wervelkolom misvormingen, zoals idiopathische scoliose en kyfose (ook bekend als "bochel"), worden gekenmerkt door een abnormale kromming in de wervelkolom. De kinderen met deze misvormingen van de wervelkolom wordt meestal geadviseerd om een ​​beugel te dragen die rond de romp en heupen past om de abnormale kromming te corrigeren. Het is aangetoond dat bracing de progressie van de abnormale curve voorkomt en chirurgie vermijdt. De onderliggende technologie voor bracing is de afgelopen 50 jaar niet fundamenteel veranderd.

Terwijl bracing de progressie van abnormale wervelkolomcurven bij adolescenten kan stoppen/vertragen, huidige beugels leggen een aantal beperkingen op vanwege hun rigide, statisch, en sensorloze ontwerpen. In aanvulling, gebruikers vinden ze oncomfortabel om te dragen en kunnen last hebben van huidafbraak veroorzaakt door langdurige, buitensporig geweld. Bovendien, het onvermogen om de correctie die door de beugel wordt geboden te controleren, maakt het voor gebruikers moeilijk om zich aan te passen aan veranderingen in de romp in de loop van de behandeling, waardoor de effectiviteit afneemt.

Om deze tekortkomingen aan te pakken, Onderzoekers van Columbia Engineering hebben een nieuw Robotic Spine Exoskeleton (RoSE) uitgevonden dat de meeste van deze beperkingen kan oplossen en kan leiden tot nieuwe behandelingen voor misvormingen van de wervelkolom. De RoSE is een dynamische wervelkolombrace waarmee het team de eerste studie kon uitvoeren die kijkt naar in vivo metingen van rompstijfheid en die de driedimensionale stijfheid van de menselijke romp karakteriseert. Het onderzoek is op 30 maart online gepubliceerd in IEEE-transacties van neurale systemen en revalidatietechniek .

"Voor zover we weten, er zijn geen andere onderzoeken naar dynamische beugels zoals de onze. Eerdere studies gebruikten kadavers, die per definitie geen dynamisch beeld geven, ", zegt hoofdonderzoeker Sunil Agrawal van de studie, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering en hoogleraar revalidatie en regeneratieve geneeskunde aan Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons. "De RoSE is het eerste apparaat dat de positie of krachten meet en moduleert in alle zes vrijheidsgraden in specifieke regio's van de romp. Dit onderzoek is fundamenteel en we denken dat het zal leiden tot opwindende vooruitgang, zowel bij het karakteriseren als bij het behandelen van misvormingen van de wervelkolom. "

Ontwikkeld in Agrawal's Robotics and Rehabilitation (ROAR) Laboratory, de RoSE bestaat uit drie ringen die op het bekken zijn geplaatst, midden-thoracaal, en bovenste thoracale gebieden van de wervelkolom. De beweging van twee aangrenzende ringen wordt bestuurd door een parallel aangedreven robot met zes vrijheidsgraden. Algemeen, het systeem heeft 12 vrijheidsgraden bestuurd door 12 motoren. De RoSE kan de beweging van de bovenste ringen ten opzichte van de bekkenring regelen of tijdens de beweging gecontroleerde krachten uitoefenen op deze ringen. Het systeem kan ook corrigerende krachten in specifieke richtingen toepassen, terwijl het nog steeds vrije beweging in andere richtingen mogelijk maakt.

Acht gezonde mannelijke proefpersonen en twee mannelijke proefpersonen met misvormingen van de wervelkolom namen deel aan de pilotstudie, die werd ontworpen om de driedimensionale stijfheid van hun torso's te karakteriseren. De onderzoekers gebruikten de RoSE, om de positie/oriëntatie van specifieke dwarsdoorsneden van het bovenlichaam van de proefpersoon te controleren en tegelijkertijd de uitgeoefende krachten/momenten te meten.

De resultaten toonden aan dat de driedimensionale stijfheid van de menselijke romp kan worden gekarakteriseerd met behulp van de RoSE en dat de vervormingen van de wervelkolom leiden tot stijfheidskenmerken die significant verschillen van die van gezonde proefpersonen. Spinale abnormale krommen zijn driedimensionaal; vandaar dat de stijfheidskenmerken curve-specifiek zijn en afhankelijk zijn van de locaties van de curve-apex op de menselijke romp.

"Onze resultaten openen de mogelijkheid voor het ontwerpen van wervelkolomsteunen die patiëntspecifieke rompstijfheidskenmerken bevatten, " zegt de co-hoofdonderzoeker van de studie, David P. Roye, een wervelkolomchirurg en een professor in kinderorthopedie aan het Columbia University Irving Medical Center. "Onze bevindingen kunnen ook leiden tot nieuwe interventies met behulp van dynamische modulatie van driedimensionale krachten voor de behandeling van misvormingen van de wervelkolom."

"We bouwden voort op de principes die worden gebruikt in conventionele wervelkolombeugels, d.w.z., om driepuntsbelasting te bieden aan de curve-apex met behulp van de drie ringen om nauwsluitend op de menselijke romp te passen, " zegt hoofdauteur Joon-Hyuk Park, die aan dit onderzoek heeft gewerkt als promovendus en teamlid in het ROAR-laboratorium van Agrawal. "Om de driedimensionale stijfheid van de menselijke torso te karakteriseren, de RoSE past zes unidirectionele verplaatsingen toe in elke DOF van de menselijke romp, op twee verschillende niveaus, terwijl tegelijkertijd de krachten en momenten worden gemeten."

Hoewel in deze eerste studie een mannenbrace werd gebruikt die was ontworpen voor volwassenen, Agrawal en zijn team hebben al een brace voor meisjes ontworpen, aangezien idiopathische scoliose 10 keer vaker voorkomt bij tienermeisjes dan bij jongens. Het team rekruteert actief meisjes met scoliose om te karakteriseren hoe rompstijfheid varieert als gevolg van een dergelijke medische aandoening.

"Het richtingsverschil in de stijfheid van de wervelkolom kan helpen voorspellen welke kinderen mogelijk baat kunnen hebben bij een brace en een operatie kunnen vermijden. ', zegt Agrawal.