Modélisation, optimisation et méthodes de contrôle d'un exosquelette marcheur hybride personnalisé

Les activités de recherche impliquent l'utilisation de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) contrôlée par ordinateur et d'une orthèse à moteur électrique (exosquelette motorisé) pour générer des mouvements fonctionnels des membres inférieurs pour ; c'est-à-dire debout et en marchant. Les algorithmes contrôlés par ordinateur obtiendront un retour de capteurs tels que des encodeurs optiques, des cellules de charge, des résistances sensibles à la force et des unités de mesure inertielle qui sont ou seront intégrés dans l'orthèse ou ces algorithmes de retour seront combinés avec des algorithmes optimisés précalculés basés sur l'estimation modèle musculo-squelettique d'un participant. Plusieurs algorithmes informatiques seront conçus pour coordonner la FES avec les moteurs électriques et d'autres composants de l'appareil de marche afin de reproduire ou de restaurer les mouvements debout et de marche. L'étude implique la validation d'algorithmes informatiques pour estimer et contrôler les mouvements de marche et d'assise/debout. Le déambulateur motorisé Rifton E-Pacer, les béquilles à bras, les barres parallèles ou un déambulateur conventionnel peuvent être utilisés pour aider à enfiler et à retirer le système d'exosquelette, à se tenir debout et à marcher pour tous les sujets, à tout moment pendant l'expérimentation, aussi longtemps comme cela est jugé nécessaire par les objectifs expérimentaux. L'utilisation de l'E-Pacer ou d'un déambulateur devrait améliorer la sécurité de l'expérience et réduire l'effort physique global du sujet, car cela réduit la charge sur le corps du sujet. Les mouvements assis/debout et/ou de marche seront déclenchés par la plateforme de marche hybride qui combine un exosquelette motorisé et un système FES. L'exosquelette motorisé peut fournir un actionnement conjoint au niveau des articulations de la hanche et du genou d'un participant. Le système FES peut stimuler les quadriceps, les muscles ischio-jambiers, les fessiers et les muscles de la cheville. Les électrodes de stimulation sont placées sur la peau à des endroits qui permettent un mouvement optimal des membres. Les algorithmes sont conçus de manière à ce que la stimulation de différents muscles soit coordonnée pour obtenir la marche et/ou la position assise/debout. Une expérience précédente sera réalisée sur un participant du groupe B avant qu'elle ne soit testée sur le groupe A. Contrairement aux participants paraplégiques (groupe A), si l'appareil tombe en panne ou agit de manière inattendue, les personnes non handicapées (groupe B) pourront intervenir. Par conséquent, tester d'abord l'appareil sur des personnes non handicapées nous permettra d'évaluer et de traiter plus avant les risques avant de tester sur des personnes atteintes de SCI, qui sont incapables d'intervenir avec l'appareil. Toutes les séances pour les participants du groupe A seront effectuées sous la supervision d'un physiothérapeute. Le thérapeute aidera également les participants du groupe A à les transférer de leur fauteuil roulant à une table rembourrée pour s'asseoir si nécessaire ou à l'exosquelette. Le participant du groupe A sera également soutenu par un système d'allègement du corps pour éviter les chutes en position debout et en marchant. Avant chaque expérience impliquant une stimulation électrique, la fréquence cardiaque et la tension artérielle d'un participant seront enregistrées. Les thérapeutes aideront également les participants à les transférer de leur fauteuil roulant à la table de thérapie. Un participant ou une personne utilisant l'appareil initiera un mouvement de marche et/ou de station debout. Un participant peut arrêter les mouvements s'il ne se sent pas à l'aise ou en danger en utilisant un bouton d'arrêt de sécurité qui lui sera remis. Au cours de ces séances, les participants porteront un moniteur de fréquence cardiaque pour s'assurer qu'ils ne se surmenent pas et pour que des périodes de repos suffisantes puissent être accordées. La fréquence cardiaque des participants sera vérifiée avant et après chaque essai par une personne réalisant les expériences. L'échelle de Borg sera administrée pour le groupe A afin de vérifier leur niveau d'effort. Les séances seront arrêtées dans les limites prescrites par l'échelle de Borg (voir critères d'arrêt dans la section risques). Veuillez noter que pour toutes les expériences décrites, un minimum de 1 à 2 jours est requis entre les visites d'expérimentation. Ces