Auf Ultraschallbildgebung basierende Erfassung der Absicht der menschlichen Knöchelbewegung und Kontrollstrategien für die Unterstützung des Knöchels

Die Studie wird bis zu 20 Personen ohne neuromuskuläre Erkrankungen und 5 Personen mit inkompletter Rückenmarksverletzung (iSCI) oder transversaler Myelitis im Alter von 18 bis 64 Jahren für Experimente rekrutieren. Die Forschungsaktivitäten umfassen durchschnittlich 8 experimentelle Sitzungen. Die Sitzungen können mehr oder weniger als 8 Sitzungen umfassen, abhängig von der Verfügbarkeit des Probanden, ausreichenden Daten für die Analyse oder der Notwendigkeit, mehr Daten für die Analyse zu erhalten. Das erste Ziel besteht darin, Ultraschallmessungen von Muskelbewegungen und elektrischer Muskelaktivität (sEMG) zu untersuchen, um die willkürliche Bewegung oder das Drehmoment, das am menschlichen Sprunggelenk erzeugt wird, vorherzusagen. Basierend auf der willkürlichen Bewegung oder dem Drehmoment wird die funktionelle elektrische Stimulation (FES) verwendet, um die Knöchelmuskulatur künstlich zu stimulieren, oder es wird ein angetriebenes Knöchel-Exoskelett verwendet, um das Sprunggelenk zusätzlich zu unterstützen. FES-Elektroden werden an geeigneten Stellen auf der Hautoberfläche der unteren Extremität so platziert, dass die optimale Bewegung erzielt wird.

Aufgabentyp 1: Freiwillige sitzende Staatsaufgaben ohne und mit fremder Hilfe.

Sitzung 1: Freiwillige Bewegung des Knöchels nach oben und nach unten ohne FES. Ein Paar sEMG-Sensoren wird durch doppelseitige Klebebänder an den Vorder- und Rückenmuskeln des Unterschenkels des Teilnehmers angebracht. Ein Paar US-Bildwandler wird an denselben Vorder- und Rückenmuskeln des Unterschenkels angebracht, um die Aktivitäten des Muskels während der Auf- und Abbewegung des Sprunggelenks abzubilden. Am Unterschenkel und am Fuß wird ein Paar Bewegungssensoren angebracht, um die Winkelposition und Geschwindigkeit des Sprunggelenks zu messen. Ein Kraftsensor wird zwischen der Fußsohle und einer starren flachen Plattform platziert, um die Wechselwirkungskraft während der Knöchel-Aufwärts- und Knöchel-Abwärtsbewegung zu messen. US-Bildgebungsmessungen, die elektrischen Signale von sEMG-Sensoren, die Kontaktkraft des Kraftsensors und die Bewegungssensor- und Kameramessungen werden gleichzeitig erfasst. Daten können von einem oder beiden Beinen eines Teilnehmers gesammelt werden.

Sitzung 2: Willkürliche seitliche Bewegung des Sprunggelenks nach innen und außen ohne FES. Während Sitzung 2 führt der Teilnehmer seitliche Knöchelbewegungen durch. Vor den eigentlichen Experimenten wird ein ähnlicher Trainingsablauf wie in Sitzung 1 vorgeschrieben. Mehrere Messungen von den Sensoren (die gleichen wie in Sitzung 1), die am Bein und Fuß des Teilnehmers angebracht sind, werden während der seitlichen Knöchelbewegung erhalten. Sowohl in Sitzung 1 als auch in Sitzung 2 werden für jede Bewegungsrichtung (nach oben, unten, innen und außen) 10 wiederholte Versuche durchgeführt, und jeder Versuch dauert 10 Minuten, einschließlich Training, Datenerfassung, Datenspeicherung und Ruhezeit um Muskelermüdung zu vermeiden. Jede Sitzung kann ungefähr bis zu 4 Stunden dauern.

