade förskjutningar i varje DOF i den mänskliga överkroppen, på två olika nivåer, samtidigt som man mäter krafterna och momenten."

Medan denna första studie använde en manlig hängslen designad för vuxna, Agrawal och hans team har redan designat en tandställning för flickor eftersom idiopatisk skolios är 10 gånger vanligare hos tonårsflickor än hos pojkar. Teamet rekryterar aktivt tjejer med skolios för att karakterisera hur bålstelhet varierar på grund av ett sådant medicinskt tillstånd.

"Riktningsskillnad i ryggradens stelhet kan hjälpa till att förutsäga vilka barn som potentiellt kan dra nytta av stöd och undvika operation, säger Agrawal.