Ultralydsbilleddannelse baseret sansning af menneskelig ankelbevægelses hensigt og kontrolstrategier for ankelassistance

Studiet vil rekruttere op til 20 personer uden neuromuskulære sygdomme og 5 personer med ufuldstændig rygmarvsskade (iSCI) eller tværgående myelitis, som er 18-64 år gamle til forsøg. Forskningsaktiviteter omfatter i gennemsnit 8 eksperimentelle sessioner. Sessionerne kan være mere eller mindre end 8 sessioner afhængigt af emnets tilgængelighed, tilstrækkelige data til analyse eller behov for at indhente flere data til analysen. Det første mål er at undersøge ultralydsmålinger af muskelbevægelser og muskelelektrisk aktivitet (sEMG) for at forudsige den frivillige bevægelse eller drejningsmoment, der produceres ved det menneskelige ankelled. Baseret på den frivillige bevægelse eller drejningsmoment, vil funktionel elektrisk stimulation (FES) blive brugt til kunstig at stimulere ankelmusklerne, eller et drevet ankeleksoskelet vil blive brugt til at yde yderligere assistance ved ankelleddet. FES-elektroder vil blive placeret på passende steder ved hudoverfladen af ​​underekstremiteterne, således at den mest optimale bevægelse opnås.

Opgavetype 1: Frivilligt siddende statslige opgaver uden og med ekstern assistance.

Session 1: Frivillig ankel op og ankel ned bevægelse uden FES. Et par sEMG-sensorer vil blive placeret på deltagerens underbens for- og bagmuskler gennem dobbeltsidede tape. Et par amerikanske billedtransducere vil blive fastgjort til de samme underbens for- og bagmuskler for at afbilde musklens aktiviteter under ankelleddets op- og nedadgående bevægelse. Et par bevægelsessensorer vil blive fastgjort til skaftet og foden for at måle ankelleddets vinkelposition og hastighed. En kraftsensor vil blive placeret mellem fodsålen og en stiv flad platform for at måle interaktionskraften under ankel op og ankel ned bevægelse. Amerikanske billedmålinger, de elektriske signaler fra sEMG-sensorer, kontaktkraften fra kraftsensoren og bevægelsessensoren og kameramålingerne vil blive indsamlet samtidigt. Data kan indsamles fra en eller begge af en deltagers ben.

Session 2: Frivillig ankelsidebevægelse indad og udvendig uden FES. Under session 2 vil deltageren udføre side-til-side ankelbevægelser. En lignende træningsprocedure, som i session 1, vil blive ordineret før de egentlige eksperimenter. Flere målinger fra sensorerne (samme som i session 1) fastgjort til deltagerens ben og fod vil blive opnået under ankelbevægelsen fra side til side. Både i session 1 og session 2, for hver bevægelsesretning (op, ned, inde og ude), vil der blive kørt 10 gentagne forsøg, og hvert forsøg vil vare i 10 minutter inklusive træning, dataindsamling, datalagring og hvileperiode for at undgå muskeltræthed. Hver session kan vare cirka op til 4 timer.

Session 3: Assisterende ankel op og ned bevægelse med FES. En lignende konfiguration som nævnt i session 1 vil blive anvendt i denne session. Derudover vil FES blive brugt til at kontrollere anklen op eller ned i en bevægelse ved at tage de amerikanske billeddannelsesbaserede målinger som feedback. I FES-systemet vil den negative elektrode blive placeret over den forreste muskels muskelmave, mens den positive elektrode placeres længere nede på skaftet. Til ankel nedadgående bevægelse vil to store elektroder blive brugt til at tillade aktivering af hele rygmusklerne. Disse elektroder vil blive forbundet med en elektrisk stimulator, som styres via computersoftware. For både ankel op og ankel ned bevægelse vil en lav strøm bølgeform blive brugt med 100-400 mikrosekunders pulsbredde og 20-40 Hz frekvens. Strømområdet vil være mellem 0-60 mA. I alle tilfælde vil den definerede pulsvarighed til brug ikke overstige den øvre grænse på 400 mikrosekunder. Stimuleringsparametrene, der bruges for en deltager, vil blive dokumenteret for hver forsøgssession, og eventuelle ændringer i stimulationsparametrene under en session vil også blive registreret.

