31-12-2020

De comfortabele nekkraag bevat zowel sensoren als actuatoren om ongeveer 70% van het actieve bewegingsbereik te herstellen.

Door Holly Evarts | Foto- en videokrediet: Haohan Zhang en Sunil K. Agrawal/Columbia Engineering

Een deelnemer aan de studie met de nekkraag

New York – Een nieuwe nekkraag, die de nek ondersteunt tijdens de natuurlijke bewegingen, werd ontworpen door ingenieurs van Columbia. Dit is het eerste apparaat waarvan werd aangetoond dat het patiënten die lijden aan Amyotrofische Lateraal Sclerose (ALS) goed helpt om hun hoofd recht te houden en hen actief ondersteunt bij het bewegen. Deze vooruitgang leidt tot een betere levenskwaliteit voor patiënten, niet alleen door het verbeteren van het oogcontact tijdens het gesprek, maar ook door het vergemakkelijken van het gebruik van de ogen als joystick om de bewegingen op een computer te controleren, zoals de wetenschapper Stephen Hawkins deed.

Een team van ingenieurs en neurologen onder leiding van Sunil Agrawal, hoogleraar werktuigbouwkunde en revalidatie- en regeneratieve geneeskunde, ontwierp een comfortabele en draagbare gerobotiseerde nekkraag die zowel sensoren als actuatoren bevat om de hoofdhouding aan te passen, waardoor ongeveer 70% van het actieve bewegingsbereik van het menselijk hoofd wordt hersteld. Met behulp van gelijktijdige meting met sensoren op de nekkraag van de beweging en oppervlakte-elektromyografie (EMG) van de nekspieren, wordt het ook een nieuw diagnostisch hulpmiddel voor vermindering van bewegingen van de hoofd en nek. Hun studie werd op 7 augustus gepubliceerd in de ‘Annals of Clinical and Translational Neurology’.

Volgens Agrawal, die het Robotica en Revalidatie (ROAR) Laboratorium leidt is de kraag is tevens beloftevol voor klinisch gebruik buiten ALS, “De kraag zou ook nuttig zijn om de revalidatie te moduleren voor mensen die whiplash-halsletsels hebben opgelopen door auto-ongelukken of die een slechte nekcontrole hebben vanwege neurologische aandoeningen zoals hersenverlamming”, aldus Agrawal.

“Voor zover ik weet hebben professor Agrawal en zijn team voor het eerst de spiermechanismen in de nekspieren van patiënten met ALS onderzocht. Hun nekkraag is zo een belangrijke stap in het helpen van ALS patiënten, een verwoestende en snel progressieve terminale ziekte,” zei Hiroshi Mitsumoto, Wesley J. Howe Professor in Neurologie aan het Eleanor en Lou Gehrig ALS Centrum van Columbia University Irving Medical Center, die samen met Jinsy Andrews, assistent-professor in de neurologie, de studie samen met Agrawal leidde. “We hebben twee medicijnen die zijn goedgekeurd, maar ze vertragen de voortgang van de ziekte slechts weinig. Hoewel we de ziekte op dit moment niet kunnen genezen, kunnen we de levenskwaliteit van de patiënten verbeteren door de pijnlijke symptomen te verlichten met de gerobotiseerde nekkraag.”

Systeemoverzicht – de hoofdhoeken van de deelnemer worden gemeten met de gerobotiseerde nekkraag. Activeringen van de belangrijkste oppervlakte nekspieren, SCM (musculus sternocleidomastoideus) en SCare worden gemeten met behulp van een draadloos EMG-systeem (elektromyografie). De EMG-metingen worden gesynchroniseerd met de beweging van de nekkraag via een triggeringang van de microcontroller. De gegevens van de twee systemen worden geregistreerd op een laptop en een grafische gebruikersinterface geeft de geregistreerde gegevens weer.

ALS is een neurodegeneratieve ziekte die wordt gekenmerkt door een progressief verlies van spierfuncties, wat leidt tot verlamming van de ledematen en ademhalingstekort. Een hoofd dat door de afnemende kracht van de nekspieren hangt, is een kenmerk van de ziekte. In de loop van hun ziekte, die kan variëren van enkele maanden tot meer dan 10 jaar, verliezen de patiënten volledig de mobiliteit van het hoofd, waardoor ze tot een kin-op-kaak-houding gedwongen worden die de spraak, de ademhaling en het slikken belemmert. De huidige statische nekbeugels worden steeds ongemakkelijker en ineffectiever naarmate de ziekte vordert.

Om dit nieuwe robotapparaat te testen heeft het team 11 ALS-patiënten gerekruteerd, samen met 10 gezonde en op leeftijd afgestemde proefpersonen. De deelnemers aan het onderzoek werd gevraagd om enkelzijdige bewegingen van de hoofd-nek uit te voeren, waaronder flexie-verlenging, laterale buiging en axiale rotatie. De experimenten toonden aan dat de ALS patiënten al in zeer vroege stadia van de ziekte een andere strategie van hoofd-hals coördinatie gebruikten in vergelijking met gezonde proefpersonen van dezelfde leeftijdsgroep. Deze kenmerken zijn goed gecorreleerd met de klinische ALS-scores die routinematig door artsen worden gebruikt. De metingen die door het apparaat worden verzameld, kunnen klinisch worden gebruikt om de hoofddaling en het verloop van de ALS-ziekte beter te beoordelen.

“In de volgende fase van ons onderzoek zullen we bestuderen hoe de actieve hulp van de nekkraag ALS-personen met een ernstige hoofddaling zal helpen bij het uitvoeren van activiteiten in het dagelijks leven”, aldus Agrawal, die ook lid is van het Columbia University’s Data Science Institute. “Ze kunnen bijvoorbeeld hun ogen gebruiken als een joystick om het hoofd te bewegen om naar geliefden of objecten om hen heen te kijken.”

Demonstratie van de robot-halsband voor ALS-patiënten

Vertaling: Fabien

Bron: Columbia Engineering