PL230194B1 - Urządzenie do odciążania kończyn w bieżni ruchomej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do odciążania kończyn na bieżni ruchomej, mające zastosowanie w rehabilitacji ludzi i zwierząt.

W przypadku uszkodzeń rdzenia kręgowego po okresie leczenia następuje proces rehabilitacji. Jednym z etapów procesu restytucja funkcji lokomocyjnych, w wyniku stosowania różnego rodzaju czynników farmakologicznych, mechanicznych, elektrycznych, treningu na bieżni ruchomej i innych. W zależności od rozległości zaistniałego uszkodzenia powrót do stanu sprawności (o ile jest możliwy) wymaga określenia właściwej strategii rehabilitacyjnej i metody naprawczej. Zazwyczaj uszkodzenie struktur rdzeniowych w konsekwencji skutkuje niedowładem poszczególnych segmentów ciała, a stopień upośledzenia funkcji ruchowych i lokomocyjnych zależy od wysokości, na którym wystąpiło uszkodzenie (im wyższe tym poważniejsze) oraz rozległości (całkowite lub częściowe porażenie). Jednak w przeważającej większości przypadków, w pierwszej fazie rehabilitacji nie ma możliwości, aby badany poruszał się samodzielnie. W związku z tym należy zapewnić mu odpowiednie warunki w celu wykonywania ruchu czy lokomocji. W przypadkach badań na bieżni nieodzownym elementem jest układ pozwalający na podtrzymanie badanego. Zazwyczaj stosuje się różnego rodzaju uprzęże oraz mechanizmy podtrzymujące skonstruowane w ten sposób, aby odciążyć kończyny kroczące, a jednocześnie dąży się do tego, aby wykonywany ruch był możliwie najbardziej zbliżony do ruchu fizjologicznego (zastosowany mechanizm nie powinien ograniczać możliwości ruchowych). W przypadkach treningu zwierząt (lokomocja cztero koń czyn owa) pozycja ciała jest w przybliżeniu równoległa do powierzchni, po której odbywa się lokomocja. Wobec tego układ podtrzymujący powinien zapewnić możliwość uzyskania pozycji horyzontalnej. Dotychczas badania np. na gryzoniach polegały na uniesieniu (podtrzymywaniu) przedniej części ciała i określaniu możliwości ruchowych i lokomocyjnych na kończynach tylnych. Taki stan rzeczy powodował, że określenie skuteczności strategii i metody rehabilitacyjnej ograniczało się do określenia wpływu aplikowanych czynników fizykochemicznych i farmakologicznych na możliwości ruchowe w pozycji niefizjologicznej (wyprostowanej lub pół-wyprostowanej). Oczywiście na podstawie takiego badania można wnioskować o możliwościach lokomocyjnych, ale postawa niefizjologiczna również może być czynnikiem wpływającym hamująco lub pobudzająco na plastyczność nerwowo - mięśniową. Nie ma zatem metody pozwalającej na określenie możliwości ruchowych w każdej pozycji (najlepiej podczas jednego badania). Układ podtrzymujący powinien zatem umożliwiać dowolne ustawienie pozycji ciała od całkowicie horyzontalnej do wertykalnej w trakcie badań. Sam sposób podtrzymania (poza funkcją odciążenia kończyn kroczących), powinien również zostać ściśle określony i być mierzalny. Wartość siły podtrzymującej jest istotnym parametrem określającym postęp rehabilitacji. W przypadku chodu naturalnego siła pomiar wartości tej siły nie jest konieczny a jej wartość jest równa zeru. Dlatego informacja diagnostyczna będzie kompletna w sytuacji, gdy oprócz siły podtrzymującej dokonywany jest również pomiar sił reakcji podłoża. Uważa się, że dopiero ta para danych stanowi kompletną informację kinetyczną.

Z publikacji “A novel device forstudying weight supported, quadrupedal overground locomotion in spinał cord injured rats”, Marvin Hamlina, Terrance Traughbera, David J. Reinkensmeyerb, and Ray D. de Leona J Neurosci, Methods. 2015 May 15; 246: 134-141. doi:10.1016/j.jneumeth.2015.03.015 znane jest urządzenie do podtrzymywania gryzonia (z uszkodzonym rdzeniem kręgowym) w czasie przejścia pomiarowego. Badane zwierzę podwieszone jest w mechanizmie poruszającym się suwliwie po szynie prowadzącej. Podwieszenie (odciążenie) realizowane jest poprzez podtrzymanie za pomocą „nosidełka” umieszczonego w okolicach brzucha badanego gryzonia. „Nosidełko” ustawiane jest w taki sposób, aby wszystkie kończyny dotykały powierzchni bieżni, po której porusza się badany gryzoń. Następnie wymusza się lokomocję zwierzęcia dokonując pomiaru niektórych parametrów chodu (ilość kroków, długość kroków, etc.). Długość toru pomiarowego limitowana jest długością szyny prowadzącej. Badany jest chód czterokończynowy.

