Robotutrustning används alltmer för att hjälpa patienter med nedsatt motorik. Genom ett nytt anpassningsbart exoskelett, Symbitron-projektet hoppas kunna revolutionera rehabiliteringen av patienter.

Ryggmärgsskada (SCI) kan leda till paraplegi, förlusten av rörelse i den nedre delen av kroppen. Nyligen genomförda forskningsansträngningar för att behandla SCI och återställa partiell rörelse har resulterat i utvecklingen av assisterande exoskelett. Med tanke på att aktiv rekrytering av det neuromuskulära systemet hos SCI-patienter kan främja motorisk återhämtning, exoskelett måste vara lyhörda för både användaren och miljön.

Det EU-finansierade Symbitron-projektet var ett fyraårigt initiativ som syftade till att utveckla en säker, bioinspirerad, personligt bärbart exoskelett. "Vårt huvudsakliga mål var att göra det möjligt för patienter med SCI att gå utan ytterligare hjälp, genom att komplettera deras återstående motoriska funktion, ″ förklarar projektkoordinator Prof. Herman van der Kooij.

En patientcentrerad design

Symbitron exoskelettet baserades på en helt anpassad lösning som kompletterar den unika återstående kapaciteten hos varje enskild patient. Designen var unik eftersom den replikerade fysiologisk neuromuskulär funktionalitet samtidigt som den sömlöst integrerade kvarvarande mänsklig funktionalitet.

Forskare använde dynamiska modeller av muskler i nedre extremiteter för att hjälpa SCI-personers gång genom att återskapa mänskligt beteende via ledkinematik, kinetiska mått, och muskelaktiveringar. Modellerna baserades på kliniska data uppmätt från friska försökspersoner och patienter med SCI. Den genererade exoskelettstyrenheten krävde väldigt få ingångar från ledvinklar, hållning, och svängdetektering för att simulera gång i olika hastigheter och terräng. Den visade också robusthet mot störningar och miljöstörningar.

Förutom omfattande optimering av design och kontroll, stor vikt lades på den dubbelriktade symbiotiska människa-maskin-interaktionen mellan de bärbara exoskeletten. Det modulära exoskelettet kan modifieras till storleken och kapaciteten hos olika ämnen med hjälp av olika konfigurationer, nämligen endast fotledsstöd, ankel-knä stöd, eller ankel-knä-höftstöd. Det är också möjligt att stödja endast ett eller båda benen. Vidare, den elektroniska och mekaniska modulariteten känns igen automatiskt av respektive mjukvara för att anpassa prestanda till användarens specifika behov.

Klinisk påverkan

För att tillhandahålla kliniska bevis på konceptet för säkerhet och funktionalitet hos systemet, Symbitron-konsortiet utvecklade en utbildningsmiljö och utbildningsprotokoll för patienter med sarg och deras läkare. Projektet använde ofullständiga SCI-ämnen som bara behövde stöd vid fotleden eller vid fotleden och knäet, och slutför SCI-ämnen som behövde fullt stöd av båda benen.

"Kliniska tester visade att hårdvara och mjukvara kunde anpassas till de specifika egenskaperna hos dessa ämnen, vilket ger ett bevis på genomförbarheten av vårt unika tillvägagångssätt, ″ betonar prof. van der Kooij. Viktigt, de biologiskt inspirerade kontrollerna – i motsats till konventionella tillvägagångssätt – möjliggjorde varierande gångmönster vad gäller hastighet och steglängd.

Resultaten var mycket lovande, med alla ofullständiga SCI-ämnen som förbättrar sin gånghastighet och/eller balans under träning och två kompletta SCI-ämnen går igen. I vissa fall, en rehabiliteringseffekt sågs efter träning med Symbitron-enheterna även när försökspersonerna inte använde enheten. Psykometrisk analys validerade också patientnöjdhet och motivation för ytterligare förbättringar.

Prof. van der Kooij är hoppfull att "även om kliniska resultat fortfarande är preliminära, träning med Symbitron-enheterna verkar förbättra gångavstånd för personer som har en viss kvarvarande funktion kvar.″ Detta tyder på att stödet som erbjuds av Symbitron-metoden kan sträcka sig utöver SCI-ämnen, till exempel för rehabilitering av strokeöverlevande.