Rilevamento basato sull'imaging a ultrasuoni dell'intento di movimento della caviglia umana e strategie di controllo per l'assistenza alla caviglia

Lo studio recluterà fino a 20 persone senza malattie neuromuscolari e 5 persone con lesione incompleta del midollo spinale (iSCI) o mielite trasversa, di età compresa tra 18 e 64 anni per gli esperimenti. Le attività di ricerca prevedono una media di 8 sessioni sperimentali. Le sessioni possono essere più o meno di 8 sessioni a seconda della disponibilità del soggetto, dei dati sufficienti per l'analisi o della necessità di ottenere più dati per l'analisi. Il primo obiettivo è studiare le misurazioni ecografiche dei movimenti muscolari e dell'attività elettrica muscolare (sEMG) per prevedere il movimento volontario o la coppia prodotta dall'articolazione della caviglia umana. Sulla base del movimento volontario o della coppia, verrà utilizzata la stimolazione elettrica funzionale (FES) per stimolare artificialmente i muscoli della caviglia o verrà utilizzato un esoscheletro della caviglia potenziato per fornire ulteriore assistenza all'articolazione della caviglia. Gli elettrodi FES saranno posizionati in posizioni appropriate sulla superficie cutanea dell'arto inferiore in modo tale da ottenere il movimento ottimale.

Tipo di compito 1: compiti di stato di seduta volontaria senza e con assistenza esterna.

Sessione 1: movimento volontario di caviglia in su e in giù senza FES. Un paio di sensori sEMG verranno posizionati sui muscoli anteriori e posteriori della parte inferiore della gamba del partecipante attraverso nastri biadesivi. Un paio di trasduttori di imaging US saranno attaccati agli stessi muscoli anteriori e posteriori della parte inferiore della gamba per visualizzare le attività del muscolo durante il movimento su e giù dell'articolazione della caviglia. Una coppia di sensori di movimento sarà attaccata alla tibia e al piede per misurare la posizione angolare e la velocità dell'articolazione della caviglia. Un sensore di forza verrà posizionato tra la pianta del piede e una piattaforma piatta rigida per misurare la forza di interazione durante il movimento della caviglia verso l'alto e verso il basso. Le misurazioni di imaging degli Stati Uniti, i segnali elettrici dai sensori sEMG, la forza di contatto dal sensore di forza e le misurazioni del sensore di movimento e della fotocamera verranno raccolte simultaneamente. I dati possono essere raccolti da una o entrambe le gambe di un partecipante.

Sessione 2: Movimento laterale volontario della caviglia verso l'interno e verso l'esterno senza FES. Durante la sessione 2, il partecipante eseguirà movimenti laterali della caviglia. Una procedura di addestramento simile, come nella sessione 1, sarà prescritta prima degli esperimenti veri e propri. Verranno ottenute misurazioni multiple dai sensori (come nella sessione 1) attaccati alla gamba e al piede del partecipante durante il movimento laterale della caviglia. Sia nella sessione 1 che nella sessione 2, per ogni direzione di movimento (su, giù, dentro e fuori), verranno eseguite 10 prove ripetute e ogni prova durerà 10 minuti inclusi allenamento, raccolta dati, salvataggio dati e periodo di riposo per evitare l'affaticamento muscolare. Ogni sessione può durare approssimativamente fino a 4 ore.

Sessione 3: Aumento e abbassamento della caviglia con la FES. Una configurazione simile a quella menzionata nella sessione 1 verrà applicata in questa sessione. Inoltre, il FES verrà utilizzato per controllare la caviglia verso l'alto o verso il basso durante un movimento prendendo le misurazioni basate sull'imaging degli Stati Uniti come feedback. Nel sistema FES, per il movimento della caviglia in su, l'elettrodo negativo sarà posizionato sopra il ventre muscolare del muscolo anteriore, mentre l'elettrodo positivo sarà posizionato più in basso lungo la tibia. Per il movimento della caviglia, verranno utilizzati due grandi elettrodi per consentire l'attivazione di tutti i muscoli della schiena. Questi elettrodi saranno collegati a uno stimolatore elettrico, controllato tramite software per computer. Sia per il movimento alla caviglia in alto che in basso, verrà utilizzata una forma d'onda a bassa corrente con un'ampiezza dell'impulso di 100-400 microsecondi e una frequenza di 20-40 Hz. L'intervallo di corrente sarà compreso tra 0 e 60 mA. In tutti i casi, la durata dell'impulso definita per l'uso non supererà il limite superiore di 400 microsecondi. I parametri di stimolazione utilizzati per un partecipante saranno documentati per ogni sessione sperimentale e verranno registrati anche eventuali cambiamenti nei parametri di stimolazione durante una sessione.