Sitzung 3: Unterstützende Auf- und Abwärtsbewegung des Sprunggelenks mit der FES. In dieser Sitzung wird eine ähnliche Konfiguration wie in Sitzung 1 erwähnt angewendet. Darüber hinaus wird die FES verwendet, um den Knöchel bei einer Bewegung nach oben oder unten zu steuern, indem die auf der US-Bildgebung basierenden Messungen als Feedback genommen werden. Beim FES-System wird für die Aufwärtsbewegung des Fußgelenks die negative Elektrode über dem Muskelbauch des vorderen Muskels platziert, während die positive Elektrode weiter unten am Unterschenkel platziert wird. Für die Bewegung nach unten werden zwei große Elektroden verwendet, um die Aktivierung der gesamten Rückenmuskulatur zu ermöglichen. Diese Elektroden werden mit einem elektrischen Stimulator verbunden, der über eine Computersoftware gesteuert wird. Sowohl für die Aufwärts- als auch für die Abwärtsbewegung des Knöchels wird eine Niedrigstromwellenform mit einer Impulsbreite von 100–400 Mikrosekunden und einer Frequenz von 20–40 Hz verwendet. Der Strombereich liegt zwischen 0-60 mA. In allen Fällen wird die für die Verwendung definierte Impulsdauer die Obergrenze von 400 Mikrosekunden nicht überschreiten. Die für einen Teilnehmer verwendeten Stimulationsparameter werden für jede experimentelle Sitzung dokumentiert, und alle Änderungen der Stimulationsparameter während einer Sitzung werden ebenfalls aufgezeichnet.

Sitzung 4: Assistive Knöchelseitenbewegung nach innen und außen mit dem FES-System. In dieser Sitzung wird eine ähnliche Konfiguration wie in Sitzung 2 erwähnt angewendet. Die FES wird verwendet, um die Muskeln künstlich zu stimulieren und die Bewegung der Knöchelseite nach innen oder außen zu steuern, indem die auf der US-Bildgebung basierenden Messungen als Feedback genommen werden. Sowohl für die Bewegung der Knöchelseite nach innen als auch nach außen werden die gleichen FES-Parameter und Modulationsverfahren wie in Sitzung 3 beschrieben implementiert. Während der Versuchsdurchführung werden die US-bildbasierten Messungen und die Bewegungs- und Kameramessungen gleichzeitig erhoben. Daten können von einem oder beiden Beinen der Teilnehmer gesammelt werden. Sowohl in Sitzung 3 als auch in Sitzung 4 werden für jede Bewegungsrichtung (nach oben, unten, innen und außen) 10 wiederholte Versuche durchgeführt, und jeder Versuch dauert 10 Minuten, einschließlich Training, Datenerfassung, Datenspeicherung und Ruhezeit um Muskelermüdung zu vermeiden. Jede Sitzung kann ungefähr bis zu 4 Stunden dauern. Der Teilnehmer kann gebeten werden, wiederzukommen, wenn die während einer Sitzung erhaltenen Daten während der Analyse als nicht zufriedenstellend befunden werden. Der nächste Besuch wird nach Belieben des Teilnehmers und spätestens nach 24 Stunden für Sitzung 1 und 2 sowie 72 Stunden für Sitzung 3 und 4 durchgeführt.

