Control neuromuscular de exoesqueletos en tiempo real
El propósito de este estudio es desarrollar un controlador en tiempo real para exoesqueletos utilizando información neuronal integrada en la musculatura humana. Este controlador consistirá en una interfaz en línea que anticipa el movimiento humano basándose en registros de electromiografía de alta densidad (HD-EMG) y luego lo traduce en asistencia funcional. Este estudio se llevará a cabo tanto en participantes sanos como en participantes después de un accidente cerebrovascular.
Los investigadores desarrollarán un algoritmo en línea (decodificador) en exoesqueletos actualmente existentes que puede extraer cientos de unidades motoras (MU) que aumentan la actividad de las grabaciones HD-EMG. La actividad de picos de MU es un tren de potenciales de acción codificados por el momento de su aparición que da acceso a una parte representativa del código neuronal del movimiento humano. Los investigadores también desarrollarán un codificador de comandos que pueda anticipar la intención humana (comandos de fuerza y posición de múltiples articulaciones) a partir de la actividad de picos de MU para traducir la información neuronal en movimiento. Los investigadores integrarán el decodificador con el codificador de comandos para mostrar el control en tiempo real de múltiples exoesqueletos articulares de las extremidades inferiores.
Descripción general del estudio
Estado
Condiciones
Descripción detallada
Los investigadores registrarán la actividad muscular en participantes sanos y en participantes después de un accidente cerebrovascular de hasta ocho músculos de las extremidades inferiores (sóleo, gastrocnemio, tibial anterior, recto femoral, vasto lateral e isquiotibial) durante tareas funcionales (p. ej., movimiento de una sola articulación, marcha , ponerse en cuclillas, andar en bicicleta). Estas mediciones proporcionarán el conjunto de datos fisiológicos del movimiento y la locomoción de las extremidades inferiores para el decodificador neuronal. Luego, los investigadores aplicarán métodos de aprendizaje profundo en línea para la descomposición de la actividad de picos de MU de más de ocho músculos y desarrollarán un decodificador neuronal en tiempo real. Esto proporcionará una descomposición en tiempo real de cientos de UM simultáneamente activas durante el comportamiento humano natural de las extremidades inferiores. Los investigadores validarán este enfoque comparando nuestros resultados con un estándar de oro, el método de separación ciega en fuente. Los algoritmos de separación ciega de fuentes pueden separar o descomponer las señales HD-EMG, una mezcla convolutiva de potenciales de acción de MU, en los momentos en que las MU individuales descargan sus potenciales de acción. Con los datos descompuestos de los picos de MU, los investigadores desarrollarán métodos para traducir la actividad de los picos de MU en posición, fuerza y comandos híbridos para exoesqueletos que se convertirán en un codificador de comandos implementado en los exoesqueletos de investigación actualmente existentes que pueden anticipar la intención humana (posición de múltiples articulaciones y comandos de fuerza) para estimar el nivel de asistencia requerida por la tarea (por ejemplo, agregar torsión de rodilla durante la fase de postura).
Los investigadores combinarán el decodificador de actividad de picos MU con los métodos de proyección subespacial en una interfaz neuronal en tiempo real entre individuos y un exoesqueleto de extremidad inferior actualmente en investigación para el aumento de la locomoción. Esto se convertirá en una interfaz hombre-máquina integrada de alta resolución que se podrá utilizar para el control en tiempo real de los exoesqueletos, de modo que las órdenes se entreguen a una velocidad superior al retraso electromecánico de los músculos, es decir, el tiempo transcurrido entre la orden neural y el músculo. Generación de fuerza del movimiento.
Para el Experimento A, los investigadores reclutarán voluntarios sanos (n = 20) y participantes después de un accidente cerebrovascular (n = 20) y completarán tareas locomotoras y de movimiento de una sola articulación para recopilar datos de actividad muscular a través de HD-EMG.
Para el Experimento B, los investigadores mostrarán la generalización de nuestro enfoque reclutando e interconectando voluntarios sanos (n = 20) y participantes después del accidente cerebrovascular (n = 20) con el exoesqueleto de asistencia. Los sujetos realizarán tareas locomotoras y de una sola articulación para calibrar el decodificador y luego repetirán tareas locomotoras y de una sola articulación con el decodificador brindando asistencia en tiempo real. Los participantes después del accidente cerebrovascular repetirán hasta 10 sesiones para evaluar la estabilidad de la capacidad del decodificador para extraer unidades motoras.
