Az emberi boka mozgási szándékának ultrahangos képalkotáson alapuló érzékelése és szabályozási stratégiák a boka segítéséhez

A tanulmány legfeljebb 20 olyan személyt vesz fel, akiknek nincs neuromuszkuláris betegségük, és 5 olyan személyt, akik nem teljes gerincvelősérülésben (iSCI) vagy transzverzális myelitisben szenvednek, akik 18-64 évesek. A kutatási tevékenységek átlagosan 8 kísérleti ülést foglalnak magukban. Az ülések 8-nál több vagy kevesebb alkalomból állnak, attól függően, hogy a téma elérhető, elegendő adat van-e az elemzéshez, vagy több adatot kell beszerezni az elemzéshez. Az első cél az izommozgások és az izom elektromos aktivitásának (sEMG) ultrahangos méréseinek vizsgálata az emberi bokaízületben keletkező akaratlagos mozgás vagy nyomaték előrejelzése érdekében. Az akaratlagos mozgás vagy nyomaték alapján funkcionális elektromos stimulációt (FES) alkalmaznak a bokaizmok mesterséges stimulálására, vagy egy motoros boka exoskeleton segítségével további segítséget nyújtanak a bokaízületnél. A FES elektródákat az alsó végtag bőrfelületén megfelelő helyekre kell elhelyezni úgy, hogy a legoptimálisabb mozgást érjük el.

1. feladattípus: Önkéntes ülő állapotú feladatok külső segítség nélkül és segítségével.

1. munkamenet: Önkéntes boka fel és boka lefelé mozgás FES nélkül. Egy pár sEMG érzékelő kerül a résztvevő alsó lábszárának mellső és hátsó izmaira kétoldalas szalagon keresztül. Egy pár amerikai képalkotó jelátalakítót csatlakoztatnak ugyanahhoz az alsó lábszár első és hátsó izmához, hogy leképezzék az izom tevékenységét a bokaízület fel-le mozgása során. A szárhoz és a lábfejhez egy pár mozgásérzékelőt rögzítenek a bokaízület szöghelyzetének és sebességének mérésére. Egy erőérzékelőt helyeznek el a láb talpa és egy merev lapos platform közé, amely méri a kölcsönhatási erőt a boka felfelé és lefelé irányuló mozgása során. Az USA képalkotó mérései, az sEMG érzékelők elektromos jelei, az erőérzékelő érintkezési erői, valamint a mozgásérzékelő és a kamera mérései egyszerre kerülnek gyűjtésre. Az adatok a résztvevő egyik vagy mindkét lábáról gyűjthetők.

2. munkamenet: A boka önkéntes oldalirányú mozgása belül és kívül FES nélkül. A 2. foglalkozás során a résztvevő oldalról oldalra bokamozgásokat hajt végre. Hasonló képzési eljárást írnak elő, mint az 1. szakaszban, a tényleges kísérletek előtt. A résztvevő lábához és lábfejéhez rögzített szenzorok (ugyanaz, mint az 1. ülésben) több mérést is végeznek a boka oldalirányú mozgása során. Mind az 1., mind a 2. munkamenetben minden mozgásirányban (fel, le, belül és kívül) 10 ismételt kísérletet hajtanak végre, és mindegyik próba 10 percig tart, beleértve az edzést, az adatgyűjtést, az adatmentést és a pihenőidőt. hogy elkerüljük az izomfáradtságot. Egy-egy ülés körülbelül 4 óráig tarthat.

3. munkamenet: Segéd boka fel és le mozgás a FES-sel. Az 1. munkamenetben említetthez hasonló konfiguráció kerül alkalmazásra ebben a munkamenetben. Ezenkívül a FES-t a boka felfelé vagy lefelé történő vezérlésére fogják használni, visszacsatolásként az Egyesült Államok képalkotó mérései alapján. A FES rendszerben a boka felfelé irányuló mozgáshoz a negatív elektródát az elülső izom izomhasára helyezik, míg a pozitív elektródát a száron lefelé. A boka lefelé irányuló mozgásához két nagy elektródát használnak, amelyek lehetővé teszik az egész hátizom aktiválását. Ezeket az elektródákat egy elektromos stimulátorhoz csatlakoztatják, amelyet számítógépes szoftver vezérel. Mind a boka felfelé, mind a boka lefelé irányuló mozgásához alacsony áramú hullámformát használnak 100-400 mikroszekundumos impulzusszélességgel és 20-40 Hz-es frekvenciával. Az áram tartománya 0-60 mA között lesz. A használatra meghatározott impulzus időtartama semmilyen esetben sem haladja meg a 400 mikromásodperces felső határt. A résztvevőknél használt stimulációs paramétereket minden kísérleti alkalomhoz dokumentálni kell, és a stimulációs paraméterekben az ülés során bekövetkezett változásokat is rögzíteni kell.

