Ultraäänikuvaukseen perustuva ihmisen nilkan liikkeen aistiminen ja nilkan avun ohjausstrategiat

Tutkimukseen rekrytoidaan kokeisiin enintään 20 henkilöä, joilla ei ole hermo-lihassairauksia, ja 5 henkilöä, joilla on epätäydellinen selkäydinvamma (iSCI) tai transversaalinen myeliitti, jotka ovat iältään 18-64 vuotta. Tutkimustoimintaan kuuluu keskimäärin 8 kokeellista istuntoa. Istunnot voivat olla enemmän tai vähemmän kuin 8 istuntoa riippuen aiheen saatavuudesta, riittävästä datasta analysointia varten tai tarpeesta saada lisää dataa analyysiä varten. Ensimmäinen tavoite on tutkia ultraäänimittauksia lihasten liikkeistä ja lihasten sähköisestä aktiivisuudesta (sEMG), jotta voidaan ennustaa ihmisen nilkkanivelessä muodostuva tahdonvoimainen liike tai vääntömomentti. Vapaaehtoisen liikkeen tai vääntömomentin perusteella käytetään funktionaalista sähköstimulaatiota (FES) nilkan lihaksien keinotekoiseen stimulointiin tai nilkan ulkopuolista tukirankaa käytetään lisäapua nilkan nivelessä. FES-elektrodit sijoitetaan sopiviin paikkoihin alaraajan ihon pinnalle siten, että saavutetaan optimaalinen liike.

Tehtävätyyppi 1: Vapaaehtoiset istumistilan tehtävät ilman ulkopuolista apua ja ilman ulkopuolista apua.

Jakso 1: Vapaaehtoinen nilkka ylös ja nilkka alas liike ilman FES. Kaksi sEMG-anturia sijoitetaan osallistujan säären etu- ja takalihaksiin kaksipuolisten teippien avulla. Pari yhdysvaltalaista kuvantamisanturia kiinnitetään samoihin säären etu- ja takalihakseen kuvaamaan lihaksen toimintaa nilkkanivelen ylös- ja alaspäin liikkeen aikana. Varteen ja jalkaan kiinnitetään pari liikeanturia nilkkanivelen kulma-asennon ja nopeuden mittaamiseksi. Jalkapohjan ja jäykän tasaisen alustan väliin sijoitetaan voima-anturi, joka mittaa vuorovaikutusvoimaa nilkan ylös- ja alaspäin liikkeen aikana. USA:n kuvantamismittaukset, sEMG-antureiden sähköiset signaalit, voimaanturin kosketusvoima sekä liikeanturin ja kameran mittaukset kerätään samanaikaisesti. Tiedot voidaan kerätä osallistujan toisesta tai molemmista jaloista.

Harjoitus 2: Vapaaehtoinen nilkan sivuliike sisään ja ulos ilman FES:ää. Istunnon 2 aikana osallistuja tekee sivulta toiselle nilkkaliikkeitä. Samanlainen koulutusmenettely, kuten istunnossa 1, määrätään ennen varsinaisia ​​kokeita. Osallistujan jalkaan ja jalkaterään kiinnitetyistä antureista (sama kuin istunnossa 1) saadaan useita mittauksia nilkan sivuttaisliikkeen aikana. Sekä istunnossa 1 että istunnossa 2 kullekin liikesuunnalle (ylös, alas, sisällä ja ulkopuolella) suoritetaan 10 toistettua koetta, ja jokainen kokeilu kestää 10 minuuttia, mukaan lukien harjoitus, tiedonkeruu, tietojen tallentaminen ja lepojakso. lihasväsymyksen välttämiseksi. Jokainen istunto voi kestää noin 4 tuntia.

Harjoitus 3: Avustava nilkan liike ylös ja alas FES:llä. Tässä istunnossa käytetään samanlaista kokoonpanoa kuin istunnossa 1. Lisäksi FES:ää käytetään ohjaamaan nilkan liikettä ylös- tai alaspäin ottamalla USA:n kuvantamispohjaiset mittaukset palautteena. FES-järjestelmässä nilkan ylöspäin suuntautuvaa liikettä varten negatiivinen elektrodi asetetaan etulihaksen lihasvatsan päälle, kun taas positiivinen elektrodi sijoitetaan alemmas varren varresta. Nilkka alaspäin suuntautuvassa liikkeessä käytetään kahta suurta elektrodia, jotka mahdollistavat koko selkälihasten aktivoinnin. Nämä elektrodit liitetään sähköiseen stimulaattoriin, jota ohjataan tietokoneohjelmistolla. Sekä nilkka ylös- että alaspäin liikkeessä käytetään matalan virran aaltomuotoa 100-400 mikrosekunnin pulssinleveydellä ja 20-40 Hz taajuudella. Virta-alue on 0-60 mA. Kaikissa tapauksissa käyttöön määritetty pulssin kesto ei ylitä 400 mikrosekunnin ylärajaa. Osallistujalle käytetyt stimulaatioparametrit dokumentoidaan jokaisessa kokeellisessa istunnossa, ja myös stimulaatioparametrien muutokset istunnon aikana tallennetaan.

