Gleženjski eksoskelet gnan z energijo tekalne steze za pomoč pri odrivuTomc, Matej (Avtor) Matjačič, Zlatko (Mentor) gleženjski eksoskeletbiomehanikahojarehabilitacijamožganska kapGleženjski sklep pri zdravih ljudeh igra ključno vlogo pri ustvarjanju mehanskega dela za propulzijo težišča telesa naprej v smeri hoje. Ljudje po živčno-mišični bolezni ali poškodbi, na primer po možganski kapi, pogosto izgubijo polno zmožnost zavestnega obvladovanja mišic, te pa tudi oslabijo. Niso več zmožni ustvarjati zadostnega navora plantarne fleksije v gležnju in zato ne morejo vzdrževati zdravim podobnega vzorca hoje. Na področju rehabilitacije je bilo v pomoč tem ljudem razvitih že veliko rešitev v obliki gleženjskih eksoskeletov, a zaradi različnih pomanjkljivosti te naprave še niso postale del klinične prakse. V okviru doktorske disertacije smo po korakih zasnovali, razvili in eksperimentalno preizkusili delovanje novega gleženjskega eksoskeleta. Najprej smo predstavili nov koncept gleženjskega eksoskeleta, ki ne vsebuje lastnega aktuatorja, pač pa za delovanje izrablja tekalno stezo, po kateri uporabnik hodi. Med fazo opore energijo shranjuje v elastično tetivo, v podfazi odriva pa jo preko ortoze odda uporabniku in mu s tem olajša odriv. Napravo, ki po tem konceptu deluje, smo poimenovali ANkle EXoskeleton using TReadmill Actuation for Push-off assistance, ali krajše AN-EXTRA-Push. Zastavili smo okvirno zgradbo in delovanje naprave in identificirali parametre načrtovanja, s spreminjanjem katerih bo mogoče voditi napravo in jo prilagajati potrebam uporabnika. Na karakteristiko dodatnega navora plantarne fleksije, ki ga eksoskelet ustvarja za pomoč uporabniku, lahko sproti vplivamo s spremembami naslednjih parametrov: čas vklopa zavore, čas izklopa zavore in togost elastične tetive. Koncept predstavljenega eksoskeleta smo preverili v simulacijski študiji. Izdelali smo 2D dinamični model hodeče osebe, ga opremili z modelom AN-EXTRA-Push in za vse tri parametre izvedli parametrično analizo. Uporabili smo optimizacijo z genetskim algoritmom, da smo simulirali vzorce hoje za širok nabor vrednosti treh parametrov. Rezultati simulacijske študije so določili obseg potencialno primernih vrednosti parametrov, na podlagi katerih smo načrtovali nadaljnje praktične eksperimente. Po iterativnem postopku smo razvili prototip AN-EXTRA-Push. Pozorni smo bili na izzive pri načrtovanju, ki so pomembni ne le za izvedbo eksperimentov ampak tudi za uspešno rabo naprave v kliničnem okolju. Nastavljivo togost elastične tetive smo realizirali s paralelnim vpenjanjem elastičnih vrvi. Pripravili smo dva predloga za vodenje vklopa in izklopa zavore. Naloga vodenja se v veliki meri zreducira na razpoznavanje in predikcijo faz cikla hoje v realnem času. V prvem predlogu smo algoritem prilagodili opremi v moderno opremljenem biomehanskem laboratoriju, v katerem smo izvedli eksperimentalne študije. Izkoristili smo meritve reakcijske sile podlage pod pohodno površino tekalne steze z ločenima pohodnima površinama za vsako nogo. Drugi predlog ponuja rešitev za primer, ko tekalna steza ni opremljena s senzorji sile. Faze cikla hoje lahko razpoznavamo z algoritmom, osnovanim na bazenu oscilatorjev z adaptivno frekvenco. Vhod v ta algoritem bi lahko bile meritve najmanj ene inercialne merilne enote, pritrjene na nogo z eksoskeletom. Izvedli smo raziskavo vpliva AN-EXTRA-Push na hojo zdravih ljudi. V raziskavi je sodelovalo dvanajst prostovoljcev. Pri različnih nastavitvah časov vklopa zavore in togosti tetive smo merili časovno-prostorske parametre, kinematiko in kinetiko hoje ter mišično aktivnost z elektromiografijo. Predstavili smo tudi novo metriko za ovrednotenje sinhronosti delovanja uporabnikovega mišično-kitnega sistema in eksoskeleta. AN-EXTRA-Push je najbolj vplival na gleženjski sklep, v katerem je neposredno ustvarjal navor plantarne fleksije. Večinoma se koti, navori in moči v vseh sklepih noge niso veliko spremenili, prispevek eksoskeleta pa je povzročil zmanjšanje prispevka bioloških struktur k navoru v gležnju. S povečano pomočjo je upadla aktivnost mišic plantarnih fleksorjev gležnja. Glede na literaturo je AN-EXTRA-Push dosegal zadovoljiv nivo pomoči za potrebe rehabilitacije, sinhronost delovanja eksoskeleta in bioloških struktur pa je bila primerljiva najsodobnejšim eksoskeletom z vodenjem s človekom v zanki. Zmožnosti AN-EXTRA-Push v zahtevnejšem primeru močno variabilne hoje osebe po možganski kapi smo preverili v študiji primera. Da bi se izognili napakam pri vodenju, smo napravo še bolj poenostavili. Prednji del tetive smo namesto začasne zaustavitve z zavoro trajno pritrdili. Preiskovanec zaradi posledic možganske kapi ni bil zmožen zdravim podobnega odriva. Ob pomoči naprave sta njegov lastni navor in moč v gležnju ostala približno enaka, pomoč eksoskeleta pa je prispevala k skupnemu dvigu navora in moči v gležnju, s čimer smo izpolnili cilj po močnejšem odrivu. Naprava AN-EXTRA-Push je v eksperimentalnih študijah tako na zdravih osebah kot na pacientu dajala rezultate, ki so zelo primerljivi sodobnim gleženjskim eksoskeletom. Hkrati je od sodobnih eksoskeletov mnogo enostavnejša, zlasti z vidika vodenja. Posebno pozornost smo pri razvoju posvetili tudi praktičnim vidikom uporabe v klinični praksi. Na podlagi izsledkov študij zato ocenjujemo, da je AN-EXTRA-Push naprava, ki bi lahko bila primerna za rabo v rehabilitaciji. Pred dokončnim prebojem iz raziskovalnega v klinično okolje so sicer nujno potrebne študije vpliva AN-EXTRA-Push na večjem vzorcu oseb po preboleli možganski kapi.20242024-12-16 15:00:02Doktorsko delo/naloga165995sl