Tipo de estudio
Inscripción (Estimado)
Fase
- No aplica
Contactos y Ubicaciones
Ubicaciones de estudio
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Illinois
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Chicago, Illinois, Estados Unidos, 60611
- Shirley Ryan Abilitylab
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Criterios de participación
Criterio de elegibilidad
Edades elegibles para estudiar
Acepta Voluntarios Saludables
Descripción
Criterios de inclusión para participantes sanos:
- Edad de 18 a 80 años
- Sin antecedentes de lesión cerebral y/o craneal.
- Audición y visión normales, ambas pueden corregirse
- Capaz de comprender y dar consentimiento informado.
- Sin trastornos neurológicos
- Ausencia de patología que pueda causar movimientos anormales de las extremidades (p. ej.,
- epilepsia, accidente cerebrovascular, artritis marcada, dolor crónico, lesiones musculoesqueléticas)
- Capaz de entender y hablar inglés.
- Altura entre 3 pies 6 pulgadas (1,1 metros) y 6 pies 9 pulgadas (2,1 metros)
Criterios de inclusión para participantes después de un accidente cerebrovascular:
- Edad de 18 a 80 años
- Historia de ictus unilateral, supratentorial, isquémico o hemorrágico mayor de 6 meses
- Capacidad para caminar de forma independiente en terreno nivelado, se le permite usar dispositivos de asistencia o aparatos ortopédicos.
- según sea necesario
- Médicamente estable
- No se realizaron cirugías, tratamientos médicos ni terapias ambulatorias planificadas durante el período del estudio.
- Audición y visión normales, ambas pueden corregirse
- Capaz de comprender y dar consentimiento informado.
- Capaz de entender y hablar inglés.
- Altura entre 3 pies 6 pulgadas (1,1 metros) y 6 pies 9 pulgadas (2,1 metros)
Criterios de exclusión para participantes sanos:
- Peso superior a 220 libras
- Embarazo (descartado mediante cuestionario de embarazo)
- Cualquier diagnóstico neurológico o medicamento que influya en la función cerebral.
- Antecedentes de traumatismo craneoencefálico significativo (es decir, pérdida prolongada del conocimiento,
- secuelas)
- Lesión cerebral estructural conocida
- Otras enfermedades importantes (enfermedades cardíacas, tumores malignos, trastornos mentales)
- Uso de drogas no recetadas (según lo informado por el sujeto)
- Historial de abuso de sustancias actual (excepción: se permite el uso actual de nicotina)
- Marihuana recreativa
- Demencia; depresión severa; o procedimientos neuroquirúrgicos previos
- No realizar las tareas conductuales o locomotrices.
- Prisioneros
Criterios de exclusión para participantes después de un accidente cerebrovascular:
- Peso superior a 220 libras
- Embarazo (descartado mediante cuestionario de embarazo)
- Inyección de Botox (toxina botulínica) en las extremidades inferiores dentro de los 3 meses anteriores, o planificada
- inyección durante el período de estudio.
- Historial de abuso de sustancias actual (excepción: se permite el uso actual de nicotina)
- Función cognitiva reducida
- afasia severa
- Prisioneros
- Coexistencia de otras enfermedades neurológicas (ej: (enfermedad de Parkinson, traumatismo craneoencefálico)
- lesiones, esclerosis múltiple, etc.)
- Temblores mixtos o complejos
- Artritis grave de cadera o rodilla
- Osteoporosis (según lo informado por el sujeto)
- Enfermedad médica (cardíaca, renal, hepática, oncológica) o psiquiátrica que
- interferir con los procedimientos de estudio para HD-EMG
Plan de estudios
¿Cómo está diseñado el estudio?
Detalles de diseño
- Propósito principal: Ciencia básica
- Asignación: No aleatorizado
- Modelo Intervencionista: Asignación paralela
- Enmascaramiento: Ninguno (etiqueta abierta)
Armas e Intervenciones
Grupo de participantes/brazo |
Intervención / Tratamiento |
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Experimental: Participantes sanos
Los investigadores observarán la actividad muscular de participantes sanos de ocho músculos de las extremidades inferiores durante tareas funcionales (p. ej.
movimiento monoarticular, caminar, ponerse en cuclillas, andar en bicicleta).