Sessione 4: Movimento laterale assistivo della caviglia verso l'interno e verso l'esterno con il sistema FES. Una configurazione simile a quella menzionata nella sessione 2 verrà applicata in questa sessione. Il FES verrà utilizzato per stimolare artificialmente i muscoli e controllare il movimento laterale della caviglia verso l'interno o verso l'esterno prendendo le misurazioni basate sull'imaging degli Stati Uniti come feedback. Per entrambe le situazioni di movimento laterale della caviglia verso l'interno e verso l'esterno, verranno implementati gli stessi parametri FES e lo stesso metodo di modulazione come descritto nella sessione 3. Durante le procedure dell'esperimento, le misurazioni basate sull'imaging degli Stati Uniti e le misurazioni del movimento e della fotocamera saranno raccolte simultaneamente. I dati possono essere raccolti da una o entrambe le gambe dei partecipanti. Sia nella sessione 3 che nella sessione 4, per ogni direzione di movimento (su, giù, dentro e fuori), verranno eseguite 10 prove ripetute e ogni prova durerà 10 minuti inclusi allenamento, raccolta dati, salvataggio dati e periodo di riposo per evitare l'affaticamento muscolare. Ogni sessione può durare approssimativamente fino a 4 ore. Al partecipante può essere chiesto di tornare se i dati ottenuti durante una sessione non sono ritenuti soddisfacenti durante l'analisi. La visita successiva sarà condotta a piacimento del partecipante e almeno dopo 24 ore per le sessioni 1 e 2, nonché 72 ore per le sessioni 3 e 4.

Tipo di compito 2: Compiti di camminata dinamica volontaria su tapis roulant senza e con assistenza esterna Sessione 5: Compito di camminata dinamica senza FES o esoscheletro della caviglia. Analogamente alla sessione 1 e alla sessione 3 nel tipo di attività 1, i sensori sEMG e i trasduttori di imaging a ultrasuoni saranno fissati alle stesse posizioni sul gambo anteriore e posteriore menzionate in precedenza. Più marcatori riflettenti saranno attaccati agli arti inferiori del soggetto per misurare i dati cinematici basati su un sistema di motion capture. Durante la sessione 5, al partecipante verrà chiesto di stare fermo per 30 secondi sul tapis roulant con due cinghie divise. I sensori di forza sotto ciascuna cintura verranno utilizzati per misurare la forza di reazione del suolo tra la cintura e le piante dei piedi del partecipante e, allo stesso tempo, verranno raccolti anche i segnali sEMG e l'imaging ecografico dei muscoli della parte inferiore della gamba durante la postura eretta statica . Quindi al partecipante verrà chiesto di camminare sul tapis roulant con 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 e 1,5 m/s. Per ogni velocità, verranno dati i primi 5 minuti di camminata come riscaldamento affinché il partecipante si abitui allo schema di camminata con il dispositivo indossabile. Dopo il riscaldamento, nei successivi 2 minuti per ogni velocità di camminata, la forza di reazione al suolo, i segnali sEMG e l'imaging ecografico dei muscoli della parte inferiore della gamba e le coordinate dei marcatori riflettenti verranno registrati in modo sincrono e simultaneo.

Sessione 6: compito di camminata dinamica con FES o esoscheletro della caviglia ma senza assistenza elettrica. Oltre alla configurazione descritta nella sessione 1, gli elettrodi FES saranno posizionati sul muscolo della tibia anteriore e l'esoscheletro della caviglia sarà posizionato sulla tibia posteriore. Sarà inclusa anche la stessa raccolta di dati menzionata nella sessione 5. In questa sessione, non ci sarà alcuna stimolazione sui muscoli scheletrici del partecipante e nessun potere per il motore dell'esoscheletro della caviglia.

