Aufbauend auf dem Erfolg von Projekten zur Kraftsteigerung durch den Einbau von Motoren in herkömmliche Knie-, Hüft- und Knöchelorthesen untersucht ein Team der University of Michigan, wie gut dieser Ansatz zur Linderung von Knieschmerzen bei Arthrose beitragen könnte.
„Dies könnte eine völlig neue Klasse orthopädischer Eingriffe schaffen, die es heute nicht gibt, was möglicherweise eine Operation verzögern oder Menschen davon ersparen könnte, sich einer Operation unterziehen zu müssen“, sagte Robert Gregg, UM-Professor für Robotik und Leiter des Projekts, das mit 2 Millionen US-Dollar von den National Institutes of Health finanziert wird.
In früheren Arbeiten reduzierten von Greggs Team entwickelte Exoskelette oder Exos den Aufwand der Studienteilnehmer durch:
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14,5 % bei Quadrizeps-Anstrengung mit Knie-Exos
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19,1 % beim unteren Knöcheldrehmoment mit Knöchel-Exos
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25 % der von der Hüfte geleisteten Arbeit mit Hüft-Exos
Wir führten eine Pilotstudie mit vier Personen mit Knie-Arthrose durch. Sie alle erlebten eine Schmerzlinderung. Wenn Sie die Spitzenkräfte der Muskeln am Gelenk reduzieren, reduzieren Sie auch die Spitzenbelastungen der kontraktilen Muskeln, die das Gelenk zusammenziehen. Sie reduzieren diesen Höhepunkt und reduzieren arthritische Schmerzen.“
Robert Gregg, UM-Professor für Robotik und Leiter des Projekts
Reduzierung der Kontaktkräfte innerhalb der Kniegelenke
Bevor die Studienteilnehmer ins Labor eingeladen werden, optimieren die Forscher ihre Exoskelette für die Linderung von Arthritis-Schmerzen. Greggs Team verfügt über große Erfahrung in der Modellierung von Muskelanstrengungen und Gelenkdrehmomenten, ist jedoch bisher nicht auf die Details dessen eingegangen, was in den Gelenken geschieht.
Jetzt werden sie sich mit Muskel-Skelett-Modellen befassen, um zu quantifizieren, wie Exo-Unterstützung die Kontaktkräfte zwischen Knochen und Knochen – und damit die Schmerzen in arthritischen Gelenken – reduziert. Mithilfe dieser Informationen werden sie den Exo-Kontrollalgorithmus anpassen, um die Kontaktkräfte und nicht nur die Muskelanstrengung zu reduzieren, und schließlich die Auswirkungen auf die selbstberichteten Schmerzen der Teilnehmer bei verschiedenen Aktivitäten bewerten.
Der Steueralgorithmus wird auf dem von Greggs Gruppe vertretenen „Energy Shaping“-Ansatz basieren, der zu den früheren Erfolgen mit klammerbasierten Exos beigetragen hat. Ältere Steuerungsstrategien basieren oft auf dem Erraten, was der Benutzer zu tun versucht, etwa Treppen hinaufgehen oder sich auf einen Stuhl setzen. Stattdessen betrachtet der Energieformungsalgorithmus die aktuelle Bewegung des Benutzers und sagt voraus, wie viel Kraft im nächsten Sekundenbruchteil benötigt wird. Die Vorhersagen basieren auf Modellen der menschlichen Bewegung, die mit Bewegungserfassungsdaten und Physik erstellt wurden.
Das Design der Exos selbst wird dem vorherigen Versuch zur Steigerung der Kraft sehr ähnlich sein. Das Team, zu dem auch der Co-Ermittler Elliott Rouse, außerordentlicher Professor für Robotik an der UM, gehört, verwendet „Pancake“-Motoren, die in der Drohnenindustrie populär sind. Der Hauptvorteil dieser Motoren ist das hohe Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die der Kraft menschlicher Gelenke ähnelt.
Frühere Motoren, die klein genug waren, um an Kniestützen montiert zu werden, benötigten mehr Gänge, um ein höheres Drehmoment bereitzustellen. Die Gänge sind lauter und lassen sich schwerer rückwärts fahren, was zu steifen und lauten Exos führt, deren Lautstärke einer Haushaltsbohrmaschine ähnelt. Pancake-Motoren bieten sowohl die Leistung als auch den reibungslosen Betrieb, die für die Kompatibilität mit menschlichen Bewegungen erforderlich sind, und sind dabei nahezu geräuschlos.
Klinische Studie mit Teilnehmern, die an Arthritis leiden
Die Co-Ermittler Edward Wojtys, der William S. Smith Legacy-Professor für orthopädische Chirurgie, und Damon Bagley-Ayres, zertifizierter Orthopädietechniker und Orthopädietechniker für Michigan Medicine, werden Teilnehmer mit Arthrose rekrutieren und die klinische Studie unterstützen. Steven Harte, außerordentlicher Professor für Anästhesiologie und Innere Medizin an der Michigan Medicine, wird die strenge Beurteilung von Schmerzen unterstützen.
Während es sich bei dieser Studie um einen Laborversuch handelt, hofft Gregg, Exos schließlich mit Anwendern nach Hause schicken zu können, um zu sehen, ob sie den Teufelskreis des Muskelschwunds, der mit Arthrose einhergeht, reduzieren. Da Exoskelette jeden Schritt erleichtern, könnte sich der Muskelschwund verschlimmern, wenn sich Benutzer nicht mehr bewegen. Das Team geht davon aus, dass sich Exo-Benutzer häufiger bewegen werden, wenn sie sich mit weniger Schmerzen bewegen können, und dass eine Erhöhung des kumulativen Aktivitätsniveaus die Muskeln von Exo-Benutzern stärken könnte.
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