Métodos de modelado, optimización y control para un exoesqueleto ambulante híbrido personalizado

Las actividades de investigación implican el uso de estimulación eléctrica funcional (FES) controlada por computadora y ortesis impulsadas por motores eléctricos (exoesqueleto motorizado) para generar movimientos funcionales de las extremidades inferiores para; es decir, de pie y caminando. Los algoritmos controlados por computadora obtendrán retroalimentación de sensores tales como codificadores ópticos, celdas de carga, resistencias sensibles a la fuerza y ​​unidades de medición inercial que están o estarán incorporadas en la órtesis o estos algoritmos de retroalimentación se combinarán con algoritmos optimizados precalculados basados ​​en la estimación modelo musculoesquelético de un participante. Se diseñarán múltiples algoritmos informáticos para coordinar FES con motores eléctricos y otros componentes del dispositivo para caminar para reproducir o restaurar los movimientos de pie y de marcha. El estudio implica la validación de algoritmos informáticos para estimar y controlar los movimientos de caminar y sentarse/levantarse. Se puede usar el andador motorizado Rifton E-Pacer, muletas, barras paralelas o un andador convencional para ayudar a todos los sujetos a ponerse y quitarse el sistema de exoesqueleto, ponerse de pie y caminar, en cualquier momento durante la experimentación, durante el tiempo que sea necesario. como se considere necesario por los objetivos experimentales. El uso del E-Pacer o un andador debería mejorar la seguridad del experimento y reducir el esfuerzo físico general del sujeto porque reduce la carga en el cuerpo del sujeto. Los movimientos para sentarse/pararse y/o caminar serán provocados por la plataforma híbrida para caminar que combina un exoesqueleto motorizado y un sistema FES. El exoesqueleto motorizado puede proporcionar una actuación conjunta en las articulaciones de la cadera y la rodilla de un participante. El sistema FES puede estimular los músculos cuádriceps, isquiotibiales, glúteos y tobillos. Los electrodos de estimulación se colocan sobre la piel en lugares que proporcionan un movimiento óptimo de las extremidades. Los algoritmos están diseñados para que la estimulación de diferentes músculos se coordine para lograr caminar y/o sentarse/levantarse. Se realizará un experimento precedente en un participante del Grupo B antes de probarlo en el Grupo A. A diferencia de los participantes parapléjicos (Grupo A), si el dispositivo fallara o actuara de forma inesperada, las personas sin discapacidad (Grupo B) podrán intervenir. Por lo tanto, probar primero el dispositivo en personas sin discapacidad nos permitirá evaluar y abordar cualquier riesgo antes de probarlo en personas con SCI, que no pueden intervenir con el dispositivo. Todas las sesiones para los participantes del Grupo A se realizarán bajo la supervisión de un fisioterapeuta. El terapeuta también ayudará a los participantes del Grupo A a transferirlos de sus sillas de ruedas a una mesa acolchada para sentarse si es necesario o al exoesqueleto. El participante del Grupo A también contará con el apoyo de un sistema de peso corporal para evitar caídas al estar de pie y caminar. Antes de cada experimento que involucre estimulación eléctrica, se registrará la frecuencia cardíaca y la presión arterial de un participante. Los terapeutas también ayudarán a los participantes a trasladarlos de sus sillas de ruedas a la mesa de terapia. Un participante o una persona que opere el dispositivo iniciará el movimiento de caminar y/o estar de pie. Un participante puede detener los movimientos si no se siente cómodo o inseguro usando un botón de parada de seguridad que se le entregará. Durante estas sesiones, los participantes llevarán un pulsómetro para asegurarse de que no se esfuerzan demasiado y para que se den suficientes periodos de descanso. La frecuencia cardíaca de los participantes será controlada antes y después de cada prueba por una persona que realice los experimentos. Se administrará la escala de Borg para el Grupo A para verificar su nivel de esfuerzo. Las sesiones se detendrán según los límites prescritos por la escala de Borg (ver criterios de detención en la sección de riesgos). Tenga en cuenta que para todos los experimentos descritos, se requiere un mínimo de 1 a 2 días entre visitas para la experimentación. Estas actividades se dividen en Objetivo 1 y Objetivo 2. Tenga en cuenta que los