Sessione 7: Attività di camminata dinamica con FES o esoscheletro della caviglia basata su un vecchio approccio di controllo. La configurazione e le procedure sperimentali saranno mantenute le stesse menzionate nella sessione 2. Durante il compito dinamico di deambulazione, il FES potenziato e l'esoscheletro della caviglia saranno utilizzati per fornire assistenza per i movimenti della punta in alto e in basso secondo l'intento del movimento umano basato su un prevalente approccio di controllo applicato in altre pubblicazioni. Per tutta la durata della raccolta dei dati di 2 minuti, i segnali sEMG verranno raccolti ed elaborati in tempo reale per controllare il sistema FES o l'esoscheletro della caviglia. Inoltre, la sequenza temporale dell'imaging ecografico dai muscoli del gambo anteriore e posteriore, le coordinate dei marker riflettenti, la forza di reazione al suolo, l'ampiezza della corrente FES o l'ampiezza dell'impulso e la coppia del motore dell'esoscheletro saranno raccolte in modo sincrono e simultaneo.

Sessione 8: attività di deambulazione dinamica con FES o esoscheletro della caviglia basata sull'approccio di controllo assist-as-needed mediante combinazione di imaging ecografico e sEMG. L'impostazione e le procedure sperimentali saranno mantenute le stesse menzionate nella sessione 7. L'unica differenza è che il vecchio approccio di controllo sarà sostituito dal nuovo approccio di controllo assistito come necessario combinando l'imaging ecografico e i segnali sEMG. La raccolta dei dati rimarrà la stessa della sessione 7. Tra le sessioni 5-8 nella sezione 2, dopo 7 minuti di cammino a ciascuna velocità, sarà previsto un periodo di riposo di 10 minuti. Ogni sessione può durare fino a 4 ore, compresa la calibrazione del sistema di motion capture e la configurazione dei dispositivi circa 45 minuti, e gli esperimenti di camminata sul tapis roulant circa 3 ore. Al partecipante può essere chiesto di tornare se i dati ottenuti durante una sessione non sono ritenuti soddisfacenti durante l'analisi. La prossima visita sarà condotta a piacimento del partecipante e almeno dopo 72 ore. Inoltre, per motivi di sicurezza, per le sessioni 3, 4, 7 e 8, verrà aggiunto un pulsante di arresto di sicurezza per consentire al partecipante di interrompere l'esperimento ogni volta che il partecipante desidera interrompere gli esperimenti o il partecipante si sente a disagio durante l'esperimento .

Per i partecipanti con iSCI o mielite trasversa: prima che il partecipante sia pronto a partecipare a questo studio, ai partecipanti verrà chiesto di compilare alcuni questionari che raccoglieranno informazioni demografiche e la loro storia medica. Il partecipante parteciperà anche a un esame fisico. L'esame fisico sarà completato dalla dottoressa Christine Cleveland, un medico presso la clinica di riabilitazione ambulatoriale di Chapel Hill. L'esame fisico e la compilazione dei moduli di anamnesi richiederanno 60 minuti. L'esame fisico consisterà in un esame sensoriale (in cui al partecipante verrà chiesto di chiudere gli occhi e riferire se il partecipante avverte una leggera sensazione tattile come un batuffolo di cotone e se il partecipante è in grado di discriminare un suono acuto e sordo sensazione) e un esame motorio (in cui gli investigatori esamineranno la capacità del partecipante di muovere braccia e gambe). Gli investigatori prenderanno anche la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna del partecipante. In caso di gravidanza, il partecipante non sarà idoneo a partecipare allo studio e dovrà interrompere lo studio. Gli investigatori effettueranno uno screening per verificare la sensibilità o la risposta alla FES. Lo scopo di questo test è consentire al partecipante di sperimentare la FES e, in base all'esperienza, decidere se la stimolazione è tollerabile e il partecipante è disposto a partecipare allo studio. Un treno di stimolazione di prova verrà applicato al muscolo dell'arto inferiore del partecipante. Il partecipante può interrompere questo test in qualsiasi momento e rifiutarsi di partecipare ulteriormente. Se il partecipante risponde alla FES senza esperienza di dolore e desidera partecipare a questo studio, gli investigatori contatteranno il medico del partecipante per ottenere un'autorizzazione medica e una verifica del livello di lesione del partecipante, prima di iniziare lo studio vero e proprio. Al partecipante sarà richiesto di ottenere un modulo di autorizzazione medica firmato dal proprio medico prima di partecipare allo studio. Dopo aver ricevuto l'autorizzazione dal medico per partecipare a questo studio e se il partecipante è idoneo (chiedere a Nitin Sharma o al membro del gruppo di ricerca di fornire al partecipante una lista di controllo di idoneità per il Gruppo S) e scegliere di partecipare a questo studio, il partecipante lo farà essere invitato a presentarsi al laboratorio del PI e al laboratorio di deambulazione BME per completare il modulo di consenso durante la prima visita.