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Se aplicarán rejillas HD-EMG a los músculos de interés de las extremidades inferiores.
Las contracciones isométricas consistirán en aplicar torque articular para alcanzar un nivel de torque predefinido basado en la contracción voluntaria máxima del sujeto (es decir, 25%, 60%, 70%, 80%, 90%).
El participante controlará la intensidad del torque respondiendo a una biorretroalimentación que se muestra en una pantalla.
La articulación se asegurará con bandas no conformes para impedir cualquier movimiento del participante.
El orden de las articulaciones evaluadas (es decir, articulación dominante del tobillo, la rodilla o la cadera) será aleatorio.
Se aplicarán rejillas HD-EMG a los músculos de interés de las extremidades inferiores.
Las contracciones isométricas consistirán en mover una articulación para completar una serie de contracciones (10-20 contracciones) a varias velocidades (es decir, 10 grados por segundo, 30 grados por segundo, 60 grados por segundo).
La articulación se asegurará con bandas no conformes para impedir cualquier movimiento del participante.
El orden de las articulaciones evaluadas (es decir, articulación dominante del tobillo, la rodilla o la cadera) será aleatorio.
Se aplicarán rejillas HD-EMG a los músculos de interés de las extremidades inferiores.
Tareas multiarticulares (es decir,
caminar, ponerse en cuclillas, andar en bicicleta) se realizarán con una frecuencia determinada.
Se utilizará un sistema de captura de movimiento para registrar los ángulos de las articulaciones y las fuerzas de reacción del suelo simultáneamente.
Se realizará un experimento idéntico como se indica en "Contracción isométrica" con la adición de fatiga muscular inducida manteniendo repetidamente el 40% del torque muscular hasta que no se pueda mantener una contracción durante 5 segundos.
Se medirá a los participantes y se les colocará el exoesqueleto bilateral, y se confirmará un rango de movimiento suficiente para utilizar el exoesqueleto.
Se aplicarán rejillas HD-EMG a los músculos de interés de las extremidades inferiores.
El participante realizará movimientos de una sola articulación para calibrar los parámetros del decodificador.
Luego, el participante realizará actividades multiarticulares (p. ej., estar de pie, ponerse en cuclillas, caminar sobre el suelo o en una cinta, andar en bicicleta o subir escaleras) en un laboratorio de análisis de movimiento.
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Experimental: Participantes clínicos
Los investigadores observarán la actividad muscular de los participantes después del accidente cerebrovascular de ocho músculos de las extremidades inferiores durante tareas funcionales (p. ej.
movimiento monoarticular, caminar, ponerse en cuclillas, andar en bicicleta).
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Se aplicarán rejillas HD-EMG a los músculos de interés de las extremidades inferiores.
Las contracciones isométricas consistirán en aplicar torque articular para alcanzar un nivel de torque predefinido basado en la contracción voluntaria máxima del sujeto (es decir, 25%, 60%, 70%, 80%, 90%).
El participante controlará la intensidad del torque respondiendo a una biorretroalimentación que se muestra en una pantalla.
La articulación se asegurará con bandas no conformes para impedir cualquier movimiento del participante.
El orden de las articulaciones evaluadas (es decir, articulación dominante del tobillo, la rodilla o la cadera) será aleatorio.
Se aplicarán rejillas HD-EMG a los músculos de interés de las extremidades inferiores.
Las contracciones isométricas consistirán en mover una articulación para completar una serie de contracciones (10-20 contracciones) a varias velocidades (es decir, 10 grados por segundo, 30 grados por segundo, 60 grados por segundo).
La articulación se asegurará con bandas no conformes para impedir cualquier movimiento del participante.
El orden de las articulaciones evaluadas (es decir, articulación dominante del tobillo, la rodilla o la cadera) será aleatorio.
Se aplicarán rejillas HD-EMG a los músculos de interés de las extremidades inferiores.
Tareas multiarticulares (es decir,
caminar, ponerse en cuclillas, andar en bicicleta) se realizarán con una frecuencia determinada.
Se utilizará un sistema de captura de movimiento para registrar los ángulos de las articulaciones y las fuerzas de reacción del suelo simultáneamente.