Aufgabentyp 2: Freiwillige dynamische Gehaufgaben auf einem Laufband ohne und mit fremder Hilfe Session 5: Dynamische Gehaufgabe ohne FES oder Sprunggelenk-Exoskelett. Ähnlich wie bei Sitzung 1 und Sitzung 3 in Aufgabentyp 1 werden die sEMG-Sensoren und Ultraschallbildwandler an den gleichen Positionen am Vorder- und Hinterschenkel angebracht, die zuvor erwähnt wurden. Mehrere reflektierende Markierungen werden an den unteren Gliedmaßen des Probanden angebracht, um die kinematischen Daten basierend auf einem Bewegungserfassungssystem zu messen. Während Sitzung 5 wird der Teilnehmer gebeten, 30 Sekunden lang auf dem Laufband mit zwei geteilten Bändern still zu stehen. Die Kraftsensoren unter jedem Gürtel werden verwendet, um die Bodenreaktionskraft zwischen dem Gürtel und den Fußsohlen des Teilnehmers zu messen, und gleichzeitig werden die sEMG-Signale und die Ultraschallbildgebung der Unterschenkelmuskulatur auch während der statischen Stehhaltung gesammelt . Dann wird der Teilnehmer aufgefordert, mit 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 und 1,5 m/s auf dem Laufband zu gehen. Für jede Geschwindigkeit werden die ersten 5 Minuten des Gehens als Aufwärmübung gegeben, damit sich der Teilnehmer an das Gehmuster mit dem Wearable gewöhnen kann. Nach dem Aufwärmen werden in den folgenden 2 Minuten für jede Gehgeschwindigkeit die Bodenreaktionskraft, sEMG-Signale und Ultraschallbilder der Unterschenkelmuskulatur sowie die Koordinaten der Reflexmarker synchron und simultan erfasst.

Sitzung 6: Dynamische Gehaufgabe mit FES oder Knöchel-Exoskelett, aber ohne motorische Unterstützung. Abgesehen von dem in Sitzung 1 beschriebenen Aufbau werden die FES-Elektroden am vorderen Unterschenkelmuskel und das Knöchel-Exoskelett am hinteren Unterschenkel platziert. Dieselbe Datenerhebung wie in Sitzung 5 erwähnt wird ebenfalls enthalten sein. In dieser Sitzung werden die Skelettmuskeln des Teilnehmers nicht stimuliert und der Motor des Knöchel-Exoskeletts wird nicht mit Strom versorgt.

Sitzung 7: Dynamische Gehaufgabe mit FES oder Knöchel-Exoskelett basierend auf einem alten Kontrollansatz. Der experimentelle Aufbau und die Verfahren bleiben die gleichen wie in Sitzung 2 erwähnt. Während der dynamischen Gehaufgabe werden das motorbetriebene FES und das Knöchel-Exoskelett verwendet, um Unterstützung für die Zehenauf- und Zehenabwärtsbewegungen gemäß der menschlichen Bewegungsabsicht basierend auf einer vorherrschenden zu bieten Angewandter Kontrollansatz in anderen Veröffentlichungen. Während jeder der zweiminütigen Datenerfassungsdauer werden die sEMG-Signale in Echtzeit erfasst und verarbeitet, um das FES- oder Knöchel-Exoskelett-System zu steuern. Darüber hinaus werden die zeitliche Abfolge der Ultraschallbildgebung von den vorderen und hinteren Unterschenkelmuskeln, die Koordinaten der reflektierenden Markierungen, die Bodenreaktionskraft, die FES-Stromamplitude oder Impulsbreite und das Motordrehmoment des Exoskeletts synchron und gleichzeitig erfasst.

Sitzung 8: Dynamische Gehaufgabe mit FES oder Knöchel-Exoskelett basierend auf dem Assist-as-Needed-Control-Ansatz durch Kombination von Ultraschallbildgebung und sEMG. Der experimentelle Aufbau und die Verfahren bleiben die gleichen wie in Sitzung 7 erwähnt. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der alte Steuerungsansatz durch den neu vorgeschlagenen Assist-as-Needed-Steuerungsansatz ersetzt wird, indem Ultraschallbildgebung und sEMG-Signale kombiniert werden. Die Datenerhebung bleibt die gleiche wie in Sitzung 7. Bei den Sitzungen 5-8 in Abschnitt 2 wird nach 7 Minuten Gehen bei jeder Geschwindigkeit eine 10-minütige Ruhephase vorgesehen. Jede Sitzung kann bis zu 4 Stunden dauern, einschließlich der Kalibrierung des Bewegungserfassungssystems und der Einrichtung der Geräte etwa 45 Minuten und Gehexperimente auf dem Laufband etwa 3 Stunden. Der Teilnehmer kann gebeten werden, wiederzukommen, wenn die während einer Sitzung erhaltenen Daten während der Analyse als nicht zufriedenstellend befunden werden. Der nächste Besuch wird nach Belieben des Teilnehmers und spätestens nach 72 Stunden durchgeführt. Darüber hinaus wird aus Sicherheitsgründen für die Sitzungen 3, 4, 7 und 8 eine Sicherheitsstopptaste hinzugefügt, mit der der Teilnehmer das Experiment stoppen kann, wenn der Teilnehmer die Experimente beenden möchte oder sich der Teilnehmer während des Experiments unwohl fühlen soll .

