パーソナライズされたハイブリッド歩行外骨格のモデリング、最適化、および制御方法

研究活動には、コンピューター制御の機能的電気刺激 (FES) と電気モーター駆動の装具 (電動外骨格) を使用して、機能的な下肢の動きを生成することが含まれます。つまり、立つことと歩くことです。 コンピュータ制御のアルゴリズムは、装具に組み込まれている、または組み込まれる予定の光学エンコーダ、ロードセル、感圧抵抗器、慣性測定ユニットなどのセンサーからフィードバックを取得します。参加者の筋骨格モデル。 複数のコンピューター アルゴリズムを設計して、FES を電気モーターやその他の歩行装置のコンポーネントと連携させ、立位や歩行の動きを再現または復元します。 この研究には、歩行および座位/立位の動きを推定および制御するためのコンピューター アルゴリズムの検証が含まれます。 Rifton E-Pacer 電動歩行器、腕の松葉杖、平行棒、または従来の歩行器を使用して、すべての被験者の外骨格システムの着脱、立位、および歩行を補助し、実験中いつでも、長時間使用することができます。実験の目標によって必要とみなされるように。 E-Pacer や歩行器を使用すると、実験の安全性が向上し、被験者の体への負荷が軽減されるため、被験者の全体的な身体活動が軽減されます。 電動外骨格と FES システムを組み合わせたハイブリッド歩行プラットフォームによって、座る/立つ、または歩く動きが誘発されます。 電動外骨格は、参加者の股関節と膝関節で関節作動を提供できます。 FES システムは、大腿四頭筋、ハムストリングスの筋肉、臀筋、および足首の筋肉を刺激できます。 刺激用の電極は、最適な四肢の動きを提供する場所の皮膚に配置されます。 アルゴリズムは、さまざまな筋肉の刺激が調整されて、歩行および/または座位/立位を実現するように設計されています。 グループ A でテストされる前に、グループ B の参加者に対して先行実験が実行されます。対麻痺の参加者 (グループ A) とは異なり、デバイスが故障したり予期せぬ動作をした場合、障害のない人 (グループ B) が介入することができます。 したがって、最初に障害のない人でデバイスをテストすることで、デバイスに介入できないSCIを持つ個人でテストする前に、リスクをさらに評価して対処することができます. グループ A の参加者のセッションはすべて、理学療法士の監督の下で行われます。 セラピストは、グループ A の参加者が車いすから、必要に応じて座席用のクッション付きテーブルまたは外骨格に移動するのを支援します。 グループAの参加者は、立ったり歩いたりする際の転倒を防ぐために、体重測定システムによってサポートされます。 電気刺激を含む各実験の前に、参加者の心拍数と血圧が記録されます。 セラピストは、参加者が車椅子からセラピーテーブルに移動するのも支援します。 デバイスを操作する参加者または個人は、歩行および/または立位の動きを開始します。 参加者は、参加者に与えられる安全停止ボタンを使用して、不快または危険を感じた場合に動きを止めることができます。 これらのセッション中、参加者は心拍数モニターを着用して、過度に運動しないようにし、十分な休息時間を与えることができます. 参加者の心拍数は、実験を行う個人によって各試行の前後にチェックされます。 グループ A には、運動レベルをチェックするためにボーグ スケールが適用されます。 セッションは、ボーグ スケールによって規定された制限に従って停止されます (リスク セクションの停止基準を参照してください)。 記載されているすべての実験について、実験のための訪問の間に最低1〜2日が必要であることに注意してください。 これらの活動は、目的 1 と目的 2 に分かれています。目的 1 と目的 2 は連続していないことに注意してください。 目的 1: 最適化された電動外骨格と機能的電気刺激 (FES) 支援を使用して、座ったり立ったり、歩いたりする動きを誘発します。 この目的の目的は、参加者の個人固有のモデルに基づいて、FES と外骨格の寄与を割り当てる最適なコントローラーを実験的に検証することです。 コントローラは、障害のない人や脊髄損傷のある人の下肢の動きを生成します。 グループAとグループBは、約20のセッションに参加します。 セッション数は概算であり、この数を超える可能性があり、それ以上の参加を禁止するセッション数のカットオフはありません。 セッションの所要時間は、最大で 4 時間です。 セッションの所要時間は概算であり、指定した時間より長くなったり短くなったりする可能性があります。 予期しない技術的または誤った実験データが原因で、セッションの総数が一部の参加者の数セッション分オーバーシュートする場合があります。 これらの実験は、Neuromuscular Control and Robotics Laboratory (NCRL) または主任研究員が運営する Chapel-Hill の外来リハビリテーション クリニックで実施されます。 これらの実験は 2 つのタスクに分かれています。 タスク 1: 習熟、トレーニング、およびモデルの識別のための最初の訪問。 習熟とトレーニングの訪問により、参加者ごとにハイブリッド歩行外骨格をカスタマイズおよび最適化することができます。 このタスクでは、参加者は約 3 セッションで NCRL を訪れます。 これらのセッションの所要時間は 4 時間以内です。 セッションの所要時間は概算であり、指定した時間より長くなったり短くなったりする可能性があります。 予期しない技術的または誤った実験データが原因で、セッションの総数が一部の参加者の数セッション分オーバーシュートする場合があります。 最初の訪問では、参加者にデバイスが合うようにハイブリッド デバイスの調整が行われます。 これらの訪問の目的は、座位から立位への移動のトレーニングと、ハイブリッド ウォーキング デバイスを使用した歩行動作の実行です。 