Se medirá a los participantes y se les colocará el exoesqueleto bilateral, y se confirmará un rango de movimiento suficiente para utilizar el exoesqueleto.
Se aplicarán rejillas HD-EMG a los músculos de interés de las extremidades inferiores.
El participante realizará movimientos de una sola articulación para calibrar los parámetros del decodificador.
Luego, el participante realizará actividades multiarticulares (p. ej., estar de pie, ponerse en cuclillas, caminar sobre el suelo o en una cinta, andar en bicicleta o subir escaleras) en un laboratorio de análisis de movimiento.
Los sujetos pueden completar una prueba de caminata de 10 metros (10MWT) sobre el suelo o sobre una pasarela sensible a la presión, una prueba de caminata de 6 minutos (6MWT), una escala de equilibrio de Berg (BBS) y/o una evaluación de la marcha funcional (FGA).
También pueden completar step ups o sentadillas.
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¿Qué mide el estudio?
Medidas de resultado primarias
Medida de resultado |
Medida Descripción |
Periodo de tiempo |
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Cambio en la variabilidad del paso
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio en la variabilidad de la zancada al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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La variabilidad de la zancada es la relación entre la desviación estándar y la media del tiempo de zancada, expresada como porcentaje.
Una menor variabilidad indica un mejor resultado.
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Para el Experimento B, cambio en la variabilidad de la zancada al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio de cadencia
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio en la cadencia al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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La cadencia es el número total de pasos dados en un período de tiempo determinado; a menudo expresado por minuto.
Normalmente, un mayor número de pasos es un mejor resultado.
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Para el Experimento B, cambio en la cadencia al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio en la longitud del paso
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio en la longitud del paso al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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La longitud del paso es la distancia entre el punto de contacto inicial de un pie y el punto de contacto inicial del pie opuesto.
Por lo general, un paso más largo es un mejor resultado, idealmente con medidas iguales entre las extremidades izquierda y derecha.
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Para el Experimento B, cambio en la longitud del paso al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio en la longitud de la zancada
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio en la longitud de la zancada al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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La longitud de zancada es la distancia entre puntos sucesivos de contacto inicial de un mismo pie.
Las longitudes de zancada derecha e izquierda normalmente son iguales.
Por lo general, una zancada más larga es un mejor resultado, idealmente con medidas iguales entre las extremidades izquierda y derecha.
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Para el Experimento B, cambio en la longitud de la zancada al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio de tiempo de postura
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio en el tiempo de postura al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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El tiempo de postura es la cantidad de tiempo que pasa durante la fase de postura de una extremidad en un ciclo de marcha.
Incluye soporte simple y doble soporte.
El mismo tiempo de postura entre las extremidades es un mejor resultado.
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Para el Experimento B, cambio en el tiempo de postura al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio en el torque articular bilateral en el tobillo, la rodilla y la cadera.
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio en el torque articular al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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El torque articular es la suma de los torques pasivos y activos de la extremidad humana.
Los torques pasivos se producen por la tensión que se desarrolla a medida que se estira el tejido muscular, los tendones y los ligamentos.
El par activo es el par producido por los músculos.
Por lo general, un menor torque articular durante el movimiento es un mejor resultado.
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Para el Experimento B, cambio en el torque articular al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio en los niveles de impedancia entre el exoesqueleto y el participante.
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio en los niveles de impedancia al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Los investigadores compararán la impedancia (fuerza interactiva generada entre el exoesqueleto y el participante) a nivel bilateral de cadera, rodilla y tobillo con y sin asistencia de control en tiempo real del exoesqueleto.
Normalmente, una impedancia más baja es un mejor resultado ya que el movimiento del exoesqueleto y el ser humano está más sincronizado.
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Para el Experimento B, cambio en los niveles de impedancia al inicio y con robot de asistencia hasta la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio en 10WMT
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio entre el inicio y la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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La prueba de marcha de 10 metros (10MWT) es una medida clínica común de la velocidad de la marcha.
Se indicará a los participantes que caminen a su velocidad cómoda y seleccionada por ellos mismos.
Los participantes se ubicarán en la línea de salida y se les indicará que caminen la distancia completa de 10 metros mientras el terapeuta cronometra los seis metros centrales.
La distancia antes y después del recorrido cronometrado está destinada a minimizar el efecto de la aceleración y desaceleración.
