Metody modelování, optimalizace a řízení pro personalizovaný hybridní exoskelet pro chůzi

Výzkumné aktivity zahrnují použití počítačem řízené funkční elektrické stimulace (FES) a ortézy poháněné elektrickým motorem (napájený exoskeleton) ke generování funkčních pohybů dolních končetin; tedy stání a chůze. Počítačem řízené algoritmy získají zpětnou vazbu od senzorů, jako jsou optické kodéry, siloměry, odpory citlivé na sílu a inerciální měřicí jednotky, které jsou nebo budou zabudovány v ortéze, nebo budou tyto zpětnovazební algoritmy kombinovány s předem vypočítanými optimalizovanými algoritmy založenými na odhadu. muskuloskeletální model účastníka. Bude navrženo několik počítačových algoritmů pro koordinaci FES s elektromotory a dalšími součástmi zařízení pro chůzi, aby se reprodukovaly nebo obnovily pohyby vestoje a chůze. Studie zahrnuje ověření počítačových algoritmů pro odhad a kontrolu pohybů chůze a sezení/stání. Motorizované chodítko Rifton E-Pacer, pažní berle, bradla nebo konvenční chodítko lze použít k usnadnění oblékání a svlékání systému exoskeletu, stání a chůzi všem subjektům kdykoli během experimentu po tak dlouhou dobu. jak je to považováno za nezbytné podle experimentálních cílů. Použití E-Paceru nebo chodítka by mělo zlepšit bezpečnost experimentu a snížit celkovou fyzickou námahu subjektu, protože snižuje zatížení těla subjektu. Pohyby vsedě/stání a/nebo chůze budou vyvolány hybridní platformou pro chůzi, která kombinuje poháněný exoskeleton a systém FES. Poháněný exoskeleton může zajistit aktivaci kloubů v kyčelních a kolenních kloubech účastníka. Systém FES může stimulovat kvadricepsy, hamstringy, hýžďové svaly a svaly kotníku. Elektrody pro stimulaci jsou umístěny na kůži v místech, která umožňují optimální pohyb končetiny. Algoritmy jsou navrženy tak, aby stimulace různých svalů byla koordinována k dosažení chůze a/nebo sezení/stání. Předchozí experiment bude proveden na účastníkovi skupiny B, než bude testován na skupině A. Na rozdíl od paraplegických účastníků (skupina A), pokud zařízení selže nebo nečekaně zasáhne, osoby bez postižení (skupina B) budou moci zasáhnout. Proto testování zařízení nejprve na osobách bez postižení nám umožní dále posoudit a řešit případná rizika před testováním na jedincích s SCI, kteří nejsou schopni zasahovat do zařízení. Všechna sezení pro účastníky skupiny A budou probíhat pod dohledem fyzioterapeuta. Terapeut také pomůže účastníkům skupiny A přemístit je z jejich invalidních vozíků na polstrovaný stůl k sezení v případě potřeby nebo do exoskeletu. Účastník skupiny A bude také podporován nevážícím systémem, který zabrání pádu při stání a chůzi. Před každým experimentem zahrnujícím elektrickou stimulaci bude zaznamenána srdeční frekvence a krevní tlak účastníka. Terapeuti také pomohou účastníkům s jejich přesunem z invalidních vozíků na terapeutický stůl. Účastník nebo jednotlivec obsluhující zařízení zahájí pohyb chůze a/nebo stoje. Účastník může zastavit pohyby, pokud se necítí pohodlně nebo bezpečně, pomocí bezpečnostního tlačítka, které mu bude přiděleno. Během těchto sezení budou účastníci nosit monitor srdečního tepu, aby se zajistilo, že se nebudou přetěžovat a že jim bude poskytnut dostatečný odpočinek. Srdeční frekvence účastníků bude kontrolována před a po každém pokusu osobou provádějící experimenty. Borgská stupnice bude pro skupinu A nastavena pro kontrolu úrovně jejich námahy. Relace budou zastaveny podle limitů předepsaných Borgovou stupnicí (viz kritéria pro zastavení v části rizika). Vezměte prosím na vědomí, že u všech popsaných experimentů je mezi návštěvami za účelem experimentování zapotřebí minimálně 1–2 dny. Tyto aktivity jsou rozděleny na Cíl 1 a Cíl 2. Upozorňujeme, že Cíle 