Objetivos 1 y 2 no son secuenciales. Objetivo 1: obtener movimientos para sentarse/levantarse y caminar mediante el uso de un exoesqueleto motorizado optimizado y asistencia de estimulación eléctrica funcional (FES). El objetivo de este objetivo es validar experimentalmente un controlador óptimo que asigna FES y la contribución del exoesqueleto en función de un modelo específico de persona de un participante. El controlador producirá movimientos de miembros inferiores en personas sin discapacidad y personas con lesión medular. El Grupo A y el Grupo B participarán en aproximadamente 20 sesiones. El número de sesiones es aproximado y puede exceder este número y no hay un número límite de sesiones que prohíba una mayor participación. La duración de la sesión será de hasta 4 horas, como máximo. Las duraciones de las sesiones son aproximadas y pueden ser mayores o menores a las especificadas. El número total de sesiones puede superarse en algunas sesiones para algunos participantes debido a datos experimentales erróneos o técnicos imprevistos. Estos experimentos se llevarán a cabo en el Laboratorio de Robótica y Control Neuromuscular (NCRL) o en la Clínica de Rehabilitación para Pacientes Ambulatorios en Chapel-Hill a cargo del investigador principal. Estos experimentos se dividen en 2 tareas. Tarea 1: Visitas iniciales de familiarización, formación e identificación de modelos. Las visitas de familiarización y entrenamiento nos permitirán personalizar y optimizar el exoesqueleto híbrido para caminar a cada individuo participante. Para esta tarea los participantes visitarán el NCRL durante aproximadamente 3 sesiones. Estas sesiones no durarán más de 4 horas. Las duraciones de las sesiones son aproximadas y pueden ser mayores o menores a las especificadas. El número total de sesiones puede superarse en algunas sesiones para algunos participantes debido a datos experimentales erróneos o técnicos imprevistos. En la primera visita, se realizarán ajustes al dispositivo híbrido para adaptar el dispositivo al participante. En estas visitas, los objetivos son entrenarlos para realizar transferencias de bipedestación y realizar movimientos de marcha con el dispositivo de marcha híbrido. Se utilizarán algoritmos controlados por computadora para realizar movimientos de sentarse a pararse, de pie a sentarse y caminar. Los experimentos de identificación de modelos para encontrar los parámetros del modelo para cada individuo se pueden ejecutar durante los estudios iniciales de capacitación y familiarización. Estos experimentos de identificación de modelos se pueden realizar mientras un participante se sienta/está de pie o camina en el dispositivo para caminar híbrido. Una vez que se identifiquen los parámetros específicos del sujeto, se derivará u optimizará un algoritmo para caminar o estar de pie que coordine FES con el exoesqueleto motorizado mediante optimizaciones dinámicas fuera de línea. Tarea 2: Validación de un algoritmo sentado/de pie y/o caminando. Después de las visitas iniciales (Tarea 1), se evaluará el algoritmo de caminar y/o estar de pie. El algoritmo es un programa informático que toma información sensorial de diferentes sensores, como codificadores ópticos, unidades de medición de inercia y sensores de contacto con el talón integrados en el sistema híbrido para caminar, para coordinar de manera óptima el FES y los motores eléctricos del exoesqueleto motorizado. El algoritmo será validado experimentalmente en cada participante en aproximadamente 7 sesiones. Cada sesión tendrá una duración de no más de 4 horas, lo que incluye tiempo para ponerse de pie, caminar, períodos de descanso, tiempo necesario para ajustar los aparatos ortopédicos y tiempo necesario para actualizar el código de la computadora si es necesario. Tenga en cuenta que la cantidad de sesiones y la duración son estimaciones y están sujetas a cambios según las condiciones del experimento. También se puede usar un sistema de captura de movimiento para medir los ángulos de las articulaciones de modo que las características espaciotemporales de la marcha se puedan comparar con la marcha normal de un sujeto de control sano. Los datos de marcha registrados también se utilizarán para evaluar el rendimiento de los sistemas de control del dispositivo y para mostrar cómo cambia la forma de andar del usuario con el tiempo a medida que se siente más cómodo con el uso del dispositivo. Estas sesiones pueden grabarse para ilustrar la aplicación