El tiempo se registrará utilizando un cronómetro y se registrará hasta la centésima de segundo (por ejemplo, 2,46 segundos).
La prueba se realizará dos veces a la velocidad elegida por uno mismo con un descanso adecuado en el medio.
Se debe registrar el promedio de los dos tiempos.
Luego, se repetirá la prueba y se indicará a los participantes que caminen a su velocidad rápida pero segura.
Se aplicarán dispositivos de asistencia adecuados, aparatos ortopédicos y la cantidad mínima de asistencia física por parte del fisioterapeuta.
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Para el Experimento B, cambio entre el inicio y la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio en 6MWT
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio entre el inicio y la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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La prueba de caminata de 6 minutos (6MWT) mide la distancia que un participante puede caminar en un lugar cerrado sobre una superficie plana y dura en un período de seis minutos.
La prueba es una evaluación fiable y válida de la capacidad de ejercicio funcional y se utiliza como prueba submáxima de capacidad aeróbica y resistencia.
La prueba es a su propio ritmo.
A los participantes se les permite detenerse y descansar durante la prueba; sin embargo, el cronómetro no se detiene.
Si un participante no puede completar el tiempo, se anota el tiempo detenido y se registra el motivo de la parada prematura.
Se aplicarán dispositivos de asistencia adecuados, aparatos ortopédicos y la cantidad mínima de asistencia física por parte del fisioterapeuta.
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Para el Experimento B, cambio entre el inicio y la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio en la escala de equilibrio de Berg
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio entre el inicio y la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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La Escala de Equilibrio de Berg (BBS) es una prueba de 14 ítems, calificada en una escala ordinal de cinco puntos.
Mide el equilibrio funcional en un entorno clínico e incluye tareas estáticas y dinámicas (como sentarse, pararse, pasar de estar sentado a pararse, pararse sobre un pie, recuperar un objeto del suelo), durante las cuales los participantes deben mantener el equilibrio.
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Para el Experimento B, cambio entre el inicio y la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Cambio en FGA
Periodo de tiempo: Para el Experimento B, cambio entre el inicio y la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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La Evaluación Funcional de la Marcha (FGA) es una prueba de 10 ítems, calificada en una escala ordinal de cuatro puntos.
Una puntuación más alta indica un menor riesgo de caídas.
Mide el equilibrio dinámico y la estabilidad postural durante las tareas de caminar (como caminar rápido, caminar hacia atrás, pasar por encima de un obstáculo) en el entorno clínico.
A los pacientes se les permite usar un dispositivo de asistencia para ciertos artículos.
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Para el Experimento B, cambio entre el inicio y la finalización del participante, un promedio de 3 meses.
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Colaboradores e Investigadores
Patrocinador
Investigadores
- Investigador principal: Jose L Pons, Ph.D, Shirley Ryan Abilitylab
Fechas de registro del estudio
Fechas importantes del estudio
Inicio del estudio (Actual)
Finalización primaria (Estimado)
Finalización del estudio (Estimado)
Fechas de registro del estudio
Enviado por primera vez
Primero enviado que cumplió con los criterios de control de calidad
Publicado por primera vez (Actual)
Actualizaciones de registros de estudio
Última actualización publicada (Actual)
Última actualización enviada que cumplió con los criterios de control de calidad
Última verificación
Más información
Términos relacionados con este estudio
Palabras clave
Términos MeSH relevantes adicionales
- Trastornos cerebrovasculares
- Enfermedades Cerebrales
- Enfermedades del Sistema Nervioso Central
- Enfermedades del Sistema Nervioso
- Enfermedades Vasculares
- Enfermedades cardiovasculares
- Carrera
- Fenómenos fisiológicos musculoesqueléticos
- Fenómenos fisiológicos musculoesqueléticos y neuronales
- Contracción Muscular
- Isometric Contraction
Otros números de identificación del estudio
- STU00212191
Plan de datos de participantes individuales (IPD)
¿Planea compartir datos de participantes individuales (IPD)?
Información sobre medicamentos y dispositivos, documentos del estudio
Estudia un producto farmacéutico regulado por la FDA de EE. UU.
Estudia un producto de dispositivo regulado por la FDA de EE. UU.
producto fabricado y exportado desde los EE. UU.
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