Odezva na zatížení Soleus během chůze

V této základní vědecké studii jsou účastníci zařazeni do jedné skupiny. Protokol zahrnuje testování nositelného kotníkového zařízení a jeho řídicího algoritmu během chůze na běžeckém pásu. Robotické kotníkové zařízení je připevněno k lýtku a noze účastníka pomocí plastové ortézy kotník-noha a pásků na suchý zip. Robotický kotník bude nošen na poškozené straně, zatímco kontralaterální strana bude při chůzi volná. Účastník umístí nohu (hemiparetickou stranu) na robotické kotníkové zařízení pomocí vlastního ortotického rámu. Mechanický kloub zařízení je zarovnán se středem hlezenního kloubu účastníka. Pásek ovinutý kolem obvodu bérce připevňuje nohu účastníka k zařízení kotníku, aby se zajistilo, že mechanický kloub otáčí hlezenním kloubem. Usazení by nemělo být nepříjemně těsné, ale dostatečně těsné, aby zamezilo relativnímu (nechtěnému) posunutí. Kabely jsou připojeny ke dvojici elektromotorů, které aplikují točivý moment ve směru plantární flexe a dorzální flexe. Zařízení shromažďuje měření úhlu kloubu. Motory jsou regulovány pomocí úhlu hlezenního kloubu tak, že robotické zařízení aplikuje poruchy rotace kotníku k vyvolání změn v aktivitě m. soleus. Kotníkové zařízení integruje tlakové senzory umístěné pod chodidlem na patě a špičce ke shromažďování vertikálních reakčních sil.

Elektromyografické (EMG) senzory jsou umístěny na svalových skupinách m. soleus a tibialis anterior. Senzory EMG jsou přilepeny pomocí biokompatibilní pásky k připevnění senzorů ke kůži. EMG aktivita je zesílena, filtrována pásmovou propustí (10-1000 Hz), vzorkována při 3000 Hz a uložena. Člen studie bude k dispozici, aby pomohl účastníkům umístit EMG senzory. Před začátkem protokolu se monitoruje srdeční frekvence a krevní tlak. Kinematika kotníku, kolena a kyčelního kloubu se zaznamenává bilaterálně pomocí nositelných elektrogoniometrů. Účastníci nosí bezpečnostní postroj, který je připojen k přenosnému systému (horní dráha a trojnožka), aby se zabránilo pádu bez omezení pohybu. Účastníci mají k dispozici tlačítko nouzového zastavení pro okamžité zastavení experimentu. Účastníci mohou ústně požádat personál, aby stiskl tlačítko nouzového zastavení.

Účastníci jdou sami zvolenou pohodlnou vysokou rychlostí (např. 3,5–4 km/h) během krátkých chůzí na běžeckém pásu (4–6 minut na útok). Běžecký pás je řízen externě počítačem pro nastavení rychlosti pásu. Očekává se, že sezení chůze bude trvat asi 60-90 minut, aby se zabránilo únavě a časově proměnným změnám ve svalových reakcích. Během zahřívání se ve stoje shromažďuje maximální dobrovolná kontrakce plantarflexoru (MVC) a kinematika chůze, svalové EMG a reakční síly na zemi jsou zaznamenávány při chůzi bez nošení robotického kotníku.

Po zahřátí, při chůzi na běžeckém pásu s robotickým zařízením, budou aplikovány rotace kotníku pomocí vyvinutého algoritmu k vyvolání odezvy zatížení chodidla během středně pozdní fáze stoje. Řídicí algoritmus aplikuje poruchy kotníku, což jsou posuny od přirozené kinematiky kotníku, aby se zaměřila na odezvu zatížení chodidla ve středně pozdní fázi stoje každých dalších 4-6 cyklů chůze, aby se zabránilo návyku. Velikost poruch, rychlost a načasování jsou řízeny během chůze na běžeckém pásu. Díky jedinečným parametrům perturbace (velikost a rychlost) aplikované zařízením existuje minimální riziko pádu, protože je aplikováno po krátkou dobu ve fázi postoje k vyvolání svalové reakce (např. reflex). Perturbace se tedy nepoužívá k vedení nebo podpoře pohybu kotníku, což bude mít velký vliv na kinematiku chůze. Mimo okénko poruchy v postoji je ovládání kotníku vypnuto.

Pro každý krokový cyklus jsou možné pouze dvě podmínky. Buď je účastník v rozrušeném nebo nenarušeném stavu. Během cyklů narušených kroků má účastník na sobě kotníkové zařízení a to vyvíjí sílu ke změně pohybu kotník-noha (tj. zařízení je aktivováno). Během cyklů nerušených kroků má účastník na sobě kotníkové zařízení, ale nevyvíjí sílu ke změně pohybu kotník-noha (tj. zařízení je pasivní a není aktivní).

Sezení chůze se skládá ze 4-5 kroků chůze prokládajících narušené a nerušené kroky chůze (dokud se neshromáždí údaje o přibližně 30 narušených a nerušených krocích na jeden krok chůze), přičemž před narušeným krokem je ponechán alespoň jeden nerušený krok. Mezi zápasy jsou poskytovány přestávky na odpočinek.

Studijní tým bude účastníka během sezení chůze průběžně sledovat a ústně si vyžádat zpětnou vazbu, aby zajistil účastníkům pohodlí a bezpečnost. Automatické a manuální softwarové ochrany jsou umístěny tak, aby zastavily relaci, pokud výkon překročí bezpečný/požadovaný rozsah otáček nebo točivého momentu. Sezení chůze je zakončeno ochlazením, aby se změřila kinematika kloubů, svalové EMG a propulzní chůze bez nošení zařízení. Na konci experimentů budou nositelné senzory jemně odstraněny z těla. Pracovníci studie pomohou účastníkovi sundat kotníkové zařízení.

Studie zahrnuje jedinou skupinu zahrnující 15 jedinců bez známých neurologických stavů nebo anamnézou ortopedických poranění. Změny v EMG plosky budou porovnány mezi narušenými a nerušenými kroky chůze během sezení chůze. Pro primární měření (soleus EMG odezva) bude rozdíl mezi neporušeným a narušeným EMG posuzován Studentovým t-testem. Velikost vzorku u zdravých jedinců nám umožňuje odhadnout s oboustrannou 95% úrovní spolehlivosti. každý, odezva soleus EMG na perturbaci v mezích chyby 5,4 % nerušené EMG. Tento výpočet je založen na předchozí studii, kde skupinová analýza s s.d. 0,87% změny (% neporušené EMG) byla pozorována u EMG plosky v reakci na poruchu pohybu kloubu o 1°/s během fáze středně pozdního stoje (tj. variace v EMG plosky je lineárně úměrná rychlosti a /nebo amplituda poruch). Podobná s.d. se předpokládá pro navrhovanou studii, která poskytuje velikost vzorku N=15 zdravých jedinců. Kromě toho bude studován vzorek o velikosti 5 účastníků s hemiparézou a deficitem chůze v důsledku cévní mozkové příhody, aby se prověřila proveditelnost navržených algoritmů a zařízení k vyvolání odezvy na zatížení soleus. Vzhledem k nedostupnosti dat s účastníky po mrtvici, s.d. změna % unperturbed soleus EMG nelze definovat před provedením testování u jedinců po mrtvici. Tato pilotní studie tedy poskytne předběžné výsledky pro charakterizaci EMG soleus v důsledku aplikovaných poruch u lidí po mrtvici.