Harjoitus 4: Avustava nilkan sivuliike sisään ja ulos FES-järjestelmän avulla. Tässä istunnossa käytetään samanlaista kokoonpanoa kuin istunnossa 2. FES:ää käytetään keinotekoisesti stimuloimaan lihaksia ja ohjaamaan nilkan sivuliikettä sisä- tai ulospäin ottamalla palautetta USA:n kuvantamispohjaisista mittauksista. Sekä nilkan puoleisessa liikkeessä sisä- että ulkopuolisia tilanteita varten toteutetaan samat FES-parametrit ja modulaatiomenetelmä, kuten istunnossa 3 on kuvattu. Kokeilun aikana kerätään samanaikaisesti USA:n kuvantamispohjaisia ​​mittauksia sekä liike- ja kameramittauksia. Tiedot voidaan kerätä toiselta tai molemmilta osallistujien jaloista. Sekä istunnossa 3 että istunnossa 4 kullekin liikesuunnalle (ylös, alas, sisällä ja ulkopuolella) suoritetaan 10 toistettua koetta, ja jokainen kokeilu kestää 10 minuuttia, mukaan lukien harjoitus, tiedonkeruu, tietojen tallentaminen ja lepojakso. lihasväsymyksen välttämiseksi. Jokainen istunto voi kestää noin 4 tuntia. Osallistujaa voidaan pyytää palaamaan, jos istunnon aikana saadut tiedot eivät ole analyysin aikana tyydyttäviä. Seuraava käynti suoritetaan osallistujalle sopivaan aikaan ja vähintään 24 tunnin kuluttua istunnoissa 1 ja 2 sekä 72 tunnin kuluttua istunnoissa 3 ja 4.

Tehtävätyyppi 2: Vapaaehtoiset dynaamiset kävelytehtävät juoksumatolla ilman ulkopuolista apua ja ulkopuolisen avun kanssa Harjoitus 5: Dynaaminen kävelytehtävä ilman FES:ää tai nilkan eksoskeletonia. Samoin kuin istunto 1 ja istunto 3 Task Type 1:ssä, sEMG-anturit ja ultraäänikuvaanturit kiinnitetään samoihin paikkoihin etu- ja takavarressa, jotka mainittiin edellä. Kohteen alaraajoihin kiinnitetään useita heijastavia merkkejä kinemaattisten tietojen mittaamiseksi liikkeensieppausjärjestelmän perusteella. Istunnon 5 aikana osallistujaa pyydetään seisomaan paikallaan 30 sekuntia juoksumatolla, jossa on kaksi jaettua vyötä. Kunkin vyön alla olevilla voima-antureilla mitataan vyön ja osallistujan jalkapohjien välistä maareaktiovoimaa, ja samalla kerätään sEMG-signaalit ja säärelihasten ultraäänikuvaus myös staattisen seisoma-asennon aikana. . Sitten osallistujaa pyydetään kävelemään juoksumatolla nopeuksilla 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 ja 1,5 m/s. Jokaisella nopeudella ensimmäiset 5 minuuttia kävelyä annetaan lämmittelynä, jotta osallistuja tottuu kävelykuvioon puettavien vaatteiden kanssa. Lämmittelyn jälkeen seuraavien 2 minuutin aikana kullekin kävelynopeudelle tallennetaan synkronisesti ja samanaikaisesti maareaktiovoima, sEMG-signaalit ja säären lihasten ultraäänikuvaus sekä heijastusmerkkien koordinaatit.

Jakso 6: Dynaaminen kävelytehtävä FES:llä tai nilkan eksoskeletonilla, mutta ilman sähköistä apua. Istunnossa 1 kuvatun asennuksen lisäksi FES-elektrodit sijoitetaan varren etulihakseen ja nilkan eksoskeleton takavarteen. Mukana on myös sama tiedonkeruu, joka mainittiin istunnossa 5. Tässä istunnossa osallistujan luurankolihaksia ei stimuloida eikä nilkan eksoskeleton moottorille saada voimaa.

Jakso 7: Dynaaminen kävelytehtävä FES:llä tai nilkan eksoskeletonilla, joka perustuu vanhaan ohjaustapaan. Kokeellinen asetelma ja menettelytavat säilyvät samoina kuin istunnossa 2. Kävelydynaamisen tehtävän aikana moottorikäyttöistä FES:ää ja nilkan eksoskeletonia käytetään auttamaan varpaiden ylös- ja alas-liikkeissä ihmisen liikeaikeen mukaisesti. soveltanut valvontamenetelmää muissa julkaisuissa. Jokaisen kahden minuutin tiedonkeruun aikana sEMG-signaalit kerätään ja käsitellään reaaliajassa FES- tai nilkan eksoskeletonjärjestelmän ohjaamiseksi. Lisäksi kerätään synkronisesti ja samanaikaisesti varren etu- ja takalihasten ultraäänikuvauksen aikasekvenssi, heijastavien merkkien koordinaatit, maareaktiovoima, FES-virran amplitudi tai pulssin leveys sekä eksoskeleton moottorin vääntömomentti.