コンピューター制御のアルゴリズムを使用して、座ってから立つ、立って座る、および歩く動作を実行します。 各個人のモデル パラメーターを見つけるためのモデル同定実験は、初期トレーニングおよび習熟研究中に実行できます。 これらのモデル識別実験は、参加者がハイブリッド歩行装置で座ったり立ったり、歩いたりしながら行うことができます。 被験者固有のパラメーターが特定されると、FES とパワード外骨格を調整する歩行および/または立っているアルゴリズムが導出またはオフラインの動的最適化を使用して最適化されます。 タスク 2: 座位/立位および/または歩行アルゴリズムの検証。 最初の訪問 (タスク 1) の後、歩行および/または立っているアルゴリズムがテストされます。 このアルゴリズムは、ハイブリッド歩行システムに組み込まれた光学エンコーダ、慣性測定ユニット、ヒール接触センサーなどのさまざまなセンサーから感覚情報を取得して、電動外骨格の FES と電気モーターを最適に調整するコンピューター プログラムです。 アルゴリズムは、約 7 セッションで各参加者に対して実験的に検証されます。 各セッションは 4 時間以内に実行されます。これには、立位、歩行、休憩の時間、装具の調整に必要な時間、および必要に応じてコンピューター コードを更新するのに必要な時間が含まれます。 セッションの数と期間は推定値であり、実験の条件に基づいて変更される可能性があることに注意してください。 モーション キャプチャ システムを使用して関節角度を測定することもできるため、時空間的な歩行特性を健康な対照被験者の正常な歩行と比較することができます。 記録された歩行データは、デバイスの制御システムのパフォーマンスを評価し、ユーザーがデバイスをより快適に使用できるようになるにつれて、ユーザーの歩行がどのように変化するかを示すためにも使用されます。 これらのセッションは、デバイスのアプリケーションと有効性を説明できるように記録することができます。 目的 2: 超音波ベースのフィードバックを統合して、ハイブリッド外骨格を制御します。 この目的の目的は、FES によって誘発される筋肉疲労を測定するためのツールとして超音波イメージングを使用できるかどうかを調査し、さらに米国由来の信号を使用して FES と外骨格の支援を最適化できるかどうかを調査することです。 この目的の最初の目的は、筋肉疲労の発症を示す超音波ベースの疲労モデルを開発することです。 2 番目の目的は、超音波ベースの疲労モデルを、着座から立位、歩行、立位から座位の動作中に FES と電気モーターの制御を調整するアルゴリズムで使用することです。 グループAとグループBの個人がこの目標に参加します。 参加者は、それぞれ 4 時間以内の約 10 セッションに参加します。 セッションの総数は、予期しない技術的または誤った実験データが原因で、または参加者が研究を離れた場合、10 より多い場合も少ない場合もあります。 これらの実験は、NCRL またはチャペルヒルの外来リハビリテーション クリニックで実施されます。 タスク 1: 超音波画像に基づく脚の筋肉の疲労および回復対策の開発。 筋肉疲労を生成する刺激プロトコルに従います。 筋肉疲労は、大腿四頭筋の FES によって生成される等尺性トルクの割合の減少として定義されます。 等尺性トルクの低下は参加者によって異なる可能性があるため、すべての参加者に対して共通の刺激プロトコルが採用されます。 これは、それぞれ 4 時間以内の約 2 つのセッションで行われます。 セッションの所要時間は概算であり、指定した時間より長くなったり短くなったりする可能性があります。 予期しない技術的または誤った実験データが原因で、セッションの総数が一部の参加者の数セッション分オーバーシュートする場合があります。 超音波 (電極間に配置されたイメージング プローブを使用) とトルク データ (負荷センサーから) の両方が収集されます。 市販の超音波システム (S-Sharp Corporation、台湾) に接続されたハンドヘルド型の市販の超音波トランスデューサー (5 ～ 20 MHz 臨床トランスデューサー) を皮膚に当てます。温かみのあるジェルを皮膚に塗布して、イメージングを支援します。 強度やフレーム レートなどを含むすべての超音波イメージング パラメータは、臨床超音波イメージングの安全ガイドラインを下回っています (MI 値が 1.9 未満)。 これらの実験の後、処理された超音波データは測定されたトルクと関連付けられ、疲労と回復の測定値が決定されます。 タスク 2: 制御割り当てアルゴリズムへの超音波ベースの疲労モデルの組み込み。 超音波イメージングに基づく疲労と回復の測定は、筋肉疲労の発症を予測するために使用できます。 実験研究は、(グループ A) および (グループ B) に対して 2 セッションにわたって実施され、それぞれ 4 時間以内で終了します。 セッションの所要時間は概算であり、指定した時間より長くなったり短くなったりする可能性があります。 予期しない技術的または誤った実験データが原因で、セッションの総数が一部の参加者の数セッション分オーバーシュートする場合があります。 目標 1 のタスク 2 のアルゴリズムは、超音波ベースの疲労および回復対策を組み込むように変更されます。 前述の目的で使用される刺激パラメーターについてのコメント: 私たちの研究で使用される刺激の通常の範囲は次のとおりです。パルス幅 100-400 マイクロ秒。周波数：20～100Hz。電流0～100mA。 通常、実験中、電流は 0 mA からタスクを達成するために必要な値まで自動的に (場合によっては手動で) 変調されます。 これは、刺激装置と通信する制御システムへのフィードバック信号によって実現されます。 制御システムは、電流が最大制限を超えることを許可しません。 通常、パルス幅と周波数は一定に保たれます。 各参加者に使用される刺激パラメーターは、実験セッションごとに文書化され、セッション中の刺激パラメーターの変更も記録されます。