歩行中のヒラメ筋負荷反応

この基礎科学研究では、参加者は 1 つのグループに割り当てられます。 プロトコルには、トレッドミル歩行中のウェアラブル電動足首デバイスとその制御アルゴリズムのテストが含まれます。 ロボット足首デバイスは、プラスチック製の足首足装具とベルクロ ストラップを使用して、参加者のふくらはぎと足に取り付けられます。 ロボット足首デバイスは、反対側が歩行中に自由である間、障害のある側に着用されます。 参加者は、カスタム装具フレームを使用してロボット足首デバイスに足 (片麻痺側) を配置します。 デバイスのメカニカル ジョイントは、参加者の足首関節センターに合わせます。 シャンクの周囲に輪になったストラップは、参加者の脚を足首デバイスに取り付けて、機械的関節が足首関節を確実に回転させるようにします。 フィット感は不快なほどタイトではありませんが、相対的な (不要な) ずれを防ぐのに十分なほどタイトでなければなりません。 ケーブルは、底屈方向と背屈方向にトルクを加える一対の電気モーターに接続されています。 デバイスは、関節角度の測定値を収集します。 モータは、ロボット装置が足首回転摂動を適用してヒラメ筋活動の変化を誘発するように、足首関節角度を使用して調整されます。 足首のデバイスは、かかととつま先の足裏の下に配置された圧力センサーを統合して、垂直方向の地面反力を収集します。

筋電図 (EMG) センサーは、ヒラメ筋と前脛骨筋群に配置されます。 EMG センサーは、センサーを皮膚に貼り付けるために生体適合性テープを使用して接着されます。 EMG 活動は増幅され、バンドパス フィルター処理 (10 ～ 1000 Hz) され、3,000 Hz でサンプリングされ、保存されます。 研究メンバーは、参加者が EMG センサーを配置するのを支援するために利用できます。 心拍数と血圧は、プロトコルの開始時に事前に監視されます。 足首、膝、および股関節の運動学は、ウェアラブルなエレクトロゴニオメーターを使用して両側で記録されます。 参加者は、動きを制限することなく落下を防ぐために、ポータブル システム (オーバーヘッド トラックと三脚) に取り付けられた安全ハーネスを着用します。 参加者が実験をすぐに停止できる緊急停止ボタンが用意されています。 参加者は、スタッフに非常停止ボタンを押すように口頭で要求できます。

参加者は、短時間のトレッドミル ウォーキング (1 回あたり 4 ～ 6 分) の間、自分で選択した快適な速い速度 (たとえば、時速 3.5 ～ 4 km) で歩きます。 トレッドミルはコンピューターによって外部から制御され、ベルトの速度を調整します。 歩行セッションは、疲労と筋肉反応の経時変化を避けるために、約 60 ～ 90 分続くと予想されます。 ウォームアップ中に、足底屈筋の最大随意収縮 (MVC) が立位で収集され、歩行運動学、筋筋電図、床反力が、ロボット足首デバイスを着用せずに歩いて記録されます。

ウォームアップに続いて、ロボット装置を装着したトレッドミル上を歩きながら、開発されたアルゴリズムを使用して足首の回転が適用され、立脚中期から後期の段階でヒラメ筋の負荷応答が引き起こされます。 制御アルゴリズムは、自然な足首の運動学からのシフトである足首の摂動を適用し、慣れを防ぐために、1 つおきの 4 ～ 6 歩行サイクルごとに中後期の立脚期のヒラメ筋負荷応答をターゲットにします。 摂動の大きさ、速度、およびタイミングは、トレッドミルの歩行中に制御されます。 デバイスによって適用される摂動 (大きさと速度) の固有のパラメーターにより、筋肉の反応を誘発するために立脚期に短時間適用されるため、転倒のリスクが最小限に抑えられます (例えば、機械的なストレッチに似ています)。反射）。 したがって、摂動は、歩行の運動学に大きな影響を与える足首の動きをガイドまたは支援するために適用されません。 スタンス内の摂動の窓の外では、足首のコントロールがオフになります。

どのステップ サイクルでも、可能な条件は 2 つだけです。 参加者は摂動または摂動のない状態にあります。 摂動ステップ サイクル中、参加者は足首デバイスを着用し、足首足の動きを変更する力を加えます (つまり、デバイスがアクティブになります)。 乱れのないステップ サイクル中、参加者は足首デバイスを装着していますが、足首と足の動きを変更する力は適用されません (つまり、デバイスはパッシブであり、アクティブではありません)。

歩行セッションは、摂動のあるステップと摂動のない歩行ステップを交互に配置する 4 ～ 5 回の歩行発作で構成されます (1 回の歩行につき約 30 の摂動ステップと非摂動ステップのデータを収集するまで)、摂動ステップの前に少なくとも 1 つの非摂動ステップを残します。 試合の間には休憩が設けられています。

研究チームは、歩行セッション中に参加者を継続的に監視し、口頭でフィードバックを要求して、参加者の快適さと安全を確保します。 パフォーマンスが安全/望ましい速度またはトルクの範囲を超えた場合、セッションを停止するために、自動および手動のソフトウェア セーフガードが配置されます。 歩行セッションはクールダウンで終了し、デバイスを装着せずに関節の運動学、筋電図、および推進歩行を測定します。 実験の最後に、ウェアラブル センサーを体からそっと取り外します。 研究スタッフは、参加者が足首のデバイスを脱ぐのを手伝います。

この研究には、既知の神経学的状態や整形外傷の病歴のない15人の個人を登録する単一のグループが含まれます。 ヒラメ筋筋電図の変化は、歩行セッション中の摂動歩行ステップと非摂動歩行ステップの間で比較されます。 一次測定 (ヒラメ筋筋電図反応) については、摂動のない筋電図と摂動のある筋電図の差をスチューデントの t 検定で評価します。健常者のサンプル サイズにより、両側 95% 信頼水準で推定できます。それぞれ、5.4％の非摂動EMGの誤差範囲内の摂動に対するヒラメ筋EMG応答。 この計算は、sd を使用したグループ分析が行われた以前の研究に基づいています。 0.87% の変化 (摂動されていない EMG の割合) は、立脚中期から後期にかけて 1 deg/s の関節運動の摂動に応答してヒラメ筋 EMG で観察されました (すなわち、ヒラメ筋 EMG の変動は速度と直線的に関連しています) /または摂動の振幅)。 同様のs.d.提案された研究では、 N = 15人の健常者のサンプルサイズが得られます。 さらに、脳卒中による片麻痺と歩行障害を持つ5人の参加者のサンプルサイズを調査して、提案されたアルゴリズムとヒラメ筋負荷応答を誘発するデバイスの実現可能性を調べます。 脳卒中後の参加者に関するデータが入手できないため、s.d. 脳卒中後の個人でテストを実施する前に、動揺していないヒラメ筋筋電図の変化率を定義することはできません。 したがって、このパイロット研究は、脳卒中後の人々に適用された摂動によるヒラメ筋筋電図を特徴付けるための予備的な結果を提供します。