Metodi di modellazione, ottimizzazione e controllo per un esoscheletro ambulante ibrido personalizzato

Le attività di ricerca prevedono l'uso della stimolazione elettrica funzionale (FES) controllata da computer e dell'ortesi motorizzata elettrica (esoscheletro motorizzato) per generare movimenti funzionali degli arti inferiori per; cioè, in piedi e camminando. Gli algoritmi controllati dal computer riceveranno feedback da sensori come encoder ottici, celle di carico, resistori sensibili alla forza e unità di misurazione inerziale che sono o saranno integrate nell'ortesi o questi algoritmi di feedback saranno combinati con algoritmi ottimizzati precalcolati basati sulla stima modello muscoloscheletrico di un partecipante. Algoritmi informatici multipli saranno progettati per coordinare FES con motori elettrici e altri componenti del dispositivo di deambulazione per riprodurre o ripristinare i movimenti in piedi e di deambulazione. Lo studio prevede la convalida di algoritmi informatici per stimare e controllare i movimenti di deambulazione e seduta/in piedi. Il deambulatore motorizzato Rifton E-Pacer, le stampelle per le braccia, le barre parallele o un deambulatore convenzionale possono essere utilizzati per aiutare a indossare e togliere il sistema esoscheletro, stare in piedi e camminare per tutti i soggetti, in qualsiasi momento durante la sperimentazione, per tutto il tempo come ritenuto necessario dagli obiettivi sperimentali. L'uso dell'E-Pacer o di un deambulatore dovrebbe migliorare la sicurezza dell'esperimento e ridurre lo sforzo fisico complessivo del soggetto perché riduce il carico sul corpo del soggetto. I movimenti di seduta/in piedi e/o di camminata saranno suscitati dalla piattaforma ibrida che combina un esoscheletro motorizzato e un sistema FES. L'esoscheletro motorizzato può fornire l'azionamento articolare delle articolazioni dell'anca e del ginocchio di un partecipante. Il sistema FES può stimolare i quadricipiti, i muscoli posteriori della coscia, i glutei e i muscoli della caviglia. Gli elettrodi per la stimolazione vengono posizionati sulla pelle in punti che consentono un movimento ottimale degli arti. Gli algoritmi sono progettati in modo tale che la stimolazione di diversi muscoli sia coordinata per raggiungere la deambulazione e/o la posizione seduta/in piedi. Un precedente esperimento verrà eseguito su un partecipante del Gruppo B prima che venga testato sul Gruppo A. A differenza dei partecipanti paraplegici (Gruppo A), se il dispositivo dovesse guastarsi o agire inaspettatamente le persone senza disabilità (Gruppo B) potranno intervenire. Pertanto, testare prima il dispositivo su persone senza disabilità ci consentirà di valutare ulteriormente e affrontare eventuali rischi prima di testare su persone con LM, che non sono in grado di intervenire con il dispositivo. Tutte le sessioni per i partecipanti del gruppo A saranno eseguite sotto la supervisione di un fisioterapista. Il terapista assisterà anche i partecipanti del gruppo A nel trasferirli dalle loro sedie a rotelle a un tavolo imbottito per sedersi, se necessario, o all'esoscheletro. Il partecipante del gruppo A sarà inoltre supportato da un sistema di sbilanciamento del corpo per evitare cadute durante la posizione eretta e la deambulazione. Prima di ogni esperimento che coinvolge la stimolazione elettrica, verranno registrate la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna di un partecipante. I terapisti aiuteranno anche i partecipanti a trasferirli dalle loro sedie a rotelle al lettino terapeutico. Un partecipante o un individuo che utilizza il dispositivo avvierà il movimento a piedi e/o in piedi. Un partecipante può interrompere i movimenti se non si sente a suo agio o non è sicuro utilizzando un pulsante di arresto di sicurezza, che gli verrà dato. Durante queste sessioni i partecipanti indosseranno un cardiofrequenzimetro per assicurarsi di non sovraccaricarsi e in modo che possano essere concessi periodi di riposo sufficienti. La frequenza cardiaca dei partecipanti verrà controllata prima e dopo ogni prova da un individuo che conduce gli esperimenti. La scala Borg verrà somministrata al Gruppo A per verificare il loro livello di sforzo. Le sedute verranno interrotte secondo i limiti prescritti dalla scala Borg (vedi criteri di interruzione nella sezione rischi). Si prega di notare che per tutti gli esperimenti descritti, è richiesto un minimo di 1-2 giorni tra le visite per la sperimentazione. Queste