Snímání záměru pohybu lidského kotníku a kontrolní strategie pro asistenci kotníku založené na ultrazvukovém zobrazování

Do studie bude zahrnuto až 20 osob bez jakýchkoli neuromuskulárních onemocnění a 5 osob s neúplným poraněním míchy (iSCI) nebo transverzální myelitidou, kteří jsou ve věku 18-64 let pro experimenty. Výzkumné aktivity zahrnují průměrně 8 experimentálních sezení. Relace mohou mít více nebo méně než 8 relací v závislosti na dostupnosti subjektu, dostatku dat pro analýzu nebo potřebě získat více dat pro analýzu. Prvním cílem je prozkoumat ultrazvuková měření svalových pohybů a svalové elektrické aktivity (sEMG) za účelem predikce dobrovolného pohybu nebo točivého momentu vytvářeného v lidském hlezenním kloubu. Na základě dobrovolného pohybu nebo točivého momentu bude použita funkční elektrická stimulace (FES) k umělé stimulaci svalů kotníku nebo bude použit poháněný exoskelet kotníku k poskytnutí další pomoci v hlezenním kloubu. Elektrody FES budou umístěny na vhodná místa na povrchu kůže dolní končetiny tak, aby bylo dosaženo nejoptimálnějšího pohybu.

Úkol typu 1: Úkoly dobrovolného sedícího stavu bez a s vnější pomocí.

Sezení 1: Dobrovolný pohyb kotníku nahoru a kotník dolů bez FES. Dvojice senzorů sEMG bude umístěna k předním a zadním svalům dolních končetin účastníka prostřednictvím oboustranné pásky. Pár US zobrazovacích snímačů bude připojen ke stejným předním a zadním svalům bérce, aby se zobrazily svalové aktivity během pohybu hlezenního kloubu nahoru a dolů. K bérci a chodidlu bude připevněna dvojice pohybových senzorů pro měření úhlové polohy a rychlosti hlezenního kloubu. Snímač síly bude umístěn mezi chodidlem a pevnou plochou platformou pro měření síly interakce během pohybu kotníku nahoru a dolů. Zobrazovací měření v USA, elektrické signály ze senzorů sEMG, kontaktní síla ze senzoru síly a měření senzoru pohybu a kamery budou shromažďovány současně. Data mohou být shromažďována z jedné nebo obou nohou účastníka.

Sezení 2: Dobrovolný boční pohyb kotníku směrem dovnitř a ven bez FES. Během sezení 2 bude účastník provádět pohyby kotníku ze strany na stranu. Před vlastními experimenty bude předepsán podobný tréninkový postup jako v 1. lekci. Vícenásobná měření ze senzorů (stejných jako v 1. relaci) připojených k noze a chodidlu účastníka budou získána během pohybu kotníku ze strany na stranu. Jak v relaci 1, tak v relaci 2 bude pro každý směr pohybu (nahoru, dolů, dovnitř a ven) spuštěno 10 opakovaných zkoušek a každá zkouška bude trvat 10 minut včetně tréninku, sběru dat, ukládání dat a doby odpočinku. aby se zabránilo svalové únavě. Každé sezení může trvat přibližně 4 hodiny.

Lekce 3: Pomocný pohyb kotníku nahoru a dolů pomocí FES. V této relaci bude použita podobná konfigurace jako v relaci 1. Kromě toho bude FES použit k ovládání pohybu kotníku nahoru nebo dolů tím, že jako zpětnou vazbu bude brát měření založená na zobrazování v USA. V systému FES, pro pohyb kotníku nahoru, bude negativní elektroda umístěna přes svalové břicho předního svalu, zatímco pozitivní elektroda bude umístěna dále po stopce. Pro pohyb kotníku dolů budou použity dvě velké elektrody, které umožní aktivaci celých zádových svalů. Tyto elektrody budou napojeny na elektrický stimulátor, který je řízen přes počítačový software. Pro pohyb kotníku nahoru a kotníku dolů bude použita křivka nízkého proudu s šířkou pulzu 100-400 mikrosekund a frekvencí 20-40 Hz. Proudový rozsah bude mezi 0-60 mA. Ve všech případech nepřekročí délka pulzu definovaná pro použití horní limit 400 mikrosekund. Stimulační parametry použité pro účastníka budou zdokumentovány pro každé experimentální sezení a budou také zaznamenány jakékoli změny v parametrech stimulace během sezení.

