Détection basée sur l'imagerie par ultrasons de l'intention de mouvement de la cheville humaine et stratégies de contrôle pour l'assistance de la cheville

L'étude recrutera jusqu'à 20 personnes sans aucune maladie neuromusculaire et 5 personnes atteintes d'une lésion incomplète de la moelle épinière (iSCI) ou d'une myélite transverse, âgées de 18 à 64 ans pour des expériences. Les activités de recherche comprennent en moyenne 8 sessions expérimentales. Les sessions peuvent être plus ou moins de 8 sessions en fonction de la disponibilité des sujets, des données suffisantes pour l'analyse ou de la nécessité d'obtenir plus de données pour l'analyse. Le premier objectif est d'étudier les mesures ultrasonores des mouvements musculaires et de l'activité électrique musculaire (sEMG) pour prédire le mouvement volontaire ou le couple produit au niveau de l'articulation de la cheville humaine. Sur la base du mouvement volontaire ou du couple, une stimulation électrique fonctionnelle (FES) sera utilisée pour stimuler artificiellement les muscles de la cheville ou un exosquelette de cheville motorisé sera utilisé pour fournir une assistance supplémentaire à l'articulation de la cheville. Les électrodes FES seront placées à des endroits appropriés à la surface de la peau du membre inférieur de manière à obtenir le mouvement le plus optimal.

Type de tâche 1 : Tâches volontaires en état assis sans et avec aide extérieure.

Séance 1 : mouvement volontaire de la cheville vers le haut et vers le bas sans SEF. Une paire de capteurs sEMG sera placée sur les muscles avant et arrière de la jambe inférieure du participant à l'aide de rubans adhésifs double face. Une paire de transducteurs d'imagerie US sera attachée aux mêmes muscles avant et arrière de la partie inférieure de la jambe pour visualiser les activités musculaires pendant le mouvement de haut en bas de l'articulation de la cheville. Une paire de capteurs de mouvement sera fixée à la tige et au pied pour mesurer la position angulaire et la vitesse de l'articulation de la cheville. Un capteur de force sera placé entre la plante du pied et une plate-forme plate rigide pour mesurer la force d'interaction lors du mouvement de la cheville vers le haut et vers le bas. Les mesures d'imagerie américaines, les signaux électriques des capteurs sEMG, la force de contact du capteur de force et les mesures du capteur de mouvement et de la caméra seront collectées simultanément. Les données peuvent être collectées à partir d'une ou des deux jambes d'un participant.

Séance 2 : Mouvement latéral volontaire de la cheville vers l'intérieur et l'extérieur sans SEF. Au cours de la session 2, le participant effectuera des mouvements latéraux de la cheville. Une procédure d'entraînement similaire, comme dans la session 1, sera prescrite avant les expériences proprement dites. Plusieurs mesures des capteurs (identiques à ceux de la session 1) attachés à la jambe et au pied du participant seront obtenues pendant le mouvement de la cheville d'un côté à l'autre. Dans la session 1 et la session 2, pour chaque direction de mouvement (haut, bas, intérieur et extérieur), 10 essais répétés seront exécutés et chaque essai durera 10 minutes, y compris l'entraînement, la collecte de données, la sauvegarde des données et la période de repos. pour éviter la fatigue musculaire. Chaque session peut durer environ jusqu'à 4 heures.

Séance 3 : Mouvement d'assistance de la cheville vers le haut et vers le bas avec la FES. Une configuration similaire à celle mentionnée dans la session 1 sera appliquée dans cette session. De plus, le FES sera utilisé pour contrôler la cheville vers le haut ou vers le bas d'un mouvement en prenant les mesures basées sur l'imagerie américaine comme rétroaction. Dans le système FES, pour le mouvement de la cheville vers le haut, l'électrode négative sera placée sur le ventre musculaire du muscle avant, tandis que l'électrode positive sera placée plus bas sur la tige. Pour le mouvement de la cheville vers le bas, deux grandes électrodes seront utilisées pour permettre l'activation de l'ensemble des muscles du dos. Ces électrodes seront connectées à un stimulateur électrique, qui est contrôlé via un logiciel informatique. Pour les mouvements de cheville vers le haut et vers le bas, une forme d'onde à faible courant sera utilisée avec une largeur d'impulsion de 100 à 400 microsecondes et une fréquence de 20 à 40 Hz. La plage de courant sera comprise entre 0 et 60 mA. Dans tous les cas, la durée d'impulsion définie pour l'utilisation ne dépassera pas la limite supérieure de 400 microsecondes. Les paramètres de stimulation utilisés pour un participant seront documentés pour chaque session expérimentale et tout changement dans les paramètres de stimulation au cours d'une session sera également enregistré.