y la eficacia del dispositivo. Objetivo 2: Integrar retroalimentación basada en ultrasonido para controlar un exoesqueleto híbrido. Los objetivos de este objetivo son investigar si las imágenes por ultrasonido se pueden utilizar como una herramienta para medir la fatiga muscular inducida por FES y seguir utilizando las señales derivadas de los EE. UU. para optimizar la FES y la asistencia del exoesqueleto. El primer objetivo de este objetivo es desarrollar un modelo de fatiga basado en ultrasonido para indicar la aparición de fatiga muscular. El segundo objetivo es utilizar el modelo de fatiga basado en ultrasonido en un algoritmo que coordina el control de FES y el motor eléctrico durante las actividades de sentarse a pararse, caminar y estar de pie a sentarse. En este objetivo participarán los individuos del Grupo A y del Grupo B. Participarán en aproximadamente 10 sesiones de no más de 4 horas cada una. El número total de sesiones puede ser más o menos de 10 debido a datos experimentales erróneos o técnicos imprevistos o si el participante abandona el estudio. Estos experimentos se llevarán a cabo en NCRL o en la Clínica de Rehabilitación para Pacientes Ambulatorios en Chapel-Hill. Tarea 1: Desarrollo de medidas de fatiga y recuperación de los músculos de las piernas basadas en imágenes de ultrasonido. Se seguirá un protocolo de estimulación que produzca fatiga muscular. La fatiga muscular se define como una disminución porcentual en el par isométrico generado por FES del músculo cuádriceps. Debido a que la disminución en el par isométrico podría diferir en diferentes participantes, se empleará un protocolo de estimulación común para todos los participantes. Esto se hará durante aproximadamente dos sesiones que no durarán más de 4 horas cada una. Las duraciones de las sesiones son aproximadas y pueden ser mayores o menores a las especificadas. El número total de sesiones puede superarse en algunas sesiones para algunos participantes debido a datos experimentales erróneos o técnicos imprevistos. Se recopilarán datos de ultrasonido (usando la sonda de imágenes colocada entre los electrodos) y de torque (del sensor de carga). Un transductor de ultrasonido comercial de mano (transductor clínico de 5-20 MHz) conectado a un sistema de ultrasonido comercial (S-Sharp Corporation, Taiwán) colocado contra la piel.Se aplica un gel tibio sobre la piel para ayudar con la obtención de imágenes. Todos los parámetros de imágenes por ultrasonido, incluidas la intensidad y las velocidades de fotogramas, etc., están por debajo de las pautas de seguridad para las imágenes por ultrasonido clínico (valores MI inferiores a 1,9). Después de estos experimentos, los datos de ultrasonido procesados ​​se correlacionarán con el par medido para determinar las medidas de fatiga y recuperación. Tarea 2: Incorporación del modelo de fatiga basado en ultrasonidos en un algoritmo de asignación de control. Las medidas de fatiga y recuperación basadas en imágenes de ultrasonido se pueden utilizar para predecir la aparición de fatiga muscular. Los estudios experimentales se llevarán a cabo en (Grupo A) y (Grupo B) en 2 sesiones que no durarán más de 4 horas cada una. Las duraciones de las sesiones son aproximadas y pueden ser mayores o menores a las especificadas. El número total de sesiones puede superarse en algunas sesiones para algunos participantes debido a datos experimentales erróneos o técnicos imprevistos. Los algoritmos de la Tarea 2 del Objetivo 1 se modificarán para incorporar las medidas de fatiga y recuperación basadas en ultrasonido. Observación sobre los parámetros de estimulación a utilizar en los objetivos antes mencionados: Un rango normal de estimulación a utilizar en nuestros estudios es: ancho de pulso 100-400 microsegundos; Frecuencia: 20-100 Hz; Corriente 0-100 mA. Generalmente, durante el experimento, la corriente se modula automáticamente (o en algunos casos manualmente) a partir de 0 mA hasta el valor que se requiere para lograr una tarea. Esto se logra mediante señales de retroalimentación al sistema de control que se comunica con el estimulador. El sistema de control no permite que la corriente supere su límite máximo. El ancho de pulso y la frecuencia generalmente se mantienen constantes. Los parámetros de estimulación utilizados para cada participante se documentarán para cada sesión experimental y también se registrará cualquier cambio en los parámetros de estimulación durante una sesión.