Mallinnus-, optimointi- ja ohjausmenetelmät personoidulle hybridikävelevän eksoskeletonille

Tutkimustoimintaan kuuluu tietokoneohjatun toiminnallisen sähköstimulaation (FES) ja sähkömoottorikäyttöisen ortoosin (powered exoskeleton) käyttö toiminnallisten alaraajojen liikkeiden tuottamiseksi; eli seisomaan ja kävelemään. Tietokoneohjatut algoritmit saavat palautetta antureilta, kuten optisista koodereista, kuormituskennoista, voimaherkistä vastuksista ja inertiamittausyksiköistä, jotka ovat tai tulevat olemaan sisäänrakennettu ortoosiin tai nämä takaisinkytkentäalgoritmit yhdistetään ennalta laskettuihin optimoituihin algoritmeihin, jotka perustuvat arvioituun arvoon. osallistujan tuki- ja liikuntaelimistön malli. Useita tietokonealgoritmeja suunnitellaan koordinoimaan FES:ää sähkömoottoreiden ja muiden kävelylaitteen komponenttien kanssa seisovien ja kävelyliikkeiden toistamiseksi tai palauttamiseksi. Tutkimukseen kuuluu tietokonealgoritmien validointi kävely- ja istuma-/seisomaliikkeiden arvioimiseksi ja hallitsemiseksi. Rifton E-Pacer moottoroitua kävelijää, käsivarsisauvoja, suuntatankoja tai tavanomaista kävelijää voidaan käyttää auttamaan eksoskeleton järjestelmän pukemista ja riisumista, seisomista ja kävelyä kaikille koehenkilöille milloin tahansa kokeen aikana niin kauan kuten kokeelliset tavoitteet katsovat tarpeelliseksi. E-Pacerin tai kävelijän käyttö parantaa kokeen turvallisuutta ja vähentää koehenkilön yleistä fyysistä rasitusta, koska se vähentää koehenkilön kehon kuormitusta. Istumis-/seisoma- ja/tai kävelyliikkeet saadaan aikaan hybridikävelyalustalla, jossa yhdistyvät moottorikäyttöinen eksoskeleton ja FES-järjestelmä. Moottorikäyttöinen eksoskeletoni voi tarjota nivelen aktivoinnin osallistujan lonkka- ja polvinivelissä. FES-järjestelmä voi stimuloida nelipäisiä, takareisilihaksia, pakaralihaksia ja nilkkalihaksia. Stimulaatioelektrodit asetetaan iholle paikkoihin, jotka tarjoavat optimaalisen raajan liikkeen. Algoritmit on suunniteltu siten, että eri lihasten stimulaatio koordinoidaan kävelyn ja/tai istumisen/seisomisen saavuttamiseksi. Ennakkokoe suoritetaan ryhmän B osallistujalle ennen kuin se testataan ryhmässä A. Toisin kuin paraplegiset osallistujat (ryhmä A), jos laite epäonnistuu tai toimii odottamattomasti, henkilöt, joilla ei ole vammaisuutta (ryhmä B), voivat puuttua asiaan. Siksi testaamalla laitetta ensin henkilöillä, joilla ei ole vammaisuutta, voimme arvioida ja käsitellä riskejä tarkemmin ennen kuin testaamme SCI-potilaita, jotka eivät pysty puuttumaan laitteeseen. Kaikki ryhmän A harjoitukset suoritetaan fysioterapeutin valvonnassa. Terapeutti auttaa myös A-ryhmän osallistujia siirtämään heidät pyörätuolistaan ​​tarvittaessa pehmustetulle pöydälle istuimia varten tai eksoskeletonille. A-ryhmän osallistujaa tukee myös vartalopunnitusjärjestelmä, joka estää kaatumisen seisomisen ja kävelyn aikana. Ennen jokaista sähköstimulaatiota sisältävää koetta osallistujan syke ja verenpaine tallennetaan. Terapeutit auttavat osallistujia myös siirtämään heidät pyörätuolistaan ​​terapiapöydälle. Osallistuja tai laitetta käyttävä henkilö aloittaa kävelyn ja/tai seisomisen. Osallistuja voi pysäyttää liikkeet, jos hän ei tunne oloaan mukavaksi tai turvattomaksi käyttämällä hänelle annettavaa turvapysäytyspainiketta. Näiden istuntojen aikana osallistujat käyttävät sykevyötä varmistaakseen, etteivät he ylikuormita itseään ja jotta he voivat antaa riittävästi lepoaikoja. Kokeita suorittava henkilö tarkistaa osallistujien sykkeen ennen jokaista koetta ja sen jälkeen. Borgin asteikkoa käytetään ryhmän A rasitustason tarkistamiseksi. Istunnot keskeytetään Borgin asteikon määräämien rajojen mukaisesti (katso lopetuskriteerit riskit-osiossa). Huomaa, että kaikissa kuvatuissa kokeissa tarvitaan vähintään 1-2 päivää kokeilukäyntien välillä. Nämä toiminnot on jaettu