Développement d'un contrôleur en temps réel pour estimer la performance de marche à l'aide d'un exosquelette de cheville bilatéral

Expérimental: Étude à un seul bras d'un contrôleur personnalisé d'exosquelette de cheville robotisé

Ce bras utilise un design intra-sujet avec deux méthodes d'estimation du coût métabolique par rapport à la mesure de référence du coût métabolique, où un seul participant est soumis à deux mesures distinctes. Ce design permet une comparaison directe des effets de chaque méthode (c'est-à-dire, estimation versus référence) chez le même individu, minimisant la variabilité inter-sujet et augmentant la puissance statistique de l'analyse.

Dispositif: Système de Contrôle de Couple Adaptatif pour Exosquelette de Cheville

Cette intervention utilise un exosquelette de cheville robotisé équipé d'un contrôleur adaptatif en temps réel qui ajuste le couple de flexion plantaire en fonction de la mécanique de marche de chaque participant. Contrairement aux contrôleurs d'exosquelette standard qui utilisent des niveaux d'assistance fixes ou préprogrammés, ce système emploie une optimisation en boucle fermée avec l'humain pour mettre à jour continuellement l'amplitude et le moment du couple pendant la marche sur tapis roulant. Le contrôleur intègre des estimations métaboliques, des données cinématiques et une modélisation musculosquelettique pour identifier des schémas d'assistance individualisés qui réduisent l'effort de marche et améliorent l'efficacité d'activation musculaire. Les participants réalisent plusieurs essais de marche pendant que le contrôleur modifie automatiquement l'assistance pour déterminer les paramètres personnalisés optimaux.

Fonctionnement en temps réel réussi du contrôleur d'exosquelette de cheville robotisé

La faisabilité du dispositif sera évaluée par le fonctionnement en temps réel réussi de l'exosquelette de cheville robotisé et du contrôleur adaptatif pendant la marche sur tapis roulant. La faisabilité est définie comme la capacité du contrôleur à générer, mettre à jour et appliquer en continu un couple d'assistance en temps réel sur la base des données biomécaniques et physiologiques entrantes sans défaillance du système, interruption ou arrêt lié à la sécurité. Le fonctionnement réussi sera confirmé par la fonction continue du contrôleur et l'acquisition de données synchronisée tout au long des essais de marche.

Taux métabolique net lors de la marche assistée par exosquelette mesuré par calorimétrie indirecte

La consommation nette d'oxygène (VO₂) et la production de dioxyde de carbone (VCO₂) seront mesurées pendant la marche sur tapis roulant en utilisant la calorimétrie indirecte (Cosmed K5, Cosmed USA Inc., Chicago, IL). Le taux métabolique sera calculé à l'aide d'équations standard dans des conditions de marche en régime permanent. Les mesures seront collectées à intervalles réguliers pour caractériser la demande métabolique sous différentes configurations d'assistance d'exosquelette.

Taux Métabolique Estimé Dérivé de la Modélisation Musculosquelettique de l'Espace Articulaire

Le taux métabolique estimé sera dérivé de modèles musculo-squelettiques d'espace articulaire en utilisant les données cinématiques et cinétiques collectées pendant la marche sur tapis roulant. Les estimations basées sur le modèle seront calculées pas à pas pour fournir une estimation indirecte de la demande métabolique qui peut être comparée aux mesures directes de la calorimétrie indirecte.

Activation musculaire estimée des membres inférieurs dérivée de la modélisation musculo-squelettique de l'espace articulaire

Les modèles d'activation musculaire des membres inférieurs seront estimés à l'aide de modèles musculo-squelettiques dans l'espace articulaire, basés sur des données de capture de mouvement et de forces de réaction au sol recueillies lors de la marche sur tapis roulant. Les valeurs d'activation musculaire estimées seront calculées pas à pas pour caractériser l'engagement neuromusculaire pendant la marche assistée par exosquelette.

Activation musculaire des membres inférieurs mesurée par électromyographie de surface pendant la marche

L'activation musculaire des muscles du membre inférieur (par exemple, le tibial antérieur, le gastrocnémien médial, le gastrocnémien latéral, le soléaire) sera mesurée pendant la marche sur tapis roulant à l'aide de l'électromyographie de surface (Delsys). Les signaux EMG seront collectés en continu et traités pour quantifier les schémas d'activation musculaire pendant la marche assistée par exosquelette.

Lors des essais de marche sur tapis roulant réalisés lors d'une seule visite d'étude

La convergence des paramètres du contrôleur sera évaluée lors des essais d'optimisation avec boucle humaine en évaluant les changements des paramètres de gain et de synchronisation du contrôleur au cours de séquences de marche successives. La convergence est définie comme la stabilisation des paramètres du contrôleur dans une plage prédéfinie pendant le processus d'optimisation.