Neuer Rahmen zur Messung der Stabilität beim Gehen

Stürze sind ein ernsthaftes Problem für die öffentliche Gesundheit, das jährlich zu Zehntausenden von Todesfällen führt und Milliarden von Dollar an Gesundheitskosten verursacht. Während die Biomechanik von Stürzen umfassend erforscht wurde, untersuchen die meisten aktuellen Ansätze, wie die Beine, Gelenke und Muskeln separat reagieren, anstatt als System. Die Fähigkeit zu messen, wie diese verschiedenen Ebenen miteinander in Beziehung stehen, könnte ein viel klareres Bild davon zeichnen, warum jemand stürzt und wie genau sein Körper dies kompensiert. Bis vor kurzem war jedoch ein integrierter Messansatz schwer fassbar.

In neu veröffentlichten Forschungsarbeiten haben Pawel Golyski und sein Ph.D. Berater Gregory Sawicki, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Biowissenschaften an der Georgia Tech, untersuchen, ob mechanische Energie als „gemeinsame Währung“ verwendet werden kann, um zu messen, wie Menschen die unteren Gliedmaßen verwenden, um sich während des Gehens zu stabilisieren. Ihre Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift der Royal Society Interface, legt den Grundstein für die Verwendung mechanischer Energetik, um die Rolle von Gelenken und Muskeln bei instabiler Fortbewegung zu verstehen. Das Papier trug auch zu Golyskis Auswahl als diesjähriger Empfänger des Pre-Doctoral Achievement Award der American Society of Biomechanics (ASB) bei – eine prestigeträchtige Auszeichnung, die das gesamte Publikationsportfolio eines Kandidaten berücksichtigt.

Golyski, ein graduiertes Mitglied von Sawicki’s Physiology of Wearable Robotics (PoWeR) Lab, arbeitete zuvor als Forschungswissenschaftler mit Personen mit Amputation der unteren Extremitäten am Walter Reed National Military Medical Center. Für seine Abschlussarbeit am Georgia Tech war es sein Ziel, ein Verständnis dafür zu entwickeln, wie Geräte und der menschliche Körper zusammenarbeiten, insbesondere an der Schnittstelle von drei Elementen: Muskelmechanik, tragbare Exoskelette und Stabilität beim Gehen.

Jedes der drei Elemente bezieht sich auf die anderen. Exoskelette beeinflussen die Stabilität einer Person und beeinflussen gleichzeitig die Funktionsweise ihrer Muskeln und umgekehrt. Aber zu untersuchen, wie Muskeln sowohl mit Exoskeletten interagieren als auch die Stabilität beeinflussen, ist eine interessante Herausforderung, sagt Golyski. Denn während man beobachten kann, wie sich die Muskeldynamik bei der Verwendung eines Exoskeletts verändert, wird nicht verstanden, wie diese Veränderungen mit der Stabilität zusammenhängen. Um zu verstehen, wie alle drei Säulen zusammenarbeiten, um Menschen bei der Kompensation eines Sturzes zu helfen, mussten Golyski und Sawicki einen neuen Rahmen zur Messung der Stabilität entwickeln.

Energiebuchhalter

Die Forscher wussten, dass für eine Person, die mit konstanter Geschwindigkeit auf ebenem Boden geht, die mechanische Nettoenergie der Person und jedes Beins über einen Schritt – vom Fersenauftritt eines Beins bis zum nächsten Fersenauftritt desselben Beins – null ist. Sie wussten auch, dass die Energie auf allen Ebenen der Beschreibung des Beins, insbesondere der Gelenke und Muskeln, gleich der mechanischen Energie sein musste.

„Die Idee ist, dass wir, wenn wir Stabilität mit einem Energiebedarf in Beziehung setzen können, Buchhalter werden und verfolgen können, wie sich die Energie – unsere Währung – auf der Ebene der Person, des Muskels und des Exoskeletts verändert“, sagte Golyski. „Das bietet einen wirklich leistungsstarken Rahmen, um alle drei Bereiche in Beziehung zu setzen.“

Golyski und Sawicki entwarfen ein Experiment mit einer Person, die auf einem Laufband ging. Mit einem Split-Belt-Laufband wandten sie während des Gehens kurze, schnelle Störungen, sogenannte Perturbationen, in Form von Erhöhungen der Bandgeschwindigkeit auf ein Bein an. Der Zweck bestand darin, während eines Schrittes Energie zu injizieren oder zu extrahieren, damit sie dann messen konnten, wie sich die Bein- und Gelenkenergien der Person verändern.

Für das Experiment verwendeten sie CAREN (Computer Assisted Rehabilitation Environment) von Georgia Tech – ein integriertes System zur Untersuchung der Stabilität während der Bewegung. Es verfügt über Kameras, die über einem Laufband angebracht sind, um die Bewegung einer Person mithilfe von Bewegungserfassungsmarkern zu verfolgen, die an der Person angebracht sind. Unter Verwendung eines von Golyski, Sawicki, PoWeR lab Ph.D. Jennifer Leestma, Studentin Jennifer Leestma, und Esmeralda Vazquez, einer Schülerin der High School, kann das CAREN Störungen basierend auf den Bewegungen einer Person ausführen, was es den Forschern ermöglicht, Störungen zu bestimmten Zeiten im Gangzyklus zu initiieren. Durch die Kombination der Kraft des Laufbandes mit den vom CAREN gesammelten Positionsdaten können Golyski und Sawicki die Energieänderungen in den einzelnen Gelenken einer Person berechnen.

Ihr neuer Rahmen könnte bei der Bestimmung helfen, welcher Teil des Körpers einer Person Reaktionen auf destabilisierende Energie steuert und auf bestimmte Muskeln oder Gelenke hinweist, die mit der Rehabilitationstherapie angegriffen werden sollen. Es könnte auch Türen zu fortschrittlichen Exoskeletten und Prothesen öffnen, die auf bestimmte Gelenke abzielen, um stabilisierende Reaktionen bei Personen mit Gleichgewichtsstörungen wiederherzustellen.

„Die Forschungsarbeit, die Pawel während seiner Promotion abgeschlossen hat, ist geradezu beeindruckend. Er hat neue Wege beschritten, indem er neue experimentelle Techniken und ein neues Hüft-Exoskelett-Hilfsgerät entwickelt, erstmalig Messungen zur Muskelbildgebung durchgeführt und schließlich Antworten gegeben hat die Frage, wie Exoskelette die Gelenk- und Muskeldynamik verändern, um die menschliche Gehstabilität zu beeinflussen“, sagte Sawicki. „Ich war begeistert, dass Pawels herausragende Beiträge als Wissenschaftler-Ingenieur vom ASB anerkannt wurden, und ich freue mich noch mehr, dass er zu Walter Reed – seinem Traumjob – zurückkehren wird, um seine neuen Fähigkeiten einzusetzen, um Menschen dabei zu helfen, von hier nach dort zu kommen .“