Session 8: Dynaaminen kävelytehtävä FES:llä tai nilkan eksoskeletonilla, joka perustuu tarvittaessa avustavaan ohjausmenetelmään ultraäänikuvauksen ja sEMG:n yhdistelmällä. Kokeelliset asetukset ja menetelmät säilyvät samoina kuin istunnossa 7. Ainoa ero on, että vanha ohjaustapa korvataan äskettäin ehdotetulla avustettavalla ohjausmenetelmällä yhdistämällä ultraäänikuvausta ja sEMG-signaaleja. Tiedonkeruu pysyy samana kuin istunnossa 7. Osan 2 harjoituksissa 5-8 7 minuutin kävelyn jälkeen kullakin nopeudella annetaan 10 minuutin lepoaika. Jokainen istunto voi kestää jopa 4 tuntia, mukaan lukien liikkeensieppausjärjestelmän kalibrointi ja laitteiden asetukset noin 45 minuuttia ja kävelykokeet juoksumatolla noin 3 tuntia. Osallistujaa voidaan pyytää palaamaan, jos istunnon aikana saadut tiedot eivät ole analyysin aikana tyydyttäviä. Seuraava käynti tehdään osallistujalle sopivaan aikaan ja vähintään 72 tunnin kuluttua. Lisäksi istuntoihin 3, 4, 7 ja 8 lisätään turvallisuussyistä turvapysäytyspainike, jolla osallistuja voi keskeyttää kokeen aina, kun osallistuja haluaa keskeyttää kokeen tai osallistuja tuntee olonsa epämukavaksi kokeen aikana. .

Osallistujille, joilla on iSCI tai transversaalinen myeliitti: Ennen kuin osallistuja on valmis osallistumaan tähän tutkimukseen, osallistujia pyydetään täyttämään muutama kyselylomake, jotka keräävät väestötietoja ja heidän sairaushistoriansa. Osallistuja osallistuu myös fyysiseen tarkastukseen. Fyysisen tutkimuksen suorittaa tohtori Christine Cleveland, Chapel Hillin avohoitokuntoutusklinikan lääkäri. Fyysinen tarkastus ja sairaushistorialomakkeiden täyttö kestää 60 minuuttia. Fyysinen tarkastus koostuu aistinvaraisesta tutkimuksesta (jossa osallistujaa pyydetään sulkemaan silmänsä ja raportoimaan, tunteeko osallistuja kevyen kosketuksen, kuten vanupallon ja pystyykö osallistuja erottamaan terävän ja tylsän tunteen. tunne) ja motorinen tutkimus (jossa tutkijat tutkivat osallistujan kykyä liikuttaa käsiään ja jalkojaan). Tutkijat mittaavat myös osallistujan sykkeen ja verenpaineen. Raskauden sattuessa osallistuja ei voi osallistua tutkimukseen ja hänen on keskeytettävä tutkimus. Tutkijat tarkistavat herkkyyden tai vasteen FES:lle. Tämän testin tarkoituksena on antaa osallistujalle mahdollisuus kokea FES ja kokemuksen perusteella päättää, onko stimulaatio siedettävää ja onko osallistuja halukas osallistumaan tutkimukseen. Testistimulaatiota käytetään osallistujan alaraajan lihakseen. Osallistuja voi keskeyttää tämän testin milloin tahansa ja kieltäytyä osallistumasta jatkossa. Jos osallistuja reagoi FES:iin ilman kipukokemusta ja haluaa osallistua tähän tutkimukseen, tutkijat ottavat yhteyttä osallistujan lääkäriin saadakseen lääketieteellisen selvityksen ja varmentaakseen osallistujan vammatason ennen varsinaisen tutkimuksen aloittamista. Osallistujan tulee hankkia allekirjoitettu lääkärintodistus lääkäriltään ennen tutkimukseen osallistumista. Saatuaan lääkärin luvan osallistua tähän tutkimukseen ja jos osallistuja on kelvollinen (pyydä Nitin Sharmaa tai tutkimusryhmän jäsentä antamaan osallistujalle ryhmän S kelpoisuuden tarkistuslista) ja hän päättää osallistua tähän tutkimukseen, hän pyydetään tulemaan PI:n laboratorioon ja BME:n kävelylaboratorioon täyttämään suostumuslomake ensimmäisen käynnin aikana.