Lekce 4: Pomocný pohyb kotníku ze strany dovnitř a ven se systémem FES. V této relaci bude použita podobná konfigurace jako v relaci 2. FES bude použit k umělé stimulaci svalů a řízení bočního pohybu kotníku směrem dovnitř nebo ven tím, že se jako zpětná vazba použije měření založená na zobrazování v USA. Pro pohyb na obou stranách kotníku směrem dovnitř i ven budou implementovány stejné parametry FES a modulační metoda, jak je popsáno v relaci 3. Během experimentálních postupů budou současně shromažďována měření založená na zobrazování v USA a měření pohybu a kamery. Data mohou být shromažďována z jedné nebo obou nohou účastníků. Jak v relaci 3, tak v relaci 4, pro každý směr pohybu (nahoru, dolů, uvnitř a vně), proběhne 10 opakovaných zkoušek a každá zkouška bude trvat 10 minut včetně tréninku, sběru dat, ukládání dat a doby odpočinku. aby se zabránilo svalové únavě. Každé sezení může trvat přibližně 4 hodiny. Účastník může být požádán, aby se vrátil, pokud data získaná během relace nejsou během analýzy shledána uspokojivými. Příští návštěva bude provedena podle přání účastníka a nejméně po 24 hodinách pro sezení 1 a 2 a také po 72 hodinách pro sezení 3 a 4.

Úkol typu 2: Dobrovolné úkoly dynamické chůze na běžeckém pásu bez a s vnější pomocí. Sezení 5: Úkol dynamické chůze bez FES nebo exoskeletu kotníku. Podobně jako u relace 1 a relace 3 v úloze typu 1 budou senzory sEMG a ultrazvukové zobrazovací snímače připojeny ke stejným pozicím na přední a zadní stopce, jak bylo zmíněno výše. K dolním končetinám subjektu bude připojeno několik reflexních značek, aby bylo možné měřit kinematická data na základě systému snímání pohybu. Během sezení 5 bude účastník požádán, aby zůstal stát 30 sekund na běžeckém pásu se dvěma dělenými pásy. Snímače síly pod každým pásem budou použity k měření reakční síly země mezi pásem a chodidly účastníka a současně budou shromažďovány signály sEMG a ultrazvukové zobrazení svalů bérců během statického stání. . Poté bude účastník požádán, aby šel na běžeckém pásu rychlostí 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 a 1,5 m/s. Pro každou rychlost bude prvních 5 minut chůze dáno jako zahřátí, aby si účastník zvykl na způsob chůze s nositelným zařízením. Po zahřátí budou v následujících 2 minutách pro každou rychlost chůze synchronně a současně zaznamenány reakční síla země, signály sEMG a ultrazvukové zobrazení svalů bérce a souřadnice reflexních značek.

Lekce 6: Dynamická chůze s FES nebo exoskeletem kotníku, ale bez elektrické asistence. Kromě nastavení popsaného v 1. sekci budou elektrody FES umístěny na přední bércové svalstvo a exoskelet kotníku bude umístěn na zadní bérci. Bude také zahrnut stejný sběr dat, jaký byl zmíněn v sekci 5. V tomto sezení nedojde k žádné stimulaci kosterních svalů účastníka a žádnému napájení motoru exoskeletu kotníku.

Lekce 7: Dynamická chůze s FES nebo exoskeletem kotníku na základě starého kontrolního přístupu. Experimentální nastavení a postupy budou stejné jako v sekci 2. Během dynamického úkolu chůze bude poháněný FES a exoskelet kotníku použit k poskytování pomoci pro pohyby palce nahoru a dolů podle záměru lidského pohybu založeného na převážně aplikovaný kontrolní přístup v jiných publikacích. Během každé z 2 minut trvání sběru dat budou signály sEMG shromažďovány a zpracovávány v reálném čase pro řízení FES nebo systému exoskeletu kotníku. Kromě toho bude synchronně a současně shromažďována časová posloupnost ultrazvukového zobrazení z předního a zadního svalu bérce, souřadnice reflexních značek, reakční síla země, amplituda proudu FES nebo šířka pulzu a točivý moment motoru exoskeletu.

