Modellerings-, optimerings- og kontrolmetoder for et personligt hybridt gående eksoskelet

Forskningsaktiviteter involverer brug af computerstyret funktionel elektrisk stimulation (FES) og elektrisk motordrevet ortose (drevet eksoskelet) til at generere funktionelle underekstremitetsbevægelser for; dvs. at stå og gå. De computerstyrede algoritmer vil få feedback fra sensorer såsom optiske indkodere, vejeceller, kraftfølsomme modstande og inertimåleenheder, der er eller vil blive indbygget i ortosen, eller disse feedback-algoritmer vil blive kombineret med forudberegnet optimerede algoritmer baseret på de estimerede muskuloskeletale model af en deltager. Flere computeralgoritmer vil blive designet til at koordinere FES med elektriske motorer og andre komponenter i gåapparatet for at genskabe eller genoprette stående og gående bevægelser. Undersøgelsen involverer validering af computeralgoritmer til at estimere og kontrollere gang- og siddende/stående bevægelser. Rifton E-Pacer motoriserede rollator, armkrykker, parallelle stænger eller en konventionel rollator kan bruges til at hjælpe med at tage på og tage af det eksoskeletonsystem, stå og gå for alle forsøgspersoner, når som helst under eksperimenter, så længe som det skønnes nødvendigt af forsøgsmålene. Brug af E-Pacer eller en rollator bør forbedre eksperimentsikkerheden og reducere forsøgspersonens generelle fysiske anstrengelse, fordi det reducerer belastningen på forsøgspersonens krop. Siddende/stående og/eller gangbevægelser vil blive fremkaldt af den hybride gåplatform, der kombinerer et drevet eksoskelet og et FES-system. Det drevne eksoskelet kan give ledaktivering ved en deltagers hofte- og knæled. FES-systemet kan stimulere quadriceps, hamstrings, glutes og ankelmuskler. Elektroderne til stimulering er placeret på huden på steder, der giver en optimal lemmerbevægelse. Algoritmerne er designet således, at stimuleringen af ​​forskellige muskler koordineres for at opnå gang og/eller siddende/stående. Et præcedenseksperiment vil blive udført på en gruppe B-deltager, før det testes på gruppe A. I modsætning til de paraplegiske deltagere (Gruppe A), vil personer uden handicap (Gruppe B) kunne gribe ind, hvis enheden skulle svigte eller virke uventet. Derfor vil testning af enheden på personer uden handicap først give os mulighed for yderligere at vurdere og adressere eventuelle risici, før vi tester på personer med SCI, som ikke er i stand til at gribe ind med enheden. Alle sessioner for gruppe A deltagere vil blive udført under supervision af en fysioterapeut. Terapeuten vil også hjælpe gruppe A-deltagerne med at flytte dem fra deres kørestole til et polstret bord til siddepladser, hvis det er nødvendigt, eller til eksoskeletet. Gruppe A-deltager vil også blive støttet af et kropsvægtningssystem for at forhindre fald under stående og gang. Før hvert eksperiment, der involverer elektrisk stimulation, vil en deltagers hjertefrekvens og blodtryk blive registreret. Terapeuter vil også hjælpe deltagerne med at flytte dem fra deres kørestole til terapibordet. En deltager eller en person, der betjener enheden, vil begynde at gå og/eller stå. En deltager kan stoppe bevægelserne, hvis han/hun ikke føler sig godt tilpas eller utryg ved at bruge en sikkerhedsstopknap, som vil blive givet til dem. Under disse sessioner vil deltagerne bære en pulsmåler for at sikre, at de ikke overanstrenger sig, og så der kan gives tilstrækkelige hvileperioder. Deltagernes puls vil blive kontrolleret før og efter hvert forsøg af en person, der udfører eksperimenterne. Borg-skalaen vil blive administreret for gruppe A for at kontrollere deres anstrengelsesniveau. Sessionerne vil blive stoppet i henhold til grænserne foreskrevet af Borg-skalaen (se stopkriterier i risikoafsnittet). Bemærk, at for alle beskrevne eksperimenter kræves der minimum 1-2 dage mellem besøgene til eksperimenter. Disse aktiviteter er opdelt i mål 1 og mål 2. Bemærk venligst, at mål 1-2 ikke er