tavoitteeseen 1 ja tavoitteeseen 2. Huomaa, että tavoitteet 1-2 eivät ole peräkkäisiä. Tavoite 1: saada aikaan istuma-/seisoma- ja kävelyliikkeitä käyttämällä optimoitua sähköistettyä eksoskeletonia ja toiminnallista sähköstimulaatiota (FES). Tavoitteena on kokeellisesti validoida optimaalinen ohjain, joka allokoi FES:n ja eksoskeleton panoksen osallistujan henkilökohtaisen mallin perusteella. Ohjain tuottaa alaraajojen liikkeitä henkilöillä, joilla ei ole vammoja ja selkäydinvammoja. Ryhmät A ja ryhmä B osallistuvat noin 20 istuntoon. Istuntojen määrä on likimääräinen ja se voi ylittää tämän määrän, eikä istuntojen rajamäärää ole, joka estäisi osallistumisen. Istunnon kesto on enintään 4 tuntia. Istuntojen kestot ovat likimääräisiä ja ne voivat olla enemmän tai vähemmän kuin määritetty. Joidenkin osallistujien istuntojen kokonaismäärä voi ylittää muutamalla istunnolla odottamattomien teknisten tai virheellisten kokeellisten tietojen vuoksi. Nämä kokeet suoritetaan Neuromuscular Control and Robotics Laboratoryssa (NCRL) tai päätutkijan johtamassa ambulatorisessa kuntoutusklinikalla Chapel-Hillissä. Nämä kokeet on jaettu 2 tehtävään. Tehtävä 1: Ensimmäiset tutustumiskäynnit, koulutus ja mallin tunnistaminen. Tutustumis- ja koulutusvierailujen avulla voimme räätälöidä ja optimoida hybridikävelevän eksoskeleton jokaiselle osallistujalle. Tätä tehtävää varten osallistujat vierailevat NCRL:ssä noin 3 istunnon ajan. Nämä istunnot kestävät enintään 4 tuntia. Istuntojen kestot ovat likimääräisiä ja ne voivat olla enemmän tai vähemmän kuin määritetty. Joidenkin osallistujien istuntojen kokonaismäärä voi ylittää muutamalla istunnolla odottamattomien teknisten tai virheellisten kokeellisten tietojen vuoksi. Ensimmäisellä käynnillä hybridilaitteeseen tehdään säädöt niin, että laite sopii osallistujaan. Näillä vierailuilla tavoitteena on kouluttaa heitä istumaan seisomaan siirtoihin ja suorittamaan kävelyliikkeitä hybridikävelylaitteella. Tietokoneohjattuja algoritmeja käytetään istumaan seisomaan, seisomaan istumaan ja kävelyliikkeisiin. Mallintunnistuskokeita malliparametrien löytämiseksi jokaiselle yksilölle voidaan suorittaa peruskoulutuksen ja perehdyttämistutkimusten aikana. Nämä mallintunnistuskokeet voidaan suorittaa, kun osallistuja istuu/seisoi tai kävelee hybridikävelylaitteessa. Kun aihekohtaiset parametrit on tunnistettu, kävely- ja/tai seisontaalgoritmi, joka koordinoi FES:n moottorikäyttöisen eksoskeletonin kanssa, johdetaan tai optimoidaan käyttämällä offline-dynaamisia optimointeja. Tehtävä 2: Istumis-/seisoma- ja/tai kävelyalgoritmin validointi. Ensikäyntien jälkeen (tehtävä 1) testataan kävely- ja/tai seisontaalgoritmi. Algoritmi on tietokoneohjelma, joka ottaa aistinvaraista tietoa eri antureilta, kuten optisista koodereista, inertiamittausyksiköistä ja hybridikävelyjärjestelmään sisäänrakennetuista kantapään kosketusantureista koordinoimaan optimaalisesti FES- ja sähkömoottorit. Algoritmi validoidaan kokeellisesti jokaiselle osallistujalle noin 7 istunnossa. Jokainen istunto kestää enintään 4 tuntia, joka sisältää seisomisen, kävelyn, lepojaksot, tuen säätämiseen tarvittavan ajan ja tietokoneen koodin päivittämiseen tarvittavan ajan tarvittaessa. Huomaa, että istuntojen määrä ja kesto ovat arvioita ja voivat muuttua kokeilun ehtojen mukaan. Liikkeen sieppausjärjestelmää voidaan käyttää myös nivelkulmien mittaamiseen, jotta spatiotemporaalisia kävelyominaisuuksia voidaan verrata terveen kontrollihenkilön normaaliin kävelyyn. Tallennettuja kävelytietoja käytetään myös laitteen ohjausjärjestelmien suorituskyvyn arvioimiseen ja sen osoittamiseen, kuinka käyttäjän kävely muuttuu ajan myötä, kun laitteen käyttö mukautuu. Nämä istunnot voidaan tallentaa, jotta laitteen sovellus ja tehokkuus voidaan havainnollistaa. Tavoite 2: Ultraäänipohjaisen palautteen integrointi hybridi-eksoskeleton