Sezení 8: Dynamická chůze s FES nebo exoskeletem kotníku na základě kontrolního přístupu podle potřeby pomocí kombinace ultrazvukového zobrazení a sEMG. Experimentální nastavení a postupy zůstanou stejné, jak bylo zmíněno v sekci 7. Jediný rozdíl je v tom, že starý kontrolní přístup bude nahrazen nově navrženým asistovaným kontrolním přístupem kombinováním ultrazvukového zobrazení a sEMG signálů. Sběr dat zůstane stejný jako u relace 7. Mezi lekcemi 5-8 v části 2 bude po 7 minutách chůze každou rychlostí poskytnuta 10minutová přestávka. Každé sezení může trvat až 4 hodiny, včetně kalibrace systému snímání pohybu a nastavení zařízení přibližně 45 minut a experimentů s chůzí na běžeckém pásu přibližně 3 hodiny. Účastník může být požádán, aby se vrátil, pokud data získaná během relace nejsou během analýzy shledána uspokojivými. Další návštěva bude provedena podle přání účastníka a nejpozději po 72 hodinách. Kromě toho bude z bezpečnostních důvodů u relací 3, 4, 7 a 8 přidáno tlačítko bezpečnostního zastavení pro účastníka, aby mohl experiment zastavit, kdykoli bude chtít účastník zastavit experimenty nebo se během experimentu bude cítit nepříjemně. .

Pro účastníky s iSCI nebo transverzální myelitidou: Než bude účastník připraven k účasti na této studii, budou účastníci požádáni o vyplnění několika dotazníků, které budou shromažďovat demografické informace a jejich anamnézu. Účastník se také zúčastní fyzického vyšetření. Fyzikální vyšetření dokončí doktorka Christine Clevelandová, lékařka ambulantní rehabilitační kliniky v Chapel Hill. Fyzická prohlídka a vyplnění formulářů anamnézy zabere 60 minut. Fyzikální vyšetření se bude skládat ze senzorické zkoušky (kde bude účastník požádán, aby zavřel oči a uvedl, zda pokud účastník cítí lehký dotek, jako je vatový tampon, a zda je účastník schopen rozlišit ostrý a tupý pocit) a motorickou zkoušku (kde vyšetřovatelé prověří schopnost účastníka pohybovat rukama a nohama). Vyšetřovatelé také změří účastníkovi srdeční frekvenci a krevní tlak. V případě těhotenství se účastnice stane nezpůsobilou k účasti ve studii a bude muset studii ukončit. Vyšetřovatelé provedou screening, aby zkontrolovali citlivost nebo reakci na FES. Účelem tohoto testu je umožnit účastníkovi zažít FES a na základě zkušenosti rozhodnout, zda je stimulace tolerovatelná a účastník je ochoten se studie zúčastnit. Na sval dolní končetiny účastníka bude aplikován zkušební stimulační vlak. Účastník může tento test kdykoli ukončit a odmítnout další účast. Pokud účastník zareaguje na FES bez bolesti a přeje si účastnit se této studie, vyšetřovatelé budou před zahájením skutečné studie kontaktovat lékaře účastníka, aby získali lékařské potvrzení a ověření úrovně zranění účastníka. Účastník bude muset před účastí ve studii získat od svého lékaře podepsaný formulář lékařské prověrky. Po obdržení povolení od praktického lékaře k účasti na této studii a pokud je účastník způsobilý (požádejte Nitina Sharma nebo člena výzkumného týmu, aby účastníkovi poskytl kontrolní seznam způsobilosti pro skupinu S) a rozhodl se zúčastnit této studie, být požádáni, aby přišli do laboratoře PI a BME gait lab k vyplnění formuláře souhlasu během první návštěvy.