Séance 4 : Mouvement latéral d'assistance de la cheville vers l'intérieur et l'extérieur avec le système FES. Une configuration similaire à celle mentionnée dans la session 2 sera appliquée dans cette session. Le FES sera utilisé pour stimuler artificiellement les muscles et contrôler le mouvement latéral de la cheville vers l'intérieur ou vers l'extérieur en prenant les mesures basées sur l'imagerie américaine comme rétroaction. Pour les mouvements latéraux de la cheville vers l'intérieur et vers l'extérieur, les mêmes paramètres FES et la même méthode de modulation seront mis en œuvre comme décrit dans la session 3. Au cours des procédures d'expérience, les mesures basées sur l'imagerie américaine et les mesures de mouvement et de caméra seront collectées simultanément. Les données peuvent être collectées à partir d'une ou des deux jambes des participants. Dans la session 3 et la session 4, pour chaque direction de mouvement (haut, bas, intérieur et extérieur), 10 essais répétés seront exécutés et chaque essai durera 10 minutes, y compris l'entraînement, la collecte de données, la sauvegarde des données et la période de repos. pour éviter la fatigue musculaire. Chaque session peut durer environ jusqu'à 4 heures. Le participant peut être invité à revenir si les données obtenues lors d'une session ne sont pas jugées satisfaisantes lors de l'analyse. La prochaine visite se fera à la convenance du participant et au moins après 24 heures pour les sessions 1 et 2, ainsi que 72 heures pour les sessions 3 et 4.

Tâche Type 2 : Tâches de marche dynamique volontaire sur tapis roulant sans et avec aide extérieure Séance 5 : Tâche de marche dynamique sans SEF ni exosquelette de cheville. Semblable à la session 1 et à la session 3 du type de tâche 1, les capteurs sEMG et les transducteurs d'imagerie par ultrasons seront attachés aux mêmes positions sur les tiges avant et arrière mentionnées précédemment. Plusieurs marqueurs réfléchissants seront attachés aux membres inférieurs du sujet pour mesurer les données cinématiques basées sur un système de capture de mouvement. Lors de la session 5, le participant sera invité à rester immobile pendant 30 secondes sur le tapis roulant avec deux ceintures fendues. Les capteurs de force sous chaque ceinture seront utilisés pour mesurer la force de réaction au sol entre la ceinture et la plante des pieds du participant, et en même temps, les signaux sEMG et l'imagerie ultrasonore des muscles de la jambe inférieure seront également collectés pendant la posture debout statique . Ensuite, le participant sera invité à marcher sur le tapis roulant avec 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 et 1,5 m/s. Pour chaque vitesse, les 5 premières minutes de marche seront données comme échauffement pour que le participant s'habitue au schéma de marche avec le portable. Après l'échauffement, dans les 2 minutes suivantes pour chaque vitesse de marche, la force de réaction au sol, les signaux sEMG et l'imagerie ultrasonore des muscles de la jambe inférieure, ainsi que les coordonnées des marqueurs réfléchissants seront enregistrés de manière synchrone et simultanée.

Séance 6 : Tâche de marche dynamique avec FES ou exosquelette de cheville mais sans assistance motorisée. Outre la configuration décrite dans la session 1, les électrodes FES seront placées sur le muscle de la tige avant et l'exosquelette de la cheville sera placé sur la tige arrière. La même collecte de données que celle mentionnée dans la session 5 sera également incluse. Dans cette session, il n'y aura aucune stimulation des muscles squelettiques du participant et aucune puissance pour le moteur de l'exosquelette de la cheville.