activités sont divisées en Objectif 1 et Objectif 2. Veuillez noter que les Objectifs 1 et 2 ne sont pas séquentiels. Objectif 1 : Susciter des mouvements assis/debout et de marche en utilisant un exosquelette motorisé optimisé et une assistance par stimulation électrique fonctionnelle (FES). L'objectif de cet objectif est de valider expérimentalement un contrôleur optimal qui alloue la contribution du FES et de l'exosquelette sur la base d'un modèle spécifique à la personne d'un participant. Le contrôleur produira des mouvements des membres inférieurs chez les personnes non handicapées et les personnes atteintes de lésions de la moelle épinière. Le groupe A et le groupe B participeront à environ 20 sessions. Le nombre de sessions est approximatif et il peut dépasser ce nombre et il n'y a pas de nombre limite de sessions qui interdira une participation ultérieure. La durée de la session sera de 4 heures maximum. Les durées de session sont approximatives et peuvent être supérieures ou inférieures à celles spécifiées. Le nombre total de sessions peut dépasser de quelques sessions pour certains participants en raison de données expérimentales techniques ou erronées imprévues. Ces expérimentations seront conduites au Laboratoire de Contrôle Neuromusculaire et de Robotique (NCRL) ou à la Clinique Ambulatoire de Réadaptation de Chapel-Hill dirigée par le chercheur principal. Ces expériences sont divisées en 2 tâches. Tâche 1 : Visites initiales pour la familiarisation, la formation et l'identification du modèle. Des visites de familiarisation et de formation nous permettront de personnaliser et d'optimiser l'exosquelette marcheur hybride à chaque individu participant. Pour cette tâche, les participants visiteront le NCRL pour environ 3 sessions. Ces séances ne dureront pas plus de 4 heures. Les durées de session sont approximatives et peuvent être supérieures ou inférieures à celles spécifiées. Le nombre total de sessions peut dépasser de quelques sessions pour certains participants en raison de données expérimentales techniques ou erronées imprévues. Lors de la première visite, des ajustements à l'appareil hybride seront effectués pour adapter l'appareil au participant. Lors de ces visites, les objectifs sont de les entraîner aux transferts assis-debout et à effectuer des mouvements de marche avec le dispositif de marche hybride. Des algorithmes contrôlés par ordinateur seront utilisés pour effectuer des mouvements assis-debout, debout-assis et de marche. Des expériences d'identification de modèles pour trouver des paramètres de modèle pour chaque individu peuvent être menées pendant les études de formation initiale et de familiarisation. Ces expériences d'identification de modèle peuvent être menées pendant qu'un participant est assis/debout ou marche dans le dispositif de marche hybride. Une fois les paramètres spécifiques au sujet identifiés, un algorithme de marche et/ou debout qui coordonne la FES avec l'exosquelette motorisé sera dérivé ou optimisé à l'aide d'optimisations dynamiques hors ligne. Tâche 2 : Validation d'un algorithme assis/debout et/ou marchant. Après les visites initiales (Tâche 1), l'algorithme de marche et/ou de station debout sera testé. L'algorithme est un programme informatique qui prend des informations sensorielles de différents capteurs tels que des encodeurs optiques, des unités de mesure inertielle et des capteurs de contact au talon intégrés dans le système de marche hybride pour coordonner de manière optimale le FES et les moteurs électriques de l'exosquelette motorisé. L'algorithme sera validé expérimentalement sur chaque participant en 7 séances environ. Chaque session ne durera pas plus de 4 heures, ce qui comprend le temps pour effectuer la station debout, la marche, les périodes de repos, le temps nécessaire pour ajuster le corset et le temps nécessaire pour mettre à jour le code informatique si nécessaire. Notez que le nombre de sessions et la durée sont des estimations et sont susceptibles de changer en fonction des conditions de l'expérience. Un système de capture de mouvement peut également être utilisé pour mesurer les angles des articulations afin que les caractéristiques spatio-temporelles de la marche puissent être comparées à la marche normale d'un sujet témoin sain. Les données de marche enregistrées seront également utilisées pour évaluer les performances des systèmes de contrôle de l'appareil et pour montrer comment la démarche de l'utilisateur change au fil du temps à mesure qu'il se familiarise avec l'utilisation de l'appareil. Ces