sekventielle. Mål 1: At fremkalde siddende/stående og gående bevægelser ved at bruge et optimeret drevet eksoskelet og funktionel elektrisk stimulation (FES) assistance. Formålet med dette mål er eksperimentelt at validere en optimal controller, der allokerer FES og eksoskeletbidrag baseret på en personspecifik model for en deltager. Controlleren vil producere underekstremitetsbevægelser hos personer uden handicap og personer med rygmarvsskade. Gruppe A og Gruppe B vil deltage i cirka 20 sessioner. Antallet af sessioner er omtrentligt, og det kan overstige dette antal, og der er ikke et begrænset antal sessioner, der vil forbyde yderligere deltagelse. Sessionens varighed vil være op til 4 timer, maksimalt. Sessionsvarigheden er omtrentlig, og den kan være mere eller mindre end den angivne. Det samlede antal sessioner kan overskride med få sessioner for nogle deltagere på grund af uforudsete tekniske eller fejlagtige eksperimentelle data. Disse eksperimenter vil blive udført i Neuromuscular Control and Robotics Laboratory (NCRL) eller på den ambulante rehabiliteringsklinik i Chapel-Hill, som drives af hovedforskeren. Disse eksperimenter er opdelt i 2 opgaver. Opgave 1: Indledende besøg for familiarisering, træning og modelidentifikation. Familiarisering og træningsbesøg vil give os mulighed for at tilpasse og optimere det hybride gå-eksoskelet til hver enkelt deltagende person. Til denne opgave vil deltagerne besøge NCRL i cirka 3 sessioner. Disse sessioner vil ikke tage mere end 4 timer. Sessionsvarigheden er omtrentlig, og den kan være mere eller mindre end den angivne. Det samlede antal sessioner kan overskride med få sessioner for nogle deltagere på grund af uforudsete tekniske eller fejlagtige eksperimentelle data. Ved det første besøg vil der blive foretaget justeringer af hybridenheden, så den passer til deltageren. Ved disse besøg er formålet at træne dem til at sidde-til-stående forflytninger og udføre gangbevægelser med hybrid-gåanordningen. Computerstyrede algoritmer vil blive brugt til at udføre sidde-til-stå-, stå-til-sidde- og gangbevægelser. Modelidentifikationseksperimenter for at finde modelparametre for hvert individ kan udføres under indledende trænings- og fortrolighedsstudier. Disse modelidentifikationseksperimenter kan udføres, mens en deltager sidder/står eller går i den hybride ganganordning. Når de emnespecifikke parametre er identificeret, vil en gå- og/eller stående algoritme, der koordinerer FES med det drevne eksoskelet, blive udledt eller optimeret ved hjælp af offline dynamiske optimeringer. Opgave 2: Validering af en siddende/stående og/eller gående algoritme. Efter indledende besøg (opgave 1) vil gå- og/eller stående algoritme blive testet. Algoritmen er et computerprogram, der tager sensorisk information fra forskellige sensorer, såsom optiske indkodere, inertimåleenheder og hælkontaktsensorer indbygget i hybrid gangsystemet for optimalt at koordinere FES og elektriske motorer i det drevne exoskelet. Algoritmen vil blive eksperimentelt valideret på hver deltager i cirka 7 sessioner. Hver session varer ikke mere end 4 timer, hvilket inkluderer tid til at stå, gå, hvileperioder, tid, der kræves til at justere afstivning, og tid, der kræves til at opdatere computerkoden, hvis det er nødvendigt. Bemærk, at antallet af sessioner og varighed er estimater og kan ændres baseret på betingelserne for eksperimentet. Et motion capture-system kan også bruges til at måle ledvinkler, således at spatiotemporale gangkarakteristika kan sammenlignes med den normale gang hos en sund kontrolperson. De registrerede gangdata vil også blive brugt til at vurdere ydeevnen af ​​enhedens kontrolsystemer og til at vise, hvordan brugerens gang ændres over tid, efterhånden som de bliver mere komfortable med at bruge enheden. Disse sessioner kan optages, så anvendelsen og effektiviteten af ​​enheden kan illustreres. Mål 2: Integrering af ultralydsbaseret feedback for at kontrollere et hybridt exoskelet. Formålet