Für Teilnehmer mit iSCI oder transversaler Myelitis: Bevor der Teilnehmer bereit ist, an dieser Studie teilzunehmen, werden die Teilnehmer gebeten, einige Fragebögen auszufüllen, in denen demografische Informationen und ihre Krankengeschichte erfasst werden. Der Teilnehmer wird auch an einer körperlichen Untersuchung teilnehmen. Die körperliche Untersuchung wird von Dr. Christine Cleveland, Ärztin in der ambulanten Rehabilitationsklinik in Chapel Hill, durchgeführt. Die körperliche Untersuchung und das Ausfüllen der Anamnesebögen dauern 60 Minuten. Die körperliche Untersuchung besteht aus einer sensorischen Untersuchung (bei der der Teilnehmer gebeten wird, seine Augen zu schließen und zu berichten, ob der Teilnehmer eine leichte Berührung wie einen Wattebausch spürt und ob der Teilnehmer in der Lage ist, scharf und stumpf zu unterscheiden Empfindung) und eine motorische Prüfung (bei der die Ermittler die Fähigkeit des Teilnehmers untersuchen, seine/ihre Arme und Beine zu bewegen). Die Ermittler werden auch die Herzfrequenz und den Blutdruck des Teilnehmers messen. Im Falle einer Schwangerschaft kann die Teilnehmerin nicht an der Studie teilnehmen und muss die Studie abbrechen. Die Ermittler führen ein Screening durch, um die Empfindlichkeit oder Reaktion auf FES zu überprüfen. Der Zweck dieses Tests besteht darin, dem Teilnehmer zu ermöglichen, FES zu erleben und basierend auf der Erfahrung zu entscheiden, ob die Stimulation tolerierbar ist und der Teilnehmer bereit ist, an der Studie teilzunehmen. Ein Test-Stimulationszug wird auf den Muskel der unteren Gliedmaßen des Teilnehmers angewendet. Der Teilnehmer kann diesen Test jederzeit abbrechen und die weitere Teilnahme verweigern. Wenn der Teilnehmer ohne Schmerzerfahrung auf FES anspricht und an dieser Studie teilnehmen möchte, werden die Prüfärzte den Arzt des Teilnehmers kontaktieren, um vor Beginn der eigentlichen Studie eine ärztliche Genehmigung und Überprüfung des Verletzungsgrads des Teilnehmers einzuholen. Der Teilnehmer muss vor der Teilnahme an der Studie ein unterschriebenes ärztliches Attest von seinem Arzt einholen. Nach Erhalt der Genehmigung des Arztes zur Teilnahme an dieser Studie und wenn der Teilnehmer berechtigt ist (bitte Nitin Sharma oder das Mitglied des Forschungsteams bitten, dem Teilnehmer eine Eignungs-Checkliste für Gruppe S zu geben) und sich für die Teilnahme an dieser Studie entscheidet, wird der Teilnehmer dies tun gebeten werden, beim ersten Besuch in das Labor des PI und das BME-Ganglabor zu kommen, um die Einverständniserklärung auszufüllen.