ohjaamiseen. Tavoitteena on selvittää, voidaanko ultraäänikuvausta käyttää FES:n aiheuttaman lihasväsymyksen mittaamiseen ja käyttää edelleen Yhdysvalloista peräisin olevia signaaleja FES:n ja eksoskeleton avun optimointiin. Tämän tavoitteen ensimmäinen tavoite on kehittää ultraäänipohjainen väsymysmalli osoittamaan lihasväsymyksen alkamista. Toinen tavoite on käyttää ultraäänipohjaista väsymysmallia algoritmissa, joka koordinoi FES:n ja sähkömoottorin ohjausta istumisesta seisomaan, kävelemiseen ja seisomisesta istumaan. Ryhmän A ja B-henkilöt osallistuvat tähän tavoitteeseen. He osallistuvat noin 10 istuntoon, joista jokainen kestää enintään 4 tuntia. Istuntojen kokonaismäärä voi olla enemmän tai vähemmän kuin 10 odottamattomien teknisten tai virheellisten kokeellisten tietojen vuoksi tai jos osallistuja poistuu tutkimuksesta. Nämä kokeet suoritetaan NCRL:ssä tai Chapel-Hillin avohoitokuntoutusklinikalla. Tehtävä 1: Ultraäänikuvaukseen perustuvien jalkalihasten väsymys- ja palautumismittausten kehittäminen. Noudatetaan stimulaatioprotokollaa, joka aiheuttaa lihasväsymystä. Lihasväsymys määritellään nelipäisen lihaksen FES:n tuottaman isometrisen vääntömomentin jonkin prosentin laskuna. Koska isometrisen vääntömomentin lasku voi vaihdella eri osallistujilla, kaikille osallistujille käytetään yhteistä stimulaatioprotokollaa. Tämä tehdään noin kahden istunnon aikana, joista kumpikin kestää enintään 4 tuntia. Istuntojen kestot ovat likimääräisiä ja ne voivat olla enemmän tai vähemmän kuin määritetty. Joidenkin osallistujien istuntojen kokonaismäärä voi ylittää muutamalla istunnolla odottamattomien teknisten tai virheellisten kokeellisten tietojen vuoksi. Sekä ultraääni (käyttämällä elektrodien väliin asetettua kuvantamissondia) että vääntömomenttitiedot (kuormitusanturilta) kerätään. Kädessä pidettävä kaupallinen ultraäänianturi (5-20 MHz kliininen anturi), joka on yhdistetty kaupalliseen ultraäänijärjestelmään (S-Sharp Corporation, Taiwan) asetettuna ihoa vasten.Iholle levitetään lämmintä geeliä kuvantamisen helpottamiseksi. Kaikki ultraäänikuvausparametrit, mukaan lukien intensiteetti ja kuvataajuudet jne., ovat kliinisen ultraäänikuvauksen turvallisuusohjeiden alapuolella (MI-arvot alle 1,9). Näiden kokeiden jälkeen käsitellyt ultraäänitiedot korreloidaan mitatun vääntömomentin kanssa väsymis- ja palautumistoimenpiteiden määrittämiseksi. Tehtävä 2: Ultraäänipohjaisen väsymismallin sisällyttäminen ohjauksen allokointialgoritmiin. Ultraäänikuvaukseen perustuvilla väsymys- ja palautumistoimenpiteillä voidaan ennustaa lihasväsymyksen alkamista. Kokeelliset tutkimukset suoritetaan (ryhmässä A) ja (ryhmässä B) kahdessa istunnossa, joista kumpikin kestää enintään 4 tuntia. Istuntojen kestot ovat likimääräisiä ja ne voivat olla enemmän tai vähemmän kuin määritetty. Joidenkin osallistujien istuntojen kokonaismäärä voi ylittää muutamalla istunnolla odottamattomien teknisten tai virheellisten kokeellisten tietojen vuoksi. Tavoitteen 1 tehtävän 2 algoritmeja muutetaan siten, että ne sisältävät ultraäänipohjaiset väsymys- ja palautumistoimenpiteet. Huomio edellä mainituissa tavoitteissa käytettävistä stimulaatioparametreista: Tutkimuksissamme käytettävä normaali stimulaatioalue on: pulssin leveys 100-400 mikrosekuntia; Taajuus: 20-100 Hz; Virta 0-100 mA. Yleensä kokeen aikana virtaa moduloidaan automaattisesti (tai joissain tapauksissa manuaalisesti) alkaen 0 mA:sta arvoon, joka tarvitaan tehtävän suorittamiseen. Tämä saavutetaan palautesignaaleilla ohjausjärjestelmään, joka kommunikoi stimulaattorin kanssa. Ohjausjärjestelmä ei salli virran ylittää enimmäisrajaa. Pulssinleveys ja taajuus pidetään yleensä vakiona. Jokaiselle osallistujalle käytetyt stimulaatioparametrit dokumentoidaan jokaisessa kokeellisessa istunnossa, ja myös stimulaatioparametrien muutokset istunnon aikana tallennetaan.