attività sono suddivise in Aim 1 e Aim 2. Si prega di notare che gli Obiettivi 1-2 non sono sequenziali. Obiettivo 1: suscitare movimenti seduti/in piedi e deambulazione utilizzando un esoscheletro potenziato ottimizzato e l'assistenza della stimolazione elettrica funzionale (FES). L'obiettivo di questo obiettivo è convalidare sperimentalmente un controller ottimale che alloca il contributo di FES e esoscheletro sulla base di un modello specifico di persona di un partecipante. Il controller produrrà movimenti degli arti inferiori nelle persone senza disabilità e nelle persone con lesioni del midollo spinale. Il gruppo A e il gruppo B parteciperanno a circa 20 sessioni. Il numero di sessioni è approssimativo e può superare questo numero e non esiste un numero limite di sessioni che vieterà un'ulteriore partecipazione. La durata della sessione sarà fino a 4 ore, al massimo. Le durate delle sessioni sono approssimative e possono essere superiori o inferiori a quelle specificate. Il numero totale di sessioni può superare di poche sessioni per alcuni partecipanti a causa di dati sperimentali tecnici o errati imprevisti. Questi esperimenti saranno condotti nel Laboratorio di controllo neuromuscolare e robotica (NCRL) o presso la clinica di riabilitazione ambulatoriale a Chapel-Hill gestita dal ricercatore principale. Questi esperimenti sono divisi in 2 compiti. Attività 1: Visite iniziali per familiarizzazione, formazione e identificazione del modello. Le visite di familiarizzazione e formazione ci consentiranno di personalizzare e ottimizzare l'esoscheletro della camminata ibrida per ogni individuo partecipante. Per questo compito i partecipanti visiteranno il NCRL per circa 3 sessioni. Queste sessioni non dureranno più di 4 ore. Le durate delle sessioni sono approssimative e possono essere superiori o inferiori a quelle specificate. Il numero totale di sessioni può superare di poche sessioni per alcuni partecipanti a causa di dati sperimentali tecnici o errati imprevisti. Nella prima visita, verranno apportate modifiche al dispositivo ibrido per adattare il dispositivo al partecipante. In queste visite, gli obiettivi sono addestrarli per i trasferimenti da seduti a in piedi ed eseguire movimenti di deambulazione con il dispositivo di deambulazione ibrido. Algoritmi controllati dal computer verranno utilizzati per eseguire movimenti da seduto a in piedi, in piedi da seduto e per camminare. Gli esperimenti di identificazione del modello per trovare i parametri del modello per ogni individuo possono essere eseguiti durante la formazione iniziale e gli studi di familiarizzazione. Questi esperimenti di identificazione del modello possono essere condotti mentre un partecipante si siede/sta in piedi o cammina nel dispositivo di deambulazione ibrido. Una volta identificati i parametri specifici del soggetto, verrà derivato o ottimizzato un algoritmo di deambulazione e/o in piedi che coordina FES con l'esoscheletro potenziato utilizzando ottimizzazioni dinamiche offline. Compito 2: Validazione di un algoritmo seduto/in piedi e/o camminando. Dopo le visite iniziali (Task 1), verrà testato l'algoritmo per camminare e/o stare in piedi. L'algoritmo è un programma per computer che prende informazioni sensoriali da diversi sensori come codificatori ottici, unità di misura inerziali e sensori di contatto del tallone integrati nel sistema di deambulazione ibrido per coordinare in modo ottimale FES e motori elettrici dell'esoscheletro alimentato. L'algoritmo sarà validato sperimentalmente su ciascun partecipante in circa 7 sessioni. Ogni sessione durerà non più di 4 ore, che include il tempo per stare in piedi, camminare, i periodi di riposo, il tempo necessario per regolare il tutore e il tempo necessario per aggiornare il codice del computer, se necessario. Tieni presente che il numero di sessioni e la durata sono stime e sono soggette a modifiche in base alle condizioni dell'esperimento. Un sistema di motion capture può anche essere utilizzato per misurare gli angoli articolari in modo che le caratteristiche dell'andatura spaziotemporale possano essere confrontate con l'andatura normale di un soggetto di controllo sano. I dati sull'andatura registrati verranno utilizzati anche per valutare le prestazioni dei sistemi di controllo del dispositivo e per mostrare come l'andatura dell'utente cambia nel tempo man mano che diventa più a suo agio con l'utilizzo del dispositivo. Queste sessioni possono essere registrate