4. munkamenet: A boka oldalirányú mozgása a FES rendszerrel belül és kívül. A 2. munkamenetben említetthez hasonló konfiguráció kerül alkalmazásra ebben a munkamenetben. A FES-t az izmok mesterséges stimulálására és a boka oldalirányú mozgásának szabályozására fogják használni, befelé vagy kifelé, visszacsatolásként felhasználva az amerikai képalkotó méréseket. Mind a belső, mind a külső helyzetekben a boka oldalirányú mozgása esetén ugyanazok a FES paraméterek és modulációs módszer lesznek megvalósítva, mint a 3. munkamenetben leírtak. A kísérleti eljárások során az USA képalkotó alapú mérések, valamint a mozgási és kameramérések egyidejű gyűjtése történik. Az adatok a résztvevők egyik vagy mindkét lábáról gyűjthetők. Mind a 3., mind a 4. munkamenetben minden mozgásirányban (fel, le, belül és kívül) 10 ismételt kísérletet hajtanak végre, és mindegyik próba 10 percig tart, beleértve az edzést, az adatgyűjtést, az adatmentést és a pihenőidőt. hogy elkerüljük az izomfáradtságot. Egy-egy ülés körülbelül 4 óráig tarthat. A résztvevőt felkérhetik, hogy jöjjön vissza, ha az elemzés során az ülés során szerzett adatokat nem találják kielégítőnek. A következő látogatásra a résztvevő kényelmének megfelelően kerül sor, és legalább 24 óra elteltével az 1. és 2., valamint 72 óra elteltével a 3. és 4.

2. feladattípus: Önkéntes dinamikus gyaloglási feladatok futópadon külső segítség nélkül és külső segítséggel 5. foglalkozás: Dinamikus gyaloglási feladat FES vagy boka exoskeleton nélkül. Az 1. feladattípus 1. és 3. munkamenetéhez hasonlóan az sEMG érzékelők és az ultrahang képalkotó jelátalakítók az elülső és a hátsó száron ugyanazokhoz a pozíciókhoz lesznek rögzítve, amelyeket már említettünk. Több fényvisszaverő markert rögzítenek az alany alsó végtagjaihoz, hogy a mozgásrögzítő rendszeren alapuló kinematikai adatokat mérjék. Az 5. edzés során a résztvevőt arra kérik, hogy 30 másodpercig álljon egy helyben a futópadon két hasított övvel. Az egyes övek alatti erőérzékelők az öv és a résztvevő talpa közötti talajreakciós erő mérésére szolgálnak majd, ezzel egyidejűleg a statikus álló testhelyzetben is gyűjtik az sEMG jeleket és az alsó lábizmok ultrahangos képét. . Ezután a résztvevőt arra kérik, hogy sétáljon a futópadon 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 és 1,5 m/s sebességgel. Minden sebességnél az első 5 perc séta bemelegítésként szolgál, hogy a résztvevő megszokja a hordható járásmintát. A bemelegítés után a következő 2 percben minden járási sebességnél szinkronban és egyidejűleg rögzítésre kerül a talajreakció erő, az sEMG jelek és az alsó lábizmok ultrahangos képalkotása, valamint a reflektív markerek koordinátái.

6. munkamenet: Dinamikus gyaloglási feladat FES-sel vagy boka-exoskeletonnal, de nincs rásegítés. Az 1. munkamenetben leírt beállításon kívül a FES elektródákat az elülső szárizomra, a boka külső vázát pedig a hátsó szárra helyezik. Az 5. munkamenetben említett adatgyűjtés szintén szerepelni fog. Ezen a foglalkozáson nem lesz stimuláció a résztvevő vázizmokon, és nincs erő a boka exoskeleton motorja számára.

7. foglalkozás: Dinamikus gyaloglási feladat FES-sel vagy boka exoskeletonnal, régi irányítási megközelítés alapján. A kísérleti elrendezés és az eljárások ugyanazok maradnak, mint a 2. foglalkozásnál. A járásdinamikai feladat során a motoros FES és a boka exoskeleton segítségével a lábujj fel és lábujj le mozdulatokhoz segítséget nyújtanak az emberi mozgási szándéknak megfelelően, egy jellemzően más publikációkban alkalmazott ellenőrzési megközelítést. A 2 perces adatgyűjtési időtartam mindegyike során az sEMG jeleket valós időben gyűjtik és dolgozzák fel a FES vagy a boka exoskeleton rendszerének vezérlése érdekében. Ezenkívül szinkronban és egyidejűleg gyűjtik az ultrahangos képalkotás idősorát az elülső és hátsó szárizmokból, a reflektív markerek koordinátáit, a talajreakció erejét, a FES áram amplitúdóját vagy impulzusszélességét, valamint az exoskeleton motor nyomatékát.