séances peuvent être enregistrées afin d'illustrer l'application et l'efficacité du dispositif. Objectif 2 : Intégrer la rétroaction par ultrasons pour contrôler un exosquelette hybride. Les objectifs de cet objectif sont d'étudier si l'imagerie par ultrasons peut être utilisée comme un outil pour mesurer la fatigue musculaire induite par la FES et utiliser davantage les signaux dérivés des États-Unis pour optimiser l'assistance de la FES et de l'exosquelette. Le premier objectif de cet objectif est de développer un modèle de fatigue basé sur les ultrasons pour indiquer l'apparition de la fatigue musculaire. Le deuxième objectif est d'utiliser le modèle de fatigue basé sur les ultrasons dans un algorithme qui coordonne le contrôle du FES et du moteur électrique pendant les activités assis-debout, la marche et debout-assis. Les individus du groupe A et du groupe B participeront à cet objectif. Ils participeront à environ 10 sessions de 4 heures maximum chacune. Le nombre total de sessions peut être supérieur ou inférieur à 10 en raison de données expérimentales techniques ou erronées imprévues ou si le participant quitte l'étude. Ces expériences seront menées au NCRL ou à la clinique externe de réadaptation de Chapel-Hill. Tâche 1 : Développement d'une imagerie échographique basée sur des mesures de fatigue et de récupération des muscles des jambes. Un protocole de stimulation sera suivi qui produit de la fatigue musculaire. La fatigue musculaire est définie comme une certaine diminution en pourcentage du couple isométrique généré par la SEF du muscle quadriceps. Étant donné que la baisse du couple isométrique peut différer selon les participants, un protocole de stimulation commun sera utilisé pour tous les participants. Cela se fera au cours d'environ deux séances qui ne dureront pas plus de 4 heures chacune. Les durées de session sont approximatives et peuvent être supérieures ou inférieures à celles spécifiées. Le nombre total de sessions peut dépasser de quelques sessions pour certains participants en raison de données expérimentales techniques ou erronées imprévues. Les ultrasons (à l'aide de la sonde d'imagerie placée entre les électrodes) et les données de couple (du capteur de charge) seront collectés. Un transducteur à ultrasons commercial portatif (transducteur clinique de 5 à 20 MHz) connecté à un système à ultrasons commercial (S-Sharp Corporation, Taiwan) placé contre la peau.Un gel chaud est appliqué sur la peau pour faciliter l'imagerie. Tous les paramètres d'imagerie ultrasonore, y compris l'intensité et les fréquences d'images, etc., sont inférieurs aux directives de sécurité pour l'imagerie échographique clinique (valeurs MI inférieures à 1,9). Après ces expériences, les données ultrasonores traitées seront corrélées avec le couple mesuré pour déterminer les mesures de fatigue et de récupération. Tâche 2 : Intégration du modèle de fatigue basé sur les ultrasons dans un algorithme d'allocation de contrôle. Les mesures de fatigue et de récupération basées sur l'imagerie par ultrasons peuvent être utilisées pour prédire l'apparition de la fatigue musculaire. Les études expérimentales seront menées sur (Groupe A) et (Groupe B) sur 2 séances d'une durée maximale de 4 heures chacune. Les durées de session sont approximatives et peuvent être supérieures ou inférieures à celles spécifiées. Le nombre total de sessions peut dépasser de quelques sessions pour certains participants en raison de données expérimentales techniques ou erronées imprévues. Les algorithmes de la tâche 2 du but 1 seront modifiés pour intégrer les mesures de fatigue et de récupération basées sur les ultrasons. Remarque sur les paramètres de stimulation à utiliser dans les objectifs susmentionnés : Une plage normale de stimulation à utiliser dans nos études est : largeur d'impulsion 100-400 microsecondes ; Fréquence : 20-100 Hz ; Courant 0-100 mA. Généralement pendant l'expérience, le courant est automatiquement modulé (ou dans certains cas manuellement) à partir de 0 mA jusqu'à la valeur requise pour accomplir une tâche. Ceci est réalisé par des signaux de retour vers le système de contrôle qui communique avec le stimulateur. Le système de contrôle ne permet pas au courant de dépasser sa limite maximale. La largeur d'impulsion et la fréquence sont généralement maintenues constantes. Les paramètres de stimulation utilisés pour chaque participant seront documentés pour chaque session expérimentale et tout changement dans les paramètres de stimulation au cours d'une session sera également enregistré.