ارتزها و اسکلت‌های بیرونی توانمند (موتوردار)

ارتزها و اسکلت‌های بیرونی توانمند، دستگاه‌های رباتیک پوشیدنی هستند که برای کمک، تقویت یا بازیابی حرکت، نیروی محرکه خارجی، حسگر و کنترل را به اندام انسان اضافه می‌کنند. برخلاف بریس‌های غیرفعال که فقط حرکت را محدود یا هدایت می‌کنند، این سیستم‌ها از طریق موتورها یا سایر محرک‌ها انرژی تأمین می‌کنند و رفتار خود را با استفاده از حسگرهای داخلی و نرم‌افزار کنترل با کاربر تطبیق می‌دهند. این حوزه شامل دستگاه‌های کمکی راه رفتن برای افراد مبتلا به آسیب نخاعی یا سکته مغزی، اندام‌های مصنوعی کنترل‌شده با ریزپردازنده و رابط‌های عصبی است که چنین دستگاه‌هایی را به سیستم عصبی متصل می‌کنند.

Definition

ارتزها و اسکلت‌های بیرونی توانمند، سیستم‌های مکاترونیک پوشیدنی هستند – شامل محرک‌ها، حسگرها و یک معماری کنترل – که به موازات یا به جای یک بخش بدن عمل می‌کنند تا گشتاور یا توان کمکی را با هدف حمایت از حرکت، دستکاری یا توانبخشی ارائه دهند.

Scope

این حوزه خواننده را با دسته‌بندی دستگاه‌ها، اصول عملکرد و اهداف بالینی که ارتزها و پروتزهای فعال (توانمند) را از دستگاه‌های غیرفعال معمولی متمایز می‌کند، آشنا می‌سازد. این بخش چهار موضوع را گروه‌بندی می‌کند: طبقه‌بندی و اصول مهندسی اسکلت‌های بیرونی توانمند؛ اسکلت‌های بیرونی فعال اندام تحتانی که برای حرکت و توانبخشی راه رفتن استفاده می‌شوند؛ پروتزهای کنترل‌شده با ریزپردازنده؛ و رابط‌های عصبی و بازخورد حسی. این یک مرور کلی آموزشی-مرجع است، نه راهنمای خرید، تجویز یا آموزش.

Sub-topics

• اسکلت‌های بیرونی فعال اندام تحتانی برای راه‌رفتن
• پروتزهای کنترل‌شده با ریزپردازنده
• رابط‌های عصبی و بازخورد حسی
• طبقه‌بندی و اصول اسکلت‌های بیرونی توانمند

Core questions

• چه چیزی یک دستگاه توانمند (فعال) را از یک ارتز غیرفعال یا پروتز معمولی متمایز می‌کند؟
• چگونه استراتژی‌های حسگری و کنترل به یک دستگاه اجازه می‌دهند تا با قصد و فاز راه رفتن کاربر سازگار شود؟
• برای کدام جمعیت‌های بالینی و اهداف، کمک‌های توانمند مورد مطالعه قرار گرفته است؟
• چگونه رابط‌ها — مکانیکی، مایوالکتریک و عصبی — قصد و بازخورد را بین کاربر و دستگاه منتقل می‌کنند؟

Key concepts

• دستگاه‌های فعال در مقابل غیرفعال
• فعال‌سازی و منبع تغذیه
• حسگری و تشخیص قصد
• کنترل سلسله‌مراتبی (سطح بالا/متوسط/پایین)
• سازگاری انسان در حلقه
• کنترل فاز راه رفتن و حالت محدود
• رابط‌های دوطرفه (فرمان و بازخورد)

Mechanisms

یک دستگاه توانمند، حلقه‌ای بین کاربر و یک سیستم مکاترونیک ایجاد می‌کند. حسگرها (انکودرها، حسگرهای نیرو یا فشار، واحدهای اینرسی و الکترودهای بیوالکتریک) وضعیت و قصد کاربر را تخمین می‌زنند؛ یک سلسله مراتب کنترل، آن تخمین را به دستورات محرک تبدیل می‌کند؛ و محرک‌ها گشتاور یا توان را در یک یا چند مفصل ارائه می‌دهند. بررسی‌های این حوزه، این لایه‌بندی را به عنوان تشخیص قصد سطح بالا، کنترل وضعیت و مسیر سطح میانی، و کنترل محرک سطح پایین توصیف می‌کنند [tucker-2015]. سیستم‌های اندام تحتانی معمولاً حول فاز راه رفتن سازماندهی می‌شوند و کمک را برای مطابقت با فاز ایستادن و نوسان تغییر می‌دهند [yan-2015]. سیستم‌های پروتزی فعالیت عضلانی یا عصبی باقیمانده – که گاهی اوقات با انتقال عصبی جراحی تقویت می‌شود – را برای فرمان دادن به دستگاه رمزگشایی می‌کنند [hargrove-2013].