med dette mål er at undersøge, om ultralydsbilleddannelse kan bruges som et værktøj til at måle muskeltræthed induceret af FES og yderligere bruge de amerikansk-afledte signaler til at optimere FES og eksoskeletassistance. Det første formål med dette mål er at udvikle en ultralydsbaseret træthedsmodel til at indikere begyndelsen af ​​muskeltræthed. Det andet mål er at bruge den ultralydsbaserede træthedsmodel i en algoritme, der koordinerer kontrol af FES og elektrisk motor under siddende-til-stående, gang- og stående-til-siddende aktiviteter. Gruppe A og Gruppe B personer vil deltage i dette mål. De vil deltage i cirka 10 sessioner på højst 4 timer hver. Det samlede antal sessioner kan være mere eller mindre end 10 på grund af uforudsete tekniske eller fejlagtige eksperimentelle data, eller hvis deltageren forlader undersøgelsen. Disse eksperimenter vil blive udført i NCRL eller på ambulatoriets rehabiliteringsklinik i Chapel-Hill. Opgave 1: Udvikling af et ultralydsbaseret trætheds- og restitutionsmål for benmuskler. En stimulationsprotokol vil blive fulgt, der producerer muskeltræthed. Muskeltræthed er defineret som en vis procentvis nedgang i isometrisk drejningsmoment genereret af FES i quadricepsmusklen. Fordi fald i det isometriske drejningsmoment kan variere fra forskellige deltagere, vil en fælles stimulationsprotokol blive anvendt for alle deltagerne. Dette vil blive gjort i løbet af cirka to sessioner, der hver ikke varer mere end 4 timer. Sessionsvarigheden er omtrentlig, og den kan være mere eller mindre end den angivne. Det samlede antal sessioner kan overskride med få sessioner for nogle deltagere på grund af uforudsete tekniske eller fejlagtige eksperimentelle data. Både ultralyd (ved hjælp af billeddannelsessonden placeret mellem elektroderne) og momentdata (fra belastningssensoren) vil blive indsamlet. En håndholdt kommerciel ultralydstransducer (5-20 MHz klinisk transducer) forbundet til et kommercielt ultralydssystem (S-Sharp Corporation, Taiwan) placeret mod huden.En varm gel påføres huden for at hjælpe med billeddannelse. Alle ultralydsbilleddannelsesparametre inklusive intensitet og billedfrekvenser osv. er under sikkerhedsretningslinjerne for klinisk ultralydsbilleddannelse (MI-værdier mindre end 1,9). Efter disse eksperimenter vil de behandlede ultralydsdata blive korreleret med det målte drejningsmoment for at bestemme trætheds- og genopretningsforanstaltninger. Opgave 2: Inkorporering af den ultralydsbaserede træthedsmodel i en kontrolallokeringsalgoritme. De ultralydsbilleddannelsesbaserede trætheds- og restitutionsforanstaltninger kan bruges til at forudsige begyndelsen af ​​muskeltræthed. De eksperimentelle undersøgelser vil blive udført på (Gruppe A) og (Gruppe B) over 2 sessioner, der hver ikke varer mere end 4 timer. Sessionsvarigheden er omtrentlig, og den kan være mere eller mindre end den angivne. Det samlede antal sessioner kan overskride med få sessioner for nogle deltagere på grund af uforudsete tekniske eller fejlagtige eksperimentelle data. Algoritmerne i opgave 2 i mål 1 vil blive modificeret til at inkorporere de ultralydsbaserede trætheds- og restitutionsforanstaltninger. Bemærkning om stimuleringsparametre, der skal bruges i de førnævnte formål: Et normalt stimuleringsområde, der skal bruges i vores undersøgelser, er: pulsbredde 100-400 mikrosekunder; Frekvens: 20-100 Hz; Strøm 0-100 mA. Generelt under eksperimentet moduleres strømmen automatisk (eller i nogle tilfælde manuelt) startende fra 0 mA til den værdi, der kræves for at opnå en opgave. Dette opnås ved feedback-signaler til styresystemet, der kommunikerer med stimulatoren. Styresystemet tillader ikke, at strømmen går over sin maksimale grænse. Pulsbredden og frekvensen holdes generelt konstant. Stimuleringsparametrene, der bruges for hver deltager, vil blive dokumenteret for hver forsøgssession, og eventuelle ændringer i stimulationsparametrene under en session vil også blive registreret.