Wady:

- brak możliwości dowolnego ustawienia sylwetki ciała,

- brak pomiaru sił reakcji podłoża,

- mechanizm pomiaru wartości siły odciążającej nie jest dokładnie określony (zawarta jest tylko informacja np. odciążenie na poziomie 65%),

- niewielka ilość danych pomiarowych (kilka kroków),

PL230 194 Β1

- pomimo, że (jak podają autorzy) siła tarcia mechanizmu wózka względem szyny prowadzącej jest niewielka, to jednak bezwładność układu może powodować dodatkowe obciążenie dla poruszającego się zwierzęcia.

Z publikacji Role of Spared Pathways in Locomotor Recovery after Body-Weight-Supported Treadmill Training in Contused Rats, Anita Singh, Sriram Balasubramanian, Marion Murray, Michel Lemay, and John Houle, JOURNAL OF NEUROTRAUMA 28:2405-2416 (December 2011)^a Mary Ann Liebert, Inc. DOI:10.1089/neu.2010.1660 znane jest urządzenie przeznaczone do ćwiczeń gryzoni po uszkodzeniach rdzenia kręgowego lub z niedowładami kończyn. Aparat składa się z bieżni, po której porusza się badany/trenowany osobnik, układu BWS służącego do podwieszenia gryzonia, jak również ramion robota wymuszających ruch kończyn tylnych. Istota treningu polega na podwieszeniu osobnika na ramieniu BWS mierzącemu siłę odciążenia i wywołaniu ruchu kończyn tylnych. Ruch kończyn uzyskuje się w poprzez ich sprzężenie z ramionami robotycznymi, których ruch odtwarza trajektorię kroczenia uzyskaną z pomiarów gryzoni zdrowych. Ruch ramion robota zsynchronizowany jest z prędkością przesuwu pasa po powierzchni bieżni. W tym przypadku nie ma zatem ograniczenia czasowego badania. Urządzenie opisane jest również w patencie US 6880487 B2.

Wady:

- brak możliwości dowolnego ustawienia sylwetki ciała,

- brak pomiaru sił reakcji podłoża.

Znane urządzenia do stosowania odciążenia w czasie chodu osób z niedowładami mięśni kończyn dolnych np. lokomat lub temu podobne i stosowane dla zwierząt doświadczalnych, po uszkodzeniach rdzenia kręgowego powodujących porażenie kończyn tylnych, polegają na podwieszeniu zwierzęcia poruszającego się po chodniku ruchomym za pomocą linki utwierdzonej do konstrukcji chodnika lub podtrzymywanego przez badającego itp.

W urządzeniach do odciążenia w czasie badań na zwierzętach doświadczalnych na ogół nie stosuje się pomiaru wielkości siły odciążającej lecz jedynie podtrzymuje się zwierzę celem umożliwienia mu przestawiania kończyn. Znane urządzenia nie pozwalają na pełną kontrolę treningu mięśni, ani określenie obciążeń treningowych np. intensywności treningu, dozowania czasu trwania ćwiczeń, pomiaru efektywności treningu itp.

Celem wynalazku jest usunięcie tych niedogodności, czyli umożliwienie dokładnego określenia wielkości odciążenia oraz określenia efektu treningu, jak również wpływu podawanych specyfików farmakologicznych lub innych środków, których celem jest poprawa funkcji lokomocyjnej.

Urządzenie do odciążania kończyn w bieżni ruchomej jest urządzeniem do treningu i badania ludzi lub zwierząt podczas poruszania się po chodniku ruchomym z zadawanym (dawkowanym) odciążeniem kończyn wynikającym z ciężaru ciała.

Aby osiągnąć ten cel postawiono sobie zadanie opracowania urządzenia pozwalającego na dokładny pomiar zadawanego odciążenia zwierzęcia w trakcie badania lub treningu, zwiększenie lub zmniejszenie go w czasie trwania treningu, względnie blokowania na określony czas, co sterowane jest z wbudowanego mikrokontrolera jak również możliwość dowolnego ustawiania pozycji zwierzęcia podczas badania.

Urządzenie składa się z ramy, w której zamontowana jest bieżnia ruchoma umożliwiająca pomiar sił reakcji podłoża oraz wysięgnik wyposażony w dwa układy pomiarowe oraz ustalające, w postaci pokręteł. Badana osoba lub zwierzę zaopatrzone jest w dwie uprzęże i podwieszone za pomocą linek do układów pomiarowych. Manipulacja pokrętłami umożliwia dowolne ustalenie sylwetki badanego osobnika. Bieżnia ruchoma składa się z platformy pomiarowej wspartej na przetwornikach mierzących siłę. Po powierzchni platformy pomiarowej przesuwa się rozpięty na wałkach prowadzących chodnik ruchomy. Przesuw chodnika ruchomego wywołany jest działaniem układu napędowego. Wysięgnik służy do podwieszenia człowieka lub zwierzęcia i umożliwia zadawanie określonego odciążenia w czasie chodu, oraz ustalania pozycji ciała. Układy do pomiaru siły dokonują pomiaru wartości sił odciążenia. Posturę i kąt nachylania sylwetki ustala się poprzez odblokowanie układów do pomiaru siły za pomocą pokręteł.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia urządzenie w widoku z boku w wariancie pracy ze szczurem.

