Detección basada en imágenes de ultrasonido de la intención de movimiento del tobillo humano y estrategias de control para la asistencia del tobillo

El estudio reclutará hasta 20 personas sin enfermedades neuromusculares y 5 personas con lesión medular incompleta (iSCI) o mielitis transversa, que tengan entre 18 y 64 años para los experimentos. Las actividades de investigación incluyen un promedio de 8 sesiones experimentales. Las sesiones pueden ser más o menos de 8 sesiones dependiendo de la disponibilidad de los sujetos, datos suficientes para el análisis o necesidad de obtener más datos para el análisis. El primer objetivo es investigar las mediciones de ultrasonido de los movimientos musculares y la actividad eléctrica muscular (sEMG) para predecir el movimiento voluntario o el par producido en la articulación del tobillo humano. Con base en el movimiento voluntario o torsión, se usará estimulación eléctrica funcional (FES) para estimular artificialmente los músculos del tobillo o se usará un exoesqueleto de tobillo motorizado para brindar asistencia adicional en la articulación del tobillo. Los electrodos FES se colocarán en lugares apropiados en la superficie de la piel de la extremidad inferior de modo que se obtenga el movimiento más óptimo.

Tarea Tipo 1: Tareas voluntarias en estado sentado sin y con asistencia externa.

Sesión 1: Movimiento voluntario de tobillo arriba y tobillo abajo sin FES. Se colocará un par de sensores sEMG en los músculos delanteros y traseros de la parte inferior de la pierna del participante a través de cintas de doble cara. Un par de transductores de imágenes ecográficas se conectarán a los mismos músculos delanteros y traseros de la parte inferior de la pierna para obtener imágenes de las actividades del músculo durante el movimiento hacia arriba y hacia abajo de la articulación del tobillo. Se conectará un par de sensores de movimiento al vástago y al pie para medir la posición angular y la velocidad de la articulación del tobillo. Se colocará un sensor de fuerza entre la planta del pie y una plataforma plana rígida para medir la fuerza de interacción durante el movimiento del tobillo hacia arriba y hacia abajo. Las mediciones de imágenes de EE. UU., las señales eléctricas de los sensores sEMG, la fuerza de contacto del sensor de fuerza y ​​las mediciones del sensor de movimiento y la cámara se recopilarán simultáneamente. Los datos se pueden recopilar de una o ambas piernas de un participante.

Sesión 2: Movimiento lateral de tobillo voluntario hacia adentro y afuera sin FES. Durante la sesión 2, el participante realizará movimientos de tobillo de lado a lado. Se prescribirá un procedimiento de entrenamiento similar, como en la sesión 1, antes de los experimentos reales. Se obtendrán múltiples mediciones de los sensores (igual que en la sesión 1) conectados a la pierna y el pie del participante durante el movimiento del tobillo de lado a lado. Tanto en la sesión 1 como en la sesión 2, para cada dirección de movimiento (arriba, abajo, adentro y afuera), se realizarán 10 pruebas repetidas y cada prueba durará 10 minutos, incluido el entrenamiento, la recopilación de datos, el almacenamiento de datos y el período de descanso. para evitar la fatiga muscular. Cada sesión puede durar aproximadamente hasta 4 horas.

Sesión 3: Movimiento asistido de tobillo arriba y abajo con el FES. En esta sesión se aplicará una configuración similar a la mencionada en la sesión 1. Además, el FES se utilizará para controlar el movimiento del tobillo hacia arriba o hacia abajo tomando las mediciones basadas en imágenes de EE. UU. como retroalimentación. En el sistema FES, para el movimiento del tobillo hacia arriba, el electrodo negativo se colocará sobre el vientre del músculo frontal, mientras que el electrodo positivo se colocará más abajo en la espinilla. Para el movimiento del tobillo hacia abajo, se utilizarán dos electrodos grandes para permitir la activación de todos los músculos de la espalda. Estos electrodos se conectarán a un estimulador eléctrico, que se controla a través de un software informático. Tanto para el movimiento del tobillo hacia arriba como hacia abajo, se utilizará una forma de onda de baja corriente con un ancho de pulso de 100-400 microsegundos y una frecuencia de 20-40 Hz. El rango de corriente estará entre 0-60 mA. En todos los casos, la duración del pulso definida para su uso no excederá el límite superior de 400 microsegundos. Los parámetros de estimulación utilizados para un participante se documentarán para cada sesión experimental y también se registrará cualquier cambio en los parámetros de estimulación durante una sesión.