8. munkamenet: Dinamikus gyaloglási feladat FES-sel vagy boka exoskeletonnal, az asszisztens vezérlési megközelítés alapján, ultrahangos képalkotás és sEMG kombinációval. A kísérleti beállítások és eljárások ugyanazok maradnak, mint a 7. munkamenetben. Az egyetlen különbség az, hogy a régi vezérlési megközelítést felváltja az újonnan javasolt, szükség szerint segítő vezérlési megközelítés, az ultrahang képalkotás és az sEMG jelek fésülésével. Az adatgyűjtés ugyanaz marad, mint a 7. munkamenetnél. A 2. szakasz 5-8. edzései között minden sebesség alatt 7 perc gyaloglás után 10 perc pihenőt biztosítunk. Egy-egy munkamenet akár 4 óráig is tarthat, beleértve a mozgásrögzítő rendszer kalibrálását és az eszközök beállítását körülbelül 45 percig, valamint a futópadon végzett sétakísérleteket körülbelül 3 órán keresztül. A résztvevőt felkérhetik, hogy jöjjön vissza, ha az elemzés során az ülés során szerzett adatokat nem találják kielégítőnek. A következő látogatás a résztvevő számára megfelelő időpontban, de legalább 72 óra elteltével történik. Ezen túlmenően biztonsági okokból a 3., 4., 7. és 8. munkamenetben egy biztonsági leállítás gombot adunk hozzá a résztvevő számára a kísérlet leállításához, ha a résztvevő le akarja állítani a kísérletet, vagy ha kényelmetlenül érzi magát a kísérlet során. .

iSCI-ben vagy transzverzális myelitisben szenvedő résztvevők: Mielőtt a résztvevő készen állna a vizsgálatban való részvételre, a résztvevőket felkérik, hogy töltsenek ki néhány kérdőívet, amelyek demográfiai információkat és kórtörténetüket gyűjtik össze. A résztvevő fizikális vizsgálaton is részt vesz. A fizikális vizsgálatot Dr. Christine Cleveland, a Chapel Hill-i járóbeteg-rehabilitációs klinika orvosa fogja befejezni. A fizikális vizsgálat és az anamnézis lapok kitöltése 60 percet vesz igénybe. A fizikális vizsgálat érzékszervi vizsgálatból áll (ahol a résztvevőt megkérik, hogy csukja be a szemét, és számoljon be arról, hogy a résztvevő érez-e könnyű érintést, például vattacsomót, és képes-e megkülönböztetni az éles és tompa érzést. szenzáció), valamint egy motoros vizsga (ahol a vizsgálók megvizsgálják, hogy a résztvevő képes-e mozgatni karját és lábát). A vizsgálók a résztvevő pulzusszámát és vérnyomását is mérik. Terhesség esetén a résztvevő alkalmatlanná válik a vizsgálatban való részvételre, és meg kell szakítania a vizsgálatot. A nyomozók átvizsgálják a FES-re adott érzékenységet vagy választ. Ennek a tesztnek az a célja, hogy a résztvevő megtapasztalhassa a FES-t, és a tapasztalatok alapján eldöntse, hogy a stimuláció tolerálható-e, és a résztvevő hajlandó-e részt venni a vizsgálatban. A résztvevő alsó végtag izmára tesztstimulációs tréninget alkalmaznak. A résztvevő bármikor leállíthatja ezt a tesztet, és megtagadhatja a további részvételt. Ha a résztvevő fájdalomtapasztalat nélkül reagál a FES-re, és részt kíván venni ebben a vizsgálatban, a vizsgálók a tényleges vizsgálat megkezdése előtt felveszik a kapcsolatot a résztvevő orvosával, hogy orvosi engedélyt kapjanak és ellenőrizzék a résztvevő sérülési szintjét. A vizsgálatban való részvétel előtt a résztvevőnek be kell szereznie egy aláírt orvosi engedélyt az orvosától. Miután megkapta az orvos engedélyét a vizsgálatban való részvételre, és ha a résztvevő jogosult (kérje meg Nitin Sharma-t vagy a kutatócsoport tagját, hogy adjon át a résztvevőnek egy alkalmassági ellenőrzőlistát az S csoporthoz), és úgy dönt, hogy részt vesz ebben a vizsgálatban, a résztvevő meg kell kérni, hogy az első látogatás alkalmával jöjjön el a PI laboratóriumába és a BME járáslaborjába, hogy kitöltse a hozzájárulási űrlapot.