Soleus-latausvaste kävelyn aikana

Osallistujat on jaettu yhteen ryhmään tässä tieteen perustutkimuksessa. Protokolla sisältää puettavan sähkökäyttöisen nilkkalaitteen ja sen ohjausalgoritmin testaamisen juoksumatolla kävelyn aikana. Robottinilkkalaite kiinnitetään osallistujan pohkeeseen ja jalkaan muovisella nilkka-jalkaortoosilla ja tarranauhalla. Robotti-nilkkalaitetta käytetään vammaisella puolella, kun vastapuoli on vapaa kävelyn aikana. Osallistuja asettaa jalan (hemipareettinen puoli) robottinilkkalaitteen päälle mukautetun ortoosikehyksen avulla. Laitteen mekaaninen nivel on kohdistettu osallistujan nilkkanivelen keskustaan. Varren kehän ympärille kierretty hihna kiinnittää osallistujan jalan nilkkalaitteeseen varmistaakseen, että mekaaninen nivel pyörittää nilkkaniveltä. Istuvuus ei saa olla epämiellyttävän tiukka, mutta riittävän tiukka estääkseen suhteellisen (epätoivotun) siirtymisen. Kaapelit on kytketty pariin sähkömoottoria, jotka kohdistavat vääntömomentin plantaarifleksion ja dorsifleksion suunnassa. Laite kerää mittauksia liitoksen kulmasta. Moottoreita säädellään nilkkanivelen kulman avulla siten, että robottilaite käyttää nilkan pyörimishäiriöitä aiheuttaen muutoksia jalkapohjalihaksen aktiivisuuteen. Nilkkalaite integroi paineanturit, jotka on sijoitettu jalkapohjan alle kantapään ja varpaan kohdalle pystysuorien maareaktiovoimien keräämiseksi.

Elektromyografiset (EMG) anturit sijoitetaan jalkapohjan ja sääriluun etulihasryhmiin. EMG-anturit liimataan bioyhteensopivalla teipillä anturien kiinnittämiseksi ihoon. EMG-aktiivisuutta vahvistetaan, kaistanpäästösuodatetaan (10-1000 Hz), otetaan näyte 3 000 Hz:llä ja tallennetaan. Tutkimuksen jäsen on käytettävissä auttamaan osallistujia asettamaan EMG-anturit. Sykettä ja verenpainetta seurataan ennen protokollan alkua. Nilkan, polven ja lonkkanivelten kinematiikka tallennetaan kahdenvälisesti puetettavilla elektrogoniometreillä. Osallistujat käyttävät turvavaljaita, jotka on kiinnitetty kannettavaan järjestelmään (ylärata ja kolmijalka) estämään putoamisen rajoittamatta liikettä. Osallistujat voivat keskeyttää kokeen välittömästi hätäpysäytyspainikkeella. Osallistujat voivat suullisesti pyytää henkilökuntaa painamaan hätäpysäytyspainiketta.

Osallistujat kävelevät itse valitsemallaan mukavalla nopealla nopeudella (esim. 3,5-4 km/h) lyhyiden juoksumattokävelyjaksojen aikana (4-6 minuuttia per ottelu). Juoksumattoa ohjataan ulkoisesti tietokoneen avulla vyön nopeuden säätämiseksi. Kävelyjakson odotetaan kestävän noin 60-90 minuuttia, jotta vältetään väsymys ja ajassa vaihtelevat muutokset lihasreaktioissa. Lämmittelyn aikana plantarflexor maksimaalinen vapaaehtoisuus (MVC) kerätään seisoma-asennossa, ja kävelykinematiikka, lihasten EMG ja maaperän reaktiovoimat kirjataan kävellessä ilman robottinilkkalaitetta.

Lämmittelyn jälkeen kävellessä juoksumatolla robottilaite päällä, nilkan kiertoja sovelletaan kehitetyn algoritmin avulla herättämään jalkapohjan kuormitusvasteen keskimyöhäisen asennon aikana. Ohjausalgoritmi soveltaa nilkan häiriöitä, jotka ovat siirtymiä nilkan luonnollisesta kinematiikasta kohdentaakseen jalkapohjan kuormitusvasteen keskimyöhäisessä asennon vaiheessa joka toinen 4-6 kävelysykliä tottumisen estämiseksi. Häiriön suuruutta, nopeutta ja ajoitusta ohjataan juoksumatolla kävellessä. Laitteen käyttämän häiriön ainutlaatuisten parametrien (suuruus ja nopeus) vuoksi putoamisriski on minimaalinen, koska sitä käytetään lyhyen ajan asennon vaiheessa lihasreaktion aiheuttamiseksi (esim. se on analoginen mekaanisen venytyksen kanssa refleksi). Tästä syystä häiriötä ei käytetä ohjaamaan tai avustamaan nilkan liikettä, millä on suuri vaikutus kävelyn kinematiikkaan. Asennon häiriöikkunan ulkopuolella nilkan ohjaus on kytketty pois päältä.