Sesión 4: Movimiento lateral asistido del tobillo hacia adentro y hacia afuera con el sistema FES. En esta sesión se aplicará una configuración similar a la mencionada en la sesión 2. El FES se utilizará para estimular artificialmente los músculos y controlar el movimiento lateral del tobillo hacia adentro o hacia afuera tomando las mediciones basadas en imágenes de EE. UU. como retroalimentación. Tanto para el movimiento del lado del tobillo hacia adentro como hacia afuera, se implementarán los mismos parámetros FES y método de modulación como se describe en la sesión 3. Durante los procedimientos del experimento, las mediciones basadas en imágenes de EE. UU. y las mediciones de movimiento y cámara se recopilarán simultáneamente. Los datos se pueden recopilar de una o ambas piernas de los participantes. Tanto en la sesión 3 como en la sesión 4, para cada dirección de movimiento (arriba, abajo, adentro y afuera), se realizarán 10 pruebas repetidas y cada prueba durará 10 minutos, incluido el entrenamiento, la recopilación de datos, el almacenamiento de datos y el período de descanso. para evitar la fatiga muscular. Cada sesión puede durar aproximadamente hasta 4 horas. Se le puede pedir al participante que regrese si los datos obtenidos durante una sesión no son satisfactorios durante el análisis. La siguiente visita se realizará a conveniencia del participante y como mínimo pasadas 24 horas para la sesión 1 y 2, así como 72 horas para la sesión 3 y 4.

Tarea Tipo 2: Tareas voluntarias de marcha dinámica en cinta sin y con asistencia externa Sesión 5: Tarea de marcha dinámica sin FES ni exoesqueleto de tobillo. De manera similar a la sesión 1 y la sesión 3 en la tarea tipo 1, los sensores sEMG y los transductores de imágenes por ultrasonido se colocarán en las mismas posiciones en el vástago frontal y posterior que se mencionaron anteriormente. Se colocarán múltiples marcadores reflectantes en las extremidades inferiores del sujeto para medir los datos cinemáticos basados ​​en un sistema de captura de movimiento. Durante la sesión 5, se le pedirá al participante que se quede quieto durante 30 segundos en la cinta de correr con dos cinturones divididos. Los sensores de fuerza debajo de cada cinturón se utilizarán para medir la fuerza de reacción del suelo entre el cinturón y las plantas de los pies del participante y, al mismo tiempo, las señales sEMG y las imágenes de ultrasonido de los músculos de la parte inferior de la pierna también se recopilarán durante la postura estática de pie. . Luego se le pedirá al participante que camine en la caminadora a 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 y 1,5 m/s. Para cada velocidad, los primeros 5 minutos de caminata se darán como calentamiento para que el participante se acostumbre al patrón de caminata con el dispositivo portátil. Después del calentamiento, en los siguientes 2 minutos para cada velocidad de caminata, la fuerza de reacción del suelo, las señales sEMG y las imágenes de ultrasonido de los músculos de la parte inferior de la pierna, y las coordenadas de los marcadores reflectantes se registrarán sincrónica y simultáneamente.

Sesión 6: Tarea de marcha dinámica con FES o exoesqueleto de tobillo pero sin asistencia eléctrica. Aparte de la configuración descrita en la sesión 1, los electrodos FES se colocarán en el músculo de la pierna delantera y el exoesqueleto del tobillo se colocará en la pierna trasera. También se incluirá la misma recopilación de datos que se mencionó en la sesión 5. En esta sesión, no habrá estimulación en los músculos esqueléticos del participante ni energía para el motor del exoesqueleto del tobillo.