1-2 nejsou po sobě jdoucí. Cíl 1: Vyvolat pohyby vsedě/stání a chůzi pomocí optimalizovaného poháněného exoskeletu a asistence funkční elektrické stimulace (FES). Cílem tohoto cíle je experimentálně ověřit optimální regulátor, který alokuje příspěvek FES a exoskeletu na základě modelu účastníka specifického pro člověka. Ovladač vyvolá pohyby dolních končetin u osob bez postižení a osob s poraněním míchy. Skupina A a skupina B se zúčastní přibližně 20 sezení. Počet relací je přibližný a může tento počet překročit a neexistuje žádný konečný počet relací, který by zakazoval další účast. Délka relace bude maximálně 4 hodiny. Doba trvání relace je přibližná a může být větší nebo kratší, než je specifikováno. Celkový počet relací může u některých účastníků překročit o několik relací kvůli neočekávaným technickým nebo chybným experimentálním datům. Tyto experimenty budou prováděny v Neuromuskulární kontrolní a robotické laboratoři (NCRL) nebo na ambulantní rehabilitační klinice v Chapel-Hill pod vedením hlavního řešitele. Tyto experimenty jsou rozděleny do 2 úkolů. Úkol 1: Úvodní návštěvy za účelem seznámení, školení a identifikace modelu. Seznámení a návštěvy školení nám umožní přizpůsobit a optimalizovat hybridní chodící exoskelet pro každého zúčastněného jedince. Pro tento úkol účastníci navštíví NCRL přibližně na 3 sezení. Tyto sezení nebudou trvat déle než 4 hodiny. Doba trvání relace je přibližná a může být větší nebo kratší, než je specifikováno. Celkový počet relací může u některých účastníků překročit o několik relací kvůli neočekávaným technickým nebo chybným experimentálním datům. Při první návštěvě budou provedeny úpravy hybridního zařízení, aby se zařízení přizpůsobilo účastníkovi. Cílem těchto návštěv je vycvičit je pro přesuny ze sedu do stoje a provádět pohyby při chůzi s hybridním zařízením pro chůzi. Počítačem řízené algoritmy budou použity pro provádění pohybů ze sedu do stoje, ze stoje do sedu a do chůze. Experimenty s identifikací modelu pro nalezení parametrů modelu pro každého jednotlivce lze provádět během úvodního školení a seznamovacích studií. Tyto experimenty s identifikací modelu lze provádět, když účastník sedí/stojí nebo chodí v hybridním zařízení pro chůzi. Jakmile jsou identifikovány parametry specifické pro subjekt, algoritmus chůze a/nebo stání, který koordinuje FES s poháněným exoskeletem, bude odvozen nebo optimalizován pomocí offline dynamických optimalizací. Úkol 2: Ověření algoritmu sezení/stání a/nebo chůze. Po úvodních návštěvách (úkol 1) bude otestován algoritmus chůze a/nebo stoje. Algoritmus je počítačový program, který přebírá senzorické informace z různých senzorů, jako jsou optické kodéry, inerciální měřicí jednotky a patní kontaktní senzory zabudované v hybridním systému chůze pro optimální koordinaci FES a elektromotorů poháněného exoskeletu. Algoritmus bude experimentálně ověřen na každém účastníkovi přibližně v 7 sezeních. Každá relace nebude trvat déle než 4 hodiny, což zahrnuje čas na stání, chůzi, doby odpočinku, čas potřebný k úpravě vzpěry a čas potřebný k aktualizaci počítačového kódu v případě potřeby. Počet návštěv a doba trvání jsou odhady a mohou se změnit v závislosti na podmínkách experimentu. Systém zachycení pohybu může být také použit pro měření úhlů kloubů, takže časoprostorové charakteristiky chůze mohou být porovnány s normální chůzí zdravého kontrolního subjektu. Zaznamenaná data o chůzi budou také použita k posouzení výkonu řídicích systémů zařízení a k zobrazení toho, jak se chůze uživatele v průběhu času mění, když se s používáním zařízení stává pohodlnějším. Tyto relace mohou být zaznamenány, aby bylo možné ilustrovat použití a účinnost zařízení. Cíl 2: Integrace zpětné vazby založené na