Jokaiselle askeljaksolle on mahdollista vain kaksi ehtoa. Osallistuja on joko häiriöttömässä tai häiriintymättömässä tilassa. Häiriintyneiden askeljaksojen aikana osallistujalla on nilkkalaite yllään ja se käyttää voimaa muuttaakseen nilkka-jalkaliikettä (eli laite aktivoituu). Häiritsemättömien askeljaksojen aikana osallistuja käyttää nilkkalaitetta, mutta se ei kohdista voimaa muuttaakseen nilkka-jalkaliikettä (eli laite on passiivinen eikä aktiivinen).

Kävelyjakso koostuu 4–5 kävelykierroksesta, joissa sekoittuvat ja häiritsemättömät kävelyvaiheet (kunnes kerätään tietoja noin 30 häiriöttömästä ja häiriöttömästä askeleesta kävelyä kohti), jolloin vähintään yksi häiriötön askel jää ennen häiriintynyttä askelta. Otteluiden välissä on taukoja.

Tutkimusryhmä seuraa jatkuvasti osallistujaa kävelyistunnon aikana ja pyytää suullisesti palautetta osallistujan mukavuuden ja turvallisuuden varmistamiseksi. Automaattiset ja manuaaliset ohjelmistosuojat on asetettu pysäyttämään istunnon, jos suorituskyky ylittää turvallisen/halutun nopeus- tai vääntömomenttialueen. Kävelyjakso päätetään jäähdytyksellä, jossa mitataan nivelen kinematiikkaa, lihasten EMG:tä ja propulsiokävelyä ilman laitetta. Kokeiden päätyttyä puettavat anturit poistetaan varovasti kehosta. Opintohenkilökunta auttaa osallistujaa nilkkalaitteen irrotuksessa.

Tutkimukseen osallistuu yksi ryhmä, johon osallistuu 15 henkilöä, joilla ei ole tunnettuja neurologisia sairauksia tai ortopedisia vammoja. Pohjan EMG:n muutoksia verrataan häiriintyneiden ja häiriintymättömien kävelyaskeleiden välillä kävelyistunnon aikana. Ensisijaisen mittauksen (soleus EMG-vasteen) osalta häiriöttömän ja häiriintyneen EMG:n välinen ero arvioidaan Studentin t-testillä. Otoskoko työkykyisille henkilöille mahdollistaa arvioinnin kaksipuolisella 95 %:n luottamustasolla. kukin ainoan EMG-vaste häiriöön 5,4 %:n virhemarginaalin sisällä häiritsemätön EMG. Tämä laskelma perustuu aikaisempaan tutkimukseen, jossa ryhmäanalyysi s.d. 0,87 %:n muutos (% häiriintymätön EMG) havaittiin jalkapohjan EMG:ssä vasteena 1 asteen nivelen liikehäiriöille keskimyöhäisen asennon aikana (eli jalkapohjan EMG:n vaihtelu liittyy lineaarisesti nopeuteen ja /tai häiriöiden amplitudi). Samanlainen s.d. oletetaan ehdotetulle tutkimukselle, jonka otoskoko on N = 15 työkykyistä henkilöä. Lisäksi tutkitaan viiden osallistujan otoskokoa, joilla on hemipareesi ja aivohalvauksen aiheuttamat kävelyvajeet. Tarkoituksena on tutkia ehdotettujen algoritmien ja laitteen toteutettavuutta jalkapohjan kuormitusvasteen herättämiseksi. Koska aivohalvauksen jälkeisiä osallistujia koskevia tietoja ei ole saatavilla, s.d. muutos % häiriintymätön jalkapohja EMG:tä ei voida määrittää ennen testien suorittamista henkilöillä aivohalvauksen jälkeen. Tästä syystä tämä pilottitutkimus tarjoaa alustavia tuloksia jalkapohjan EMG:n karakterisoimiseksi johtuen ihmisissä aivohalvauksen jälkeisistä häiriöistä.