Session 4: Assisterende ankelsidebevægelse indad og udvendig med FES-systemet. En lignende konfiguration som nævnt i session 2 vil blive anvendt i denne session. FES'en vil blive brugt til kunstigt at stimulere musklerne og kontrollere ankelsidebevægelsen mod indersiden eller ydersiden ved at tage de amerikanske billeddannelsesbaserede målinger som feedback. For både ankelsidebevægelse mod indvendige og udvendige situationer vil de samme FES-parametre og moduleringsmetode blive implementeret som beskrevet i session 3. Under eksperimentets procedurer vil de amerikanske billeddannelsesbaserede målinger og bevægelses- og kameramålingerne blive indsamlet samtidigt. Data kan indsamles fra et eller begge deltageres ben. Både i session 3 og session 4, for hver bevægelsesretning (op, ned, indvendig og udvendig), vil der blive kørt 10 gentagne forsøg, og hvert forsøg vil vare i 10 minutter inklusive træning, dataindsamling, datalagring og hvileperiode for at undgå muskeltræthed. Hver session kan vare cirka op til 4 timer. Deltageren kan blive bedt om at vende tilbage, hvis de data, der er indhentet under en session, ikke findes at være tilfredsstillende under analysen. Det næste besøg vil blive gennemført efter deltagerens bekvemmelighed og mindst efter 24 timer for session 1 og 2, samt 72 timer for session 3 og 4.

Opgavetype 2: Frivillige dynamiske gangopgaver på løbebånd uden og med ekstern assistance Session 5: Dynamisk gangopgave uden FES eller ankeleksoskelet. I lighed med session 1 og session 3 i opgavetype 1, vil sEMG-sensorerne og ultralydsbilledtransducerne blive fastgjort til de samme positioner på for- og bagskaftet som nævnt før. Flere reflekterende markører vil blive fastgjort til emnets underekstremiteter for at måle kinematikdata baseret på et motion capture-system. Under session 5 vil deltageren blive bedt om at stå stille i 30 sekunder på løbebåndet med to delte bælter. Kraftsensorerne under hvert bælte vil blive brugt til at måle jordens reaktionskraft mellem bæltet og deltagerens fodsåler, og samtidig vil sEMG-signalerne og ultralydsbilleder af underbensmusklerne også blive opsamlet under den statiske stående stilling. . Derefter vil deltageren blive bedt om at gå på løbebåndet med 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 og 1,5 m/s. For hver hastighed vil de første 5 minutters gang blive givet som opvarmning for, at deltageren kan vænne sig til gangmønsteret med det wearable. Efter opvarmningen, i de følgende 2 minutter for hver ganghastighed, vil jordens reaktionskraft, sEMG-signaler og ultralydsbilleddannelse af underbensmusklerne og koordinaterne for de reflekterende markører blive registreret synkront og samtidigt.

Session 6: Dynamisk gangopgave med FES eller ankeleksoskelet, men ingen drevet assistance. Bortset fra opsætningen beskrevet i session 1, vil FES-elektroderne blive placeret på den forreste skaft, og ankeleksoskelettet vil blive placeret på den bagerste skaft. Den samme dataindsamling som nævnt i session 5 vil også blive inkluderet. I denne session vil der ikke være nogen stimulation på deltagerens skeletmuskler og ingen kraft til ankeleksoskeletmotoren.

Session 7: Dynamisk gangopgave med FES eller ankeleksoskelet baseret på en gammel kontroltilgang. Forsøgsopsætningen og procedurerne vil blive holdt de samme som nævnt i session 2. Under den dynamiske gangopgave vil det drevne FES og ankeleksoskelet blive brugt til at yde assistance til tå op og tå ned bevægelser i henhold til menneskelig bevægelses hensigt baseret på en fremherskende anvendt kontroltilgang i andre publikationer. Gennem hver af de 2 minutters dataindsamlingsvarigheder vil sEMG-signalerne blive indsamlet og behandlet i realtid for at kontrollere FES- eller ankeleksoskeletsystemet. Derudover vil tidssekvensen af ​​ultralydsbilleddannelse fra de forreste og bageste skaftmuskler, de reflekterende markørers koordinater, jordreaktionskraften, FES-strømamplituden eller pulsbredden og exoskeletmotorens drejningsmoment blive opsamlet synkront og samtidigt.