ultrazvuku pro řízení hybridního exoskeletu. Cílem tohoto cíle je prozkoumat, zda lze ultrazvukové zobrazování použít jako nástroj k měření svalové únavy vyvolané FES a dále využít signály odvozené z USA k optimalizaci FES a pomoci exoskeletu. Prvním cílem tohoto cíle je vyvinout ultrazvukový model únavy k indikaci nástupu svalové únavy. Druhým cílem je použití ultrazvukového modelu únavy v algoritmu, který koordinuje řízení FES a elektromotoru při činnostech ze sedu do stoje, chůze a ze stoje do sedu. Na tomto cíli se budou podílet jednotlivci skupiny A a skupiny B. Zúčastní se přibližně 10 lekcí, z nichž každé nebude trvat déle než 4 hodiny. Celkový počet relací může být více nebo méně než 10 kvůli neočekávaným technickým nebo chybným experimentálním datům nebo pokud účastník opustí studii. Tyto experimenty budou prováděny v NCRL nebo na Ambulance rehabilitační klinice v Chapel-Hill. Úkol 1: Vývoj měření únavy a zotavení svalů nohou na základě ultrazvukového zobrazování. Bude dodržován stimulační protokol, který vyvolává svalovou únavu. Svalová únava je definována jako určité procento poklesu izometrického točivého momentu generovaného FES čtyřhlavého svalu. Protože pokles izometrického točivého momentu se může u různých účastníků lišit, bude pro všechny účastníky použit společný stimulační protokol. To bude provedeno během přibližně dvou sezení, z nichž každé nebude trvat déle než 4 hodiny. Trvání relací je přibližné a může být více nebo méně, než je specifikováno. Celkový počet relací může u některých účastníků překročit o několik relací kvůli neočekávaným technickým nebo chybným experimentálním datům. Budou shromažďovány údaje o ultrazvuku (pomocí zobrazovací sondy umístěné mezi elektrodami) i o momentu (ze snímače zatížení). Ruční komerční ultrazvukový převodník (klinický převodník 5-20 MHz) připojený ke komerčnímu ultrazvukovému systému (S-Sharp Corporation, Taiwan) umístěný na kůži.Na kůži se aplikuje teplý gel, který pomáhá při zobrazování. Všechny parametry ultrazvukového zobrazování včetně intenzity a snímkové frekvence atd. jsou pod bezpečnostními pokyny pro klinické ultrazvukové zobrazování (hodnoty MI menší než 1,9). Po těchto experimentech budou zpracovaná ultrazvuková data korelována s naměřeným točivým momentem za účelem stanovení míry únavy a zotavení. Úkol 2: Začlenění ultrazvukového modelu únavy do algoritmu alokace řízení. K předpovědi nástupu svalové únavy lze použít měření únavy a zotavení založená na ultrazvukovém zobrazování. Experimentální studie budou provedeny na (skupině A) a (skupině B) ve 2 relacích, z nichž každé nebude trvat déle než 4 hodiny. Trvání relací je přibližné a může být více nebo méně, než je specifikováno. Celkový počet relací může u některých účastníků překročit o několik relací kvůli neočekávaným technickým nebo chybným experimentálním datům. Algoritmy v úloze 2 cíle 1 budou upraveny tak, aby zahrnovaly měření únavy a zotavení založená na ultrazvuku. Poznámka ke stimulačním parametrům, které mají být použity pro výše uvedené cíle: Normální rozsah stimulace, který má být použit v našich studiích, je: šířka pulzu 100-400 mikrosekund; Frekvence: 20-100 Hz; Proud 0-100 mA. Obecně je během experimentu proud automaticky modulován (nebo v některých případech ručně) počínaje 0 mA na hodnotu, která je potřebná k dosažení úkolu. Toho je dosaženo zpětnovazebními signály do řídicího systému, který komunikuje se stimulátorem. Řídicí systém nedovolí, aby proud překročil maximální limit. Šířka pulzu a frekvence jsou obecně udržovány konstantní. Stimulační parametry použité pro každého účastníka budou zdokumentovány pro každé experimentální sezení a budou také zaznamenány jakékoli změny v parametrech stimulace během sezení.