Séance 7 : Tâche de marche dynamique avec FES ou exosquelette de cheville basée sur une ancienne approche de contrôle. La configuration et les procédures expérimentales resteront les mêmes que celles mentionnées dans la session 2. Au cours de la tâche dynamique de marche, le FES motorisé et l'exosquelette de la cheville seront utilisés pour fournir une assistance pour les mouvements d'orteil vers le haut et vers le bas en fonction de l'intention de mouvement humain basée sur une prédominance approche de contrôle appliquée dans d'autres publications. Tout au long de chacune des 2 minutes de collecte de données, les signaux sEMG seront collectés et traités en temps réel pour contrôler le système FES ou exosquelette de la cheville. De plus, la séquence temporelle de l'imagerie ultrasonore des muscles de la tige avant et arrière, les coordonnées des marqueurs réfléchissants, la force de réaction au sol, l'amplitude du courant FES ou la largeur d'impulsion et le couple moteur de l'exosquelette seront collectés de manière synchrone et simultanée.

Séance 8 : Tâche de marche dynamique avec FES ou exosquelette de cheville basée sur l'approche de contrôle d'assistance au besoin par imagerie échographique combinée et sEMG. La configuration et les procédures expérimentales resteront les mêmes que celles mentionnées dans la session 7. La seule différence est que l'ancienne approche de contrôle sera remplacée par la nouvelle approche de contrôle d'assistance au besoin en combinant l'imagerie ultrasonore et les signaux sEMG. La collecte de données restera la même qu'à la session 7. Parmi les séances 5 à 8 de la section 2, après 7 minutes de marche à chaque vitesse, une période de repos de 10 minutes sera prévue. Chaque session peut durer jusqu'à 4 heures, y compris l'étalonnage du système de capture de mouvement et la configuration des appareils environ 45 minutes, et les expériences de marche sur le tapis roulant environ 3 heures. Le participant peut être invité à revenir si les données obtenues lors d'une session ne sont pas jugées satisfaisantes lors de l'analyse. La prochaine visite aura lieu à la convenance du participant et au moins après 72 heures. De plus, pour des raisons de sécurité, pour les sessions 3, 4, 7 et 8, un bouton d'arrêt de sécurité sera ajouté pour que le participant arrête l'expérience chaque fois que le participant veut arrêter les expériences ou que le participant se sent mal à l'aise pendant l'expérience. .

Pour les participants atteints d'iSCI ou de myélite transverse : avant que le participant ne soit prêt à participer à cette étude, les participants seront invités à remplir quelques questionnaires qui recueilleront des informations démographiques et leurs antécédents médicaux. Le participant participera également à un examen physique. L'examen physique sera effectué par le Dr Christine Cleveland, médecin à la clinique externe de réadaptation de Chapel Hill. L'examen physique et le remplissage des formulaires d'antécédents médicaux prendront 60 minutes. L'examen physique consistera en un examen sensoriel (où il sera demandé au participant de fermer les yeux et de signaler si le participant ressent une sensation de toucher léger comme une boule de coton et si le participant est capable de distinguer un pointu et un terne sensation), et un examen moteur (où les enquêteurs examineront la capacité du participant à bouger ses bras et ses jambes). Les enquêteurs prendront également la fréquence cardiaque et la tension artérielle du participant. En cas de grossesse, la participante deviendra inéligible pour participer à l'étude et devra interrompre l'étude. Les enquêteurs effectueront un dépistage pour vérifier la sensibilité ou la réponse à la SEF. Le but de ce test est de permettre au participant de faire l'expérience de la SEF et, sur la base de l'expérience, de décider si la stimulation est tolérable et si le participant est disposé à participer à l'étude. Un train de stimulation de test sera appliqué au muscle du membre inférieur du participant. Le participant peut arrêter ce test à tout moment et refuser de continuer à participer. Si le participant répond à la FES sans ressentir de douleur et souhaite participer à cette étude, les enquêteurs contacteront le médecin du participant pour obtenir une autorisation médicale et une vérification du niveau de blessure du participant, avant de commencer l'étude proprement dite. Le participant devra obtenir un formulaire d'autorisation médicale signé par son médecin avant de participer à l'étude. Après avoir reçu l'autorisation du médecin de participer à cette étude et si le participant est éligible (veuillez demander à Nitin Sharma ou au membre de l'équipe de recherche de donner au participant une liste de contrôle d'éligibilité pour le groupe S) et choisir de participer à cette étude, le participant devra être invité à venir au laboratoire du PI et au laboratoire de marche BME pour remplir le formulaire de consentement lors de la première visite.