Urządzenie składa się z ramy 2, w której zamontowana jest bieżnia ruchoma umożliwiająca pomiar sił reakcji podłoża oraz wysięgnik 1 wyposażony w dwa układy pomiarowe 11 i 12 oraz ustalające 13 i 14 w postaci pokręteł. Badane zwierzę zaopatrzone jest w dwie uprzęże 7 i 8 i podwieszone za

PL230 194B1 pomocą linek 9 i 10 do układów pomiarowych. Manipulacja pokrętłami 13 i 14 umożliwia dowolne ustalenie sylwetki badanego zwierzęcia. Bieżnia ruchoma składa się z platformy pomiarowej 6 wspartej na przetwornikach 5 mierzących siłę. Po powierzchni platformy pomiarowej 6 przesuwa się rozpięty na wałkach prowadzących 4 chodnik ruchomy 15. Przesuw chodnika ruchomego 15 wywołany jest działaniem układu napędowego 3.

Przykład badania przeprowadzonego na szczurze z uszkodzonym rdzeniem kręgowym (SCI) z całkowitym porażeniem kończyn tylnych (zwierzę nie jest w stanie poruszać się samodzielnie):

1. Przygotowanie zwierzęcia.

- szczura zaopatruje się w specjalne uprzęże - jedna w okolicy ogona 8, druga w okolicy kończyn przednich 7.

- za pomocą linek 9 i 10 podwiesza się zwierzę do układów pomiarowo - ustalających 11 i 12.

- po odpowiednim ustawieniu zwierzęcia, aktywuje się strukturę neuronalną CGW (Centralny Generator Wzorca) za pomocą metod farmakologicznych, elektrycznych lub mechanicznych, do momentu uzyskania zsynchronizowanego, naprzemiennego ruchu kończyn tylnych. Po uzyskaniu odpowiedzi ruchowej kończyn dopasowuje się prędkość bieżni do możliwości ruchowych badanego szczura.

- zwierzę opuszczane jest na za pomocą układów ustalających do momentu kontaktu kończyn tylnych z platformą pomiarową. Opuszczanie następuje do momentu, w którym siła podtrzymania jest niewystarczająca do wykonywania lokomocji na kończynach tylnych (kończyny nie są w stanie przenosić obciążeń wynikających z ciężaru ciała, następuje powłóczenie nogami, lub inne). Wówczas zwiększa się wartość siły odciążającej do momentu uzyskania efektu płynnego kroczenia.

- przeprowadza się trening na bieżni sprawdzając skuteczność zastosowanych środków farmakologicznych i dokonując jednocześnie pomiaru siły odciążenia i sił reakcji podłoża.

- obserwuje się wpływ czasu treningu na możliwości lokomocyjne zwierzęcia.

- obserwuje się zmiany mierzonych parametrów (siła odciążenia, siły reakcji podłoża) w zależności od:

- ustawienia pozycji ciała,

- zmiany prędkości bieżni,

- zmiany siły podtrzymującej,

- zmiany natężenia bodźca aktywującego CGW,

- wpływu podawanych środków farmakologicznych.

Uzyskana informacja diagnostyczna składa się z informacji zawierającej dane wejściowe - czynniki wpływające/mogące wpływać na plastyczność sieci nerwowej i dane wyjściowe - pomiary: sił reakcji podłoża, siły odciążenia, prędkości przesuwu bieżni, kąta pochylenia pozycji ciała, oraz inne.

Informacja diagnostyczna (w odróżnieniu od innych metod) jest stosunkowo bogata i miarodajna.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do odciążania kończyn w bieżni ruchomej, zawierające ruchomą bieżnię oraz system podwieszeń, znamienne tym, że składa się z ramy (2), w której zamontowana jest bieżnia ruchoma oraz wysięgnik (1) wyposażony w dwa układy pomiarowe (11) i (12) oraz ustalające (13) i (14) a wysięgnik (1) wyposażony jest w dwie uprzęże (7) i (8) podwieszone za pomocą linek (9) i (10) do układów pomiarowych (11) i (12) natomiast bieżnia ruchoma składa się z platformy pomiarowej (6) wspartej na przetwornikach (5) a po powierzchni platformy pomiarowej (6) przesuwa się rozpięty na wałkach prowadzących (4) chodnik ruchomy (15).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układy ustalające (13) i (14) mają postać pokręteł z blokadą położenia.