人間の足首運動意図の超音波画像ベースのセンシングと足首支援のための制御戦略

この研究では、神経筋疾患のない最大 20 人、および 18 ～ 64 歳の不完全脊髄損傷 (iSCI) または横断性脊髄炎の 5 人を実験のために募集します。 研究活動には、平均 8 回の実験セッションが含まれます。 セッションは、被験者の利用可能性、分析のための十分なデータ、または分析のためにより多くのデータを取得する必要性に応じて、8 セッションより多い場合も少ない場合もあります。 最初の目的は、筋肉の動きと筋肉の電気的活動 (sEMG) の超音波測定を調査して、人間の足首関節で生成される随意運動またはトルクを予測することです。 随意運動またはトルクに基づいて、機能的電気刺激 (FES) を使用して人工的に足首の筋肉を刺激するか、電動の足首外骨格を使用して足首関節をさらに補助します。 FES 電極は、最適な動きが得られるように、下肢の皮膚表面の適切な位置に配置されます。

タスク タイプ 1: 外部からの支援を使用しない場合と使用する場合の自発的な座っている状態のタスク。

セッション 1: FES を使用しない自発的な足首のアップと足首のダウン モーション。 sEMG センサーのペアは、両面テープを介して参加者の下肢の前後の筋肉に配置されます。 1 組の US イメージング トランスデューサーを同じ下腿の前部と後部の筋肉に取り付けて、足首関節の上下運動中の筋肉の活動を画像化します。 足関節の角度位置と速度を測定するために、一対の運動センサーがシャンクと足に取り付けられます。 力センサーは、足の裏と剛性のある平らなプラットフォームの間に配置され、足首の上下運動中の相互作用力を測定します。 US イメージング測定値、sEMG センサーからの電気信号、力センサーからの接触力、および動きセンサーとカメラの測定値が同時に収集されます。 データは、参加者の片方または両方の脚から収集できます。

セッション 2: FES を使用しない内側と外側への自発的な足首側方運動。 セッション 2 中、参加者は左右の足首の動きを実行します。 セッション 1 と同様のトレーニング手順は、実際の実験の前に規定されます。 参加者の脚と足に取り付けられたセンサー (セッション 1 と同じ) からの複数の測定値は、左右の足首の動きの間に取得されます。 セッション 1 とセッション 2 の両方で、運動方向 (上、下、内側、外側) ごとに 10 回の繰り返し試行が実行され、各試行はトレーニング、データ収集、データ保存、および休憩時間を含めて 10 分間続きます。筋肉疲労を避けるために。 各セッションは約 4 時間まで続く場合があります。

セッション 3: FES による補助的な足首の上下運動。 このセッションでは、セッション 1 で説明したのと同様の構成が適用されます。 さらに、FES は、フィードバックとして米国の画像に基づく測定値を取得することにより、足首の上下の動きを制御するために使用されます。 FES システムでは、足首の動きの場合、負の電極は前部筋肉の筋腹の上に配置され、正の電極はすねのさらに下に配置されます。 足首を下ろす動作では、背中の筋肉全体を活性化するために 2 つの大きな電極が使用されます。 これらの電極は、コンピューター ソフトウェアを介して制御される電気刺激装置に接続されます。 足首のアップとアンクルダウンの両方の動きに対して、パルス幅が 100 ～ 400 マイクロ秒、周波数が 20 ～ 40 Hz の低電流波形が使用されます。 電流範囲は 0 ～ 60 mA です。 いずれの場合も、使用のために定義されたパルス持続時間は 400 マイクロ秒の上限を超えることはありません。 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。

セッション 4: FES システムを使用した、内側と外側への補助的な足首側方運動。 このセッションでは、セッション 2 で説明したのと同様の構成が適用されます。 FES は、人工的に筋肉を刺激し、フィードバックとして米国の画像ベースの測定値を取得することにより、内側または外側への足首の側面の動きを制御するために使用されます。 内側と外側の両方の状況に向かう足首側の動きについて、セッション 3 で説明したように、同じ FES パラメータと変調方式が実装されます。 実験手順中に、米国の画像ベースの測定値と動きとカメラの測定値が同時に収集されます。 データは、参加者の片方または両方の脚から収集できます。 セッション 3 とセッション 4 の両方で、運動方向 (上、下、内側、外側) ごとに 10 回の繰り返し試行が実行され、各試行はトレーニング、データ収集、データ保存、および休憩時間を含めて 10 分間続きます。筋肉疲労を避けるために。 各セッションは約 4 時間まで続く場合があります。 セッション中に得られたデータが分析中に満足のいくものであることが判明しなかった場合、参加者は戻ってくるように求められる場合があります。 次の訪問は、参加者の都合で、少なくともセッション 1 と 2 の場合は 24 時間後、セッション 3 と 4 の場合は 72 時間後に行われます。