in modo da illustrare l'applicazione e l'efficacia del dispositivo. Obiettivo 2: integrare il feedback basato sugli ultrasuoni per controllare un esoscheletro ibrido. Gli obiettivi di questo obiettivo sono indagare se l'imaging ecografico può essere utilizzato come strumento per misurare l'affaticamento muscolare indotto dalla FES e utilizzare ulteriormente i segnali derivati ​​​​dagli Stati Uniti per ottimizzare la FES e l'assistenza dell'esoscheletro. Il primo obiettivo di questo obiettivo è sviluppare un modello di fatica basato sugli ultrasuoni per indicare l'inizio della fatica muscolare. Il secondo obiettivo è utilizzare il modello di fatica basato sugli ultrasuoni in un algoritmo che coordini il controllo di FES e del motore elettrico durante le attività da seduti a in piedi, a piedi e in piedi a seduti. Gli individui del gruppo A e del gruppo B parteciperanno a questo scopo. Parteciperanno a circa 10 sessioni di non più di 4 ore ciascuna. Il numero totale di sessioni può essere maggiore o minore di 10 a causa di dati sperimentali tecnici o errati imprevisti o se il partecipante lascia lo studio. Questi esperimenti saranno condotti in NCRL o presso la clinica di riabilitazione ambulatoriale a Chapel-Hill. Compito 1: Sviluppo di misure di affaticamento e recupero dei muscoli delle gambe basate su immagini ecografiche. Verrà seguito un protocollo di stimolazione che produca affaticamento muscolare. L'affaticamento muscolare è definito come una diminuzione percentuale della coppia isometrica generata dalla FES del muscolo quadricipite. Poiché il declino della coppia isometrica potrebbe differire nei diversi partecipanti, verrà utilizzato un protocollo di stimolazione comune per tutti i partecipanti. Questo sarà fatto durante circa due sessioni che dureranno ciascuna non più di 4 ore. Le durate delle sessioni sono approssimative e possono essere superiori o inferiori a quelle specificate. Il numero totale di sessioni può superare di poche sessioni per alcuni partecipanti a causa di dati sperimentali tecnici imprevisti o errati. Saranno raccolti sia gli ultrasuoni (utilizzando la sonda di imaging posizionata tra gli elettrodi) che i dati di coppia (dal sensore di carico). Un trasduttore a ultrasuoni commerciale portatile (trasduttore clinico da 5-20 MHz) collegato a un sistema a ultrasuoni commerciale (S-Sharp Corporation, Taiwan) posizionato contro la pelle.Un gel caldo viene applicato sulla pelle per aiutare con l'imaging. Tutti i parametri di imaging a ultrasuoni, inclusi intensità e frame rate, ecc. sono al di sotto delle linee guida di sicurezza per l'imaging clinico a ultrasuoni (valori IM inferiori a 1,9). Dopo questi esperimenti, i dati degli ultrasuoni elaborati saranno correlati con la coppia misurata per determinare le misure di fatica e recupero. Compito 2: Incorporazione del modello di fatica basato sugli ultrasuoni in un algoritmo di allocazione del controllo. Le misure di affaticamento e recupero basate sull'ecografia possono essere utilizzate per prevedere l'insorgenza dell'affaticamento muscolare. Gli studi sperimentali saranno condotti su (Gruppo A) e (Gruppo B) in 2 sessioni della durata massima di 4 ore ciascuna. Le durate delle sessioni sono approssimative e possono essere superiori o inferiori a quelle specificate. Il numero totale di sessioni può superare di poche sessioni per alcuni partecipanti a causa di dati sperimentali tecnici imprevisti o errati. Gli algoritmi nell'attività 2 dell'obiettivo 1 saranno modificati per incorporare le misure di fatica e recupero basate sugli ultrasuoni. Osservazione sui parametri di stimolazione da utilizzare per gli obiettivi sopra menzionati: Un range normale di stimolazione da utilizzare nei nostri studi è: ampiezza dell'impulso 100-400 microsecondi; Frequenza: 20-100Hz; Corrente 0-100 mA. Generalmente durante l'esperimento, la corrente viene modulata automaticamente (o in alcuni casi manualmente) partendo da 0 mA fino al valore richiesto per raggiungere un compito. Ciò si ottiene mediante segnali di feedback al sistema di controllo che comunica con lo stimolatore. Il sistema di controllo non consente alla corrente di superare il suo limite massimo. L'ampiezza e la frequenza dell'impulso sono generalmente mantenute costanti. I parametri di stimolazione utilizzati per ciascun partecipante saranno documentati per ogni sessione sperimentale e verranno registrati anche eventuali cambiamenti nei parametri di stimolazione durante una sessione.