Session 8: Dynamisk gangopgave med FES eller ankeleksoskelet baseret på assist-efter behov kontroltilgang ved kombination af ultralydsbilleddannelse og sEMG. Den eksperimentelle opsætning og procedurer vil blive holdt de samme som nævnt i session 7. Den eneste forskel er, at den gamle kontrolmetode vil blive erstattet af den nyligt foreslåede assist-efter-nødvendig kontrolmetode ved at kombinere ultralydsbilleddannelse og sEMG-signaler. Dataindsamlingen forbliver den samme som session 7. Blandt sessionerne 5-8 i afsnit 2 vil der efter 7 minutters gang under hver hastighed blive givet en 10 minutters hvileperiode. Hver session kan vare op til 4 timer, inklusive motion capture-systemets kalibrering og enhedsopsætning omkring 45 minutter, og gå-eksperimenter på løbebåndet omkring 3 timer. Deltageren kan blive bedt om at vende tilbage, hvis de data, der er indhentet under en session, ikke findes at være tilfredsstillende under analysen. Det næste besøg vil blive gennemført efter deltagerens bekvemmelighed og mindst efter 72 timer. Derudover vil der af sikkerhedsmæssige årsager til session 3, 4, 7 og 8 blive tilføjet en sikkerhedsstopknap, så deltageren kan stoppe eksperimentet, når deltageren ønsker at stoppe eksperimenterne, eller deltageren føler sig utilpas under eksperimentet .

For deltagere med iSCI eller tværgående myelitis: Før deltageren er klar til at deltage i denne undersøgelse, vil deltagerne blive bedt om at udfylde et par spørgeskemaer, som vil indsamle demografiske oplysninger og deres sygehistorie. Deltageren vil også deltage i en fysisk undersøgelse. Den fysiske undersøgelse vil blive afsluttet af Dr. Christine Cleveland, en læge på den ambulante rehabiliteringsklinik i Chapel Hill. Den fysiske undersøgelse og udfyldning af sygehistorieformularer vil tage 60 minutter. Den fysiske undersøgelse vil bestå af en sensorisk undersøgelse (hvor deltageren vil blive bedt om at lukke øjnene og rapportere, om hvis deltageren føler en let berøringsfornemmelse såsom en vatrondel, og om deltageren er i stand til at skelne en skarp og kedelig sensation), og en motorisk undersøgelse (hvor efterforskerne vil undersøge deltagerens evne til at bevæge sine arme og ben). Efterforskerne vil også tage deltagerens puls og blodtryk. I tilfælde af graviditet bliver deltageren ude af stand til at deltage i undersøgelsen og bliver nødt til at afbryde undersøgelsen. Efterforskerne vil screene for at kontrollere følsomhed eller respons på FES. Formålet med denne test er at give deltageren mulighed for at opleve FES, og ud fra erfaringerne beslutte, om stimulationen er acceptabel, og deltageren er villig til at deltage i undersøgelsen. Et teststimuleringstog vil blive påført på deltagerens muskel i underekstremiteterne. Deltageren kan til enhver tid stoppe denne test og nægte at deltage yderligere. Hvis deltageren reagerer på FES uden smerteoplevelse og ønsker at deltage i denne undersøgelse, vil efterforskerne kontakte deltagerens læge for at få en lægegodkendelse og verifikation af deltagerens skadesniveau, inden den egentlige undersøgelse påbegyndes. Deltageren skal indhente en underskrevet medicinsk godkendelsesformular fra sin læge, før han/hun deltager i undersøgelsen. Efter at have modtaget tilladelse fra den praktiserende læge til at deltage i denne undersøgelse, og hvis deltageren er kvalificeret (bed venligst Nitin Sharma eller forskningsteammedlemmet om at give deltageren en berettigelsestjekliste for gruppe S) og vælge at deltage i denne undersøgelse, vil deltageren blive bedt om at komme til PI's laboratorium og BME ganglab for at udfylde samtykkeformularen under det første besøg.