タスク タイプ 2: トレッドミル上での自発的な動的歩行タスク (外部補助の有無にかかわらず) セッション 5: FES または足首外骨格を使用しない動的歩行タスク。 タスク タイプ 1 のセッション 1 とセッション 3 と同様に、sEMG センサーと超音波イメージング トランスデューサーは、前述のフロント シャンクとバック シャンクの同じ位置に取り付けられます。 複数の反射マーカーが被験者の下肢に取り付けられ、モーション キャプチャ システムに基づいて運動学データが測定されます。 セッション 5 の間、参加者は 2 つの分割ベルトでトレッドミルに 30 秒間静止するよう求められます。 各ベルトの下にある力センサーを使用して、ベルトと参加者の足の裏の間の床反力を測定します。同時に、静的な立ち姿勢で下肢の筋肉の sEMG 信号と超音波画像も収集されます。 . その後、参加者は、0.5、0.75、1.0、1.25、および 1.5 m/s でトレッドミルを歩くように求められます。 速度ごとに、参加者がウェアラブルを使用した歩行パターンに慣れるためのウォームアップとして、最初の 5 分間のウォーキングが行われます。 ウォームアップ後、各歩行速度の次の 2 分間で、床反力、下肢筋肉の sEMG 信号と超音波画像、および反射マーカーの座標が同期して同時に記録されます。

セッション 6: FES または足首外骨格を使用した動的歩行課題ですが、動力補助はありません。 セッション 1 で説明されているセットアップとは別に、FES 電極はフロントシャンクの筋肉に配置され、足首の外骨格はバックシャンクに配置されます。 セッション 5 で述べたのと同じデータ コレクションも含まれます。 このセッションでは、参加者の骨格筋に刺激がなく、足首の外骨格モーターに力がかかりません。

セッション 7: 古い制御アプローチに基づく FES または足首外骨格を使用した動的歩行タスク。 実験のセットアップと手順は、セッション 2 で説明したものと同じに保たれます。ウォーキング ダイナミック タスクの間、電動 FES と足首外骨格を使用して、一般的な運動に基づく人間の動きの意図に従って、つま先のアップとつま先の動きを支援します。他の出版物で制御アプローチを適用しました。 2 分間のデータ収集期間中、sEMG 信号が収集され、リアルタイムで処理され、FES または足首外骨格システムが制御されます。 さらに、前後のすねの筋肉、反射マーカー座標、床反力、FES 電流振幅またはパルス幅、および外骨格モーター トルクからの超音波イメージングの時系列が、同期的かつ同時に収集されます。

セッション 8: 超音波画像と sEMG の組み合わせによる必要に応じたアシスト制御アプローチに基づく FES または足首外骨格による動的歩行タスク。 実験のセットアップと手順は、セッション 7 で述べたものと同じに保たれます。唯一の違いは、古い制御アプローチが、超音波画像と sEMG 信号を組み合わせることにより、新しく提案された必要に応じて支援する制御アプローチに置き換えられることです。 データ収集はセッション 7 と同じままです。 セクション 2 のセッション 5 ～ 8 のうち、各速度で 7 分間歩行した後、10 分間の休憩時間を設けます。 各セッションは、モーション キャプチャ システムのキャリブレーションとデバイスのセットアップに約 45 分、トレッドミルでの歩行実験に約 3 時間を含めて、最大 4 時間続く場合があります。 セッション中に得られたデータが分析中に満足のいくものであることが判明しなかった場合、参加者は戻ってくるように求められる場合があります。 次の訪問は、参加者の都合で、少なくとも 72 時間後に行われます。 さらに、安全上の理由から、セッション 3、4、7、および 8 では、参加者が実験を停止したいとき、または参加者が実験中に不快に感じるときはいつでも、参加者が実験を停止するための安全停止ボタンが追加されます。 .

iSCI または横断性脊髄炎の参加者の場合: 参加者がこの研究に参加する準備が整う前に、参加者は人口統計情報と病歴を収集するいくつかのアンケートに記入するよう求められます。 参加者は身体検査にも参加します。 身体検査は、チャペル ヒルの外来リハビリテーション クリニックの医師であるクリスティーン クリーブランド博士によって行われます。 身体検査と病歴用紙の記入には 60 分かかります。 身体検査は官能検査で構成されます（参加者は目を閉じて、参加者が綿球などの軽い触覚を感じるかどうか、参加者が鋭い鈍い感覚を区別できるかどうかを報告するように求められます）。感覚)、および運動試験 (調査員が参加者の腕と脚を動かす能力を調べる場所)。 調査員は、参加者の心拍数と血圧も測定します。 妊娠した場合、参加者は研究に参加する資格がなくなり、研究を中止する必要があります。 調査官は、FESに対する感度または反応を確認するためにスクリーニングします。 このテストの目的は、参加者が FES を体験できるようにすることであり、その経験に基づいて、刺激が許容可能であり、参加者が研究に参加する意思があるかどうかを判断します。 テスト刺激列車は、参加者の下肢の筋肉に適用されます。 参加者はいつでもこのテストを中止し、それ以上の参加を拒否することができます。 参加者が痛みを経験せずに FES に応答し、この研究への参加を希望する場合、調査員は参加者の医師に連絡して、実際の研究を開始する前に、医療クリアランスと参加者の傷害レベルの検証を取得します。 参加者は、研究に参加する前に、医師から署名された医療許可書を取得する必要があります。 開業医からこの研究に参加するための許可を得て、参加者が適格である場合 (グループ S の適格性チェックリストを参加者に渡すよう Nitin Sharma または研究チームのメンバーに依頼してください)、この研究への参加を選択した場合、参加者は最初の訪問中に同意書に記入するために、PI の研究室と BME の歩行研究室に来るように求められます。