Sesión 7: Tarea de marcha dinámica con FES o exoesqueleto de tobillo basada en un enfoque de control antiguo. La configuración y los procedimientos experimentales se mantendrán iguales a los mencionados en la sesión 2. Durante la tarea dinámica de caminar, el FES motorizado y el exoesqueleto de tobillo se utilizarán para proporcionar asistencia para los movimientos de los dedos del pie hacia arriba y hacia abajo de acuerdo con la intención del movimiento humano en base a un predominantemente enfoque de control aplicado en otras publicaciones. A lo largo de cada uno de los 2 minutos de duración de la recopilación de datos, las señales sEMG se recopilarán y procesarán en tiempo real para controlar el FES o el sistema de exoesqueleto de tobillo. Además, la secuencia de tiempo de las imágenes de ultrasonido de los músculos de la pierna delantera y trasera, las coordenadas de los marcadores reflectantes, la fuerza de reacción del suelo, la amplitud de la corriente FES o el ancho del pulso y el par motor del exoesqueleto se recopilarán de forma sincrónica y simultánea.

Sesión 8: Tarea de marcha dinámica con FES o exoesqueleto de tobillo basada en el enfoque de control de asistencia según sea necesario mediante la combinación de imágenes de ultrasonido y sEMG. La configuración y los procedimientos experimentales se mantendrán iguales a los mencionados en la sesión 7. La única diferencia es que el antiguo enfoque de control se reemplazará por el nuevo enfoque de control de asistencia según sea necesario mediante la combinación de imágenes de ultrasonido y señales sEMG. La recopilación de datos seguirá siendo la misma que en la sesión 7. Entre las sesiones 5-8 del tramo 2, tras 7 minutos de marcha a cada velocidad, se facilitará un descanso de 10 minutos. Cada sesión puede durar hasta 4 horas, incluida la calibración del sistema de captura de movimiento y la configuración de los dispositivos alrededor de 45 minutos, y los experimentos de caminata en la cinta de correr alrededor de 3 horas. Se le puede pedir al participante que regrese si los datos obtenidos durante una sesión no son satisfactorios durante el análisis. La próxima visita se realizará a conveniencia del participante y al menos después de 72 horas. Además, por motivos de seguridad, para las sesiones 3, 4, 7 y 8, se agregará un botón de parada de seguridad para que el participante detenga el experimento cuando quiera detener los experimentos o cuando se sienta incómodo durante el experimento. .

Para participantes con iSCI o mielitis transversa: antes de que el participante esté listo para participar en este estudio, se les pedirá que completen algunos cuestionarios que recopilarán información demográfica y su historial médico. El participante también participará en un examen físico. El examen físico lo completará la Dra. Christine Cleveland, médica de la clínica de rehabilitación para pacientes ambulatorios en Chapel Hill. El examen físico y el llenado de formularios de historial médico tomarán 60 minutos. El examen físico consistirá en un examen sensorial (donde se le pedirá al participante que cierre los ojos e informe si el participante siente una sensación de tacto leve, como una bola de algodón, y si el participante es capaz de discriminar un sonido agudo y sordo). sensación), y un examen motor (donde los investigadores examinarán la capacidad del participante para mover sus brazos y piernas). Los investigadores también tomarán la frecuencia cardíaca y la presión arterial del participante. En caso de embarazo, la participante dejará de ser elegible para participar en el estudio y deberá interrumpir el estudio. Los investigadores evaluarán para verificar la sensibilidad o la respuesta a FES. El propósito de esta prueba es permitir que el participante experimente FES y, en función de la experiencia, decidir si la estimulación es tolerable y si el participante está dispuesto a participar en el estudio. Se aplicará un tren de estimulación de prueba al músculo del miembro inferior del participante. El participante puede detener esta prueba en cualquier momento y negarse a seguir participando. Si el participante responde a FES sin experimentar dolor y desea participar en este estudio, los investigadores se comunicarán con el médico del participante para obtener una autorización médica y verificación del nivel de lesión del participante, antes de comenzar el estudio real. El participante deberá obtener un formulario de autorización médica firmado por su médico antes de participar en el estudio. Al recibir la autorización del médico para participar en este estudio y si el participante es elegible (pídale a Nitin Sharma o al miembro del equipo de investigación que le dé al participante una lista de verificación de elegibilidad para el Grupo S) y elija participar en este estudio, el participante se le pedirá que venga al laboratorio del PI y al laboratorio de marcha de BME para completar el formulario de consentimiento durante la primera visita.