Clinical relevance

ارتزها و اسکلت‌های بیرونی توانمند به عنوان ابزارهایی برای حمایت از ایستادن، راه رفتن، دسترسی و گرفتن اشیا برای افراد دارای شرایط عصبی یا از دست دادن اندام، و به عنوان بسترهایی برای توانبخشی فشرده وظیفه‌ای مورد مطالعه قرار می‌گیرند. گزارش‌ها استفاده از آنها را در آسیب نخاعی و پس از سکته مغزی توصیف می‌کنند [esquenazi-2012]. این مدخل نحوه دسته‌بندی فناوری و نحوه تولید شواهد را توضیح می‌دهد؛ این مبنایی برای انتخاب، نصب یا تجویز یک دستگاه برای یک فرد نیست، که نیاز به ارزیابی بالینی تخصصی دارد.

Evidence & guidelines

پایه شواهد عمدتاً شامل بررسی‌های مهندسی، مطالعات امکان‌سنجی دستگاه و گروه‌های کوچک است تا کارآزمایی‌های تصادفی‌سازی‌شده بزرگ. بررسی‌های روایی، استراتژی‌های کنترل و رویکردهای کمکی را در ارتزهای توانمند، اسکلت‌های بیرونی و پروتزهای فعال خلاصه می‌کنند [tucker-2015][yan-2015]، در حالی که گزارش‌های بالینی اولیه، نتایج راه رفتن با اسکلت‌های بیرونی خاص اندام تحتانی را مستند می‌کنند [esquenazi-2012]. خوانندگان باید ادعاهای مربوط به دستگاه‌های خاص را با احتیاط بررسی کنند و برای هر محصول خاص به بررسی‌های سیستماتیک و اطلاعات نظارتی فعلی مراجعه نمایند.

History

کمک‌های توانمند از بریس‌های غیرفعال و پروتزهای با نیروی بدنی به سمت سیستم‌های مکاترونیک تکامل یافتند، زیرا محرک‌های قابل حمل، باتری‌ها، میکروکنترلرها و حسگرهای بیوالکتریک پیشرفت کردند. اسکلت‌های بیرونی توانمند اولیه حمل بار و توانبخشی را هدف قرار می‌دادند؛ ترجمه بالینی در دهه ۲۰۱۰ با اسکلت‌های بیرونی راه رفتن پوشیدنی برای آسیب نخاعی [esquenazi-2012] و با اندام‌های مصنوعی که سیگنال‌های عصبی و عضلانی را برای کنترل رمزگشایی می‌کنند [hargrove-2013] تسریع شد.

Debates

دستگاه‌های توانمند چه میزان مزیت عملکردی نسبت به جایگزین‌های غیرفعال اضافه می‌کنند؟

بررسی‌ها نشان می‌دهند که فعال‌سازی، وزن، هزینه و پیچیدگی اضافی باید با دستاوردهای قابل اندازه‌گیری در عملکرد یا نتایج توانبخشی توجیه شوند، و شواهد مقایسه‌ای دقیق برای بسیاری از دستگاه‌ها هنوز محدود است.

Seminal works

• yan-2015
• tucker-2015
• esquenazi-2012

Frequently asked questions

یک اسکلت بیرونی چه تفاوتی با یک ارتز معمولی دارد؟

یک ارتز معمولی غیرفعال است – حرکت را محدود، پشتیبانی یا هدایت می‌کند اما انرژی اضافه نمی‌کند. یک اسکلت بیرونی توانمند شامل محرک‌هایی است که گشتاور یا توان را تأمین می‌کنند و یک سیستم کنترل که با کاربر سازگار می‌شود، بنابراین می‌تواند به طور فعال به حرکت کمک کند یا آن را هدایت کند.

آیا این دستگاه‌ها جایگزینی برای درمان توانبخشی هستند؟

خیر. آنها به عنوان ابزارهایی که در توانبخشی یا به عنوان دستگاه‌های کمکی استفاده می‌شوند، مورد مطالعه قرار می‌گیرند، نه به عنوان درمان‌های مستقل. انتخاب و استفاده از آنها تصمیمات بالینی است که توسط متخصصان واجد شرایط گرفته می‌شود، و این مدخل فقط یک منبع مرجع آموزشی است.